CN113156401B - 一种收发分置激光雷达光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种收发分置激光雷达光学系统，属于激光雷达光学领域。激光光源发射激光，通过光束整形模块整形准直后，经偏振透反射模块反射至投射单元，再次反射后透过偏振透反射模块，在视场扩大单元的作用下增大扫描角，激光发射至探测目标后反射回波光信号，回波光信号经会聚单元和滤光片投射至光电探测器感光面，并进行光电转换产生电信号，经后续数据处理与发射信号的时间比对，计算距离信息，再结合激光光束的扫描角度，获得扫描视场范围内的目标物体距离信息，采用一维扫描微型反射镜可实现二维线扫探测，采用二维扫描微型反射镜可实现三维空间探测。

Description

一种收发分置激光雷达光学系统
技术领域
本发明涉及激光雷达光学技术领域，特别涉及一种收发分置激光雷达光学系统。
背景技术
激光雷达（LiDAR）是以激光作为载波探测远距离目标，通过回波信号反应目标位置等特定信息的雷达系统。相比微波雷达，其具有分辨率高、抗环境信号干扰能力强、体积小等优势，可广泛应用于自动导航车（Automatic Guided Vehicle，AGV）、工业化自动生产、无人驾驶、机器人等领域。
激光雷达工作原理主要包括三角测距和飞行时间测距（TOF），其中，TOF工作原理是将激光信号从激光雷达内部发射光学系统投射至目标物体上，激光经物体表面反射，部分光信号反射回激光雷达的收集端，接收光学系统将回波光信号收进光电探测器，光信号通过探测器转换为电信号，计算回波信号与发射光信号的时间差，可获得激光雷达到目标物体的探测距离。目前市场上的激光雷达以机械式扫描为主导，但随着技术的发展与应用需求的提升，人们开始将注意力转移至基于MEMS微镜扫描技术的激光雷达。不论是机械式扫描还是MEMS扫描，反射镜与光束呈一定夹角，对光束直径将有极高要求。
激光雷达的收发光路可分为收发分置和收发合置，收发合置可实现大范围扫描，但系统内的发射光会对探测模块造成干扰，且装调困难，而收发分置可消除系统内光干扰，其缺点是存在近距离探测盲区，需缩小收发端间距或扩大扫描角，对于微型扫描镜，扫描角度的增大将进一步要求更精细的光束。减小微型扫描镜与光束夹角的最佳方案是光束垂直投射微型扫描镜，并采用分束合束模块调节光路，这又将造成光损耗问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种收发分置激光雷达光学系统，以解决背景技术中出现的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种收发分置激光雷达光学系统，包括：
激光发射组件，向目标物体发射激光扫描信号并实现光束扫描；
信号接收组件，收集回波光信号；
驱动控制组件，控制光信号发射，驱动投射单元进行扫描，控制光电探测器并获取电信号的驱动控制组件。
可选的，所述激光发射组件包括激光光源、光束整形模块、偏振透反射模块、投射单元和视场扩大单元；
所述激光光源用于发射激光光束；所述光束整形模块对激光光束进行整形准直；所述偏振透反射模块利用偏振分光原理将激光光束全反射至所述投射单元，并使投射单元的反射光完全透过至所述视场扩大单元；所述投射单元将激光光束以一定扫速投射向探测目标，同时起到反转圆偏光或椭圆偏光光矢量旋转方向的作用；所述的视场扩大单元用于将扫描角扩大。
可选的，所述偏振透反射模块包括偏振分束单元和偏振转换单元；所述偏振分束单元能够使S光反射、P光透射；所述偏振转换单元用于实现光束在线偏振与圆偏振或椭圆偏振间的转换。
可选的，所述偏振分束单元为镀膜偏振分光片，或偏振分光棱镜，或能够对S光及P光产生不同透反射效果的光学晶体；所述偏振转换单元包括四分之一波片。
可选的，所述的信号接收组件包括会聚单元、滤光片和光电探测器；
所述会聚单元用于会聚探测目标的回波光束并投射于所述光电探测器的感光面上；所述滤光片过滤除激光波段外的其它干扰光，提取所需的回波信号，同时能够提高信噪比；所述光电探测器将收集到的光信号转换为电信号，以供后续信号处理获得距离信息。
可选的，所述会聚单元选用广角透镜，以获得大视场角；所述滤光片选用单个带通滤光片，或多个滤光片的组合；所述光电探测器包括雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管。
所述驱动控制组件用于控制激光光源发射光信号，驱动投射单元进行扫描，控制光电探测器并获取电信号。
可选的，所述光束整形模块和所述偏振分束单元依次位于激光光源的发射光路上；所述投射单元的微型反射镜中心法线位于第一反射光路上，所述偏振转换单元位于所述偏振分束单元和所述投射单元之间；所述视场扩大单元位于第二反射光路经所述偏振分束单元后的P光出射端；所述激光发射组件和所述信号接收组件互相分置，同时保持光学窗口同向，且视场具有重合区域。
可选的，所述收发分置激光雷达光学系统还包括辅助系统，所述辅助系统包括起偏单元和光阑；
所述起偏单元包括线偏振片，用于起偏激光光束；所述光阑用于限制光束直径。
可选的，所述起偏单元和所述光阑位于所述光束整形模块和所述偏振透反射模块之间，并且所述起偏单元的面积需大于所透过的光束光斑面积。
可选的，所述激光光源选用激光二极管、半导体激光器、固体激光器或气体激光器；所述光束整形模块为单个准直器，或多个透镜的组合；所述投射单元为基于MEMS或电机，或其它方式驱动的微型反射镜，选用一维或二维的扫描微型反射镜；所述视场扩大单元选用单个凹透镜，或多个透镜的组合。
可选的，所述激光光源能够选用激光二极管、半导体激光器、固体激光器或气体激光器；所述光束整形模块为单个准直器，或多个透镜的组合。
在本发明提供的收发分置激光雷达光学系统中，包括激光发射组件、信号接收组件和驱动控制组件；激光发射组件用于向目标物体发射激光信号，并实现光束扫描；信号接收组件用于收集回波光信号；驱动控制组件用于控制激光光源发射光信号，驱动投射单元进行扫描，控制光电探测器并获取电信号。本发明采用收发分置的光学系统，可消除系统内的发射光对探测模块的干扰。视场扩大单元在增大扫描角度的同时，弥补收发分置带来的近距离探测盲区问题。利用偏振分束的原理，本发明将激光光束垂直投射至微型反射镜，并且微型反射镜的反射光能够无遮挡出射，一方面降低了对光束直径的约束要求，便于光路设计装调；另一方面较低的光功率损耗，可以实现更远距离的探测。
附图说明
图1为本发明提供的收发分置激光雷达光学系统总体架构示意图；
图2为本发明提供的收发分置激光雷达光学系统实施例一结构示意图；
图3为本发明所涉及的偏振透反射原理示意图；
图4为本发明提供的收发分置激光雷达光学系统实施例二结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种收发分置激光雷达光学系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种收发分置激光雷达光学系统，其结构如图1所示，所述收发分置激光雷达光学系统包括激光发射组件100、信号接收组件200和驱动控制组件300。
所述激光发射组件100用于向目标物体发射激光扫描信号，并实现光束扫描；所述的激光发射组件100包括激光光源10、光束整形模块20、偏振透反射模块30、投射单元40和视场扩大单元50。
如图2所示，所述激光光源10主动发射激光光束，激光光束经光束整形模块20整形准直，获得近似准直的光束，降低光束的发散角度，使得激光束可投射更远的距离。由于激光光源10发射的光束快慢轴尺寸和发散角各不相同，需采用对应快慢轴方向结构有所区别的光束整形模块20，光束整形模块20可选用单个准直器或多个透镜的组合。所述的激光光源10可选但不限于激光二极管、半导体激光器、固体激光器或气体激光器。
所述偏振透反射模块30将激光光束反射构成第一反射光路，第一反射光路经所述投射单元40反射获得第二反射光路，第二反射光路再透过偏振透反射模块30发射出光；如图3所示，所述的偏振透反射模块30包括偏振分束单元31和偏振转换单元32。
如图3所示为偏振透反射模块30的工作原理，所述偏振分束单元31能够使S光反射、P光透射，起到对不同偏振态光束（S光和P光）透反射效果截然相反的作用；所述偏振分束单元31为镀膜偏振分光片，或偏振分光棱镜，或可以对S光及P光产生不同透反射效果的光学晶体。
所述偏振转换单元32用于转变光束的偏振态，使第一反射光路中入射偏振转换单元32的S光转变为圆偏光或椭圆偏光，经投射单元40表面的镜面反射后，圆偏光或椭圆偏光其光矢量旋转方向发生反转，透过偏振转换单元32形成P光入射偏振分束单元31；所述偏振转换单元32可选但不限于四分之一波片。
所述投射单元40能够将经偏振透反射模块30反射而来的激光光束向空间上部分角度以一定扫速投射向探测目标，同时起到反转圆偏光或椭圆偏光光矢量旋转方向的作用；所述投射单元40为基于MEMS或电机或其它方式驱动的微型反射镜，可选一维或二维的扫描微型反射镜，选用一维扫描微型反射镜可实现二维线扫探测，选用二维扫描微型反射镜可实现三维空间探测。
第二反射光路从偏振透反射模块30透射而出经视场扩大单元50扩大扫描角，获得更大的激光雷达视场；所述视场扩大单元50可选用单个凹透镜或多个透镜的组合，其原理是利用透镜对光的折射改变光束方向，扩大扫描角。所述第二反射光路和探测目标作用后将反射回波光信号，回波光信号由信号接收组件200收集，所述信号接收组件200包括会聚单元60、滤光片70、光电探测器80。
所述会聚单元60能够会聚探测目标的回波光束并投射于光电探测器感光面上；所述会聚单元60可选用广角透镜，以获得大视场角。所述滤光片70用于过滤除激光波段外的其它干扰光，提取所需波段对应的回波信号，同时能够提高信噪比；所述滤光片70可选用单个带通滤光片或多个滤光片组合。所述光电探测器80是将收集到的回波光信号转换为电信号的关键部件，回波光信号在会聚单元60和滤光片70的作用下收集进光电探测器80，转换得到的电信号可供后续信号处理获得距离信息；所述光电探测器80可选但不限于雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管。
所述驱动控制组件300用于控制激光光源10发射光信号，驱动投射单元40进行扫描，控制光电探测器80并获取电信号。
所述光束整形模块20和偏振分束单元31依次位于激光光源10的发射光路上，所述投射单元40的微型反射镜中心法线位于第一反射光路上，所述偏振转换单元32位于偏振分束单元31和投射单元40之间，所述视场扩大单元50位于第二反射光路经偏振分束单元31后的P光出射端，所述激光发射组件100和信号接收组件200互相分置同时保持光学窗口的视场尽可能具有较大的重合区域。
如果激光光源10发射激光光束的线偏振性较好，经光束整形模块20整形后的激光光束光斑面积小于投射单元40的微型反射镜面积，可采用本实例一。如果激光光束质量不满足上述要求，可采用以下实例二的具体实施方式。
实施例二
如图4所示，是在实例一的基础上增加了辅助系统90，所述辅助系统90包括起偏单元91和光阑92。
所述起偏单元91用于起偏激光光束，优化激光光束的线偏振性，所述起偏单元91可选用但不限于线偏振片；所述光阑92用于限制光束，在光束整形模块20对激光光束整形准直的基础上细化光束。
所述起偏单元91和光阑92位于光束整形模块20和偏振透反射模块30之间，并且起偏单元91面积需大于所透过的光束光斑面积；激光光束经过所述的起偏单元91和光阑92的先后顺序不做特定要求，这里实例选用的是先经过起偏单元91后经过光阑92。
本发明提出的一种收发分置激光雷达光学系统，可消除系统内的发射光对探测模块的干扰。视场扩大单元在增大扫描角度的同时，弥补收发分置带来的近距离探测盲区问题。利用偏振分束的原理，本发明将激光光束垂直投射至微型反射镜，并且微型反射镜的反射光能够无遮挡出射，一方面降低了对光束直径的约束要求，便于光路设计装调；另一方面较低的光功率损耗，可以实现更远距离的探测。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，包括：
激光发射组件，向目标物体发射激光扫描信号并实现光束扫描；
信号接收组件，收集回波光信号；
驱动控制组件，控制发射光信号，驱动投射单元进行扫描，控制光电探测器并获取电信号；
所述激光发射组件包括激光光源、光束整形模块、偏振透反射模块、投射单元和视场扩大单元；所述激光光源用于发射激光光束；所述光束整形模块对激光光束进行整形准直；所述偏振透反射模块利用偏振分光原理将激光光束全反射至所述投射单元，并使投射单元的反射光完全透过至所述视场扩大单元；所述投射单元将激光光束以一定扫速投射向探测目标，同时起到反转圆偏光或椭圆偏光光矢量旋转方向的作用；所述的视场扩大单元用于将扫描角扩大；
所述偏振透反射模块包括偏振分束单元和偏振转换单元；所述偏振分束单元能够使S光反射、P光透射；所述偏振转换单元用于实现光束在线偏振与圆偏或椭圆偏振间的转换。
2.如权利要求1所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述偏振分束单元为镀膜偏振分光片，或偏振分光棱镜，或能够对S光及P光产生不同透反射效果的光学晶体；所述偏振转换单元包括四分之一波片。
3.如权利要求2所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述的信号接收组件包括会聚单元、滤光片和光电探测器；
所述会聚单元用于会聚回波光束并投射于所述光电探测器的感光面上；所述滤光片用于过滤除激光波段外的其它干扰光，提取所需的回波信号，提高信噪比；所述光电探测器将收集到的光信号转换为电信号，以供后续信号处理获得距离信息。
4.如权利要求3所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述会聚单元选用广角透镜，以获得大视场角；所述滤光片选用单个带通滤光片，或多个滤光片的组合；所述光电探测器包括雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管。
5.如权利要求4所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述光束整形模块和所述偏振分束单元依次位于激光光源的发射光路上；所述投射单元的微型反射镜中心法线位于第一反射光路上，所述偏振转换单元位于所述偏振分束单元和所述投射单元之间；所述视场扩大单元位于第二反射光路经所述偏振分束单元的出射端；所述激光发射组件和所述信号接收组件互相分置，同时保持光学窗口同向，且视场具有重合区域。
6.如权利要求5所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述收发分置激光雷达光学系统还包括辅助系统，所述辅助系统包括起偏单元和光阑；
所述起偏单元包括线偏振片，用于起偏激光光束；所述光阑用于限制光束直径。
7.如权利要求6所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述起偏单元和所述光阑位于所述光束整形模块和所述偏振透反射模块之间，并且所述起偏单元的面积需大于所透过的光束光斑面积。
8.如权利要求7所述的收发分置激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光光源选用激光二极管、半导体激光器、固体激光器或气体激光器；所述光束整形模块为单个准直器，或多个透镜的组合；所述投射单元为基于MEMS或电机，或其它方式驱动的微型反射镜，选用一维或二维的扫描微型反射镜；所述视场扩大单元选用单个凹透镜，或多个透镜的组合。
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