CN111308441A - 一种激光雷达的发射装置及组装方法 - Google Patents

一种激光雷达的发射装置及组装方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种激光雷达的发射装置，包括：平行激光束发射器，用于发射平行激光束；以及至少一个调整元件，设置在所述平行激光束发射器的平行激光束的光路上，以将所述平行激光束调整为具有投射角的激光束。本申请还提供了激光雷达和发射装置的组装方法。本申请可以实现对面阵光源的替代并形成具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。

Description

一种激光雷达的发射装置及组装方法
技术领域
本申请涉及一种激光雷达的发射装置以及该发射装置的组装方法。
背景技术
激光雷达(LIDAR)目前主要分为普通的机械式旋转雷达、混合固态雷达和不旋转固态雷达。现有的机械式的激光雷达价格昂贵，为了配合自动驾驶的普及，固态激光雷达逐渐成为了市场的重点研发方向。其中，固态激光雷达，目前市场上分为三种方式：基于相控阵、Flash和MEMS。
3D Flash激光雷达通过直接向探测区域发射出面阵激光(而非单个光束)，使用高灵敏度的接收器接收激光，进而得到周围的点云图像。3DFlash激光雷达属于非扫描式固态激光雷达，和传统的机械式激光雷达相比，3D Flash激光雷达具有成本低、易装调、可靠性高等优点，因此在自动驾驶领域具有广泛应用前景。
常见3D Flash激光雷达发射装置，使用一个面阵的光源，经过发射镜头后形成一个具有一定角度的激光光场。3D Flash激光雷达发射装置需要一个面阵的光源，该面阵光源价格较高；同时受到面阵光源的均匀度的制约，光场均匀度较低。
目前，激光雷达应用于的主要难点之一在于价格昂贵，因此通过技术上的研发进一步降低激光雷达的成本，是激光雷达的重要研究方向。
发明内容
本申请旨在提供一种能够克服现有技术的至少一个缺陷的解决方案。
根据本申请的一个方面，提供了一种激光雷达的发射装置，包括：
平行激光束发射器，用于发射平行激光束；以及
至少一个调整元件，设置在所述平行激光束发射器的平行激光束的光路上，以将所述平行激光束调整为具有投射角的激光束。
在一个实施方式中，所述平行激光束发射器包括：
光源，用于发射探测激光；以及
至少一个准直元件，位于所述光源发射的探测激光的光路上，用于将所述探测激光准直为所述平行激光束。
在一个实施方式中，所述至少一个调整元件将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。
在一个实施方式中，所述至少一个调整元件为单面或双面微光学镜片阵列。
在一个实施方式中，所述单面或双面微光学镜片阵列为单面或双面微柱面光学镜片阵列。
在一个实施方式中，所述单面或双面微光学镜片阵列为单面或双面微旋转球面或微旋转非球面透镜阵列。
在一个实施方式中，所述光源包括：
至少一个半导体激光器，所述至少一个半导体激光器发射的激光束具有发射角。
在一个实施方式中，所述光源包括：
至少一个垂直腔面发射激光器，所述至少一个垂直腔面发射激光器发射的激光束具有发射角。
在一个实施方式中，所述光源包括：
至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器，所述至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器发射的激光束具有发射角。
在一个实施方式中，所述至少一个准直元件包括至少一个光学镜片。
在一个实施方式中，所述至少一个光学镜片为单个弧形光学镜片。
在一个实施方式中，所述至少一个准直元件包括至少一个组合光学镜片。
在一个实施方式中，所述至少一个组合光学镜片为单个双胶合光学镜片。
根据本申请的另一个方面，提供了一种激光雷达，包括：如上实施方式中所述的任一发射装置。
根据本申请的还一个方面，提供了一种激光雷达的发射装置的组装方法，包括：
设置光源用于发射探测激光；
在所述探测激光的光路上设置至少一个准直元件以将所述光源发射的探测激光准直为平行激光束；以及
在所述平行激光束的光路上设置至少一个调整元件以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的激光束。
在一个实施方式中，在所述平行光束的光路上设置至少一个调整元件以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的激光束的步骤包括：
在所述平行激光束的光路上设置所述至少一个调整元件，以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的、均匀的光束。
与现有技术相比，本申请具有下列至少一个技术效果：
1、本申请的激光雷达的发射装置可以替代现有激光雷达中的面阵光源，价格低，具有成本优势。
2、本申请的激光雷达的发射装置可以将激光束准直与调整为具有投射角的激光束。
3、本申请的激光雷达的发射装置可以将激光束准直与调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。
附图说明
在参考附图中示出示例性实施例。本文中公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。
图1示出了本申请一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图；
图2示出了本申请一个实施例的光源发射的激光束通过至少一个准直元件和至少一个调整元件的准直和调整后的效果图；
图3为本申请另一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图；
图4A为半导体激光器所发射的激光束在横向方向上的光强分布图；
图4B为半导体激光器所发射的激光束在纵向方向上的光强分布图；
图4C为半导体激光器所发射的激光束的光强分布平面图；
图4D为本申请一个实施例的至少一个调整元件的立体图；
图4E为图3所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图；
图5A为本申请还一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图；
图5B为本申请一个实施例的至少一个调整元件的立体图；
图5C为本申请一个实施例的至少一个调整元件的立体图；
图5D为图5A所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图；
图5E为图5D所示的光强分布平面图的竖直方向上光强数值曲线图；
图6A为本申请又一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图；
图6B为本申请一个实施例的至少一个调整元件的立体图；
图6C为图6A所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图；
图7示出了本申请一个实施例的发射装置的组装方法的流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本申请一个实施方式的激光雷达发射装置100的原理图。如图1所示，激光雷达发射装置100包括平行激光束发射器和至少一个调整元件103，平行激光束发射器包括光源101和至少一个准直元件102。其中，光源101用于发射探测激光；至少一个准直元件102位于光源101发射的探测激光的光路上，用于将探测激光准直为平行激光束；至少一个调整元件103设置在至少一个准直元件102准直的平行激光束的光路上，以将平行激光束调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀激光束。
在该实施例中，光源101发射出探测激光。光源101可采用能够发射探测激光束的激光源。通常，光源101发射的激光束为非平行的激光束，如图1所示。
至少一个准直元件102将光源101发射出探测激光进行准直，变为平行的激光束，然后经过至少一个调整元件103的进一步调整，将平行的激光束变为具有投射角的激光束，从而实现对激光雷达所发射激光的调整，调整后的激光束投射至检测方位，与检测方位的物体接触后进行反射，反射的激光束经过接收装置(未示出)的接收及分析装置(未示出)的分析后，一方面可以计算出在激光束投射方向上，光源与物体之间的距离，另一方面可以获得激光束投射方向的物体的三维图像，从而为操作提供参考数据。在一个实施例中，至少一个调整元件为单面或双面微光学镜片阵列，具体地为单面或双面微柱面光学镜片阵列，或者具体地为单面或双面微旋转球面或微旋转非球面透镜阵列。
在该实施例中，光源101发射的激光束经过至少一个准直元件102和至少一个调整元件103的调整后，可以对光源101发射的激光束的发射角度进行调整，发射角度的调整可以进一步调整所发射激光束的单位面积的强度，进而可以调整三维图像的成像质量。
另外，本申请的发射装置的价格与现有的面阵光源相比不但具有价格优势，而且相对于现有的面阵光源而言可以投射出投射角度可调整的激光束。
在一个实施例中，光源101发射的激光束通过至少一个准直元件102和至少一个调整元件103的准直和调整后可以形成具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。在该实施例中，激光束投射到检测方位的物体上的激光束是均匀的，反射后的激光束也相对比较均匀，从而可以获得均匀度与清晰度较高的三维图像。图2示出了本申请一个实施例的光源101发射的激光束通过至少一个准直元件102和至少一个调整元件103的准直和调整后的效果图。如图2所示，经过至少一个准直元件102和至少一个调整元件103的准直和调整后，激光束的激光强度在投射区域内均匀地分布。
在一个实施例中，光源101与至少一个准直元件102之间的距离可例如为2mm至30mm，在该距离内至少一个准直元件102可较好的完成光源101所发射的激光束的准直。
在一个实施例中，至少一个准直元件102与至少一个调整元件103之间的距离可例如为2mm至15mm，在该距离内至少一个调整元件103可较好的完成光源101所发射的激光束的调整，从而将平行的激光束调整成具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。
图3为本申请另一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图。如图3所示，该实施例的激光雷达发射装置100’包括光源101’、至少一个准直元件102’和至少一个调整元件103’，其中，光源101’为半导体激光器，该半导体激光器发射的激光束的发射角可例如为15°×30°，其中该半导体激光器发射的激光束近似为高斯分布。图4A为半导体激光器所发射的激光束在横向方向上的光强分布图。如图4A所示，半导体激光器射所发射的激光束的强度在中心位置强度最大，并由中心向边缘递减。图4B为半导体激光器所发射的激光束在纵向方向上的光强分布图。如图4B所示，半导体激光器射所发射的激光束的强度在中心位置强度最大，并由中心向边缘递减。图4C为半导体激光器所发射的激光束的光强分布平面图。如图4C所示，半导体激光器射所发射的激光束的强度在中心位置强度最大，并由中心向四周边缘递减。通过图4A-图4C可以看出，激光器所发射的激光束的强度分布并不均匀。
在该实施例中，至少一个准直元件102’为光学镜片，该光学镜片可为弧形光学镜片。图4D为本申请一个实施例的至少一个调整元件103’的立体图。如图4D所示，至少一个调整元件103’为双面微柱面光学镜片阵列，至少一个调整元件103’的前、后面的微柱面光学镜片的延伸方向互相垂直，根据至少一个调整元件103’中微柱面光学镜片的柱面的半径值的不同，可以形成不同的投射角。
作为一个示意性的示例，光源101’与至少一个准直元件102’之间的距离例如为26mm，至少一个调整元件103’与至少一个准直元件102’之间的距离可设置为10mm，在这种情况下至少一个准直元件102’将光源101’发射的激光束准直为直径为20mm的平行光束。该直径为20mm平行光束经过至少一个调整元件103’的调整，成为投射角为30°×40°的均匀激光束。图4E为图3所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图。如图4E所示，经过图3所示的激光雷达发射装置调整的激光束为矩形均匀分布的激光束。
图5A为本申请还一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图。如图5A所示，该实施方式的激光雷达发射装置100”包括光源101”、至少一个准直元件102”和至少一个调整元件103”。光源101”为垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器的激光束的发射角可例如为15°×15°，其中该垂直腔面发射激光器发射的激光束近似为高斯分布。
在该实施例中，至少一个准直元件102”可为组合光学镜片，例如该组合光学镜片为双胶合光学镜片。图5B为本申请一个实施例的至少一个调整元件103”的立体图。如图5B所示，至少一个调整元件103”为单面微柱面光学镜片阵列。图5C为本申请一个实施例的至少一个调整元件103”的立体图。如图5C所示，至少一个调整元件103”为双面微柱面光学镜片阵列，其中，前、后面的微柱面的微柱的延伸方向一致。根据至少一个调整元件103”中微柱面光学镜片的柱面的半径值的不同，可以形成不同的投射角。
作为一个示例，光源101”与至少一个准直元件102”之间的距离可设置为15mm，而至少一个调整元件103”与至少一个准直元件102”之间的距离可为4mm，在这种情况下，该至少一个准直元件102”将光源101”发射的激光束准直为直径为10mm的平行光束，再经过至少一个调整元件103”的调整，将直径为10mm的平行光束调整为投射角为0.1°×6°的均匀激光束。图5D为图5A所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图。图5E为图5D所示的光强分布平面图竖直方向上的光强数值曲线图。如图5D和图5E所示，经过图5A所示的激光雷达发射装置调整的激光束为光强线形均匀分布的激光束。
图6A为本申请又一个实施方式的激光雷达发射装置的原理图。如图6A所示，该实施例的激光雷达发射装置100”’包括光源101”’、至少一个准直元件102”’和至少一个调整元件103”’。光源101”’为4×4阵列的16个半导体激光器，每个半导体激光器的发射角可例如为10°×25°，其中该16个半导体激光器发射的激光束近似为高斯分布。
在该实施例中，至少一个准直元件102”’可为4×4阵列的16个组合光学镜片或者单光学镜片。图6B为本申请一个实施例的至少一个调整元件103”’的立体图。如图6B所示，至少一个调整元件103”’为双面微旋转球面或微旋转非球面透镜阵列。根据至少一个调整元件103”’中微弧面光学镜片的弧面的半径值的不同，可以形成不同的投射角。
作为一个示例，光源101”’与至少一个准直元件102”’之间的距离可设置为10mm，而至少一个准直元件102”’与至少一个调整元件103”’之间的距离可为10mm，在这种情况下，该至少一个准直元件102”’将光源101”’发射的激光束准直为直径为20mm的平行光束，再经过至少一个调整元件103”’的调整，将直径为20mm的平行光束调整为投射角为10°×10°的均匀激光束。图6C为图6A所示的激光雷达发射装置投射的激光束的光强分布平面图。如图6C所示，经过图6A所示的激光雷达发射装置调整的激光束为圆形均匀分布的激光束。
在一个实施方式中，光源包括至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器，至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器发射的激光束具有发射角。
本申请的另外实施中，还提供了基于上述发射装置的激光雷达。其中，该激光雷达包括激光发射装置，该发射装置可以是前述任一实施例中的发射装置。
图7示出了本申请一个实施例的发射装置的组装方法200的流程图。参考图7，该方法包括：
在步骤S201中设置光源，其中，光源用于发射探测激光。
在步骤S202中，在探测激光的光路上设置至少一个准直元件以将光源发射的探测激光准直为平行激光束。例如，沿探测激光的光路，距离光源2mm至30mm的范围内设置至少一个准直元件。
在步骤S203中，在平行光束的光路上设置至少一个调整元件以将至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的激光束。例如，可沿平行激光束的光路，距离至少一个准直元件2mm至15mm的范围内设置至少一个调整元件。进一步地，在步骤S203中，在平行光束的光路上通过设置至少一个调整元件将准直元件准直后的平行激光束调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀的光束。
通过上述组装步骤形成的发射装置进行操作时，激光束投射到检测方位的物体上的激光束是均匀的，反射后的激光束也相对比较均匀，从而可以获得均匀度与清晰度较高的三维图像。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (16)

1.一种激光雷达的发射装置，其特征在于，包括：
平行激光束发射器，用于发射平行激光束；以及
至少一个调整元件，设置在所述平行激光束发射器的平行激光束的光路上，以将所述平行激光束调整为具有投射角的激光束。
2.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述平行激光束发射器包括：
光源，用于发射探测激光；以及
至少一个准直元件，位于所述光源发射的探测激光的光路上，用于将所述探测激光准直为所述平行激光束。
3.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个调整元件将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀的激光束。
4.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个调整元件为单面或双面微光学镜片阵列。
5.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述单面或双面微光学镜片阵列为单面或双面微柱面光学镜片阵列。
6.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述单面或双面微光学镜片阵列为单面或双面微旋转球面或微旋转非球面透镜阵列。
7.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述光源包括：
至少一个半导体激光器，所述至少一个半导体激光器发射的激光束具有发射角。
8.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述光源包括：
至少一个垂直腔面发射激光器，所述至少一个垂直腔面发射激光器发射的激光束具有发射角。
9.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述光源包括：
至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器，所述至少一个光纤耦合激光器或光纤激光器发射的激光束具有发射角。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个准直元件包括至少一个光学镜片。
11.根据权利要求10所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个光学镜片为单个弧形光学镜片。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个准直元件包括至少一个组合光学镜片。
13.根据权利要求12所述的发射装置，其特征在于，所述至少一个组合光学镜片为单个双胶合光学镜片。
14.一种激光雷达，其特征在于，包括：如权利要求1-13中所述的任一发射装置。
15.一种激光雷达的发射装置的组装方法，其特征在于，包括：
设置光源用于发射探测激光；
在所述探测激光的光路上设置至少一个准直元件以将所述光源发射的探测激光准直为平行激光束；以及
在所述平行激光束的光路上设置至少一个调整元件以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的激光束。
16.根据权利要求15所述的组装方法，其特征在于，在所述平行光束的光路上设置至少一个调整元件以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的激光束的步骤包括：
在所述平行激光束的光路上设置所述至少一个调整元件，以将所述至少一个准直元件准直的平行激光束调整为具有投射角的、各个投射方向光强均匀的光束。
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