CN111665485A - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达。一种激光雷达，包括：发射装置，用于发射N束出射激光，所述N为整数，所述N≥1；接收装置，用于接收被扫描区域内的物体反射的反射激光；所述扫描组件，用于偏转N束出射激光以不同的俯仰角向外出射，包括倾斜设置的反射镜，所述反射镜包括N个同心设置的环形镜，每个所述环形镜与水平面的夹角不同；还用于接收所述反射激光，并将所述反射激光偏转至接收装置；每束所述出射激光及其所述反射激光由对应的所述环形镜进行偏转；以及旋转驱动装置，用于驱动所述扫描组件绕轴旋转，使出射激光沿水平方向进行扫描。上述激光雷达相对于传统的激光雷达光学和结构系统设计简单、成本较低。

Description

激光雷达

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测检测物的位置、速度等特征量的系统，广泛应用于激光探测领域。

目前激光雷达采用在竖直方向排列多个发射-接收对进行探测，线数即为竖直方向发射-接收对的数目，线数确定了激光雷达的垂直分辨率。多个发射-接收对能够探测多个方向，同时整个激光雷达在工作过程中是旋转的，从而实现对激光雷达周围环境的探测。

然而，竖直方向排列的发射板和接收板需占用一定空间，限制了激光雷达线数的增加和垂直分辨率的提高；多个发射-接收对，需使用多个元器件增加成本，同时增加功耗和内部热量的产生；激光雷达的工作状态是旋转的，需要对旋转模块上的发射-接收对进行供电和通信，系统设计复杂。

发明内容

基于此，有必要针对传统的激光雷达成本较高、光学和结构系统设计复杂的问题，提供一种激光雷达。

一种激光雷达，包括：

发射装置，用于发射N束出射激光，所述N为整数，所述N≥1；

接收装置，用于接收被扫描区域内的物体反射的反射激光；

所述扫描组件，用于偏转N束出射激光以不同的俯仰角向外出射，包括倾斜设置的反射镜，所述反射镜包括N个同心设置的环形镜，每个所述环形镜与水平面的夹角不同；还用于接收所述反射激光，并将所述反射激光偏转至所述接收装置；每束所述出射激光及其所述反射激光由对应的所述环形镜进行偏转；以及

旋转驱动装置，用于驱动所述扫描组件绕轴旋转，使所述出射激光沿水平方向进行扫描。

在其中一个实施例中，所述反射镜的多个所述环形镜与水平面的夹角，由内向外依次增大。

在其中一个实施例中，所述反射镜的多个所述环形镜的面积，相等或由内向外依次增大。

在其中一个实施例中，相邻的所述环形镜之间存在间隙。

在其中一个实施例中，所述扫描组件还包括消光部件；所述消光部件设置在所述环形镜之间的所述间隙处，用于消除所述间隙处的杂散光。

在其中一个实施例中，所述接收装置包括探测器和聚焦镜组，所述聚焦镜组设置于所述探测器的前侧；所述聚焦镜组用于聚焦所述反射激光至所述接收装置。

在其中一个实施例中，所述探测器的数量为1。

在其中一个实施例中，所述发射装置包括准直镜组和N个呈线性排列的激光器，所述准直镜组用于准直所述激光器发射的出射激光。

在其中一个实施例中，N个所述激光器采用时分复用的方式依次发射出射激光。

在其中一个实施例中，还包括壳体，所述壳体上设置有透射区，所述透射区倾斜设置。

上述激光雷达，包括发射装置、接收装置、扫描组件和旋转驱动装置；扫描组件中包括反射镜，反射镜包括多个与水平面夹角不同的环形镜，这些倾斜角度不同的环形镜使发射装置发射的N束出射激光进行偏转后以不同的俯仰角向扫描区域出射，并将扫描区域内的物体反射的反射激光偏转至接收装置；同时，扫描组件的绕轴旋转使出射激光沿水平方向进行扫描。该激光雷达中，将扫描组件作为光束偏转元件，仅扫描组件旋转，负载小、功耗低；扫描组件中的反射镜为无源光学器件，无需向反射镜供电和通信；发射装置和接收装置均固定不动；简化了激光雷达内部的控制和结构系统设计，提高了激光雷达的可靠性。通过扫描组件的转动来实现从反射镜上反射出去的出射激光沿水平方向360°内的扫描，并且通过设置每个环形镜倾斜角度不同，来实现出射激光在扫描区域与水平面的夹角变换，进而实现对纵向不同方向的扫描，即，使N束出射激光以不同的俯仰角出射。发射装置中的N个激光器采用时分复用的方式依次发射出射激光，这样接收装置中仅需要一个探测器来探测反射激光即可，进一步简化了激光雷达内部的结构，并降低了成本。

附图说明

图1为一实施例中的激光雷达的内部结构示意图。

图2为图1的实施例中的反射镜的反射面的示意图。

图3为图1的实施例中的出射激光和反射激光的光路示意图。

图4为另一实施例中的激光雷达的内部结构示意图。

图5为图4的实施例中的调整镜与聚焦镜组的侧视图。

图6为图4的实施例中的调整镜与聚焦镜组的俯视图。

图7为图4的实施例中的反射镜的反射面的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

图1为一实施例中的激光雷达的内部结构示意图。参见图1，激光雷达包括发射装置100、接收装置200、扫描组件300以及旋转驱动装置400。

发射装置100用于发射N束出射激光，其中N为整数且N≥1。发射装置100包括激光器组110，该激光器组110中包括N个线性排列的激光器。当激光器组110中包含多个激光器时，每个激光器产生的出射激光之间互相平行并且相隔一定的距离。本实施例中以4线激光雷达为例，但并不限于4线激光雷达。图1中的激光器组110包含4个激光器。发射装置100发射的出射激光频率可以根据需要进行设定。出射激光可以为可见光光束，也可以为非可见光束等。本案中并不做具体限定。

接收装置200用于接收被扫描区域内的物体反射的反射激光，并将接收到的反射激光转换为处理器或者处理芯片所能够识别的电信号。反射激光为出射激光被扫描区域内的物体反射后的激光。在本实施例中，接收装置200与发射装置100同侧设置。

扫描组件300用于偏转N束出射激光以不同的俯仰角向外出射。扫描组件300包括倾斜设置的反射镜。如图2中所示，反射镜包括N个同心设置的环形镜，环形镜的数量根据需要进行设置。环形镜的数量可以与发射装置100发射的出射激光的数量相同。每个环形镜与水平面的夹角不同，因此，投射至每个环形镜上的出射激光偏转的角度也不同，即N束出射激光以不同的俯仰角向外出射，实现了对不同纵向方向的扫描。因此，可以通过调整各环形镜倾斜的角度来实现投射至扫描区域的出射激光与水平面的角度范围。可选地，通过对各环形镜的倾斜角度的调整，控制从各环形镜投射至扫描区域的出射激光与水平面的角度范围为-10°～2°。扫描组件300还用于接收由扫描区域内的物体反射回来的反射激光，并将各反射激光偏转至接收装置200。每束出射激光及反射激光由对应的环形镜进行偏转。对每束出射激光进行偏转和对反射激光的接收都是由同一环形镜完成，因此该激光雷达所需的对出射激光和反射激光的通光口径的面积，为使用平面镜进行偏转和接收的激光雷达的N倍。

在本实施例中，反射镜的多个环形镜与水平面的夹角由内向外依次增大，即，反射镜中，越靠近中心旋转轴的环形镜与水平面的倾斜角度越小，从而使得出射激光经过各环形镜反射后，投射至扫描区域时在竖直方向上依次散开，以不同的俯仰角分别投射至扫描区域。通过对各环形镜的倾斜角度进行设置，令最边缘的环形镜与水平面的夹角最大，向靠近旋转轴的方向的环形镜与水平面的夹角依次减小。

在本实施例中，反射镜的多个环形镜的面积，由内向外依次增大。环形镜的外环的面积大于内环的面积，外环偏转的出射激光和接收的反射激光较多，能够接收到的能量也更多，因此经过外环偏转的出射激光具有更远的探测距离。

旋转驱动装置400用于驱动扫描组件300绕轴旋转，使出射激光沿水平方向进行360°扫描。在本实施例中，旋转驱动装置400包括电机410和旋转轴420。电机410通过旋转轴420与扫描组件300连接。其中，扫描组件300的每个环形镜之间没有相对运动，扫描组件300作为一个整体在旋转驱动装置400的驱动下进行旋转。该激光雷达还可以包括解码组件500和控制板600。解码组件500用于测量扫描组件300旋转的位置及速度以实现对出射激光扫描过程进行更好的控制。控制板600通过导线与发射装置100、接收装置200、解码组件500、旋转驱动装置400进行电性连接。可选地，导线的直径小于1mm，且将该导线设置于出射激光和反射激光的盲区范围内，避免对激光雷达的扫描过程造成干扰，实现真正的沿水平方向内360°进行扫描。

上述激光雷达，包括发射装置100、接收装置200、扫描组件300和旋转驱动装置400；扫描组件300中包括反射镜，反射镜包括多个与水平面夹角不同的环形镜，这些倾斜角度不同的环形镜使发射装置100发射的N束出射激光进行偏转后以不同的俯仰角向扫描区域出射，并将扫描区域内的物体反射的反射激光偏转至接收装置200；同时，扫描组件300的绕轴旋转使出射激光沿水平方向进行扫描。该激光雷达中，将扫描组件300作为光束偏转元件，仅扫描组件300旋转，负载小、功耗低；扫描组件300中的反射镜为无源光学器件，无需向反射镜供电和通信；发射装置100和接收装置200均固定不动；简化了激光雷达内部的控制和结构系统设计，提高了激光雷达的可靠性。通过扫描组件300的转动来实现从反射镜上反射出去的出射激光沿水平方向360°内的扫描，并且通过设置每个环形镜倾斜角度不同，来实现出射激光在扫描区域与水平面的夹角变换，进而实现对纵向不同方向的扫描，即，使N束出射激光以不同的俯仰角出射。

在本实施例中，如图1中所示，激光雷达还可以包括调整镜900。可选地，调整镜900为倾斜设置的反射镜，其反射面与发射装置100发射的出射激光之间呈45°角。调整镜900的反射面朝向发射装置100和接收装置200。调整镜900用于将发射装置100发射的各出射激光偏转后投射至对应的环形镜，还用于将反射激光反射至接收装置200。如图3中所示，虚线为出射激光的光路路径，箭头为反射激光的光路路径。各出射激光在调整镜900上的不同位置反射至对应的环形镜后，经环形镜偏转以不同的俯仰角投射至扫描区域；各出射激光从环形镜反射至扫描区域时的俯仰角可以根据需要进行设定。物体反射的各束反射激光经过对应的环形镜的反射后被调整镜900接收并投射至接收装置200，由此形成出射激光和反射激光的光路路径。不同方向的反射激光经过对应的环形镜和调整镜900的反射后都被转换为水平的激光。因此，仅需要一个接收装置200即可实现对不同方向的反射激光的接收。该激光雷达属于同轴收发，出射激光和反射激光均经过调整镜900和扫描组件300进行传播，其结构简单、节约了成本。

在本实施例中，相邻的环形镜之间存在间隙。反射镜包括多个不在同一角度的环形镜，所以各环形镜的反射面不在同一个平面上，相邻的环形镜之间存在间隙，能避免出射激光或反射激光偏转的时候造成遮挡以致影响光线传播。

在本实施例中，扫描组件300还包括设置在各环形镜之间的间隙处的消光部件。消光部件用于消除间隙处的杂散光。避免了出射激光或反射激光投射至对应的环形镜上时，余光投射到间隙处产生杂散光，造成扫描结果不准确的现象。可选地，在间隙处涂覆吸光材料作为消光部件。

在本实施例中，如图1中所示，接收装置200包括探测器210和聚焦镜组220。聚焦镜组220用于聚焦反射激光至探测器210。聚焦镜组220设置于探测器210和调整镜900之间，聚焦镜组220能将调整镜900反射来的反射激光会聚后由探测器210接收。通常发射装置100发射的出射激光会带有一定的发散角，因此，出射激光在传播的过程中截面直径会越来越大，照射到扫描区域内的物体上的光斑也比发射装置100的口径大。由该物体反射回来的反射激光必然会有一部分光照射到与发射装置100同侧设置的接收装置200上，使反射激光被接收装置200接收。但反射激光的大光斑若仅通过一个探测器210接收，会损失很多能量，因此在探测器210前侧设置聚焦镜组220，使反射激光的大光斑能够聚焦镜组220会聚后投射至探测器210，使探测器210能够尽可能多的接收到反射激光，减少了反射激光的损失。激光雷达工作时的反射激光相比于出射激光的直径大，根据光路可逆原理，只有特定方向的反射激光才能被被环形镜中对应角度的环区反射，最终被探测器210接收到。为了保证较高的能量利用率，聚焦镜组220需具有更好的聚光效果。可选地，聚焦镜组220中使用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜只保留了发生折射的曲面，能在省下大量材料同时达到相同的聚光效果，有利于降低成本。

在本实施例中，接收装置200仅包括一个探测器210。可选地，探测器210为雪崩光电二极管(APD,Avalanche Photo Diode)。不同方向的反射激光最终经过对应的环形镜后被反射形成平行光，再由调整镜900反射后被接收装置200接收。由于反射激光在被探测器210接收之前经过了聚焦镜组220的会聚，因此可以使用一个小尺寸、高灵敏度的APD接收。

在本实施例中，如图1中所示，发射装置100包括准直镜组120和N个呈线性排列的激光器。通常光线是发散的，为了使出射激光中的光更加集中，每束出射激光为经准直镜组120准直后的激光。激光器组110中各激光器在空间依次沿纵向排布，准直镜组110包括多个准直镜。每个准直镜与各激光器一一对应，每个激光器发射的出射激光经过对应的准直镜进行准直。激光器组110发射的出射激光经过准直镜组120后形成一组平行光。为尽量缩短出射激光的纵向尺寸，可以使用短焦距透镜，该透镜曲率较小。在本实施例中，发射装置100和接收装置200还分别包括滤光片130，滤光片130用于使预设辐射波段的光通过，减少杂散光和干扰光。

在本实施例中，N个激光器采用时分复用的方式依次发射出射激光。如图1中所示，每个激光器按照预设的时序顺序发射出射激光，各出射激光经与之对应的环形镜反射后沿着特定方向出射，激光器组110完成一次顺序发射并经过各环形镜反射后在空间实现了沿不同俯仰角的出射，也就是说不需要任何扫描结构就可以实现激光雷达纵向一定的视场角范围的扫描。在旋转驱动装置400的驱动下，各环形镜绕竖直轴旋转，使出射激光沿水平方向扫描，最终输出一定的空间点云分布。该激光雷达属于一种多发单收的时分复用的激光雷达，仅需要一个接收装置200接收反射激光即可，进一步减小了该激光雷达的复杂度并降低了成本，且能实现对多线激光雷达更好的兼容性，尤其是对于4线以上的激光雷达有更好的兼容性。

在本实施例中，上述激光雷达还包括壳体700。发射装置100、接收装置200、扫描组件300以及旋转驱动装置400均设置在壳体700内。壳体700包括位于扫描组件300四周的透射区710。可选地，透射区710朝向扫描组件300设置。激光雷达工作时，仅旋转沿特定角度倾斜的环形镜，其壳体700上的透射区710的宽度大于出射激光和反射激光的通光孔径且有一定的倾角，减少了透射区710的反射光被接收装置200的误判或饱和概率。具体地，从扫描组件300反射至扫描区域的出射激光穿过透射区710时，一部分光会在透射区710上发生反射产生反射光，透射区710上端向内倾斜，所以该反射光并不会向接收装置200所在的方向投射，保证了该反射光不会对接收装置200接收反射激光造成干扰，进一步增加了激光雷达的可靠性。

在本实施例中，图1中的可拆卸模块800作为一个独立的模块，可与激光雷达底部分离。模块800中集成了发射装置100、接收装置200、调整镜900以及控制板600。可以在模块800内安装供电接口、通信接口，激光雷达底部的旋转驱动装置400等通过导线与供电接口连接或通信接口连接进行供电或通信。该激光雷达符合模块拆装化理念，并采用类潜望镜结构，以激光雷达整体机身直径作为通光口径。

在另一实施例中，如图4中所示，调整镜900的反射面朝向发射装置100。调整镜900用于将发射装置100发射的各出射激光偏转至对应的环形镜。调整镜900与接收装置200同侧设置，调整镜900与接收装置200中的聚焦镜组220的正视图如图5所示。从物体反射回来的反射激光经过环形镜后，极少一部分会反射至调整镜900上，这部分反射到调整镜900上的光会被其反射掉而不会被接收装置200接收。所以当调整镜900在接收装置200上的投影面积越小时，能尽可能的降低遮挡接收光的面积以增强接收装置200接收到的反射激光。一般的物体表面总是凹凸不平的，因此，出射激光投射到物体上时会在物体表面发生漫反射。也就是说，经过物体反射回去的反射激光会比反射装置100发射的出射激光的直径大，也就进一步保证了物体反射的反射激光投射至接收装置200的过程中遇到调整镜900时，不会完全被调整镜900反射掉，以致影响接收装置200接收反射激光。可选地，如图6所示，调整镜900在聚焦镜组220上的投影为较窄的长条状，从而调整镜900对接收装置200接收反射激光时的干扰较小。

在本实施例中，如图7所示，各环形镜的反射面的面积相等，各环形镜沿径向的宽度是不同的。物体的反射激光相比于出射激光的光斑大得多，环形镜中相邻圆环的面积相等能保证对不同方向的反射信号有相同的能量利用率。当在每束出射激光通过准直镜组120进行准直时，单个准直镜的口径小于环形镜中宽度最窄的圆环宽度在水平方向的投影宽度。

在本实施例中，接收装置200设置于激光雷达底部，激光雷达还包括散热器190，如图4中所示。散热器190,接收装置200同侧设置。散热器190不仅能为激光雷达散热，而且由于其具有一定的重量且设置在激光雷达扫描装置底部，所以还能够起到配重的作用。

在其他实施例中，激光雷达还可以包括处理系统。处理系统用于根据上述反射激光计算物体相对于激光雷达的距离、速度等信息。这样用户能够直接通过激光雷达了解到扫描区域内物体的距离、速度等信息。比如，在汽车中装配该装置，并将该装置辅助以一定的控制单元，即可测试一定范围内的行人、车辆以及障碍物等的信息以实现无人驾驶技术。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

发射装置，用于发射N束出射激光，所述N为整数，所述N≥1；

接收装置，用于接收被扫描区域内的物体反射的反射激光；

所述扫描组件，用于偏转N束出射激光以不同的俯仰角向外出射，包括倾斜设置的反射镜，所述反射镜包括N个同心设置的环形镜，每个所述环形镜与水平面的夹角不同；还用于接收所述反射激光，并将所述反射激光偏转至所述接收装置；每束所述出射激光及其所述反射激光由对应的所述环形镜进行偏转；以及

旋转驱动装置，用于驱动所述扫描组件绕轴旋转，使所述出射激光沿水平方向进行扫描。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述反射镜的多个所述环形镜与水平面的夹角，由内向外依次增大。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述反射镜的多个所述环形镜的面积，相等或由内向外依次增大。

4.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，相邻的所述环形镜之间存在间隙。

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描组件还包括消光部件；所述消光部件设置在所述环形镜之间的所述间隙处，用于消除所述间隙处的杂散光。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述接收装置包括探测器和聚焦镜组，所述聚焦镜组设置于所述探测器的前侧；所述聚焦镜组用于聚焦所述反射激光至所述接收装置。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述探测器的数量为1。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射装置包括准直镜组和N个呈线性排列的激光器，所述准直镜组用于准直所述激光器发射的出射激光。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，N个所述激光器采用时分复用的方式依次发射出射激光。

10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括壳体，所述壳体上设置有透射区，所述透射区倾斜设置。

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