CN114814792A - 一种激光雷达光学发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达光学发射装置，属于激光测距技术领域。激光雷达光学发射装置包括至少一组激光器组件、至少一组第一微透镜组件、至少一组第二微透镜组件和至少一组微棱镜组件；激光器组件朝向第一微透镜组件和第二微透镜组件，且激光器组件分别位于第一微透镜组件的焦点处和第二微透镜组件的焦点处；第一微透镜组件设置在第二微透镜组件和激光器组件之间，第一微透镜组件和第二微透镜组件分别用于将激光器组件发出的激光准直。本发明提供的激光雷达光学发射装置通过第一微透镜组件和第二微透镜组件将激光器组件发出的光准直，以形成平行光，同时通过微棱镜组件改变平行光的方向，以提高激光雷达光学发射装置的探测距离。

Description

一种激光雷达光学发射装置

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学发射装置。

背景技术

随着光电技术的发展，激光雷达越来越广泛的应用于智能驾驶，测绘，机器人导航，空间建模等场景，同时对激光雷达的测距能力要求也越来越高，目前用于自动驾驶的机械式激光雷达，多数都是基于脉冲式激光测距原理，所用的激光器多数为半导体光器，半导体光器体积小、重量轻:几乎所有的半导体激光器其器件本身体积大小都在lmm³以下，非常小。使用安全，维修成本低等。因此应用领域日益扩大。

但是半导体激光器也存在很大的缺点，半导体激光器性能受温度影响大，光束的发散角较大，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。半导体激光器的快轴与慢轴之间存在像散，快轴与慢轴的发散角存在很大差异，快轴方向的发散角远大于慢轴方向的发散角。

对于多线激光雷达来说，体积小意味着光学系统的体积要小，相对的发射和接收的光学口径要变小，光学系统的口径变小，不仅导致激光雷达的发射和接收能力会变弱，而且影响激光雷达的探测距离。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种激光雷达光学发射装置。

本发明提供如下技术方案：一种激光雷达光学发射装置，包括至少一组激光器组件、至少一组第一微透镜组件、至少一组第二微透镜组件和至少一组微棱镜组件；

所述激光器组件朝向所述第一微透镜组件和所述第二微透镜组件，且所述激光器组件分别位于所述第一微透镜组件的焦点处和第二微透镜组件的焦点处；

所述第一微透镜组件设置在所述第二微透镜组件和所述激光器组件之间，所述第一微透镜组件和所述第二微透镜组件分别用于将所述激光器组件发出的激光准直；

所述微棱镜组件设置在所述第二微透镜组件远离所述第一微透镜组件的一侧。

在本发明的一些实施例中，所述激光器组件包括电路板和多个激光器，多个所述激光器相间隔的设置在所述电路板的同一侧，且每一个所述激光器与所述电路板电连接。

进一步地，所述第一微透镜组件包括多个第一微型柱面镜，每一个所述第一微型柱面镜的焦点对应于一个所述激光器。

进一步地，所述第二微透镜组件包括多个第二微型柱面镜，每一个所述第二微型柱面镜的焦点对应于一个所述激光器。

进一步地，所述第二微型柱面镜的焦距大于所述第一微型柱面镜的焦距。

进一步地，所述微棱镜组件包括多个楔形棱镜，所述楔形棱镜的斜面朝向远离第二微透镜组件的一侧。

进一步地，任意相邻的两个所述楔形棱镜的斜面倾角不同，所述楔形棱镜的倾斜角由所述微棱镜组件的两端向中间逐渐减小；

所述楔形棱镜的数量与所述激光器的数量相等。

进一步地，还包括补偿棱镜组件，所述补偿棱镜组件设置在所述微棱镜组件远离所述第二微透镜组件的一侧；

所述补偿棱镜组件包括至少两个补偿棱镜。

进一步地，所述第一微透镜组件、所述第二微透镜组件、所述微棱镜组件和所述补偿棱镜组件的表面均覆盖有增透膜。

进一步地，所述激光器组件、所述第一微透镜组件、所述第二微透镜组件和所述微棱镜组件的数量相等。

本发明的实施例具有如下优点：通过第一微透镜组件和第二微透镜组件将激光器组件发出的光准直，以形成平行光，同时通过微棱镜组件改变平行光的方向，以提高激光雷达光学发射装置的探测距离。亦可通过调节激光器组件、第一微透镜组件、第二微透镜组件和微棱镜组件的数量，以形成激光雷达发射阵列，有利于大规模和批量化生产，以降低激光雷达的生产成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置的一视角的结构示意图；

图2示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置的另一视角的结构示意图；

图3示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置其他结构的一视角的结构示意图一；

图4示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置其他结构的一视角的结构示意图二；

图5示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置其他结构的一视角的结构示意图三；

图6示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置其他结构的一视角的结构示意图四；

图7示出了本发明的一些实施例提供的一种激光雷达光学发射装置其他结构的一视角的结构示意图五。

主要元件符号说明：

100-激光器组件；200-第一微透镜组件；300-第二微透镜组件；400-微棱镜组件；110-电路板；120-激光器；210-第一微型柱面镜；310-第二微型柱面镜；410-楔形棱镜；500-补偿棱镜组件；510-补偿棱镜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2、图4和图7所示，本发明的一些实施例提供一种激光雷达光学发射装置，主要应用于激光雷达技术领域，以减小激光雷达的体积，提高激光雷达测距的准确性。激光雷达光学发射装置包括至少一组激光器组件100、至少一组第一微透镜组件200、至少一组第二微透镜组件300和至少一组微棱镜组件400。

可以理解的是，激光器组件100、第一微透镜组件200、第二微透镜组件300和微棱镜组件400的数量均可以是一组、两组或两组以上任意数值的组数，可根据实际情况具体设定。

需要说明的是，激光器组件100的数量、第一微透镜组件200的数量、第二微透镜组件300的数量和微棱镜组件400的数量均相等。可根据实际生产需要，调节激光器组件100的数量，以组成激光雷达发射阵列，有利于大规模和批量化生产，从而降低激光雷达光学发射装置的生产成本。

具体的，第一微透镜组件200为快轴准直微透镜组件，第二微透镜组件300为慢轴准直微透镜组件。

需要说明的是，快轴是垂直于激光器组件100的出光面的，慢轴为平行于激光器组件100的出光面，即在激光器组件100的快轴方向光的束腰和慢轴方向光的束腰不重合，存在像散。

其中，激光器组件100发出的光具有一定的发散角，该发散角分为两个方向，其中一个方向光线发散角大，光线发散快，该方向为激光器组件100的快轴方向。另外一个方向光发散角小，光线发散较慢，该方向为激光器组件100的慢轴方向。

另外，光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。在自由空间光通信的应用中需要非常低的光束发散角。具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束。由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的(假设光在各向同性介质中传输)。紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角，那么光束就具有很差的光束质量。

在本发明的一些实施例中，所述激光器组件100发出的光朝向所述第一微透镜组件200和所述第二微透镜组件300，以通过第一微透镜组件200和第二微透镜组件300将激光器组件100发出的光进行准直。

具体的，所述激光器组件100分别位于所述第一微透镜组件200的焦点处和第二微透镜组件300的焦点处。由于快轴方向具有很大的发散角，为了减小发射装置的通光口径以及发射装置的总长，首先通过第一微透镜组件200准直快轴方向发散角，并将所述第一微透镜组件200设置在所述第二微透镜组件300和所述激光器组件100之间，以使激光雷达光学发射装置更加小巧、结构更加紧凑。

由于非球面柱透镜具有较大的通光孔径且具有很好的象差校正能力，在快轴方向可采用非球面柱透镜，即第一微透镜组件200采用非球面柱透镜。

通过第一微透镜组件200和第二微透镜组件300将激光器组件100发射的光进行分割、重排，使慢轴方向上的光参数积减小，慢轴方向因为光斑尺寸减小，以提高光束质量，快轴方向光斑变大，光束质量随之降低，以达到均衡光参数积提高光束质量的目的。

需要说明的是，通过第一微透镜组件200将激光器组件100发出的光中的快轴方向的光进行准直，同时通过第二微透镜组件300将激光器组件100发出的光中的慢轴方向的光进行准直，即通过第一微透镜组件200和第二微透镜组件300将激光器组件100发出的光准直形成平行光。

同时，将所述微棱镜组件400设置在所述第二微透镜组件300远离所述第一微透镜组件200的一侧。

需要说明的是，通过微棱镜组件400调节激光器组件100准直后的光线的方向，即通过微棱镜组件400调节平行光的方向，以实现激光雷达垂直方向不同的视场角度。

其中，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。

如图1、图2和图6所示，在本发明的一些实施例中，所述激光器组件100包括电路板110和多个激光器120，多个所述激光器120相间隔的设置在所述电路板110的同一侧，且每一个所述激光器120与所述电路板110电连接，该电路板110用于与外部电源连接，以控制激光器120的启动或关闭。

其中，多个激光器120以线性排列的方式设置在所述电路板110的一侧，任意相邻的两个激光器120之间的距离相等。

可以理解的是，激光器120的数量可以是两个或两个以上任意数值的个数。

需要说明的是，激光器120为半导体激光器。半导体激光器又名激光二极管，是以半导体材料作为工作物质的激光器120。半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点。

如图1、图3和图5所示，在本发明的一些实施例中，所述第一微透镜组件200包括多个第一微型柱面镜210，其中，第一微型柱面镜210的数量与所述激光器120的数量相等。

每一个所述第一微型柱面镜210的焦点对应于一个所述激光器120，即每一个所述激光器120位于一个所述第一微型柱面镜210的焦点处，使得激光器120发出的光经第一微型柱面镜210形成平行光。

需要说明的是，每一个所述第一微型柱面镜210正对于一个所述激光器120。

另外，第一微型柱面镜210的圆柱面朝向第二微透镜组件300，以通过第一微型柱面镜210对激光器120的快轴方向的光束进行准直。

如图1、图3和图4所示，在本发明的一些实施例中，所述第二微透镜组件300包括多个第二微型柱面镜310，其中，第二微型柱面镜310的数量与所述激光器120的数量相等。

每一个所述第二微型柱面镜310的焦点对应于一个所述激光器120，即每一个所述激光器120位于一个所述第二微型柱面镜310的焦点处，使得激光器120发出的光经第二微型柱面镜310形成平行光。

其中，每一个所述第二微型柱面镜310正对于一个所述激光器120。

需要说明的是，第一微型柱面镜210的柱面和第二微型柱面镜310的柱面可以是球面或非球面，可根据实际情况具体设定。

通过将每一个激光器120对应设置在一个第一微型柱面镜210的焦点和一个第二微型柱面镜310的焦点，以实现每一个视场角发射效率的一致性。

如图1和图3所示，在本发明的一些实施例中，所述第二微型柱面镜310的焦距大于所述第一微型柱面镜210的焦距。

需要说明的是，第二微型柱面镜310设置在第一微型柱面镜210远离所述激光器120的一侧，由于激光器120的慢轴方向的光发散角小，光线发散慢，以通过第二微型柱面镜310对激光器120的慢轴方向的光进行准直。

另外，由于激光器120的快轴方向的光发散角大，光线发散快，以通过第一微型柱面镜210对激光器120的快轴方向的光进行准直。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，所述微棱镜组件400包括多个倾斜角度不同的楔形棱镜410，所述楔形棱镜410的倾斜角由中间向两端依次增大。

需要说明的是，所述楔形棱镜410的数量与所述激光器120的数量相等，且一个所述楔形棱镜410正对于一个所述激光器120，以通过楔形棱镜410改变平行光的方向，以实现激光雷达在垂直方向不同的视场角度。

其中，任意相邻的两个楔形棱镜410之间的夹角均不相同，多个楔形棱镜410之间的排列方式与多个激光器120的排列方式相同，即为线性排列。且每一个所述楔形棱镜410的倾斜面朝向远离所述激光器120的一侧。

具体的，呈线性排列的多个楔形棱镜410的倾斜面的夹角由楔形棱镜组件400的两端向中间逐渐减小，且呈线性排列的多个楔形棱镜410以微棱镜组件400的中轴线对称。

如图1和图3所示，在本发明的一些实施例中，还包括补偿棱镜组件500，所述补偿棱镜组件500设置在所述微棱镜组件400远离所述第二微透镜组件300的一侧。

其中，所述补偿棱镜组件500包括至少两个补偿棱镜510。可以理解的是，补偿棱镜510的数量可以是两个或两个以上任意数值的个数，可根据实际情况具体设定。

通过增设补偿棱镜510，同时调节补偿棱镜510的排列方式，以调节不同视场角激光的发射方向，以适应不同的生产需要。如图3所示，每一个补偿棱镜510的斜面的倾斜方向相同。可选的，如图1所示，每一个补偿棱镜510的斜面的倾斜方向不同，从而调节视场角激光的发射方向。

具体的，每一个所述补偿棱镜510的倾斜面朝向激光器120的光源发射方向。

在本发明的一些实施例中，所述第一微透镜组件200、所述第二微透镜组件300、所述微棱镜组件400和所述补偿棱镜组件500的表面均覆盖有增透膜，通过设置增透膜以提高透光率。

其中，增透膜主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。

需要说明的是，在本发明的一些实施例中，可通过调节微棱镜组件400和补偿棱镜组件500之间的位置，以调节激光雷达在垂直方向上的分辨率，提高激光雷达光学发射装置的多样性。

可选的，将补偿棱镜组件500设置在微棱镜组件400和第二微透镜组件300之间，以调节激光雷达光学发射装置视场发射角度及在垂直方向上的分辨率，从而增加激光雷达的发射端的灵活性，以满足对不同视场发射角度的需求。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达光学发射装置，其特征在于，包括至少一组激光器组件、至少一组第一微透镜组件、至少一组第二微透镜组件和至少一组微棱镜组件；

所述激光器组件朝向所述第一微透镜组件和所述第二微透镜组件，且所述激光器组件分别位于所述第一微透镜组件的焦点处和第二微透镜组件的焦点处；

所述第一微透镜组件设置在所述第二微透镜组件和所述激光器组件之间，所述第一微透镜组件和所述第二微透镜组件分别用于将所述激光器组件发出的激光准直；

所述微棱镜组件设置在所述第二微透镜组件远离所述第一微透镜组件的一侧。

2.根据权利要求1所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述激光器组件包括电路板和多个激光器，多个所述激光器相间隔的设置在所述电路板的同一侧，且每一个所述激光器与所述电路板电连接。

3.根据权利要求2所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述第一微透镜组件包括多个第一微型柱面镜，每一个所述第一微型柱面镜的焦点对应于一个所述激光器。

4.根据权利要求3所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述第二微透镜组件包括多个第二微型柱面镜，每一个所述第二微型柱面镜的焦点对应于一个所述激光器。

5.根据权利要求4所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述第二微型柱面镜的焦距大于所述第一微型柱面镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述微棱镜组件包括多个楔形棱镜，所述楔形棱镜的斜面朝向远离第二微透镜组件的一侧。

7.根据权利要求6所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，任意相邻的两个所述楔形棱镜的斜面倾角不同，所述楔形棱镜的倾斜角由所述微棱镜组件的两端向中间逐渐减小；

所述楔形棱镜的数量与所述激光器的数量相等。

8.根据权利要求1所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，还包括补偿棱镜组件，所述补偿棱镜组件设置在所述微棱镜组件远离所述第二微透镜组件的一侧；

所述补偿棱镜组件包括至少两个补偿棱镜。

9.根据权利要求8所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述第一微透镜组件、所述第二微透镜组件、所述微棱镜组件和所述补偿棱镜组件的表面均覆盖有增透膜。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的激光雷达光学发射装置，其特征在于，所述激光器组件、所述第一微透镜组件、所述第二微透镜组件和所述微棱镜组件的数量相等。

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