CN111413686A - 激光雷达光学系统及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达光学系统及激光雷达，涉及测量仪器技术领域。所述激光雷达光学系统包括发射系统和接收系统，其中，所述发射系统沿光线传输方向依次包括激光光源、矫正镜组以及准直镜组，所述激光光源用于发射多个光束，所述矫正镜组包括至少一个矫正透镜，所述矫正透镜用于矫正所述激光光源发出的多个光束，以使每一所述光束的中心轴对准所述准直镜组的入瞳中心。本发明旨在提供一种简单且效果好的激光雷达光学系统来提高激光雷达垂直空间分辨率。

Description

激光雷达光学系统及激光雷达

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学系统及激光雷达。

背景技术

目前，机械式激光雷达是满足自动驾驶稳定性最有效的实现方式之一，通过采用多个激光器和光电探测器来实现多路信号探测，多个激光器按照预定指向角度垂直排布在发射镜头焦平面的不同高度位置，实现预设垂直视场角。

为提高激光雷达的垂直空间分辨率，目前被采用较多的方式主要为：(1)减小单块发射板上激光器排布间隔，然而，由于多个激光器集成于一块发射板时，激光器相互之间需要存在预设的指向夹角，因而在制作过程中容易产生干涉，从而增加了加工难度，限制了激光器排布间隔的下限，进而限制了激光雷达垂直空间分辨率；(2)将多块发射板并列且在高度上错位放置，通过激光器高度错位来减小激光器间隔，这样一来，就会导致在既定空间内实现安装调试的难度较大，系统空间也难以压缩。就目前技术而言，难以有简化的方式来提高激光雷达垂直空间分辨率。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种激光雷达光学系统及激光雷达，旨在提供一种简单且效果好的激光雷达光学系统来提高激光雷达垂直空间分辨率。

为实现上述目的，本发明提供一种激光雷达光学系统，所述激光雷达光学系统包括发射系统和接收系统，其中，所述发射系统沿光线传输方向依次包括激光光源、矫正镜组以及准直镜组，所述激光光源用于发射多个光束，所述矫正镜组包括至少一个矫正透镜，所述矫正透镜用于矫正所述激光光源发出的多个光束，以使每一所述光束的中心轴对准所述准直镜组的入瞳中心。

可选地，所述矫正镜组包括一个所述矫正透镜；和/或，

所述矫正透镜具有正光焦度，且所述矫正透镜具有朝向所述激光光源设置的第一表面和远离所述激光光源设置的第二表面，其中，所述第一表面为平面，所述第二表面为凸面。

可选地，所述矫正透镜为切边透镜。

可选地，所述激光光源包括至少一个激光发射板，每一所述激光发射板包括多个激光器，多个所述激光器沿所述激光发射板的高度方向间隔布置，各所述激光器发出的光束的中心轴相互平行，且所述中心轴与所述矫正镜组的光轴平行。

可选地，所述激光发射板还包括至少一个整形微透镜，所述整形微透镜设于所述多个激光器的出光侧，用于对所述激光器进行快轴发散角压缩。

可选地，所述矫正透镜与所述整形微透镜之间的间距为D，0.5mm≤D≤5mm；和/或，

所述整形微透镜为裸光纤，所述裸光纤的中心轴垂直于所述激光器发出的光束设置。

可选地，所述裸光纤的表面镀有增透膜，所述增透膜与所述激光器发出的光束的波段对应。

可选地，所述接收系统沿光线传输方向依次包括接收透镜组和至少一个激光接收板；

所述激光雷达光学系统还包括发射反射镜组和接收反射镜组，所述发射反射镜组设于所述矫正镜组和所述准直镜组之间，所述接收反射镜组设于所述接收透镜组和所述激光接收板之间。

可选地，所述发射反射镜组包括至少一个发射反射镜；和/或，

所述接收反射镜组包括至少一个接收反射镜。

此外，本发明还提出一种激光雷达，所述激光雷达包括如上所述的激光雷达光学系统。

本发明提出的激光雷达光学系统包括发射系统和接收系统，其中，发射系统沿光线传输方向依次包括激光光源、矫正镜组以及准直镜组，通过利用矫正镜组对激光光源发出的多个光束进行矫正，使得每一光束以中心轴对准准直镜组的入瞳中心的方式进入准直镜组，使得激光光源发出的光束无需预设指向夹角，从而避免了各光束之间相互干涉，使激光器间隔可以缩得更小，有利于提高激光雷达的垂直空间分辨率，此外，该光学系统结构简单，制作难度小，有利于量化生产。

附图说明

图1是本发明提出的激光雷达光学系统的第一实施例的示意图；

图2为图1中发射系统的示意图；

图3为图1中矫正透镜的前视图；

图4为图3所示矫正透镜的俯视图；

图5为本发明提出的激光雷达光学系统中激光发射板的一实施例的结构图；

图6为本发明提出的激光雷达光学系统中激光发射板的另一实施例的结构图；

图7为本发明提出的激光雷达光学系统的第二实施例的示意图；

图8为本发明提出的激光雷达光学系统的第三实施例的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

附图标号说明：

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

激光雷达垂直空间分辨率由发射端激光器垂直间隔决定，为提高激光雷达的垂直空间分辨率，目前被采用较多的方式主要为：(1)减小单块发射板上激光器排布间隔，然而，由于多个激光器集成于一块发射板时，激光器相互之间需要存在预设的指向夹角，因而在制作过程中容易产生干涉，从而增加了加工难度，限制了激光器排布间隔的下限，进而限制了激光雷达垂直空间分辨率；(2)将多块发射板并列且在高度上错位放置，通过激光器高度错位来减小激光器间隔，这样一来，就会导致在既定空间内实现安装调试的难度较大，系统空间也难以压缩。就目前技术而言，难以有简化的方式来提高激光雷达垂直空间分辨率。

鉴于此，本发明提出一种激光雷达光学系统100，该光学系统包括发射系统10和接收系统20，其中，所述发射系统10沿光线传输方向依次包括激光光源1、矫正镜组以及准直镜组3。图1至图4为本发明提出的激光雷达光学系统100的一实施例。

参照图1和图2，激光雷达光学系统100包括发射系统10和接收系统20。发射系统10包括沿光线传输方向依次设置的激光光源1、矫正镜组以及准直镜组3。激光光源1用于发射多个光束。矫正镜组包括至少一个矫正透镜2，矫正透镜2用于矫正激光光源1发出的多个光束，以使得每一光束均以该光束中心轴对准准直镜组3的入瞳中心的方式进入准直镜组3。本实施例矫正透镜2一方面对光束进行了预矫正，使得激光光源1发出的光束不再需要预设指向夹角，从而放宽了对激光光束的限制，各光束若以中心轴相互平行的方式发射，不仅可以避免各光束之间相互干涉，使激光器110间隔可以缩得更小，而且降低了加工难度，有利于提高激光雷达的垂直空间分辨率，另一方面，由于经矫正镜组矫正后的光束均以中心轴入射准直镜组3的入瞳中心，各光束的能量能够被充分利用，从而无须增加系统的光学口径，进而减小了准直镜组3的成本和占据空间。准直镜组3由一个或多个光学透镜构成，且透镜优选采用高斯结构形式，用于对经矫正镜组矫正后的光束进行有效准直，以形成多束不同视场角度的平行光束，从而实现激光雷达的垂直视场覆盖。

其中，如图1所示，接收系统20包括沿光线传输方向依次设置的接收透镜组8以及激光接收板6，接收透镜组8由一个或多个光学透镜构成，且透镜优选采用高斯结构形式，用于使经探测物反射的光束汇聚于激光接收板6，接收透镜组8的材料可以采用光学塑料；激光接收板6包括多个光电探测器，用于对接收到的光束进行处理。进一步地，为了减小干扰光束造成的不利影响，接收系统20还可以包括滤光片7，滤光片7设置在接收透镜组8和激光接收板6之间，用于对接收到的每个光束进行过滤，以过滤掉波长不在预设波长范围内的光束，从而可以防止这些干扰光束对本波长范围内的光束产生影响，而且，由于滤光片7被设置在激光接收板6的入光侧，还可以对激光接收板6起到密封保护的作用。

激光光源1发射出的光束经矫正镜组矫正后，以中心轴对准准直镜组3的入瞳中心的方式进入准直镜组3，经准直后的光束经前方的探测物反射，至少部分反射光束进入接收透镜组8，然后汇聚于激光接收板6。

在具体实现中，发射系统10和接收系统20可以如图1所示，沿系统中轴线5对称布置，并在二者之间设置隔光装置以实现空间分离，从而避免相互干扰。而且，本实施例准直镜组3和接收透镜组8可以采用相同的组件，批量生产时，有利于降低成本。

矫正镜组包括至少一个矫正透镜2，具体地，当矫正镜组包括多个矫正透镜2时，多个矫正透镜2同轴设置。作为本发明的一优选实施例，如图1所示，矫正镜组包括一个矫正透镜2，如此，即可确保大部分光束能够以该光束中心轴对准准直镜组3的入瞳中心的方式进入准直镜组3，从而可以在确保产品质量的前提下降低生产成本。

参阅图3和图4，矫正透镜2具有正光焦度，且矫正透镜2具有朝向激光光源1设置的第一表面21和远离激光光源1设置的第二表面22，其中，第一表面21为平面，第二表面22为凸面。

为安装矫正透镜2，本实施例发射系统10还可以包括用于安装激光光源1和矫正镜组的支架，由于矫正镜组设于激光光源1的出光侧且紧邻激光光源1设置，矫正镜组可以对激光光源1起到有效保护作用，避免安装调试过程中对激光光源1造成损坏，避免杂质沉积于激光光源1的表面。进一步地，支架还可以设置为两端开口的筒体结构，激光光源1安装在支架的第一端，矫正镜组安装在支架的第二端，如此，支架、激光光源1和矫正镜组之间可以围合构成一个密闭空间，从而防止杂质进入该密闭空间，进而有效增加了器件寿命和系统寿命。其中，矫正透镜2可以通过粘胶方式固定安装在支架上。

本实施例矫正透镜2优选为切边透镜。在常规的圆形透镜基础上，如图3所示，切除对称分布的区域A和B形成切边透镜，该切边透镜相较常规的圆形透镜，体积小且适于装配，不仅所需的支架更易于加工，而且被安装于支架时，装配更加方便且占据空间较小，可以使光学系统更加紧凑。进一步地，如图3和图4所示，本实施例优选矩形切边透镜，即在常规的圆形透镜基础上，切除区域A、B、C和D而获得的切边透镜，进一步缩小了透镜的体积，且使得透镜形成了四个平直的侧面，进一步降低了装配难度。

本实施例激光光源1包括至少一个激光发射板11，且各激光发射板11均设置在同一竖直面上。每一激光发射板11包括多个激光器110，多个激光器110沿激光发射板11的高度方向间隔布置，各激光器110发出的光束的中心轴相互平行，且中心轴与矫正镜组的光轴平行。以图2为例，本实施例激光光源1包括一激光发射板11，激光发射板11包括自上而下间隔设置的九个激光器110，九个激光器110分别发出的光束的中心轴以及矫正透镜2的光轴相互之间保持平行，也就是说，九个激光器110分别发出的光束相互之间无干涉夹角，降低了激光发射板11的制作难度。

为优化系统性能，本实施例激光发射板11还包括至少一个整形微透镜120，该整形微透镜120设于多个激光器110的出光侧，用于对激光器110进行快轴发散角压缩。参照图5和6，激光器110的右侧为激光器110的出光侧，整形微透镜120设于激光器110的出光侧，使得激光器110发出的光束经整形微透镜120整形后发出。由于本实施例激光发射板11上的多个激光器110发出的光束均以中心轴相互平行的方式发出，从而可以对其中的至少部分光束同时进行整形，也就是说可以在多个激光器110的出光侧设置一个或者多个整形微透镜120，可以如图5所示，每个激光器110的出光侧对应设置一个整形微透镜120，也可以每两个或者多个相邻的激光器110共用一个整形微透镜120，还可以如图6所示，所有激光器110共用一个整形微透镜120，进一步简化了激光发射板11的制作工艺。

当将裸光纤以中心轴垂直于激光器110发出的光束的方式设于激光器110的出光侧时，激光器110发出的光束经过裸光纤后同样能够达到对光束进行整形的效果，本实施例整形微透镜120优选为裸光纤，且如图5和图6所示，裸光纤的中心轴垂直于激光器110发出的光束设置。

进一步地，本实施例裸光纤表面镀有增透膜，且该增透膜与激光器110发出的光束的波段对应，从而可以减少裸光纤表面形成的反射光，增加透光量。

整形微透镜120的出光位置形成出光平面，该出光平面与矫正透镜2的第一表面21之间的距离为D，本实施例中，D的取值范围优选为：0.5mm≤D≤5mm，该范围内，可以确保矫正透镜2对光束的矫正效果，且D越小，系统紧凑度越高。

为进一步提高光学系统的紧凑度，本发明激光雷达光学系统100还包括发射反射镜组和接收反射镜组，其中，发射反射镜组设于矫正镜组和准直镜组3之间，用于折转自矫正镜组向准直镜组3传输的光线，通过改变光路来缩短激光光源1与准直镜组3间距以使发射系统10紧凑化，通过改变光路来调整发射系统10的形状以适应不同的外形结构；接收反射镜组设于接收透镜组8和激光接收板6之间，用于折转自接收透镜组8向激光接收板6传输的光线，从而通过改变光路来缩短接收透镜组8和激光接收板6间距以使接收系统20紧凑化，或者调整发射系统10的形状以适应不同的外形结构。

具体实施时，发射反射镜组包括至少一个发射反射镜，发射反射镜可以为平面反射镜，也可以为曲面反射镜；同样地，接收反射镜组包括至少一个接收反射镜，接收反射镜可以为平面反射镜，也可以为曲面反射镜。

在图7所示的激光雷达光学系统100的第二实施例中，激光雷达光学系统100包括发射系统10和接收系统20，发射系统10沿光线传输方向依次包括激光光源1、矫正透镜2、第一反射镜41以及准直镜组3，第一反射镜41为平面反射镜；接收系统20沿光线传输方向依次包括接收透镜组8、第三反射镜91、窄带滤光片7以及激光接收板6，第三反射镜91为平面反射镜。经第一反射镜41和第三反射镜91分别对光路进行折转后，本实施例激光雷达光学系统100结构紧凑，占据空间较小。

在图8所示的激光雷达光学系统100的第三实施例中，激光雷达光学系统100包括发射系统10和接收系统20，发射系统10沿光线传输方向依次包括激光光源1、矫正透镜2、第一反射镜41、第二反射镜42以及准直镜组3，第一反射镜41和第二反射镜42均为平面反射镜；接收系统20沿光线传输方向依次包括接收透镜组8、第四反射镜92、第三反射镜91、窄带滤光片7以及激光接收板6，第四反射镜92和第三反射镜91为平面反射镜。

基于上述激光雷达光学系统100结构，本发明进一步提出激光雷达。该激光雷达包括如上所述的激光雷达光学系统100，由于本激光雷达采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光雷达光学系统包括发射系统和接收系统，其中，所述发射系统沿光线传输方向依次包括激光光源、矫正镜组以及准直镜组，所述激光光源用于发射多个光束，所述矫正镜组包括至少一个矫正透镜，所述矫正透镜用于矫正所述激光光源发出的多个光束，以使每一所述光束的中心轴对准所述准直镜组的入瞳中心。

2.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述矫正镜组包括一个所述矫正透镜；和/或，

所述矫正透镜具有正光焦度，且所述矫正透镜具有朝向所述激光光源设置的第一表面和远离所述激光光源设置的第二表面，其中，所述第一表面为平面，所述第二表面为凸面。

3.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述矫正透镜为切边透镜。

4.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光光源包括至少一个激光发射板，每一所述激光发射板包括多个激光器，多个所述激光器沿所述激光发射板的高度方向间隔布置，各所述激光器发出的光束的中心轴相互平行，且所述中心轴与所述矫正镜组的光轴平行。

5.如权利要求4所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光发射板还包括至少一个整形微透镜，所述整形微透镜设于所述多个激光器的出光侧，用于对所述激光器进行快轴发散角压缩。

6.如权利要求4所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述矫正透镜与所述整形微透镜之间的间距为D，0.5mm≤D≤5mm；和/或，

所述整形微透镜为裸光纤，所述裸光纤的中心轴垂直于所述激光器发出的光束设置。

7.如权利要求6所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述裸光纤的表面镀有增透膜，所述增透膜与所述激光器发出的光束的波段对应。

8.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述接收系统沿光线传输方向依次包括接收透镜组和至少一个激光接收板；

所述激光雷达光学系统还包括发射反射镜组和接收反射镜组，所述发射反射镜组设于所述矫正镜组和所述准直镜组之间，所述接收反射镜组设于所述接收透镜组和所述激光接收板之间。

9.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述发射反射镜组包括至少一个发射反射镜；和/或，

所述接收反射镜组包括至少一个接收反射镜。

10.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括如权利要求1至9任一项所述的激光雷达光学系统。

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