CN114217326A - 一种激光雷达装置、激光雷达设备以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达装置。所述激光雷达装置包括面阵光源、发射镜组、接收镜组和面阵探测器。其中，所述面阵光源位于所述发射镜组的前焦平面，并且，所述面阵探测器位于所述接收镜组的后焦平面。由所述面阵光源发出的激光光束经由所述发射镜组传送至探测对象并被所述探测对象反射，被反射的所述激光光束经由所述接收镜组传送至所述面阵探测器。所述发射镜组和所述接收镜组采用平场聚焦透镜F‑Theta，所述平场聚焦透镜F‑Theta的像高与视场角呈正比，使得所述激光雷达装置的角分辨率大致均匀地分布。本发明还涉及激光雷达设备以及车辆。本发明提出的关于激光雷达装置的技术方案可实现一种大视场角、等角分辨率的远距离固态激光雷达探测。

Description

一种激光雷达装置、激光雷达设备以及车辆
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种激光雷达装置、激光雷达设备以及车辆。
背景技术
随着自动驾驶技术的发展，汽车感知系统从形态和功能上都不断经历着技术改革和创新。激光雷达作为汽车视觉系统中必不可少的传感器，在汽车行业的应用范围和功能不断增多。根据扫描方式，常见的激光雷达可分为机械式激光雷达和固态激光雷达。
机械式激光雷达采用内部的机械部件对激光光源进行扫描和定位，可实现大角度探测范围。然而，机械扫描部件的装配难度高，很难通过高低温环境测试、振动实验等车规要求。因此，机械式激光雷达在车辆辅助驾驶领域的应用遇到挑战。
固态激光雷达的结构相对简单，采用的零部件为全固态机械器件。固态激光雷达主要包括快闪激光雷达、光学相控阵激光雷达和线性调频连续波激光雷达。
近年来，随着面阵激光光源和探测器阵列的器件产品化，快闪激光雷达方案被越来越多的激光雷达供应商采用并已经开始投入生产。专利申请CN108132464A提出了一种基于固态面阵的激光雷达装置。该激光雷达装置由发射模块和接收模块组成。其中，发射模块采用单个激光光源按照设定时间间隔和顺序发射激光，接收模块采用面阵光电探测器，并通过控制不同位置的探测器进行响应，从而实现光源-探测器像元的一一对应关系。该激光雷达装置在一定程度上缓解了机械式激光雷达结构复杂、工序繁多的问题。然而，由于单颗激光光源无法实现大视场角的探测范围，导致该激光雷达装置可实现的探测角度有限。例如，在CN108132464A记载的一个实施例中，水平视角HFOV为50°，而垂直视角VFOV为25°。
专利CN208520989U提出了一种基于微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）器件的固态激光雷达。该固态激光雷达包括激光光源、发射组件、MEMS器件和接收组件组成。该固态激光雷达的具体工作过程为：激光光源经过发射组件后被MEMS进行扫描，被探测目标反射回来的光经过MEMS和接收组建后被光电探测器接收。由于MEMS器件在高频振动的条件下会出现性能下降甚至损坏的情况，导致基于此技术的激光雷达产品很难通过车规级严格的振动测试要求。
以上公开于本申请背景部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了解决或者至少缓解上述问题或者其他问题中的一个或者多个，本发明提出了以下技术方案。
根据本发明的一方面，提供一种激光雷达装置。所述激光雷达传感器包括面阵光源、发射镜组、接收镜组和面阵探测器。其中，所述面阵光源位于所述发射镜组的前焦平面，并且，所述面阵探测器位于所述接收镜组的后焦平面。由所述面阵光源发出的激光光束经由所述发射镜组传送至探测对象并被所述探测对象反射，被反射的所述激光光束经由所述接收镜组传送至所述面阵探测器。所述发射镜组和所述接收镜组采用平场聚焦透镜F-Theta，所述平场聚焦透镜F-Theta的像高与视场角呈正比。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述发射镜组的光轴平行于所述接收镜组的光轴。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述面阵光源包括以下激光器阵列中的一者或多者：垂直腔面发射激光器阵列、边发射激光器阵列、固体激光器阵列和半导体激光器阵列。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述面阵光源的工作波段与所述面阵探测器的探测波段相互配合。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述面阵光源为红外光源阵列，以及，所述面阵探测器为红外探测器阵列。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述面阵光源和所述面阵探测器相互配合地采用分时点亮模式。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述发射镜组包括折射镜、反射镜或两者的组合；和/或所述接收镜组包括折射镜、反射镜或两者的组合。
作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的激光雷达装置中，所述折射镜的前表面和/或后表面布置有红外增透膜；和/或所述反射镜的前表面布置有红外高反膜。
根据本发明的另一方面，提供一种激光雷达设备。所述激光雷达设备包括：根据本发明的激光雷达装置；以及计算装置，其配置成基于所述面阵光源发出所述激光光束与所述面阵探测器接收所述激光光束的时间差来计算所述激光雷达装置与所述探测对象之间的距离。
根据本发明的又一方面，提供一种车辆，其具备根据本发明的激光雷达装置。
本发明提出的关于激光雷达装置的技术方案可实现一种大视场角、等角分辨率的远距离固态激光雷达探测。该激光雷达装置结构简单、集成、装配难度低，并且易于通过车规级测试。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完整清楚。
图1示出根据本发明的一个实施例的激光雷达装置100的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的激光雷达装置100中的平场聚焦透镜F-Theta的光路示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的激光雷达装置100的角分辨率分布图。
图4示出根据本发明的一个实施例的激光雷达设备400的示意框图。
具体实施方式
需要说明的是，除非另外特别指明，本文中的术语“包括”、“具备”以及类似表述意在表示不排他的包含。此外，本文中的术语“车辆”或者其它类似的术语意在表示具有至少由电池、功率变换设备以及驱动电机组成的驱动系统的任何适当的车辆，例如，混合动力汽车、电动车、插电式混动电动车等等。混动动力汽车是一种具有两个或更多个功率源的车辆，例如汽油动力和电动车辆。
在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的各示例性实施例。
图1示出根据本发明的一个实施例的激光雷达装置100的示意图。参考图1，激光雷达装置100包括面阵光源110、发射镜组120、接收镜组130以及面阵探测器140。其中，面阵光源110位于发射镜组120的前焦平面，并且，面阵探测器140位于接收镜组130的后焦平面。由面阵光源110发出的激光光束（例如，激光光束150和170）经由发射镜组120传送至探测对象200，激光光束（例如，激光光束150和170）在探测对象200的表面被反射，并且被反射的激光光束（例如，激光光束160和180）经由接收镜组130被传送至面阵探测器140，从而被面阵探测器140探测到。由于采用了阵列式光源，激光雷达装置100能够通过提高激光功率来实现远距离探测。
在图1所示的实施例中，发射镜组120和接收镜组130均采用平场聚焦透镜F-Theta。其中，平场聚焦透镜F-Theta的像高与视场角呈正比，这使得激光雷达装置100的角分辨率能够实现大致均匀的分布。
图2示出了发射镜组120和接收镜组130中采用的平场聚焦透镜F-Theta中的光路示意图。图3示出了采用平场聚焦透镜F-Theta的激光雷达装置100的角分辨率分布图。从图3中可以看到，视场角从0度到+75度的范围内，角分辨率大体均匀地分布在0.2左右，本领域技术人员容易想到，在对称的视场角范围内（例如，0度到-75度的范围内），角分辨率也能够大体均匀地分布在0.2左右。因此，激光雷达装置100的角分辨率能够在全视场内实现150度范围的均匀分布。其中，视场角为0度意在表示与面阵光源所在平面基本上垂直的视场方向。由此，激光雷达装置100实现了一种大视场角、等角分辨率的远距离固态激光雷达探测方案。
一方面，该激光雷达装置100的零部件采用全固态器件，并且整个装置的零部件数量少，结构简单、集成和装配难度低。另一方面，上述激光雷达装置100利用发射镜组和接收镜组的配合，能够实现大视场范围的扫描。例如，根据图3示出的角分辨率分布图，激光雷达装置100至少能够实现视场角在0度至150度范围内的扫描。
此外，通过利用平场聚焦透镜F-Theta能够实现像高与视场角呈正比的特性，上述激光雷达装置100实现了在大视场角内角分辨率的均匀分布。当微小物体在全视场范围内移动时，边缘视场的探测精度与中心视场的探测精度基本保持一致，显著提高了激光雷达装置的探测精度。
在图1所示的实施例中，接收镜组130布置在垂直于面阵光源110发出的激光光束（例如，激光光束150和170）并且距发射镜组120一定距离的位置处，这使得发射镜组120的光轴平行于接收镜组130的光轴，从而保证面阵光源110发出的激光光束（例如，激光光束150和170）能够被探测对象200的表面反射，并且所反射的激光光束（例如，激光光束160和180）能够经由接收镜组130被面阵探测器140接收到。
在一个实施例中，面阵光源110的工作波段与面阵探测器140的探测波段相互配合，使得面阵光源110发出的激光光束能够被面阵探测器140探测到。举例而言，面阵光源110可以是红外光源阵列，相应地，面阵探测器140可以是红外探测器阵列。例如，面阵光源110的工作波段可以包括850nm、905nm、940nm、1550nm或者其他红外波段，相应地，面阵探测器140的探测波段可以包括850nm、905nm、940nm、1550nm或者与面阵光源110相配合的其他红外波段。
在一个实施例中，发射镜组120可以是折射镜、反射镜或两者的组合，包括衍射光学元件的折/衍反射式光学系统。类似地，接收镜组130可以包括折射镜、反射镜或两者的组合，包括衍射光学元件的折/衍反射式光学系统。
在面阵光源110为红外光源阵列且面阵探测器140为红外探测器阵列的一个实施例中，发射镜组120或接收镜组130中的折射镜的前表面、后表面可以布置有红外增透膜，以提高对于红外波段的透射率。此外，发射镜组120或接收镜组130中的反射镜的前表面可以布置有红外高反膜，以提高对于红外波段的反射率。此外，接收镜组130中还可包括红外滤光片，例如由ZnSe、CaF2，石英等玻璃材料制成的带通滤光片，从而滤除返回到面阵探测器140处的激光光束中的干扰光束。
在一个实施例中，发射镜组120或接收镜组130中的透镜、反射镜或衍射光源元件可以采用红外玻璃材料，使得发射镜组120或接收镜组130具有良好的耐高温性能。
面阵光源110可以采用垂直腔面发射激光器阵列、边发射激光器阵列、固体激光器阵列、半导体激光器阵列等等任何能够发出适用于激光雷达装置100的任何激光器阵列，亦或是这些激光器阵列的组合。
面阵探测器140可以采用单光子雪崩光电二极管阵列、硅基光电倍增管阵列等等任何能够发出适用于激光雷达装置100的任何探测器阵列，亦或是这些探测器阵列的组合。
图4示出根据本发明的一个实施例的激光雷达设备400的示意框图。激光雷达设备400包括激光雷达装置410和计算装置420。
其中，激光雷达装置410可以是根据本发明的实施例的任何适当的激光雷达装置，例如，上面详细描述的激光雷达装置100。
与上文类似地，激光雷达装置410包括面阵光源、发射镜组、接收镜组和面阵探测器。其中，面阵光源位于发射镜组的前焦平面，并且，面阵探测器位于接收镜组的后焦平面。由面阵光源发出的激光光束经由发射镜组传送至探测对象，激光光束在探测对象的表面被反射，并且被反射的激光光束经由接收镜组传送至面阵探测器，从而被面阵探测器探测到。由于采用了阵列式光源，激光雷达装置能够通过提高激光功率来实现远距离探测。发射镜组和接收镜组均采用平场聚焦透镜F-Theta。其中，平场聚焦透镜F-Theta的像高与视场角呈正比，这使得激光雷达装置的角分辨率能够实现大致均匀的分布。
与上文类似地，在激光雷达装置410中，面阵光源的工作波段与面阵探测器的探测波段相互配合，使得面阵光源发出的激光光束能够被面阵探测器探测到。例如，面阵光源可以是红外光源阵列，面阵探测器可以是红外探测器阵列。
计算装置420配置成基于面阵光源发出激光光束与面阵探测器接收激光光束的时间差来计算激光雷达装置与探测对象之间的距离。举例而言，计算装置420可以从激光雷达装置410的面阵光源接收一束激光从面阵光源发出的时间t1，并且可以从激光雷达装置410的面阵探测器接收这一束激光返回到面阵探测器的时间t2，然后基于t1与t2的差值来计算这一束激光的飞行时间，从而计算激光雷达装置410与探测对象之间的距离。
计算装置420中的计算方法可通过计算机程序来实现。例如，当存有该计算机程序的计算机存储介质（例如U盘）与计算机相连时，运行该计算机程序即可执行计算装置420中的上述计算方法。
计算装置420可以是现场可编程阵列FPGA、专用集成电路ASIC、数字信号处理电路DSP等任何适当的专用处理器或通用处理器。
在一个实施例中，可以使得面阵光源中不同位置的光源在不同时刻分别点亮。这可以通过采用分时点亮的方式控制面阵光源的驱动电路来实现。此外，面阵探测器也可以采用分时点亮的方式来工作，与面阵光源中不同位置光源的点亮一一对应。这可以通过采用数字转换电路TDC或者现场可编程门阵列FPGA来实现，其可以设置于面阵探测器内部，也可以设置于面阵探测器外部，本发明对此不做限制。
需要注意的是，面阵光源和面阵探测器的分时点亮需要相互配合。在本发明上下文中，面阵光源和面阵探测器的分时点亮之间的相互配合指的是，面阵光源中的某一部分光源在经过探测对象发射而返回到面阵探测器时，面阵探测器上的对应部分也被启用。
本领域技术人员容易理解，本发明附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本领域技术人员容易理解，在一些备选实施例中，上文提及的功能/步骤可以不按示例的次序来发生。例如，依次示出的两个功能/步骤可以基本同时执行或甚至逆序执行。这具体取决于所涉及的功能/步骤。
本领域技术人员容易理解，根据本发明的实施例的激光雷达装置可以结合到车辆的高级驾驶辅助系统ADAS中。
本领域技术人员容易理解，根据本发明的实施例的激光雷达装置可以结合到车辆中。举例而言，激光雷达装置可以作为车辆的前视传感器、后视传感器等任何适当位置上的传感器，以用于实现对车辆所处环境的大视场角、等角分辨率的探测。
本领域技术人员容易理解，根据本发明的实施例的激光雷达设备可以结合到车辆中。与前面类似地，激光雷达设备中的激光雷达装置可以作为车辆的前视传感器、后视传感器等任何适当位置上的传感器，以用于实现对车辆所处环境的大视场角、等角分辨率的探测。此外，激光雷达设备中的计算装置可以是独立用于计算探测对象与激光雷达装置之间距离的设备，也可以结合在其它电子控制单元ECU、域控制单元DCU等处理设备中。
如上所述，根据本发明的激光雷达装置能够为车辆提供一种大视场角、等角分辨率的远距离固态激光雷达探测方案。其中，激光雷达装置的零部件数量少、结构简单，装配环节主要集中在发射镜组和面阵光源的装调、接收镜组和面阵探测器的装调，以及接收镜组和发射镜组光轴之间的装调，因而装配难度低。
根据本发明的实施例的激光雷达装置通过采用阵列式的光源能够通过提高激光功率来实现对更远距离对象的探测，通过发射镜组和接收镜组的设计能够实现大视场范围的感测，为驾驶提供范围更广、精度更高的环境感知数据。
根据本发明的实施例的激光雷达装置通过采用平场聚焦透镜F-Theta能够实现激光点云在探测面内的均匀分布，实现了角分辨率在全视场内至少150度范围的均匀分布。当微小物体在全视场范围内移动时，边缘视场的探测精度与中心视场的探测精度基本保持一致，显著提高了激光雷达装置在大视场范围内的探测精度。
举例而言，对于安装在车辆前侧的激光雷达装置，如果在车辆在行驶过程时，障碍物从两侧突然横向冲入车辆前方，那么根据本发明的实施例的激光雷达装置能够在障碍物还处于视场角很小的位置时（例如，障碍物处于视场角为70至75度左右时）就以较高的精度探测到障碍物，从而提醒驾驶员或车辆中用于高级辅助驾驶系统ADAS的处理器，从而为驾驶员或处理器提供更多的反应、决策时间。
此外，根据本发明的实施例的激光雷达装置中的各个零部件（面阵光源、发射镜组、接收镜组、面阵探测器等）均为全固态器件，因而易于通过车规级测试。此外，如上所述，根据本发明的实施例的激光雷达装置装配难度低，装配工艺成熟，因此，也更容易通过车规级测试。
以上尽管只对本发明的其中一些实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其它的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，包括面阵光源、发射镜组、接收镜组和面阵探测器，其中，
所述面阵光源位于所述发射镜组的前焦平面，并且，所述面阵探测器位于所述接收镜组的后焦平面，
由所述面阵光源发出的激光光束经由所述发射镜组传送至探测对象并被所述探测对象反射，被反射的所述激光光束经由所述接收镜组传送至所述面阵探测器，
所述发射镜组和所述接收镜组采用平场聚焦透镜F-Theta，
所述平场聚焦透镜F-Theta的像高与视场角呈正比。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述发射镜组的光轴平行于所述接收镜组的光轴。
3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述面阵光源包括以下激光器阵列中的一者或多者：垂直腔面发射激光器阵列、边发射激光器阵列、固体激光器阵列和半导体激光器阵列。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述面阵光源的工作波段与所述面阵探测器的探测波段相互配合。
5.根据权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述面阵光源为红外光源阵列，以及，
所述面阵探测器为红外探测器阵列。
6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述面阵光源和所述面阵探测器相互配合地采用分时点亮模式。
7.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述发射镜组包括折射镜、反射镜或两者的组合；和/或
所述接收镜组包括折射镜、反射镜或两者的组合。
8.根据权利要求7所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述折射镜的前表面和/或后表面布置有红外增透膜；和/或
所述反射镜的前表面布置有红外高反膜。
9.一种激光雷达设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的激光雷达装置；以及
计算装置，其配置成基于所述面阵光源发出所述激光光束与所述面阵探测器接收所述激光光束的时间差来计算所述激光雷达装置与所述探测对象之间的距离。
10.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的激光雷达装置。
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