CN113359111A - 具有外罩的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有外罩的激光雷达。根据本发明的一实施例的激光雷达包括：第一透镜，具有沿第一方向的光轴；第二透镜，具有沿第一方向的光轴；第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；曲面外罩，利用使激光透过的材料形成，从发射部发出的发散的激光经过第一透镜后成为会聚光线，经过曲面外罩后成为准直光线。

Description

具有外罩的激光雷达

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种具有外罩的激光雷达。

背景技术

在自动驾驶领域中，自动驾驶车辆可以借助激光雷达（LIDAR）等设备来探测周围物体。激光雷达可以通过向周围三维空间发射激光束作为探测信号，并使激光束照射到周围空间中的物体后被反射而成为回波信号并返回，激光雷达将接收的回波信号与发射的探测信号进行比较，从而获得关于周围物体的诸如距离、速度等相关信息。

上述的激光雷达包括发射模块和接收模块。发射模块产生并发射激光束，打在周围物体上并反射回来的激光束被接收模块接收。由于光速是已知的，因此可以通过激光的传播时间测量周围物体相对于激光雷达的距离。

近来，随着对激光雷达小型化的要求越来越高，激光雷达需要解决小型化所带来的问题。

发明内容

本发明提供一种具有外罩的激光雷达。

根据本发明的一实施例的激光雷达包括：第一透镜，具有沿第一方向的光轴；第二透镜，具有沿第一方向的光轴；第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；曲面外罩，利用使激光透过的材料形成，从发射部发出的发散的激光经过第一透镜后成为会聚光线，经过曲面外罩后成为准直光线。

并且，第一基板的设置方向可以相对于第一方向倾斜，第二基板的设置方向垂直于第一方向。

并且，第一基板和第二基板可以沿第一方向错开。

根据本发明的另一实施例的激光雷达包括：第一透镜，具有沿第一方向的光轴；第二透镜，具有沿第一方向的光轴，位于第一透镜的第二方向侧，第二方向垂直于第一方向，第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；曲面外罩，利用使激光透过的材料形成，使从发射部发出的激光透过，发射部包括第一激光器和第二激光器，第二激光器位于第一激光器的第二方向侧，第一激光器和第二激光器距第一透镜的距离不相等。

并且，第一激光器距第一透镜的距离可以大于第二激光器距第一透镜的距离。

并且，第一基板的设置方向可以相对于第一方向倾斜，第一基板的第二方向侧端相比于相对的另一侧端更靠近第一透镜。

并且，从第一激光器发出的激光经过第一透镜后可以偏向第二方向。

根据本发明的另一实施例的激光雷达包括：第一透镜，具有沿第一方向的光轴；第二透镜，具有沿第一方向的光轴；第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；曲面外罩，利用使激光透过的材料形成，使从发射部发出的激光透过，第一透镜、第二透镜、第一基板、第二基板、发射部及接收部以旋转轴为中心旋转，曲面外罩具有以旋转轴为中心的环形截面，发射部包括第一激光器和第二激光器，第一激光器相对于第二激光器位于远离旋转轴的位置，第一激光器和第二激光器距第一透镜的距离不相等。

并且，第一激光器距第一透镜的距离可以大于第二激光器距第一透镜的距离。

并且，第一基板的设置方向可以相对于第一方向倾斜，第一基板的靠近旋转轴的一侧端相比于远离旋转轴的另一侧端更靠近第一透镜。

根据本发明的一实施例，可以有效弥补外罩对从透镜发出的准直光线的影响。

本发明的效果不限于如上的效果，本领域技术人员可以从以下的说明中得出上文中未记载的效果。

附图说明

图1是示出根据本发明的一实施例的激光雷达的示意图。

图2是示出从发射部发出的激光的光路的示意图。

图3是示出设置外罩的情况下从发射部发出的激光的光路的示意图。

图4是示出对从发射部发出的激光的光路进行补偿的情形的示意图。

图5是示出发射光束与外罩法线的夹角的示意图。

图6是示出根据本发明的一实施例的激光雷达的示意图。

图7是示出根据本发明的另一实施例的激光雷达的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。显然，以下公开的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

并且，在本发明的说明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系是基于附图的方位或位置关系，并且仅是为了便于描述本发明的简化描述，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。

图1是示出根据本发明的一实施例的激光雷达的示意图。

如图1所示，根据本发明的一实施例的激光雷达可以包括发射部100、接收部200、基板300、第一透镜400、第二透镜500及外罩600。图1中示出了激光雷达的一部分部件，激光雷达还可以包括未示出的其他部件，例如可以包括使发射部100、接收部200、基板300、第一透镜400及第二透镜500旋转的旋转部。

其中，发射部100可以基于位于基板300的驱动电路的驱动而发出激光。发出的激光通常是发散的，因此可以经过第一透镜400准直后作为探测信号向激光雷达的外部发出。在激光雷达的外部物体反射的激光可以作为回波信号入射到激光雷达，入射到激光雷达的激光可以在第二透镜500聚焦后入射到接收部200。接收部200可以设置于基板300，在基板300可以设置有用于对接收部200输出的电信号进行处理的电子器件。据此，可以利用激光雷达通过飞行时间法（TOF）测量周围物体与激光雷达的相隔距离。

具体而言，发射部100可以包括多个激光器阵列。激光器阵列可以包括多个边发射激光器（EEL）或者多个垂直腔面发射激光器（VCSEL）。并且，激光器阵列可以为将多个边发射激光器（EEL）或多个垂直腔面发射激光器（VCSEL）一体地结合的结构。并且，激光器阵列可以是线阵阵列或者面阵阵列。在图1和图2中示出了发射部100包括第一激光器110和第二激光器120的情形。其中，第一激光器110和第二激光器120分别沿横向相隔布置。图1中虽然示出了形成有两个激光器的情形，但本发明不限于此。图1中示出的两个激光器可以是两个线阵激光器，两个线阵激光器可以沿垂直于纸面的方向排列而从上方观察时可以为如图1所示的形状。或者，图1中示出的激光器可以是面阵激光器中的两个激光器，且省略了其他激光器。因此，本发明不限于发射部100仅包括两个激光器的情形。

接收部200可以包括能够感测光的多个接收器。多个接收器可以布置为n行m列的阵列，或者可以布置为1×n的线阵形态。多个接收器的布置形态可以与发射部100中的激光器对应。所述接收器可以为诸如APD及SPAD等光电传感器。接收部200的接收器可以接收光信号形态的回波信号而以电信号形态输出。

基板300可以为印刷电路板（PCB）。在基板300可以形成有电路。在基板300的发射部100周围可以设置有驱动电路，驱动电路可以驱动发射部100的各个激光器而使发射部100发出激光。驱动电路的数量可以与发射部100所包括的激光器的数量相同。在基板300的接收部200周围可以设置有用于对接收部200的输出信号进行后续处理的电子器件。例如，可以设置有用于对接收部200的输出信号进行放大的跨阻放大器（TIA）阵列等放大电路或其他后处理电路。

在发射部100的光路前方可以设置有第一透镜400。第一透镜400可以具有一个直线光轴。从发射部100发出的激光可以不经过发射部100和第一透镜400之间的反射镜而直接入射到第一透镜400。第一透镜400可以使从发射部100发出的光准直后向外部发出。其中，第一透镜400可以使从多个激光器发出的光均准直后向外部发出。并且，第一透镜400可以使从位于基板300的不同位置的发射部100发出的激光分别准直后，沿不同方向发出。为此，第一透镜400可以由透镜组或光学系统构成，透镜组或光学系统所包括的透镜的数量不受限，例如可以是3个或以上。从第一透镜400发出后在激光雷达的外部反射的激光可以入射到第二透镜500。第二透镜500可以是与第一透镜400相同的透镜组。因此，第二透镜500可以将入射的激光聚焦于接收部200。其中，经过第二透镜500的回波信号可以不经过第二透镜500和接收部200之间的反射镜而直接入射到接收部200。第一透镜400和第二透镜500的光轴可以彼此平行而能够有效探测远距离的物体。并且，第一透镜400和第二透镜500的各个透镜可以如图1所示的对齐设置，即，各个透镜的前后方向的位置可以相同。或者，各个透镜的前后方向的位置不相同也可以测量激光雷达外侧的物体。

外罩600可以利用截面为环形的透光材料形成。例如，可以用PMMA材料形成。外罩600可以为具有圆环形侧壁且具有封闭的顶部的形状。外罩600的顶部可以位于图1的纸面上方且与纸面平行。外罩600的侧壁可以垂直于纸面，或者外罩600的侧壁也可以相对于纸面倾斜。外罩600可以形成为在内部收容发射部100、接收部200、基板300、第一透镜400及第二透镜500，且其大小可以在收容上述部件的前提下尽可能小地形成。在一些实施例中，发射部100、接收部200、基板300、第一透镜400及第二透镜500可以一同在外罩600内相对外罩600旋转，其旋转轴可以垂直于纸面，且该旋转轴可以位于环形外罩600的圆心。因此，外罩600的内侧面可以与旋转部件相隔。

在另一实施例中，外罩600不一定是环形的，可以是具有预定曲率的形状。例如，在发射部100、接收部200、基板300、第一透镜400及第二透镜500不旋转的情况下，外罩600可以形成为具有预定曲率的弧形。即，本发明的外罩600的形状不受限制，可以是曲面外罩，并且可以是曲率中心在发射部100及接收部200侧的曲面外罩。

上文中，参照图1对激光雷达的各个部件进行了说明。接下来，参照图2~图5对从发射部100发出的激光的光路进行说明。

图2是示出从发射部发出的激光的光路的示意图。图3是示出设置外罩的情况下从发射部发出的激光的光路的示意图。图4是示出对从发射部发出的激光的光路进行补偿的情形的示意图。图5是示出发射光束与外罩法线的夹角的示意图。

参照图2，从发射部100的第一激光器110及第二激光器120发出的激光可以是如图2 的L1及L2所示的发散结构，第一透镜400可以使入射的发散的激光准直后向激光雷达的外部发出（如L11及L21）。若从激光雷达发出的激光形成发散或会聚的形状，则激光的光斑大小会随着距离变远而变大，激光的能量密度会随着光斑大小的变大而减小，从而会影响激光雷达的远距离探测性能。因此，当从激光雷达发出的激光光束为准直光线时，最有利于远距离探测。

如图2所示，当第一激光器110和第二激光器120分别位于第一透镜400的光轴的左右侧时，第一透镜400可以使从位于左侧的第一激光器110发出的激光L1准直后偏向右侧方向发出（如L11），并且可以使从位于右侧的第二激光器120发出的激光L2准直后偏向左侧方向发出（如L21）。其中，第一激光器110和第二激光器120可以位于第一透镜400的焦平面。即，第一激光器110和第二激光器120距第一透镜400的距离可以相同。

下文中，为了说明的便利，以从第二激光器120发出的激光为主进行说明。如图2的（b）所示，当第二激光器120位于光轴右侧的第一位置d1时，从第二激光器120发出的激光L2经第一透镜400准直后，从第一透镜400以准直光线（平行光）L21偏向左侧方向发出，从而有利于远距离探测。

此时，如图3所示，若在激光雷达的光路前方设置外罩600，则从第一透镜400射出的准直光线L21经过外罩600后会变成发散光线L22，从而不利于激光雷达的远距离探测。

此时，如图4所示，可以通过使第二激光器120从第一位置d1向后移动预定距离而位于第二位置d2，使从激光雷达发出的激光从发散光线L22重新变成准直光线L23，从而进行补偿。对于第一激光器110而言，也可以通过使第一激光器110后移预定距离而使从第一激光器110发出的激光经过外罩600后也成为准直光线。即，可以使第一激光器110和第二激光器120同时向后预定距离而使从外罩600发出的激光准直。此时，第一激光器110移动的距离和第二激光器120移动的距离可以不相同。该不相同可由外罩600的形状决定。

例如，如图5所示，当外罩600的截面为环形时，从第一激光器110发出的激光经准直后的准直光线L11与外罩600相交的位置处的与法线的夹角大于从第二激光器120发出的激光经准直后的准直光线L21与外罩600相交的位置处的与法线的夹角，因此外罩600对第一激光器110的准直光线L11的影响大于外罩600对第二激光器120的准直光线L12的影响。因此，对第一激光器110的位置补偿应大于第二激光器120。即，第一激光器110的后移距离应大于第二激光器120的后移距离。换言之，第一激光器110和第二激光器120距第一透镜400的距离可以不同，第一激光器110距第一透镜400的距离可以大于第二激光器120距第一透镜400的距离。其中，第一激光器110/第二激光器120距第一透镜400的距离可以是，第一激光器110/第二激光器120与最近的第一透镜400的垂直于光轴的平面之间的距离。具体的移动距离可能因外罩600的形状等而改变。

根据本发明的一实施例，如图6所示，可以通过使基板300分为第一基板310和第二基板320，然后使设置发射部100的第一基板310相对于设置接收部200的第二基板320位于后侧，且第一基板310的左侧端相对于右侧端位于后侧（即，第一基板沿顺时针方向旋转预定角度），补偿外罩600产生的对准直的影响。即，通过使第一基板310相对于第二基板320位于后侧，可以补偿外罩600产生的对准直的影响。并且，通过使第一基板310相对于第二基板320向顺时针方向旋转预定角度，可以弥补第一激光器110和第二激光器120的补偿差值。其中，在第一基板310可以设置有驱动电路，驱动电路可以驱动发射部100的各个激光器而使发射部100发出激光；在第二基板320可以设置有用于对接收部200的输出信号进行后续处理的电子器件。

上文中，对错开第一基板310和第二基板320，并使第一基板310后移而对外罩600的影响进行补偿的情形进行了说明。但本发明不限于此，也可以使第二基板320也一同后移而补偿外罩600对接收部200的收光的影响。但是，接收部200的感光面积通常较大，因此不对此进行补偿也可以使接收部200正常接收到激光。因此，可以选择通过移动第二基板320的位置对接收部200进行补偿，也可以选择不进行补偿。

其中，使第二基板320和第一基板310错开还可以有如下效果：激光雷达中，通常使发射部100-第一透镜400-外罩600之间的光路与接收部200-第二透镜500-外罩600之间的光路隔离，来防止从发射部100发出的激光在激光雷达内部反射而入射到接收部。然而，如果基板300如图1所示地形成为一体型，则因为基板所通常使用的材料FR4本身具有一定透光性，且从发射部100发出的激光可能在透第一镜或400发射部100前方的其他部件反射后，通过基板的上表面（例如，焊盘周围的油墨未完全覆盖的区域或不存在铜层的区域）进入到基板内，然后在基板内部传输后从接收部200周围的基板的上表面透射上来而进入接收部200，从而会干扰接收部200的正常工作。并且，申请人发现，上述的漏光现象存在且严重影响接收部200的探测。尤其，在激光雷达探测远距离（例200米）外的物体的时候，通过基板进入到接收部200的光量相对于返回的回波信号而言强度较大而不容忽视。从而，可以如图6所示地通过使第一基板320和第二基板310错开而防止光线通过基板入射到接收部200。

接下来，参照图7对根据本发明的另一实施例的激光雷达进行说明。

图7所示的激光雷达与图6所示的激光雷达的区别在于，根据第二实施例的激光雷达还包括支撑部700。如同图6所示的激光雷达，图7所示的激光雷达也包括发射部100、接收部200、第一基板310、第二基板320、第一透镜400及第二透镜500。

其中，第一透镜400和第二透镜500可以固定于支撑部700的内部。图7所示的激光雷达和图6所示的激光雷达的激光的光路可以相同，区别可以只在于在图7的激光雷达另设了用于固定发射部100、接收部200、第一基板310、第二基板320、第一透镜400及第二透镜500的支撑部700，且支撑部700可以在外罩600的内部旋转。

其中，支撑部700可以具有使发射部100和第一透镜400连通的第一空间与使接收部200和第二透镜500连通的第二空间。并且，支撑部700使第一空间和第二空间隔离。

第一基板310和第二基板320也可以固定于支撑部700。第一基板310和第二基板320可以固定于支撑部700的内部或者支撑部700的外部。图7中示出了第一基板310和第二基板320固定于支撑部700外部的情形。第一基板310和第二基板320例如可以通过螺丝结合而固定于支撑部700。当第一基板310和第二基板320固定于支撑部700外部时，位于第一基板310的发射部100和位于第二基板320的接收部 200可以位于支撑部700内部或者外部。第一基板310和第二基板320也可以通过支撑部700后侧的开孔插入支撑部700内部而固定。

根据本实施例的激光雷达的特征可以在于，支撑部700的固定第一基板310的部分相对于固定第二基板320的部分而沿光路方向（或者第一透镜和/或第二透镜的光轴方向）凸出，从而可以使第一基板310和第二基板320固定于支撑部700时错开而不位于同一平面，从而可以防止上文所述的漏光现象。并且，支撑部700的固定第一基板310的部分相对于光轴倾斜，而补偿第一激光器和第二激光器的补偿差值。

上文中，对在外罩600是环形的情况下，移动发射部100所包括的激光器的位置而补偿外罩600对激光的准直的影响的情形进行了说明。本发明不限于此，只要外罩的出光部分非平面，即可应用本发明而补偿外罩600对激光的准直的影响。

以上记载的关于装置及方法的实施例仅仅是示意性的，其中所记载的分离的单元可以是或者不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者不是物理单元，即，可以位于一个位置，或者可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明的技术方案。

Claims (11)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

第一透镜，具有沿第一方向的光轴；

第二透镜，具有沿第一方向的光轴；

第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；

第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；

发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；

接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；

曲面外罩，利用使激光透过的材料形成，

从发射部发出的发散的激光经过第一透镜后成为会聚光线，经过曲面外罩后成为准直光线。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，

第一基板的设置方向相对于第一方向倾斜，第二基板的设置方向垂直于第一方向。

3.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，

第一基板和第二基板沿第一方向错开。

4.一种激光雷达，其特征在于，包括：

第一透镜，具有沿第一方向的光轴；

第二透镜，具有沿第一方向的光轴，位于第一透镜的第二方向侧，第二方向垂直于第一方向；

第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；

第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；

发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；

接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；

曲面外罩，使从发射部发出的激光透过，

发射部包括第一激光器和第二激光器，第二激光器位于第一激光器的第二方向侧，第一激光器和第二激光器距第一透镜的距离不相等。

5.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，

第一激光器距第一透镜的距离大于第二激光器距第一透镜的距离。

6.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，

第一基板的设置方向相对于第一方向倾斜，第一基板的第二方向侧端相比于相对的另一侧端更靠近第一透镜。

7.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，

从第一激光器发出的激光经过第一透镜后偏向第二方向。

8.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，还包括：

支撑部，在内部固定第一透镜和第二透镜，

第一基板和第二基板固定于支撑部，

支撑部的固定第一基板的部分相对于固定第二基板的部分沿光轴方向凸出。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括：

第一透镜，具有沿第一方向的光轴；

第二透镜，具有沿第一方向的光轴；

第一基板，设置于第一透镜的第一方向侧；

第二基板，设置于第二透镜的第一方向侧；

发射部，能够发出激光，在第一基板设置为朝向第一透镜；

接收部，能够接收激光，在第二基板设置为朝向第二透镜；

曲面外罩，使从发射部发出的激光透过，

第一透镜、第二透镜、第一基板、第二基板、发射部及接收部以旋转轴为中心旋转，曲面外罩具有以旋转轴为中心的环形截面，

发射部包括第一激光器和第二激光器，第一激光器相对于第二激光器位于远离旋转轴的位置，第一激光器和第二激光器距第一透镜的距离不相等。

10.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，

第一激光器距第一透镜的距离大于第二激光器距第一透镜的距离。

11.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，

第一基板的设置方向相对于第一方向倾斜，第一基板的靠近旋转轴的一侧端相比于远离旋转轴的另一侧端更靠近第一透镜。

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