CN111308721A

CN111308721A - 一种光学视窗以及激光雷达

Info

Publication number: CN111308721A
Application number: CN202010142293.2A
Authority: CN
Inventors: 李璟; 刘玉平; 马如豹
Original assignee: Guangdong Bozhilin Robot Co Ltd
Current assignee: Guangdong Bozhilin Robot Co Ltd
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: CN111308721B

Abstract

本发明实施例提供一种光学视窗以及激光雷达，光学视窗包括第一面、第二面和侧壁，侧壁连接第一面和第二面，第一面、第二面以及侧壁围绕形成空腔；第一面平行于第二面，且第一面的面积等于第二面的面积；侧壁围绕光学视窗的中心轴旋转对称，侧壁关于基准面对称，其中，中心轴穿过光学视窗的中心且垂直于第一面，光学视窗的中心位于基准面上，基准面平行于第一面；侧壁包括内侧面和外侧面，外侧面位于内侧面的外围，外侧面背离光学视窗的中心凸起。本发明实施例提供一种光学视窗以及激光雷达，消除了因光学视窗使激光雷达产生像散和激光束发散的不利影响，提高了激光雷达的探测精度和探测能力。

Description

一种光学视窗以及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及一种光学视窗以及激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种高精度测距仪器，由于具有重量轻、体积小、测距精度高、抗干扰能力强等众多优点，被广泛运用在机器人、驾驶、导航等领域中。特别是针对日趋成熟的360°旋转扫描式二维激光雷达，以使在全视场范围内稳定的扫描和探测，激光雷达系统中的光学视窗起到了非常重要的作用；首先是滤波作用，遮挡激光之外的其他光源进入激光雷达系统内，避免了其他光源被探测器接收，造成探测信噪比降低，严重影响探测能力；其次是防护作用，避免激光雷达内部各零部件直接暴露在环境中，因环境的复杂多变引起的探测精度的降低，甚至是无法正常的工作。

世面常见的激光雷达光学视窗为筒形形状，在水平方向等价于凹透镜，对光的传播具有发散作用，会使激光束的光斑变大，竖直方向等价于形平板，光直线传播，不影响激光束的光斑大小，因此通过该光学视窗的激光束，造成水平和竖直方向上的发散角不一样而产生像散现象，直接的影响因素是扫描方向上的角分辨率降低，同时由于激光束能量的分散引起探测能力的降低。

另外，光学视窗的造型有锥形和异形形状。虽然一定程度上抑制了激光束的发散角，但均存在的问题是从光学视窗中出射的激光束不是沿水平方向照射到被测物上，而是与水平方向存在一定的夹角射向被测物，因此破坏了激光束出射光斑在竖直方向上的对称性，像散并未得到有效的消除。

发明内容

本发明实施例提供一种光学视窗以及激光雷达，消除了因光学视窗使激光雷达产生像散和激光束发散的不利影响，提高了激光雷达的探测精度和探测能力。

第一方面，本发明实施例提供一种光学视窗，包括第一面、第二面和侧壁，所述侧壁连接所述所述第一面和第二面，所述第一面、所述第二面以及所述侧壁围绕形成空腔；所述第一面平行于所述第二面，且所述第一面的面积等于所述第二面的面积；

所述侧壁围绕所述光学视窗的中心轴旋转对称，所述侧壁关于基准面对称，其中，所述中心轴穿过所述光学视窗的中心且垂直于所述第一面，所述光学视窗的中心位于所述基准面上，所述基准面平行于所述第一面；

所述侧壁包括内侧面和外侧面，所述外侧面位于所述内侧面的外围，所述外侧面背离所述光学视窗的中心凸起。

可选地，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

沿着所述中心轴的延伸方向上，所述侧壁各个位置处具有相同的厚度。

可选地，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径等于所述内侧面的半径。

可选地，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

沿着所述中心轴的延伸方向上，所述侧壁与所述基准面距离越远位置处的厚度越大。

可选地，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径大于所述内侧面的半径。

可选地，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

沿着所述中心轴的延伸方向上，所述侧壁与所述基准面距离越远位置处的厚度越小。

可选地，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径小于所述内侧面的半径。

可选地，所述内侧面为圆柱面。

可选地，所述内侧面朝向所述光学视窗的中心凸起。

第二方面，本发明实施例提供一种激光雷达，包括第一方面所述的光学视窗。

本发明实施例中，光学视窗的外观呈中空的“鼓”形形状，光学视窗的顶部内外径与底部内外径相同，光学视窗的中部向外凸出且中部外径大于顶部外径，相比于常见的筒形形状的光学视窗而言，避免了对光学的发散，避免了水平方向和竖直方向上的发散角不一样而产生像散现象。光学视窗的上半部分和下半部分关于基准面对称，经过光学视窗的侧壁出射的光斑在竖直方向上对称，像散得以进一步地消除，从而消除了因光学视窗使激光雷达产生像散和激光束发散的不利影响，提高了激光雷达的探测精度和探测能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光学视窗的立体结构示意图；

图2为图1中所示光学视窗的正视图；

图3为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图；

图4为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图；

图5为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图；

图6为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图；

图7为本发明实施例提供的一种激光雷达的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种光学视窗的立体结构示意图，图2为图1中所示光学视窗的正视图，参考图1和图2，光学视窗包括第一面11、第二面12和侧壁20。侧壁20连接第一面11和第二面12，第一面11、第二面12以及侧壁20围绕形成空腔。第一面11平行于第二面12，且第一面11的面积等于第二面12的面积。示例性地，第一面11可以为光学视窗的顶面，第二面12可以为光学视窗的底面。侧壁20围绕光学视窗的中心轴BB’旋转对称，侧壁20关于基准面S(在图2所示的正视图中基准面S以基准线AA’示意)对称。其中，中心轴BB’穿过光学视窗的中心O且垂直于第一面11，光学视窗的中心O位于基准面S上，基准面S平行于第一面11。光学视窗的中心O位于第一面11、第二面12以及侧壁20围绕形成空腔内，且光学视窗的中心O为光学视窗的几何中心。侧壁20在其各个位置处具有相同密度的情况下，光学视窗的中心O还是光学视窗的重心。侧壁包括内侧面22和外侧面21，外侧面21位于内侧面22的外围，也就是说，外侧面21位于内侧面22远离光学视窗的中心O的一侧。外侧面21背离光学视窗的中心O凸起。

本发明实施例中，光学视窗的外观呈中空的“鼓”形形状，光学视窗的顶部内外径与底部内外径相同，光学视窗的中部向外凸出且中部外径大于顶部外径，相比于常见的筒形形状的光学视窗而言，避免了对光学的发散，避免了水平方向和竖直方向上的发散角不一样而产生像散现象。光学视窗的上半部分和下半部分关于基准面对称，经过光学视窗的侧壁出射的光斑在竖直方向上对称，像散得以进一步地消除，从而消除了因光学视窗使激光雷达产生像散和激光束发散的不利影响，提高了激光雷达的探测精度和探测能力。本发明各个实施例中光学视窗的设计主要针对的是光学视窗的侧壁的设计。

示例性地，光学视窗的外侧面21为球面，内侧面22可以根据激光雷达中激光器(图中未示出)的规格参数进行设计。在其他实施方式中，光学视窗的外侧面21还可以为椭球面等，本发明实施例对于外侧面21的形状不做具体限定。

可选地，参考图1和图2，内侧面22背离光学视窗的中心O凸起，外侧面21和内侧面22具有相同的凸起方向。沿着中心轴BB’的延伸方向上，侧壁20各个位置处具有相同的厚度。也就是说，光学视窗不同部位的壁厚相同，等价于沿基准面S(或者基准线AA’)对称的弯月形同心透镜。本发明实施例中，光学视窗可以针对出射方形或圆形激光束的激光器所设计的，因此，从光学视窗中出射对称性良好的激光束，且无像散现象。

可选地，参考图1和图2，外侧面21以及内侧面22均为球面，外侧面21的半径等于内侧面22的半径。外侧面21的半径为R1，内侧面的半径为R2。R1＝R2。

示例性地，外侧面21的球心位于基准线AA’上，内侧面22的球心也位于基准线AA’上。由于R1＝R2，光学视窗的侧壁20相对于光学视窗的空腔的尺寸而言比较小，因此可以近似地认为内侧面22与外侧面21为两个同心的球面。基准线AA’与中轴轴BB’正交于所述光学视窗的中心O。外侧面21和内侧面22的圆心均位于光学视窗的中心O。

图3为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图，参考图3，内侧面22背离光学视窗的中心O凸起，外侧面21和内侧面22具有相同的凸起方向。沿着中心轴BB’的延伸方向上，侧壁20与基准面S距离越远位置处的厚度越大。侧壁20的厚度指的是，内侧面22与外侧面21沿基准线AA’的延伸方向上的距离。本发明实施例中，与基准面S距离越远位置处，侧壁20的厚度约大；与基准面S距离越近位置处，侧壁20的厚度越小。因此，光学视窗中部的壁厚小于底部和顶部的壁厚，等价于沿基准面S(或者基准线AA’)对称的负透镜。光学视窗可以针对出射矩形或椭圆形激光束的激光器所设计的，且适用于激光器出射的光斑为水平方向上的尺寸大于竖直方向上的尺寸，因此，解决了因光学视窗产生的像散问题。

示例性地，参考图3，外侧面21以及内侧面22均为球面，外侧面21的半径大于内侧面22的半径。外侧面21的半径为R1，内侧面22的半径为R2，R1＞R2。外侧面21的球心可以位于光学视窗的中心O。

图4为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图，参考图4，内侧面22背离光学视窗的中心O凸起，外侧面21和内侧面22具有相同的凸起方向。沿着中心轴的延伸方向上，侧壁20与基准面S距离越远位置处的厚度越小。本发明实施例中，与基准面S距离越远位置处，侧壁20的厚度约小；与基准面S距离越近位置处，侧壁20的厚度越大。因此，光学视窗中部的壁厚大于底部和顶部的壁厚，等价于沿基准面S(或者基准线AA’)对称的正透镜。光学视窗可以针对出射矩形或椭圆形激光束的激光器所设计的，且适用于激光器出射的光斑为水平方向上的尺寸小于竖直方向上的尺寸，因此，解决了因光学视窗产生的像散问题。

示例性地，参考图4，外侧面21以及内侧面22均为球面，外侧面21的半径小于内侧面22的半径。外侧面21的半径为R1，内侧面22的半径为R2，R1＜R2。外侧面21的球心可以位于光学视窗的中心O。

图5为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图，参考图5，内侧面22为圆柱面。在图5所示的正视图中，内侧面22以直线进行示意。本发明实施例中，沿着中心轴的延伸方向上，侧壁20与基准面S距离越远位置处的厚度越小。光学视窗可以针对出射矩形或椭圆形激光束的激光器所设计的，且适用于激光器出射的光斑为水平方向上的尺寸小于竖直方向上的尺寸，因此，解决了因光学视窗产生的像散问题。另外，需要说明的是，外侧面21背离光学视窗的中心O凸起，内侧面22为圆柱面，则进一步地增加了光学视窗中部与底部、顶部的壁厚之差，进一步地解决了因光学视窗产生的像散问题。

示例性地，参考图5，外侧面21为球面，外侧面21的球心可以位于光学视窗的中心O。内侧面22为圆柱面。外侧面21的半径为R1，内侧面22的半径为R2。由于内侧面22为圆柱面，在图5所示的正视图中，可以认为R2为无穷大，故而也满足R1＜R2，即外侧面21的半径小于内侧面22的半径。

图6为本发明实施例提供的另一种光学视窗的正视图，参考图6，内侧面22朝向光学视窗的中心O凸起。外侧面21和内侧面22具有相反的凸起方向。本发明实施例中，沿着中心轴的延伸方向上，侧壁20与基准面S距离越远位置处的厚度越小。光学视窗可以针对出射矩形或椭圆形激光束的激光器所设计的，且适用于激光器出射的光斑为水平方向上的尺寸小于竖直方向上的尺寸，因此，解决了因光学视窗产生的像散问题。另外，需要说明的是，外侧面21背离光学视窗的中心O凸起，内侧面22朝向光学视窗的中心O凸起，则进一步地增加了光学视窗中部与底部、顶部的壁厚之差，进一步地解决了因光学视窗产生的像散问题。

可选地，参考图2-图6，光学视窗的高度D，即第一面11与第二面12之间的距离为D，也可以说，侧壁20沿中心轴BB’方向上的长度为D。光学视窗的高度D满足：D≤0.8R1。

光学视窗的侧壁20的材质常使用是塑料材质，在一些可行的实施方式中，光学视窗的侧壁20的材质也可以采用镀滤光膜的玻璃，本发明实施例对此不作限定。

图7为本发明实施例提供的一种激光雷达的立体结构示意图，参考图7，激光雷达包括上述任一实施例中的光学视窗100。由于激光雷达包括上述任一实施例中的光学视窗100，因此具有上述光学视窗100的有益效果，即消除了因光学视窗使激光雷达产生像散和激光束发散的不利影响，提高了激光雷达的探测精度和探测能力。

示例性地，激光雷达还包括至少一个光学模块200，至少一个光学模块200例如可以包括激光器、接收器、发射镜组和接收镜组。激光器发射的激光束经过发射镜组照射到被测物上，并被被测物反射，被反射的激光回波经过接收镜组后照射到接收器上，接收器根据接收到的激光回波实现探测。

示例性地，光学视窗的高度D满足：D0＜D≤0.8R1。其中，D0为激光雷达中所有的光学模块200中的最大通光口径。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种光学视窗，其特征在于，包括第一面、第二面和侧壁，所述侧壁连接所述所述第一面和第二面，所述第一面、所述第二面以及所述侧壁围绕形成空腔；所述第一面平行于所述第二面，且所述第一面的面积等于所述第二面的面积；

2.根据权利要求1所述的光学视窗，其特征在于，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

3.根据权利要求2所述的光学视窗，其特征在于，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径等于所述内侧面的半径。

4.根据权利要求1所述的光学视窗，其特征在于，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

5.根据权利要求4所述的光学视窗，其特征在于，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径大于所述内侧面的半径。

6.根据权利要求1所述的光学视窗，其特征在于，所述内侧面背离所述光学视窗的中心凸起；

7.根据权利要求6所述的光学视窗，其特征在于，所述外侧面以及所述内侧面均为球面，所述外侧面的半径小于所述内侧面的半径。

8.根据权利要求1所述的光学视窗，其特征在于，所述内侧面为圆柱面。

9.根据权利要求1所述的光学视窗，其特征在于，所述内侧面朝向所述光学视窗的中心凸起。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光学视窗。