CN113589301A - 激光雷达发射装置及激光雷达系统 - Google Patents

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CN113589301A CN202010409118.5A CN202010409118A CN113589301A CN 113589301 A CN113589301 A CN 113589301A CN 202010409118 A CN202010409118 A CN 202010409118A CN 113589301 A CN113589301 A CN 113589301A
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孟宪东
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Abstract

本发明涉及激光雷达技术，公开了一种激光雷达发射装置及激光雷达系统。该装置包括：反射镜组，包括至少一个第一反射镜，设置于所述激光发射模块的发射光路上，用于将多个所述第一光束向MEMS扫描单元反射；MEMS扫描单元，用于将接收的多个所述第一光束向所述扩束透镜组扫描反射；扩束透镜组，包括至少一个扩束透镜，用于将扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描。本发明实现了大视场扫描，减少了零部件数量，降低了发射装置的体积和成本，利于装置的小型化及安装。

Description

激光雷达发射装置及激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达发射装置及激光雷达系统。
背景技术
激光雷达通过向目标对象发射激光光束并接收从目标对象反射的光束来测量目标对象的位置、速度等信息。随着自动驾驶技术的快速发展，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)激光雷达被广泛应用，但与传统机械式激光雷达相比，MEMS激光雷达的视场角偏小，尤其在自动驾驶领域，则需要安装多台MEMS激光雷达进行视场角拼接才能实现360°的全景三维探测，在增加成本的同时，加大了激光雷达系统的体积，不便于安装。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光雷达发射装置及激光雷达系统，以解决现有技术中的MEMS激光雷达的视场角偏小的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种激光雷达发射装置，包括：
激光发射模块，用于发射多个预设波长的第一光束；
反射镜组，包括至少一个第一反射镜，设置于所述激光发射模块的发射光路上，用于将多个所述第一光束向MEMS扫描单元反射；
所述MEMS扫描单元，用于将接收的多个所述第一光束向扩束透镜组扫描反射；
所述扩束透镜组，包括至少一个扩束透镜，用于将扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描。
可选的，所述激光发射模块包括：
激光发射单元，用于发射多个预设波长的初始光束；
光束调整单元，设置在所述激光发射单元发射光束的一侧，用于将多个所述初始光束进行聚焦和/或准直，得到多个第一光束并出射。
可选的，所述激光发射单元包括：设置在同一方向上的至少两层激光子单元；
每层所述激光子单元包括多个激光器，每个激光器发射所述预设波长的初始光束。
可选的，所述光束调整单元包括：多个光束调整子单元，所述光束调整子单元与所述激光器一一对应；每个所述光束调整子单元包括：
聚焦透镜，设置在所述激光器发射光束的一侧，用于将对应的所述初始光束进行聚焦；和/或
准直透镜，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧，用于将聚焦后的对应的所述初始光束进行准直；和
光阑，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧或设置在所述准直透镜出射光束的一侧，用于对聚焦和/或准直后的对应的所述初始光束进行过滤，得到对应的第一光束并出射。
可选的，所述聚焦透镜和/或准直透镜的面型为非球面、球面和自由曲面中的任意一种。
可选的，所述预设波长的范围为850nm至1850nm。
可选的，所述第一反射镜的材质为介质膜或金属膜。
可选的，所述反射镜组和扩束透镜组一体连接或一体设置而形成反射扩束模块。
可选的，所述MEMS扫描单元为MEMS反射镜；
所述MEMS反射镜的所述反射面的尺寸根据所述MEMS反射镜的共振频率确定。
可选的，经过所述扩束透镜组的第一光束的视场角FOV2为：
FOV2＝a*FOV1
其中，a为所述扩束透镜的扩束倍率，FOV1为经过所述MEMS扫描单元反射的第一光束的视场角。
本发明实施例的第二方面提供一种激光雷达发射装置，包括：
激光发射模块，用于发射多个预设波长的第一光束；
反射扩束模块，具有反射区和扩束区，所述反射区将多个所述第一光束向MEMS扫描单元的反射面上反射；
所述MEMS扫描单元，用于将接收的多个所述第一光束进行扫描反射至所述反射扩束模块的扩束区，由所述反射扩束模块的扩束区对扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理，并出射至目标，以对目标进行扫描。
可选的，所述激光发射模块包括：
激光发射单元，用于发射多个预设波长的初始光束；
光束调整单元，设置在所述激光发射单元发射光束的一侧，用于将多个所述初始光束进行聚焦和/或准直，得到多个第一光束并出射。
可选的，所述激光发射单元包括：设置在同一方向上的至少两层激光子单元；
每层所述激光子单元包括多个激光器，每个激光器发射所述预设波长的初始光束。
可选的，所述光束调整单元包括：多个光束调整子单元，所述光束调整子单元与所述激光器一一对应；每个所述光束调整子单元包括：
聚焦透镜，设置在所述激光器发射光束的一侧，用于将对应的所述初始光束进行聚焦；和/或
准直透镜，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧，用于将聚焦后的对应的所述初始光束进行准直；和
光阑，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧或设置在所述准直透镜出射光束的一侧，用于对聚焦和/或准直后的对应的所述初始光束进行过滤，得到对应的第一光束并出射。
可选的，所述聚焦透镜和/或准直透镜的面型为非球面、球面和自由曲面中的任意一种。
可选的，所述预设波长的范围为850nm至1850nm。
本发明实施例的第三方面提供了一种激光雷达系统，包括接收装置，还包括如实施例的第一方面提供的任一项所述的激光雷达发射装置。
本发明实施例的激光雷达发射装置及激光雷达系统与现有技术相比存在的有益效果是：该装置主要包括激光发射模块、包括至少一个第一反射镜的反射镜组、MEMS扫描单元和扩束透镜组，体积小，集成度高；其中，激光发射模块发射多个预设波长的第一光束，可以增大视场角；反射镜组将多个第一光束均反射到MEMS扫描单元的反射面上，MEMS扫描单元将接收的多个第一光束均进行反射，反射后的多个第一光束均经过扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描，实现了大视场扫描，同时减少了零部件数量，降低了发射装置的体积和成本，利于装置的小型化及安装。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光雷达发射装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的激光发射模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种激光雷达发射装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的经过MEMS扫描单元的第一光束的视场角示意图；
图5是本发明实施例提供的经过扩束透镜组的第一光束的视场角示意图；
图6是本发明实施例提供的反射镜与扩束镜一体结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，本实施例提供了一种激光雷达发射装置。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
本实施例的激光雷达发射装置主要包括：激光发射模块100、包括至少一个第一反射镜的反射镜组210，MEMS扫描单元300和扩束透镜组220。反射镜组210设置在所述激光发射模块100发射光路上。
现有技术中的MEMS激光雷达因其产品形态限制，视场角偏小，尤其在自动驾驶领域，采用MEMS激光雷达实现360°的全景三维探测时，需要安装多台机器，通过视场角拼接才能实现，增大了雷达的整体体积。因此本实施例提供了一种大视场角和紧凑型的激光雷达发射装置，以扩大MEMS激光雷达的探测视场角。
具体的，可以由多个激光发射模块100发射预设波长的第一光束(激光束)，也可以由激光发射模块100发射多个预设波长的第一光束(激光束)，通过对激光发射模块100发射的激光束进行扩束，和/或对多个激光发射模块100发射的激光束(1个或多个)进行视场拼接，可以增大光束视场角，反射镜组210将多个所述第一光束均反射到MEMS扫描单元300的反射面上，MEMS扫描单元300将接收的多个所述第一光束均进行反射，反射后的多个所述第一光束均经过扩束透镜组220处理并出射至目标，以对目标进行扫描，实现了大视场扫描。示例性的，激光束经过反射镜组210进入MEMS扫描单元300，再经过反射和扩束后进入车辆的前窗口，然后照射被测物体，以对被测物体进行大视场扫描。
本申请实施例中，反射扩束模块200由一个部件构成，如是具有相应功能的物理上一体组成的器件，也可以是由反射镜组210和扩束透镜组220两个单独的器件分别构成的，本申请实施例仅是从功能上定义了反射扩束模块200，并未限定其物理结构。
MEMS扫描单元300，可以是单独的激光雷达二维扫描装置，用于将反射镜组210反射的多个所述第一光束向所述扩束透镜组220扫描反射；
扩束透镜组220，包括至少一个扩束透镜，用于将MEMS扫描单元300扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描。
本申请实施例中，当反射镜组210和扩束透镜组220一体设置或固定连接于某设定空间内时，如M反射镜组210和扩束透镜组220分别固定于一壳体内时，或者扫描镜组210和扩束透镜组220直接固定连接时，可以理解为其组成反射扩束模块300。
在一个实施例中，如图2，激光发射模块100包括：激光发射单元110和光束调整单元120。光束调整单元120设置在激光发射单元110发射光束的一侧。
激光发射单元110发射多个预设波长的初始光束；光束调整单元120将多个所述初始光束均进行聚焦和/或准直，得到多个第一光束并出射，保证激光束的传输质量，滤除干扰。
可选的，本实施例的激光发射单元110可以包括：设置在同一方向上的至少两层激光子单元。例如至少两层激光子单元垂直设置在同一基准线上；例如至少两层激光子单元也可以倾斜15°设置在同一基准线上。
其中，每层激光子单元均包括多个激光器，每个激光器发射一个预设波长的初始光束。例如激光发射单元110包括3层激光子单元，3层激光子单元垂直排布，每层激光子单元包括6个激光器；例如，激光子单元为上下4层，每一层排布5个激光器。应理解，本实施例对激光子单元的层数不进行限定，可以为多层；对每层激光器的个数不进行限定，可以为多个。
可选的，本实施例的预设波长为850nm至1800nm，该范围内的波长具有较好的高低温环境稳定性，且功率高，功耗小。预设波长优选为905nm、1550nm等。
本实施例通过多层排布、一层多个激光器的设计可以实现大视场扫描，整个激光发射模块100可以发射大发射角的激光束，同时使得空间利用率提高。
在一个实施例中，参见图2，光束调整单元120可以包括：多个光束调整子单元121，光束调整子单元121与激光器一一对应，即光束调整子单元121的数量与激光器的数量是相同的。
可选的，一个激光器和一个光束调整子单元121可以构成一个发射小模块，每个发射小模块可以发射小发散角的激光束，保证其小功率时能满足照射距离的要求，同时每个发射小模块均相同，可以替换使用，在满足单独生产线的需求，适合大规模生产，使得制造成本大幅度降低，同时也降低了相应的需求精度，进一步降低制造成本。可选的，本实施例还包括发射小支架，发射小支架上设有透镜安装的基准槽口，还设有光阑的槽口。激光器发射的大发散角的激光束经过聚焦透镜、光阑和/或准直透镜后会聚，得到满足发散角要求的光束；发射小支架与透镜组安装的基准槽口设计保证了其安装精度，同时提高了安装效率，光阑的槽口设计保证精度的同时兼容正反安装的互换性，使同一种光阑满足镜像对称的要求。
进一步地，每个光束调整子单元121均可以包括：聚焦透镜、光阑和/或准直透镜。示例性的，每个光束调整子单元121均可以包括聚焦透镜和光阑，也可以包括准直透镜和光阑，还可以包括聚焦透镜、准直透镜和光阑。其中，聚焦透镜可以设置在激光发射模块100发射光束的一侧，准直透镜可以设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧；在光束调整子单元121包括聚焦透镜和光阑时，光阑设置在聚焦透镜出射光束的一侧，在光束调整子单元121包括准直透镜时，光阑设置在所述准直透镜出射光束的一侧。
聚焦透镜将激光发射模块100发射出的对应的初始光束进行聚焦；准直透镜将聚焦后的对应的初始光束进行准直，或将激光发射模块100发射出的对应的初始光束进行准直；光阑对聚焦后的对应的初始光束进行过滤得到对应的第一光束并出射，或光阑对准直后的对应的初始光束进行过滤得到对应的第一光束并出射，或光阑对依次进行聚焦和准直后的对应的初始光束进行过滤得到对应的第一光束并出射，即光阑可以遮挡掉不能射向MEMS扫描单元300有效反射面的光线，在雷达工作时以避免这些光束作为噪声对有效光信号的干扰。
可选的，本实施例的聚焦透镜面型为非球面、球面和自由曲面中的任意一种，准直透镜面型为非球面、球面和自由曲面中的任意一种。
可选的，本实施例的预设波长为850nm至1550nm1800nm，该范围内的波长具有较好的高低温环境稳定性，且功率高，功耗小。
可选的，本实施例的第一反射镜的材质可以为介质膜或金属膜。
本实施例对反射镜组210与MEMS扫描单元300之间的位置不进行限定。可选的，反射镜组210与MEMS扫描单元300之间的位置可以根据激光发射模块100的位置确定，反射镜组210将接收到的所有的激光束反射到MEMS扫描单元300即可。比如反射镜组210与激光发射模块100在同一水平线上，反射镜组210可以倾斜30°设置，将多个第一光束均反射到MEMS扫描单元300的反射面上。比如反射镜组210与激光发射模块100不在同一水平线上，反射镜组210可以垂直设置，将多个第一光束均反射到MEMS扫描扩束模块300的反射面上。
本实施例对反射镜组210中第一反射镜的个数不进行限定，可以是一个第一光束用一个第一反射镜反射，也可以多个第一光束用一个第一反射镜反射。同时本实施例对激光发射模块100和反射镜组210的位置不进行限定，激光发射模块100和反射镜组210之间的位置要大于预设波长，保证激光传输的有效性。
可选的，MEMS扫描单元300为激光雷达二维扫描装置，可以为MEMS反射镜，MEMS反射镜的反射面的尺寸根据MEMS反射镜的共振频率确定，满足车规要求。具体的，各束各角度的第一光束投射到MEMS扫描单元300后，会被MEMS扫描单元300二维扫描，形成初始视场角FOV1；MEMS反射镜提供单个激光束的角度摆幅，使得单个激光器拥有照射空间视场角的能力；多个激光器则可以分别形成其相应的空间视场角，从而组成了整个发射视场角，通过对个激光器发射的活动拼接，进一步扩大了扫描的视场角。例如本实施例的激光束经过MEMS反射镜后的整个视场角可以为70°×140°。
扩束透镜组220将MEMS扫描单元300出射的光束进行扩束，即光束的扫描角度进行了扩大，进一步初始视场角FOV1扩大，增大了激光雷达系统的视场角。
可选的，本实施例的扩束透镜组220可以包括单个扩束透镜，也可以为多个扩束透镜，可以是多个反射的第一光束共用一个面积较大的扩束透镜，也可以是不同的第一光束用不同的扩束透镜，即本实施例对扩束透镜的个数不进行限定。
在本实施例中，经过扩束透镜组220的第一光束的视场角FOV2为：
FOV2＝a*FOV1
其中，a为所述扩束透镜的扩束倍率，FOV1为经过所述MEMS扫描单元310反射的第一光束的视场角，即为初始视场角。
示例性的，参见图3，激光发射单元110可以包括2层激光子单元，每层激光子单元包括4个激光器，共8个激光器，为LD1-LD8，8个激光器可以发出不同角度的905nm光束，一个激光器可以负责扫描一个子区域，如图5所示，对应的，光束调整子单元121也为8个。光束调整子单元121将对应的激光器发出的初始光束进行聚焦和准直，并通过光阑进行滤光出射多个第一光束。
进一步地，一个第一光束可以对应一个第一反射镜，反射镜组210将多个第一光束反射以一定角度指向MEMS；MEMS扫描单元300为光束扫描控制装置，将射向其反射面的光束二维扫描出射，以获得初始扫描视场角FOV1；如图4所示，为MEMS扫描单元300扫描出射的8个子视场角示意图。
然后，经过MEMS扫描单元300扫描出射的光束，经过扩束透镜组220后，光束角度会被扩大，即视场角变大为FOV2，例如扩束透镜的角度扩大倍率为2，则FOV2＝2FOV1，如下图5所示，为经过扩束透镜后八个激光器出射光对应的视场角分布图，实现了大视场扫描。
示例性的，激光发射单元110可以包括4层激光子单元，每层激光子单元包括5个激光器，共20个激光器，20个激光器可以发出不同角度的1000nm光束，对应的，光束调整子单元121也为20个。光束调整子单元121将对应的激光器发出的初始光束进行聚焦和准直，并通过光阑进行滤光出射多个第一光束。
进一步地，一个第一光束可以对应多个第一反射镜，多个第一反射镜将多个第一光束反射以一定角度指向MEMS；MEMS扫描单元300为光束扫描控制装置，将射向其反射面的光束二维扫描出射，以获得初始扫描视场角FOV1，然后经过扩束透镜组220后，光束角度会被扩大，例如扩束透镜的角度扩大倍率为5，则FOV2＝5FOV1，实现大视场扫描。
示例性的，激光发射单元110可以包括3层激光子单元，每层激光子单元包括4个激光器，共12个激光器，12个激光器可以发出不同角度的1550nm光束，光束调整子单元121也为12个。光束调整子单元121将对应的激光器发出的初始光束进行聚焦和准直，并通过光阑进行滤光，出射多个第一光束。
进一步地，多个第一光束对应一个第一反射镜，第一反射镜将多个第一光束反射以一定角度指向MEMS；MEMS扫描单元300为光束扫描控制装置，将射向其反射面的光束二维扫描出射，以获得初始扫描视场角FOV1，然后经过扩束透镜组220后，光束角度会被扩大，例如扩束透镜的角度扩大倍率为3，则FOV2＝3FOV1，实现大视场扫描。
上述实施例中，激光雷达发射装置体积小，集成度高；激光发射模块100发射多个预设波长的第一光束，可以增大视场角；光束调整单元120将多个第一光束均进行聚焦和/或准直得到多个第一光束并出射，保证光束传播的质量；反射镜组200将多个第一光束均反射到MEMS扫描单元300的反射面上，MEMS扫描单元300将接收的多个第一光束均进行反射，反射后的多个第一光束均经过扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描，实现了大视场扫描，确保发射功率、发射覆盖范围同时小型化，减少了零部件数量，降低了发射装置的体积和成本，利于装置的安装。
作为一种实现方式，图6是本发明实施例提供的反射镜210与扩束镜220一体结构示意图，如图6所示，本申请实施例的上述MEMS激光雷达发射端设计方案中，为压缩光路，减 少系统体积，为进一步减少零部件数量，实现小型化集成化的光学系统，本申请实施例中可 以将反射镜与扩束镜集成于一体设计。
反射镜与扩束镜集合成一体设计如图6所示，该一体化结构上部分区域为反射镜区域，下部分区域为扩束镜区域。该一体化结构可以通过注塑等工艺实现；其中上部分的反射镜区域可以直接注塑出各个角度的平滑光学平面，然后通过镀介质膜或金属膜方式，获得本申请实施例中的所需的多个反射镜结构；也可以在形成多个平滑光学平面之后，再贴上一层标准反射镜至其表面，实现本申请实施例中所需的多个反射镜结构。
激光发射单元110发射多个预设波长的第一光束，将多个预设波长的第一光束发射到图6所示的反射镜区域的反射镜上，反射镜将多个预设波长的第一光束向MEMS扫描单元300发射，MEMS扫描单元300将接收的多个所述第一光束进行扫描反射至图6所示的扩束镜区域内，设置于扩束镜区域的扩束镜对入射光进行扩束处理，并出射至目标，以对目标进行扫描。
本实施例还提供了一种激光雷达系统，包括接收装置，还包括如上述实施例中提供的任一项所述的激光雷达发射装置，也具有上述实施例中的任一种有益效果。
本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达发射装置，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于发射多个预设波长的第一光束；
反射镜组，包括至少一个第一反射镜，设置于所述激光发射模块的发射光路上，用于将多个所述第一光束向MEMS扫描单元反射；
所述MEMS扫描单元，用于将接收的多个所述第一光束向扩束透镜组扫描反射；
所述扩束透镜组，包括至少一个扩束透镜，用于将扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理并出射至目标，以对目标进行扫描。
2.根据权利要求1所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述激光发射模块包括：
激光发射单元，用于发射多个预设波长的初始光束；
光束调整单元，设置在所述激光发射单元发射光束的一侧，用于将多个所述初始光束进行聚焦和/或准直，得到多个第一光束并出射。
3.根据权利要求2所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述激光发射单元包括：设置在同一方向上的至少两层激光子单元；
每层所述激光子单元包括多个激光器，每个激光器发射所述预设波长的初始光束。
4.根据权利要求3所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述光束调整单元包括：多个光束调整子单元，所述光束调整子单元与所述激光器一一对应；每个所述光束调整子单元包括：
聚焦透镜，设置在所述激光器发射光束的一侧，用于将对应的所述初始光束进行聚焦；和/或
准直透镜，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧，用于将聚焦后的对应的所述初始光束进行准直；和
光阑，设置在所述聚焦透镜出射光束的一侧或设置在所述准直透镜出射光束的一侧，用于对聚焦和/或准直后的对应的所述初始光束进行过滤，得到对应的第一光束并出射。
5.根据权利要求4所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述聚焦透镜和/或准直透镜的面型为非球面、球面和自由曲面中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述预设波长的范围为850nm至1850nm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述反射镜组和扩束透镜组一体连接或一体设置而形成反射扩束模块。
8.根据权利要求7所述的激光雷达发射装置，其特征在于，所述MEMS扫描单元为MEMS反射镜；
所述MEMS反射镜的所述反射面的尺寸根据所述MEMS反射镜的共振频率确定。
9.一种激光雷达发射装置，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于发射多个预设波长的第一光束；
反射扩束模块，具有反射区和扩束区，所述反射区将多个所述第一光束向MEMS扫描单元的反射面反射；
所述MEMS扫描单元，用于将接收的多个所述第一光束所述反射扩束模块的扩束区进行扫描反射，由所述反射扩束模块的扩束区对扫描反射后的多个所述第一光束进行扩束处理，并出射至目标，以对目标进行扫描。
10.一种激光雷达系统，包括接收装置，其特征在于，还包括如权利要求1至8或权利要求9所述的激光雷达发射装置。
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