CN113820692B - 一种多线激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，公开了一种多线激光雷达。通过本发明创造，提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置激光振镜、衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用单个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率。

Description

一种多线激光雷达
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，具体地涉及一种多线激光雷达。
背景技术
激光雷达是以发射激光光束来探测目标物体的距离、位置及速度等特征量的雷达系统。激光雷达测距因为其优异的特性，在智能运动领域的感知环节中起着不可或缺的作用。多线激光雷达由于可以提供实时的三维环境信息，因此可以更好的辅助智能设备在感知环节中做出准确判断。
现有主流的多线激光雷达多采用机械旋转式结构，即是以发射器与接收器一一对应的方式进行测量，并利用电机带动整个光学系统旋转来测量三维环境信息。但是这种现有方案采用的器件较多，所需要的光学装调比较复杂，严重影响了整机的生产成本。
发明内容
为了解决现有多线激光雷达方案所存在所需器件较多、光学装调复杂及整机生产成本高的问题，本发明目的在于提供一种新型的多线激光雷达，可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率，便于实际应用和推广。
本发明提供了一种多线激光雷达，包括有单个激光发射器、激光振镜、衍射光栅、腔镜、反射光栅、聚焦镜和单个激光探测器，其中，所述腔镜具有部分反射功能；
所述单个激光发射器用于发出激光，并使该激光入射至所述激光振镜进行反射；
所述激光振镜用于通过扫描作用使入射激光时分地以不同入射角反射至所述衍射光栅进行衍射，其中，针对具有不同波长的激光，按照如下公式确定对应的光栅入射角：
式中，αk表示与具有第k个波长的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅的最大衍射级数，λk表示所述第k个波长，d表示所述衍射光栅的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅的最大衍射角度；
所述腔镜布置在所述衍射光栅的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅的衍射激光部分透射至所述反射光栅，以及还用于将所述衍射激光部分反射回所述单个激光发射器内，以便形成外腔振荡且波长锁定的激光发射装置，其中，所述激光发射装置用于随着所述激光振镜的扫描作用时分地发出不同波长的激光；
所述反射光栅用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜；
所述聚焦镜用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器上。
基于上述发明内容，可提供一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置激光振镜、衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用单个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率。
在一个可能的设计中，还包括有第一准直镜，其中，所述第一准直镜设置在介于所述单个激光发射器与所述激光振镜之间的光路上，以便所述单个激光发射器的所发激光在准直后入射至所述激光振镜进行反射。
在一个可能的设计中，所述第一准直镜采用由硒化锌材质制成的透射式准直镜。
在一个可能的设计中，还包括有耦合镜和光纤，其中，所述耦合镜和所述光纤设置在介于所述腔镜与所述反射光栅之间的光路上；
所述耦合镜用于将经过所述腔镜的透射激光耦合进所述光纤；
所述光纤用于将耦合进来的激光导出至所述反射光栅。
在一个可能的设计中，还包括有第二准直镜，其中，所述第二准直镜设置在介于所述光纤与所述反射光栅之间的光路上，以便将由所述光纤导出的激光准直出射至所述反射光栅。
在一个可能的设计中，所述聚焦镜设有轴心通孔，所述光纤的激光导出端插入所述轴心通孔中，并通过位于所述轴心通孔中的所述第二准直镜将导出的激光准直出射至所述反射光栅。
在一个可能的设计中，还包括有滤光片，其中，所述滤光片设置在介于所述聚焦镜与所述单个激光探测器之间的光路上。
在一个可能的设计中，还包括有电机，其中，所述电机用于带动所述反射光栅旋转。
在一个可能的设计中，所述衍射光栅采用反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。
在一个可能的设计中，所述腔镜的激光反射作用与激光透射作用之比介于1：8～1：4之间。
本发明的技术效果：
(1)本发明创造提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置激光振镜、衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用单个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率；
(2)所述多线激光雷达还具有光路结构紧凑、便于整机小型化设计、抗光干扰强和可三维探测等特点，便于实际应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的多线激光雷达的光路结构示意图。
上述附图中：1-激光发射器；2-激光振镜；3-衍射光栅；4-腔镜；5-反射光栅；6-聚焦镜；61-轴心通孔；7-激光探测器；8-第一准直镜；9-耦合镜；10-光纤；11-第二准直镜；12-滤光片；13-电机；100-物体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的所述多线激光雷达，包括有单个激光发射器1、激光振镜2、衍射光栅3、腔镜4、反射光栅5、聚焦镜6和单个激光探测器7，其中，所述腔镜4具有部分反射功能；所述单个激光发射器1用于发出激光，并使该激光入射至所述激光振镜2进行反射；所述激光振镜2用于通过扫描作用使入射激光时分地以不同入射角反射至所述衍射光栅3进行衍射，其中，针对具有不同波长的激光，按照如下公式确定对应的光栅入射角：
式中，αk表示与具有第k个波长的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅3的最大衍射级数，λk表示所述第k个波长(如图1所示，k为不小于1且不大于N的正整数，N表示波长总数)，d表示所述衍射光栅3的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅3的最大衍射角度；所述腔镜4布置在所述衍射光栅3的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅3的衍射激光部分透射至所述反射光栅5，以及还用于将所述衍射激光部分反射回所述单个激光发射器1内，以便形成外腔振荡且波长锁定的激光发射装置，其中，所述激光发射装置用于随着所述激光振镜2的扫描作用时分地发出不同波长的激光；所述反射光栅5用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜6；所述聚焦镜6用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器7上。
如图1所示，在所述多线激光雷达的具体结构中，所述激光发射器1可选用现有激光发射装置实现，并通过常规位置布置方式实现所发激发可入射至所述激光振镜2进行反射。所述激光振镜2是用在激光行业的一种扫描振镜，其专业名词叫做高速扫描振镜(Galvoscanning system)，主要由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，并由电脑控制器提供的信号作用于所述电子驱动放大器来驱动所述X-Y光学扫描头,从而在X-Y平面控制激光束的偏转，实现使入射激光时分地(即指在不同的时隙)以不同入射角反射至所述衍射光栅3的目的；由此所述激光振镜2可选用现有的高速扫描振镜实现，并通过常规布置方式实现反射激光入射所述衍射光栅3的目的。所述衍射光栅3是光栅的一种，它可通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制，因此可选用衍射效率高的现有衍射光栅实现对不同波长的激光进行最大衍射的目的；同时可通过衍射方程d*(sinα+sinβ)＝j*λ(该方程中，α表示光栅入射角，β表示衍射角度，j表示衍射级数，λ表示波长)推导得到上述具有不同波长的激光的光栅入射角，并通过调节所述激光振镜2以及对所述激光振镜2和所述衍射光栅3进行的常规位置布置方式，使不同的光栅入射角一一对应不同的波长，确保所有的衍射激光都能够以相同的衍射角度射出。具体的，所述衍射光栅3可以采用反射式衍射光栅，也可以采用透射式衍射光栅，如图1所示，本实施例采用了透射式衍射光栅。
所述腔镜4为一种具有内腔结构的透镜，以便将部分衍射激光反射回所述单个激光发射器1内，形成外腔振荡且波长锁定的激光发射装置，并随着所述激光振镜2的扫描作用时分地(即指在不同的时隙)发出不同波长的激光；详细的，所述腔镜4的激光反射作用与激光透射作用之比优选介于1：8～1：4之间，例如使所述衍射激光有20％被反射回去，而有80％被透射出去；所述腔镜4可通过对现有透镜进行常规改造实现。所述反射光栅5是指在高反射率的金属上镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽且等距的刻线，进而使白光反射，又能使光色散的光栅，因此可采用现有的反射光栅结构实现使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出的目的。所述聚焦镜6为用于聚焦的现有透镜；所述激光探测器7用于在激光照射到表面后生成电流，从而感知到所述回射激光，以便完成激光雷达探测目的，例如基于电流大小正比于输入的光功率，通过探测电流大小，就能知道对应的光功率；所述激光探测器7也可以采用现有光探测装置实现。所述衍射光栅3、所述腔镜4、所述反射光栅5、所述聚焦镜6和所述单个激光探测器7也可以通过常规位置布置方式，构造前述的激光依次出射光路以及激光依次回射光路。此外，如图1所示，所述物体有多个且用100标记。
由此通过上述多线激光雷达的详细结构描述，提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置激光振镜、衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用单个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率，便于实际应用和推广。
优选的，还包括有第一准直镜8，其中，所述第一准直镜8设置在介于所述单个激光发射器1与所述激光振镜2之间的光路上，以便所述单个激光发射器1的所发激光在准直后入射至所述激光振镜2进行反射。如图1所示，所述第一准直镜8是一种常被用在光束传递系统中以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束准直性的现有透镜，由此通过前述第一准直镜8的设置，可以进一步降低光学装调难度。详细的，所述第一准直镜8优选采用由硒化锌材质制成的透射式准直镜，如图1所示；当然，所述第一准直镜8也可以采用铜制的全反镜，以便作为一种反射式准直镜。
优选的，还包括有耦合镜9和光纤10，其中，所述耦合镜9和所述光纤10设置在介于所述腔镜4与所述反射光栅5之间的光路上；所述耦合镜9用于将经过所述腔镜4的透射激光耦合进所述光纤10；所述光纤10用于将耦合进来的激光导出至所述反射光栅5。所述耦合镜9是一种将多束不同激光汇集到一个光路的现有光学元件，所述光纤10也是现有光学元件。如图1所示，通过前述光路设计，可以使光路弯曲，紧凑光路结构，便于对整机进行小型化设计。
进一步优选的，还包括有第二准直镜11，其中，所述第二准直镜11设置在介于所述光纤10与所述反射光栅5之间的光路上，以便将由所述光纤10导出的激光准直出射至所述反射光栅5。如图1所示，所述第二准直镜11也是一种常被用在光束传递系统中以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束准直性的现有透镜，由此通过前述第二准直镜11的设置，可以降低在使光路弯曲后的光学装调难度。详细的，所述第二准直镜11也优选采用由硒化锌材质制成的透射式准直镜，如图1所示；当然，所述第二准直镜11也可以采用铜制的全反镜，以便作为一种反射式准直镜。详细的，所述聚焦镜6设有轴心通孔61，所述光纤10的激光导出端插入所述轴心通孔61中，并通过位于所述轴心通孔61中的所述第二准直镜11将导出的激光准直出射至所述反射光栅5。如图1所示，所述轴心通孔61是指轴心线与所述聚焦镜6的轴心线重合的通孔，通过在所述轴心通孔61中对光纤导出激光进行准直出射，可以进一步紧凑光路结构，便于对整机进行小型化设计。
优选的，还包括有滤光片12，其中，所述滤光片12设置在介于所述聚焦镜6与所述单个激光探测器7之间的光路上。如图1所示，通过所述滤光片12的配置，可以滤除干扰光，例如波长不属于(λ1,……,λN-1,λN)的其它光。
优选的，还包括有电机13，其中，所述电机13用于带动所述反射光栅5旋转。如图1所示，通过所述电机13的配置，可以实现三维探测目的。
综上，采用本实施例所提供的多线激光雷达，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置激光振镜、衍射光栅、腔镜、反射光栅，可以实现利用单个激光发射器时分地发出不同波长的激光的目的，并出射多线激光来照射外部物体，另一方面通过在激光依次回射光路中配置反射光栅和聚焦镜，可以使不同波长的激光聚焦至同一个激光探测器，进而可利用单个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率；
(2)所述多线激光雷达还具有光路结构紧凑、便于整机小型化设计、抗光干扰强和可三维探测等特点，便于实际应用和推广。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括有单个激光发射器(1)、激光振镜(2)、衍射光栅(3)、腔镜(4)、反射光栅(5)、聚焦镜(6)和单个激光探测器(7)，其中，所述腔镜(4)具有部分反射功能；
所述单个激光发射器(1)用于发出激光，并使该激光入射至所述激光振镜(2)进行反射；
所述激光振镜(2)用于通过扫描作用使入射激光时分地以不同入射角反射至所述衍射光栅(3)进行衍射，其中，针对具有不同波长的激光，按照如下公式确定对应的光栅入射角：
式中，αk表示与具有第k个波长的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅(3)的最大衍射级数，λk表示所述第k个波长，d表示所述衍射光栅(3)的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅(3)的最大衍射角度；
所述腔镜(4)布置在所述衍射光栅(3)的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅(3)的衍射激光部分透射至所述反射光栅(5)，以及还用于将所述衍射激光部分反射回所述单个激光发射器(1)内，以便形成外腔振荡且波长锁定的激光发射装置，其中，所述激光发射装置用于随着所述激光振镜(2)的扫描作用时分地发出不同波长的激光；
所述反射光栅(5)用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜(6)；
所述聚焦镜(6)用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器(7)上。
2.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括有第一准直镜(8)，其中，所述第一准直镜(8)设置在介于所述单个激光发射器(1)与所述激光振镜(2)之间的光路上，以便所述单个激光发射器(1)的所发激光在准直后入射至所述激光振镜(2)进行反射。
3.如权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述第一准直镜(8)采用由硒化锌材质制成的透射式准直镜。
4.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括有耦合镜(9)和光纤(10)，其中，所述耦合镜(9)和所述光纤(10)设置在介于所述腔镜(4)与所述反射光栅(5)之间的光路上；
所述耦合镜(9)用于将经过所述腔镜(4)的透射激光耦合进所述光纤(10)；
所述光纤(10)用于将耦合进来的激光导出至所述反射光栅(5)。
5.如权利要求4所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括有第二准直镜(11)，其中，所述第二准直镜(11)设置在介于所述光纤(10)与所述反射光栅(5)之间的光路上，以便将由所述光纤(10)导出的激光准直出射至所述反射光栅(5)。
6.如权利要求5所述的多线激光雷达，其特征在于，所述聚焦镜(6)设有轴心通孔(61)，所述光纤(10)的激光导出端插入所述轴心通孔(61)中，并通过位于所述轴心通孔(61)中的所述第二准直镜(11)将导出的激光准直出射至所述反射光栅(5)。
7.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括有滤光片(12)，其中，所述滤光片(12)设置在介于所述聚焦镜(6)与所述单个激光探测器(7)之间的光路上。
8.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括有电机(13)，其中，所述电机(13)用于带动所述反射光栅(5)旋转。
9.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述衍射光栅(3)采用反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。
10.如权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述腔镜(4)的激光反射作用与激光透射作用之比介于1：8～1：4之间。
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