CN111381236A - 透光窗口及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光雷达装置技术领域，提供了一种透光窗口及激光雷达。透光窗口，内部构设有至少一端开口的空腔结构，包括光束出射部及光束探测部。光束出射部包括用于供激光光源的出射光线自所述空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，所述第一曲面壳体的内曲面由第一曲线围绕回转轴回转而成；所述第一曲线上各点的曲率不为零。光束探测部用于供反射光线射入空腔结构，与光束出射部相连。本发明提供的透光窗口，使得第一曲面壳体对各方向出射的准直光束具有一定的折射聚合作用，提高出射光能量密度，进而提高设有该透光窗口的激光雷达的测距效果。

Description

透光窗口及激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达装置技术领域，更具体地说，是涉及一种透光窗口及激光雷达。

背景技术

机械扫描激光雷达通过旋转反射扫描机构来改变光束探测方向从而实现激光的扫描探测，其具有技术成熟、扫描探测角度大、可靠性高等优点，被广泛应用于工业、激光雷达、智能机器人等领域。

激光雷达透光窗口，即透光罩，作为激光雷达装置的保护罩，具有防尘、防水等作用，其用于保护雷达内部的光机电器件正常工作，是不可或缺的重要部件。机械扫描激光雷达的透光窗口大多为圆柱筒形，透光窗口具有一定折射率，并且只在水平方向具有曲率，在使用过程中相当于弯月柱透镜。工作时，准直激光光束经旋转反射装置反射，穿透透光窗口形成探测光束。

申请人发现，目前激光雷达的光源多为边发射激光二极管，其快慢轴发散角相差较大，经过准直透镜组后光束快慢轴两方向尺寸相差较大，光束再经旋转反射装置反射，从反射点以不同角度打到透光窗口上，再经过单向曲率的透光窗口折射后会导致穿过透光窗口激光光束发散。发散的激光光束会降低光束能量密度，降低接收有效视场角接收光束能量，从而影响雷达测距。

目前一般通过减小准直透镜的孔径(降低不同方向通过透光窗口光束尺寸差)或降低透光外罩折射率、减小外罩厚度的方式来降低透光窗口对光束的影响。但是前者在相同的数值孔径下，减小透镜缝孔径，焦距也会相应变短，这会导致准直后光束残余发散角变大，继而导致光束尺寸超出接收视场角范围，而且采用小口径长焦距透镜，透过准直透镜组光束能量会变低，从而影响测距。降低透光外罩折射率、减小外罩厚度的方式由于材料、工艺以及使用场景限制，改善效果有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透光窗口，旨在解决或者至少在一定程度上改善现有激光雷达存在的因激光光束发散而影响雷达测距的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种透光窗口，内部构设有至少一端开口的空腔结构，包括：

光束出射部，包括用于供激光雷达的出射光自所述空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，所述第一曲面壳体的外曲面为常高斯曲率曲面；以及

光束探测部，用于供反射光线射入所述空腔结构，与所述光束出射部相连。

进一步地，所述第一曲面壳体的外曲面具有主曲率k₁和主曲率k₂，所述主曲率k₁与所述主曲率k₂的比值小于等于1且大于等于0.8。

进一步地，所述第一曲面壳体为球面壳体或部分球面壳体。

进一步地，所述光束探测部包括等厚度设置的第二曲面壳体，所述第二曲面壳体与所述第一曲面壳体相连，所述第二曲面壳体为圆柱筒形壳体结构或部分圆柱筒形壳体结构。

进一步地，所述光束探测部包括等厚度设置的第二曲面壳体，所述第二曲面壳体与所述第一曲面壳体相连，所述第二曲面壳体的外曲面为常高斯曲率曲面，所述第二曲面壳体的外曲面具有主曲率k₃和主曲率k₄，所述主曲率k₃与所述主曲率k₄的比值小于等于1且大于等于0.8。

进一步地，所述透光窗口还包括保护罩部，所述保护罩部位于所述光束出射部的上部并与所述光束出射部相连，所述光束探测部位于所述光束出射部的下部。

进一步地，所述透光窗口为塑胶基材注塑一体成型构件。

进一步地，所述第一曲面壳体的厚度为1mm-1.5mm。

进一步地，所述第一曲面壳体的内曲面和外曲面的表面粗糙度Ra均小于等于0.012微米。

本发明的另一目的是提供一种激光雷达，包括上述的透光窗口。

本发明提供的透光窗口，与现有技术相比，通过设置用于供激光雷达的出射光自空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，并将此第一曲面壳体的外曲面设置为常高斯曲率曲面，使得第一曲面壳体对各方向出射的准直光束具有一定的折射聚合作用，提高出射光束质量，提高出射光能量密度，进而提高设有该透光窗口的激光雷达的测距效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的透光窗口的示意图之一；

图2为本发明实施例提供的透光窗口的示意图之二；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例提供的透光窗口在出射光从第一曲面壳体中射出时的模拟光路图；

图5为模拟现有技术中透光窗口的出射光斑形态示意图；

图6为模拟本发明实施例提供的透光窗口中第一曲面壳体在不同常高斯曲率下的出射光斑形态模拟图之一；

图7为模拟本发明实施例提供的透光窗口中第一曲面壳体在不同常高斯曲率下的出射光斑形态模拟图之二；

图8为模拟本发明实施例提供的透光窗口中第一曲面壳体在不同常高斯曲率下的出射光斑形态模拟图之三；

图9为模拟本发明实施例提供的透光窗口中第一曲面壳体在不同常高斯曲率下的出射光斑形态模拟图之四；

图10为本发明实施例提供的激光雷达向正前方10m处的障碍物发射线性光束时的光斑图；

图11为本发明实施例提供的激光雷达向左侧方10m处的障碍物发射线性光束时的光斑图；

图12为本发明实施例提供的激光雷达向右侧方10m处的障碍物发射线性光束时的光斑图。

图中：100、第一曲面壳体；200、第二曲面壳体；300、保护罩部；400、安装部；500、旋转反射装置；600、光束。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参见图1至图4，现对本发明提供的透光窗口的实施例进行说明。所述的透光窗口，作为激光雷达的保护罩，用于透光、防尘、防水。所述的透光窗口内部构设有至少一端开口的空腔结构，激光雷达的光源(即激光发生器)、准直光学器件、旋转反射装置和接收器等光机电装置就设置在空腔结构内部。

本发明实施例提供的透光窗口至少包括光束出射部和光束探测部。光束出射部包括等厚度设置的第一曲面壳体100，激光雷达中光机电装置产生的准直出射光自空腔结构内经由此第一曲面壳体100射出。反射光线经光束探测部射入空腔结构内，并被位于空腔结构内的接收器接收，光束探测部与光束出射部相连。

第一曲面壳体100作为曲面壳体其必然具有外侧面和内侧面，第一曲面壳体100的外侧面也就是第一曲面壳体100的外曲面，第一曲面壳体100的内侧面也就是第一曲面壳体100的内曲面。

第一曲面壳体100的内曲面是由一个第一曲线围绕回转轴回转而成；该第一曲线上各点曲率不一定唯一，但该第一曲线上各点的曲率均不为零。换句话说，第一曲线就是第一曲面壳体100的内曲面的母线。这里需要理解的，虽然第一曲面壳体100的内曲面为回转面，但是其回转角度可以小于360°。

通常，在本发明提供的透光窗口正常使用而放置时，第一曲线所围绕回转轴是竖直放置的，以此我们可知，由第一曲线回转围合形成的第一曲面壳体100的内曲面上任意某个点的竖直方向曲率也不为零，同时第一曲面壳体100的内曲面上任意某个点的水平方向曲率也不为零。

所谓第一曲面壳体100的内曲面某个点的竖直方向曲率，是指：在第一曲面壳体100正常使用而放置时，先定义一个过第一曲面壳体100的内曲面上的任意一点p和空腔结构内反射点的竖直平面M，且该竖直平面M与水平面垂直，该竖直平面M与第一曲面壳体100的内曲面相交而获得一个第一相交内曲线，该第一相交内曲线上的这个点p位置处的曲率就是第一曲面壳体100的内曲面上某个点的竖直方向曲率。所谓第一曲面壳体100的内曲面某个点的水平方向曲率，是指：在第一曲面壳体100正常使用而放置时，过第一曲面壳体100的内曲面上的任意一点q的水平面，该水平面与第一曲面壳体100的内曲面相交而获得一个第二相交内曲线，该第二相交内曲线上的这个点q位置处的曲率就是第一曲面壳体100的内曲面上某个点的水平方向曲率。实际上，竖直方向曲率和水平方向曲率为两个正交曲率。

同时，由于第一曲面壳体100的内曲面是由第一曲线回转而成，所以在第一曲面壳体100正常使用而放置时，第一曲面壳体100的内曲面上至少处于同一水平面上(处于同一层高度上)的各点的竖直方向曲率都相等且不为零，第一曲面壳体100的内曲面上至少处于同一水平面上(处于同一层高度上)的各点的水平方向曲率都相等且不为零。

因为第一曲面壳体100等厚度设置，即第一曲面壳体100各处的厚度都相同，故在第一曲面壳体100的“内曲面由第一曲线围绕回转轴回转而成；第一曲线上各点的竖直方向曲率不为零”的情况下，第一曲面壳体100的也必然是外曲面也由第一曲线围绕回转轴回转而成，只不过第一曲面壳体100的外曲面与内曲面的回转半径大小不同而已。

因为第一曲面壳体100的外曲面上任意一点的竖直方向曲率和水平方向曲率都不为零，这实际上就必然导致了在第一曲面壳体100外曲面上，过第一曲面壳体100外曲面上任意一点的曲线都具有不为零的一定曲率，同理，在第一曲面壳体100内曲面上，过第一曲面壳体100内曲面上任意一点的曲线都具有一定曲率。

而旋转反射装置的反射点就位于第一曲线围合的回转轴上，并且旋转反射装置的自转轴一般与该回转轴重合或平行设置，那么在雷达探测实际应用时，经旋转反射装置反射的激光光束实际上也是以不同角度先打到第一曲面壳体100的内曲面上处于同一水平面上(处于同一层高度上)。第一曲面壳体100(内曲面上)处于同一水平面上(处于同一层高度上)的各点处对于从反射点沿各个方向出射的准直光束具有一定的折射聚合作用，这也就避免了现有技术中圆柱筒形透光窗口对某些方向(如竖直方向)角度的出射光束具有发散的作用的劣势。

本发明实施例提供的透光窗口，与现有技术相比，通过设置用于供激光雷达的出射光自空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，并将此第一曲面壳体的内曲面各点设置为工作状态时竖直方向曲率和水平方向曲率均不为零，使得第一曲面壳体对各方向出射的准直光束具有一定的折射聚合作用，提高出射光束质量，提高出射光能量密度，进而提高设有该透光窗口的激光雷达的测距效果。

请参见图1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第一曲面壳体100的内曲面为常高斯曲率曲面，因为第一曲面壳体100等厚度设置，即第一曲面壳体100各处的厚度都相同，故在第一曲面壳体100的内曲面为常高斯曲率曲面的情况下，第一曲面壳体100的外曲面也必然是常高斯曲率曲面。

第一曲面壳体100的内曲面具有主曲率k₁和主曲率k₂，主曲率k₁与主曲率k₂的比值小于等于1且大于等于0.8。主曲率k₁和主曲率k₂是第一曲面壳体100的外曲面上的两个正交曲率，并且一个是极大曲率和另一个是极小曲率。激光发生器发出的激光经准直透镜组作用后在经过旋转反射装置反射以不同角度打到第一曲面壳体100的内曲面上。当然为了使准直透镜组发射的光通过反射装置后都能从第一曲面壳体100射出，第一曲面壳体100在竖直方向上的尺寸大于准直透镜组有效通光孔径尺寸，第一曲面壳体100的角度范围大于雷达扫描角度范围。

通过设置主曲率k₁与主曲率k₂的比值小于等于1且大于等于0.8，可以使过第一曲面壳体100外曲面上任意一点的曲线曲率均保持在一定范围内，同理，还可以使过第一曲面壳体100内曲面上任意一点的曲线曲率均保持在一定范围内，这样从反射点以不同角度打到第一曲面壳体100上的出射光线具有类似程度的折射聚合作用，尽可能减少第一曲面壳体100对不同角度的出射光具有不同的聚合折射效果。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，主曲率k₁为第一曲面壳体100的内曲面在正常工作位置时的竖直方向曲率，主曲率k₂为第一曲面壳体100的内曲面在正常工作位置时的水平方向曲率；或者主曲率k₁为第一曲面壳体100的内曲面在正常工作位置时的水平方向曲率，主曲率k₂为第一曲面壳体100的内曲面在正常工作位置时的竖直方向曲率。

请参见图1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第一曲面壳体100为球面壳体或者说是球面壳体上的一部分壳体。这样，主曲率k₁与主曲率k₂的数值相等，这也意味着第一曲面壳体100从反射点以不同角度打到第一曲面壳体100上的出射光线具有相同程度的折射聚合作用。

请参见图5至图9，利用模拟软件模拟了发射区域透光窗口(在正常使用状态安装位置下)水平和竖直方向在不同曲率下的光斑形态，即设置发射光束为水平和竖直两竖光，以更加直观的观察正前方和左右侧光斑形态，水平方向光斑为正前方发射光斑，竖直方向光斑为左右侧方法发出光斑。图5为模拟现有技术中圆柱筒形的透光窗口的出射光斑形态示意图，图6至图9分别为模拟本发明实施例提供的透光窗口中第一曲面壳体在不同常高斯曲率下的出射光斑形态模拟图。其中图6设置第一曲面壳体100的外曲面水平方向曲率半径为19.65mm，竖直方向曲率半径为40mm时的出射光斑形态模拟图；其中图7设置第一曲面壳体100的外曲面水平方向曲率半径为19.65mm，竖直方向曲率半径为29.75mm时的出射光斑形态模拟图；其中图8设置第一曲面壳体100的外曲面水平方向曲率半径为19.65mm，竖直方向曲率半径为24.75mm时的出射光斑形态模拟图；其中图9设置第一曲面壳体100的外曲面水平方向曲率半径为19.65mm，竖直方向曲率半径为19.75mm时的出射光斑形态模拟图。由此我们得出，将第一曲面壳体100的外曲面设置为竖直方向曲率和水平方向曲率均不为零的透光窗口的光斑效果均明显好于现有技术中圆柱筒形的透光窗口的出射光斑形态，并且第一曲面壳体100的外曲面的任一点的各曲率约接近，则第一曲面壳体100对从反射点以不同角度打到第一曲面壳体100上的出射光线的折射聚合作用越均匀平衡。

请参见图10至图12，设置第一曲面壳体100的外曲面水平方向曲率半径为19.65mm，竖直方向曲率半径为19.75mm时的发射线性光束时的光斑图。其中图10为光束出射方向为正前方，障碍物位于雷达正前方10m处的光斑图；图11为光束出射方向为左侧，障碍物位于雷达左侧10m处的光斑图；图12为光束出射方向为右侧，障碍物位于雷达右侧10m处的光斑图。

由此可知，三个方向的光斑形态无明显差异，无像散。不同角度发射光束具有高度的一致性和能量密度，提高接收光束效率，球面壳体或部分球面壳体形态(或者说近似球面壳体)的第一曲面壳体100提高了激光雷达产品的测距能力。

请参见图1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，光束探测部包括等厚度设置的第二曲面壳体200，第二曲面壳体200与第一曲面壳体100相连。第二曲面壳体200的内曲面由第二曲线围绕第一曲面壳体100的回转轴回转而成，第二曲线的各点曲率不做要求，可以为零，所以第二曲面壳体200可以为圆柱筒形壳体结构或者其他回转壳体结构。第二曲面壳体200可以为激光雷达的光机电装置提供保护作用，并可为反射光线射入空腔结构内部提供透光折射作用。

请参见图3，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第二曲线上各点的曲率不为零，且第二曲面壳体200的内曲面为常高斯曲率曲面，因为第二曲面壳体200等厚度设置，即第二曲面壳体200各处的厚度都相同，故在第二曲面壳体200的内曲面为常高斯曲率曲面的情况下，第二曲面壳体200的外曲面也必然是常高斯曲率曲面。

第二曲面壳体200的外曲面具有主曲率k₃和主曲率k₄，主曲率k₃与主曲率k₄的比值小于等于1且大于等于0.8。主曲率k₃和主曲率k₄是第二曲面壳体200的外曲面上的两个正交曲率，并且一个是极大曲率和另一个是极小曲率。反射光线以不同角度打到第二曲面壳体200的外曲面上。通过设置主曲率k₃与主曲率k₄的比值小于等于1且大于等于0.8，可以使过第二曲面壳体200外曲面上任意一点的曲线曲率均保持在一定范围内，同理，还可以使过第二曲面壳体200内曲面上任意一点的曲线曲率均保持在一定范围内，这样以不同角度打到第二曲面壳体200上的反射光线具有类似程度的折射聚合作用，尽可能减少第二曲面壳体200对不同角度的光线具有不同的聚合折射效果。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，主曲率k₃为第二曲面壳体200的内曲面在正常工作位置时的竖直方向曲率，主曲率k₄为第二曲面壳体200的内曲面在正常工作位置时的水平方向曲率；或者主曲率k₃为第二曲面壳体200的内曲面在正常工作位置时的水平方向曲率，主曲率k₄为第二曲面壳体200的内曲面在正常工作位置时的竖直方向曲率。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第二曲面壳体200为球面壳体或球面壳体的一部分。

请参见1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，本发明实施例提供的透光窗口还包括保护罩部300，保护罩部300位于光束出射部的上部并与光束出射部相连，光束探测部位于光束出射部的下部。保护罩部300用于为激光雷达的光机电装置提供保护作用。

请参见1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，保护罩部300为圆柱筒形壳体结构或者圆柱筒形壳体结构的一部分。

请参见1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，本发明实施例提供的透光窗口还包括安装部400，安装部400与保护罩部300、光束出射部或光束出射部相连。安装部400用于将本发明实施例提供的透光窗口或者激光雷达安装在使用载体(如汽车等)上。安装部400可以是安装板、安装槽或者安装磁铁等结构。

请参见1至图4，作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，空腔结构由第一曲面壳体100、第二曲面壳体200和保护罩部300共同围合形成，并且空腔结构的上部水平横向尺寸较小，下部的水平横向尺寸较大，以便于安装相应的光电器件。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，本发明实施例提供的透光窗口为塑胶基材注塑一体成型构件，容易成型制造塑胶基材满足激光二极管波长激光光束有效透过率要求，并且红外波段光束透射率≥82％。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，本发明实施例提供的透光窗口为聚碳酸酯注塑一体成型构件，容易成型制造，而且透光和聚合折射的效果好。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第一曲面壳体100的厚度为1mm-1.5mm，以便于具有更好的透光和聚合折射效果。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第一曲面壳体100的内曲面和外曲面的表面粗糙度Ra均小于等于0.012微米。

作为本发明提供的透光窗口的一种具体实施方式，第二曲面壳体200的内曲面和外曲面的表面粗糙度Ra均小于等于0.012微米。

本发明还提供了一种激光雷达，包括上述实施例中的透光窗口。

本发明实施例提供的激光雷达，与现有技术相比，通过设置用于供激光雷达的出射光自空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，并将此第一曲面壳体的内曲面各点设置为工作状态时竖直方向曲率和水平方向曲率均不为零，使得第一曲面壳体对各方向出射的准直光束具有一定的折射聚合作用，提高出射光束质量，提高出射光能量密度，进而提高雷达的测距效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.透光窗口，内部构设有至少一端开口的空腔结构，其特征在于，包括：

光束出射部，包括用于供激光光源的出射光线自所述空腔结构内射出且等厚度设置的第一曲面壳体，所述第一曲面壳体的内曲面由第一曲线围绕回转轴回转而成；所述第一曲线上各点的曲率不为零；以及

光束探测部，用于供反射光线射入所述空腔结构，与所述光束出射部相连。

2.如权利要求1所述的透光窗口，其特征在于，所述第一曲面壳体的内曲面为常高斯曲率曲面，所述第一曲面壳体的内曲面具有主曲率k₁和主曲率k₂，所述主曲率k₁与所述主曲率k₂的比值小于等于1且大于等于0.8。

3.如权利要求2所述的透光窗口，其特征在于，所述第一曲面壳体为球面壳体或部分球面壳体。

4.如权利要求1所述的透光窗口，其特征在于，所述光束探测部包括等厚度设置的第二曲面壳体，所述第二曲面壳体与所述第一曲面壳体相连，所述第二曲面壳体的内曲面由第二曲线围绕所述回转轴回转而成。

5.如权利要求4所述的透光窗口，其特征在于，所述第二曲线上各点的曲率不为零；所述第二曲面壳体的内曲面为常高斯曲率曲面，所述第二曲面壳体的内曲面具有主曲率k₃和主曲率k₄，所述主曲率k₃与所述主曲率k₄的比值小于等于1且大于等于0.8。

6.如权利要求1所述的透光窗口，其特征在于，所述透光窗口还包括保护罩部，所述保护罩部位于所述光束出射部的上部并与所述光束出射部相连，所述光束探测部位于所述光束出射部的下部。

7.如权利要求1-6任一项所述的透光窗口，其特征在于，所述透光窗口为塑胶基材注塑一体成型构件。

8.如权利要求7所述的透光窗口，其特征在于，所述第一曲面壳体的厚度为1mm-1.5mm。

9.如权利要求7所述的透光窗口，其特征在于，所述第一曲面壳体的内曲面和外曲面的表面粗糙度Ra均小于等于0.012微米。

10.激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的透光窗口。

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