CN115951331A

CN115951331A - 具有补偿片的激光雷达

Info

Publication number: CN115951331A
Application number: CN202310231179.0A
Authority: CN
Inventors: 姜波
Original assignee: Ruichi Zhiguang Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Ruichi Zhiguang Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2023-04-11

Abstract

本发明公开一种具有补偿片的激光雷达。包括圆环外罩、发射透镜组、接收透镜组、激光发射模块和激光接收模块。激光束从激光发射模块射出，经过发射透镜组准直后穿过圆环外罩射出，由外部物体反射后的激光束穿过圆环外罩经过接收透镜组汇聚后被激光接收模块接收。还包括补偿片，设置于发射透镜组与圆环外罩之间，以及接收透镜组和圆环外罩之间。通过增加补偿片，对所需穿过圆环外罩的发射激光束和接收激光束进行纠正，弥补圆环外罩对激光束路线造成的偏差，使得激光束能够沿平直方向发射和接收。

Description

具有补偿片的激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种具有补偿片的激光雷达。

背景技术

激光雷达是发射激光束以探测目标的位置、速度等的雷达系统。激光雷达可以向目标发射探测信号（激光束），然后将接收的从目标反射的回波信号与探测信号进行比较。作适当处理后，可获得目标的如距离、方位、速度等信息，从而对目标进行探测、跟踪和识别。激光雷达通常包括发射模块、接收模块、扫描模块、光学系统和处理器等组成部分，发射模块将电脉冲变成光脉冲发射出去，接收模块把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，发送给处理器。

由于激光雷达受恶劣天气的影响较大，因此激光雷达都设置有外罩来保护内部的发射模块、接收模块、扫描模块、光学系统和处理器等组成部分。对于360°旋转扫描的激光雷达，则需要设置圆环外罩，保证激光雷达旋转时每个角度扫描激光束均相同。由于圆环外罩具有不同曲率、角度倾斜等因素，使得平行激光束穿过圆环外罩时，激光束会发生扩散，从而导致激光雷达测量精度的降低。

因此，现需要在原始结构中增加一种新的光学组件，来抵消圆环外罩对平行激光束的扩散影响。

发明内容

本发明提供一种具有补偿片的激光雷达，通过补偿片对准直后的激光束进行汇聚，从而抵消外罩对激光束的扩散影响。

根据本发明的一实施例的激光雷达包括：圆环外罩，口径均匀收窄，由能够使激光透过的材料制成；发射透镜组和接收透镜组，对齐设置于圆环外罩截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴；激光发射模块和激光接收模块，激光发射模块设置于发射透镜组的第一侧，激光接收模块设置于接收透镜组的第一侧；补偿片，设置于发射透镜组的第二侧与圆环外罩之间，以及接收透镜组的第二侧与圆环外罩之间；从激光发射模块发出并由发射透镜组准直的激光束，经过补偿片后形成汇聚光线，经过圆环外罩后形成准直光线。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述激光发射模块包括发射基板，所述发射基板上设置有激光发射器，激光发射器位于所述发射透镜组光轴上；激光接收模块包括接收基板，所述接收基板上设置有激光传感器，激光传感器位于所述接收透镜组光轴上。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述激光发射模块和激光接收模块沿第一方向错开。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述激光发射器为纵向设置的多线激光发射器。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述圆环外罩为口径均匀收窄的圆环，或者为侧壁具有曲率的圆环。

根据本发明的另一实施例的激光雷达包括：圆环外罩，口径均匀收窄，由能够使激光透过的材料制成；一对发射透镜组，对齐设置于圆环外罩截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴；接收透镜组，设置于圆环外罩截面圆的直径上，具有沿第一方向的光轴；激光发射模块和激光接收模块，激光发射模块设置于发射透镜组的第一侧，激光接收模块设置于接收透镜组的第一侧；补偿片，设置于发射透镜组的第二侧与圆环外罩之间；从激光发射模块发出并由发射透镜组准直的激光束，经过补偿片后形成汇聚光线，经过圆环外罩后形成准直光线。

本发明所取得的有益效果：通过增加补偿片，对所需穿过圆环外罩的发射激光束和接收激光束进行纠正，弥补圆环外罩对激光束路线造成的偏差，使得激光束能够沿平直方向发射和接收。

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是根据本发明一实施例的激光雷达示意图。

图2是根据本发明一实施例未设置补偿片的激光雷达光路示意图。

图3是根据本发明一实施例设置有补偿片的激光雷达光路示意图。

图4是根据本发明另一实施例的激光雷达示意图。

图5是根据本发明另一实施例未设置补偿片的激光雷达光路示意图。

图6是根据本发明另一实施例设置有补偿片的激光雷达光路示意图。

图7是激光雷达的激光发射模块示意图。

图8是激光雷达的激光接收模块示意图。

图9是激光雷达的圆环外罩截面示意图。

图10是激光雷达的补偿片截面示意图。

其中，100-圆环外罩；200-发射透镜组；300-接收透镜组；400-激光发射模块；410-发射基板；420-激光发射器；500-激光接收模块；510-接收基板；520-激光传感器；600-补偿片。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，以下具体实施例仅用于解释本发明，而并不用于限定本发明。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。

需要说明，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。在实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示根据本发明一实施例的激光雷达示意图，其中包括圆环外罩100、发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600。其中发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600均设置于圆环外罩100内部空间。发射透镜组200和接收透镜组300对齐设置于圆环外罩100截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴，发射透镜组200和接收透镜组300位置可互换，发射透镜组200用于将发散的激光进行准直，接收透镜组300用于将经过物体反射后的激光束进行汇聚，发射透镜组200和接收透镜组300可以使用相同或者不同的透镜组。激光发射模块400设置于发射透镜组200的第一侧，即图1中所示的右侧。激光接收模块500设置于接收透镜组300的第一侧，即图1中所示的右侧。补偿片600，一片设置于发射透镜组200的第二侧和圆环外罩100之间，另一片设置于接收透镜组300的第二侧和圆环外罩100之间。除此之外，图1中示出了本实施例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透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600旋转的旋转部。

如图2所示根据本发明一实施例未设置补偿片600的激光雷达光路示意图，发射激光束为L1，当L1沿水平方向从发射透镜组200射出，经过圆环外罩100的扩散作用，L1沿左上方向向外射出；反射激光束为L2，若使得接收透镜组300能够接收到反射激光束L2，则L2需要从左下方向射向圆环外罩100，最终以水平方向射入接收透镜组300。因此在没有设置补偿片600的情况下，激光雷达所探测的并不是正前方的物体，并且发射激光束L1探测到物体后，仅有极少部分反射激光束L2会被接收到。最终导致激光雷达探测准确性和精度下降。

如图3所示根据本发明一实施例设置补偿片600后的激光雷达光路示意图，发射激光束为L1’，当L1’沿水平方向从发射透镜组200射出，首先经过补偿片600，补偿片600将激光束L1’进行汇聚，然后经过圆环外罩100的扩散作用，L1’依然沿水平向外射出；反射激光束为L2’，当L2’沿水平方向从远处射向圆环外罩100，先经过圆环外罩100的扩散作用，然后经过补偿片600进行汇聚，L2’依然能够沿水平方向射入激光接收透镜组300。因此，在加入补偿片600后，激光雷达扫描方向为激光发射的正前方，且由于发射激光束L1’和反射激光束L2’相互平行，激光雷达具有较高的探测准确性和精度。

如图4所示根据本发明另一实施例的激光雷达示意图，其中包括圆环外罩100、发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600。其中发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600均设置于圆环外罩100内部空间。发射透镜组200共有两个且配置相同，分别对齐设置于圆环外罩100截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴，接收透镜组300设置于圆环外罩100截面圆的直径上，位于两侧发射透镜组200中间位置，并且也具有沿第一方向的光轴。发射透镜组200用于将发散的激光进行准直，接收透镜组300用于将经过物体反射后的激光束进行汇聚，发射透镜组200和接收透镜组300可以使用相同或者不同的透镜组。激光发射模块400设置于发射透镜组200的第一侧，即图4中所示的右侧。激光接收模块500设置于接收透镜组300的第一侧，即图4中所示的右侧。补偿片600，分别设置于两个发射透镜组200的第二侧和圆环外罩100之间。除此之外，图4中示出了本实施例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透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600旋转的旋转部。

如图5所示根据本发明另一实施例未设置补偿片600的激光雷达光路示意图，发射激光束为L1，当L1沿水平方向从发射透镜组200射出，经过圆环外罩100的扩散作用，上端激光束L1沿左上方向向外射出，下端激光束L1沿左下方向向外射出；反射激光束为L2，由于接收透镜组300设置于圆环外罩100截面圆的直径上，因此所接收到的沿垂直圆环外罩100入射的反射激光束L2不会受到圆环外罩100的影响。但由于发射激光束L1向上下两侧扩散，因此中间位置只能接收到极少部分的反射激光束L2。最终导致激光雷达探测准确性和精度下降。

如图6所示根据本发明另一实施例设置补偿片600后的激光雷达光路示意图，发射激光束为L1’，当L1’沿水平方向从发射透镜组200射出，首先经过补偿片600，补偿片600将激光束L1’进行汇聚，然后经过圆环外罩100的扩散作用，L1’依然沿水平向外射出；反射激光束为L2’，由于接收透镜组300设置于圆环外罩100截面圆的直径上，因此所接收到的沿垂直圆环外罩100入射的反射激光线L2’不会受到圆环外罩100的影响。

综合上述两实施例，圆环外罩100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。圆环外罩100可以为具有圆环形侧壁且具有封闭的顶部的形状，圆环外罩100的顶部可以位于图1的纸面上方且与纸面平行。圆环外罩100的侧壁可以垂直于纸面，或者圆环外罩100的侧壁也可以相对于纸面倾斜，更或者圆环外罩100的侧壁也可以具有一定的曲率，甚至可以为半球状。由于截面为圆环形状，本发明称之为圆环外罩100，但本发明的圆环外罩100的侧壁形状不受限制。圆环外罩100可以形成为在内部收容发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600，且其大小可以在收容上述部件的前提下尽可能小地形成。除此之外，发射透镜组200、接收透镜组300、激光发射模块400、激光接收模块500和补偿片600可以一同在圆环外罩100内相对圆环外罩100旋转，其旋转轴垂直于纸面，且该旋转轴位于圆环外罩100的圆心。因此，圆环外罩100的内侧面可以与旋转部件相隔。

接下来结合图7和图8说明激光发射模块400和激光接收模块500结构。

如图7所示激光雷达的激光发射模块400示意图。包括发射基板410和激光发射器420，激光发射器420设置于发射基板410中间位置用于发出激光束，安装时激光发射器420对准发射透镜组200光轴。如图8所示激光雷达的激光接收模块500示意图。包括接收基板510和激光传感器520，激光传感器520设置于接收基板510中间位置用于接收激光束，安装时激光传感器520对准接收透镜组300光轴。为防止激光发射模块400所发射的激光束在发射基板410和接收基板510内部传播，对激光传感器520造成干扰，激光发射模块400和激光接收模块500的设置位置沿水平方向错开。

其中，激光发射器420可以基于发射基板410上的驱动电路而发出激光束，发出的激光束通常是发散的，经过发射透镜组200准直后作为探测信号向激光雷达的外部发出。在激光雷达外部物体反射的激光束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束由接收透镜组300聚焦后入射到激光传感器520上。激光传感器520设置于接收基板510上，在接收基板510上还设置有用于对激光传感器520输出的电信号进行处理的电子器件。据此，可以通过飞行时间法（TOF）测量周围物体与激光雷达的相隔距离。

具体而言，激光发射器420为纵置的多线激光发射器420，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中所示出的激光雷达仅包括一个激光发射模块400，而在图4中示出的激光雷达包括两个激光发射模块400的情形，但本发明不限于仅包括一或两个激光发射模块400的情形。

激光接收模块500可以包括能够感测光的多个激光传感器520。多个激光传感器520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。多个激光传感器520的布置形态可以与激光发射模块400中的激光发射器420对应。所述激光传感器520可以为诸如APD及SPAD等光电传感器。激光接收模块500的激光传感器520可以将外部物体反射的激光束转化为电信号输出。

发射基板410和接收基板510可以为印刷电路板（PCB）。发射基板410和接收基板510可以形成有电路。发射基板410可以设置有驱动电路，驱动电路的数量可以与激光发射器420的数量相同。接收基板510可以设置有处理电信号的电子器件。例如，可以设置有用于对激光传感器520输出的电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。

接下来结合图9和图10说明圆环外罩100结构和所对应的补偿片600结构。

如图9所示的圆环外罩100截面示意图，圆环外罩100上口径为d1，下口径为d2，圆环外罩100截面的两侧边夹角为θ，两侧边相对圆环外罩100中轴线镜像对称，即每个侧边与中轴线的夹角为θ/2。如图10所示的补偿片600截面示意图，补偿片600为两面具有不同曲率的薄片，如图所示的水平线与补偿片600截面两侧弧线所在圆的共同直径相重叠，补偿片600延伸至水平线处的宽度为h，内侧弧线半径为r1、圆心位置为O1，外侧弧线半径为r1、圆心位置为O2。

对于不同的圆环外罩100构造和材质，需要通过光学测试匹配不同规格的补偿片600。例如：当圆环外罩100为注塑材料，折射率n=1.567(905nm)，圆环尺寸d1=98.85mm，d2=100.18mm，θ=2°。此时所匹配的补偿片600为注塑材料，折射率n=1.567(905nm)，r1=52.522mm，r2=51.979mm，h=3mm。上述为一种匹配参数，针对不同的圆环外罩100构造和材质，所匹配的补偿片600规格参数也不同。

综上所述，通过对设置有圆环外罩100的激光雷达增加补偿片600，实现对穿过圆环外罩100的发射激光束和接收激光束进行纠正，弥补圆环外罩100对激光束路线造成的偏差，使得激光束能够沿平直方向发射和接收。从而提高激光雷达的探测精度和准确度。

以上记载的关于具有补偿片的激光雷达的实施例仅仅是示意性的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims

1.一种具有补偿片的激光雷达，其特征在于，包括：

圆环外罩，由能够使激光透过的材料制成；

发射透镜组和接收透镜组，对齐设置于圆环外罩截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴；

激光发射模块和激光接收模块，激光发射模块设置于发射透镜组的第一侧，激光接收模块设置于接收透镜组的第一侧；

补偿片，设置于发射透镜组的第二侧与圆环外罩之间，以及接收透镜组的第二侧与圆环外罩之间；

从激光发射模块发出并由发射透镜组准直的激光束，经过补偿片后形成汇聚光线，经过圆环外罩后形成准直光线。

2.如权利要求1所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，激光发射模块包括发射基板，所述发射基板上设置有激光发射器，激光发射器位于所述发射透镜组光轴上；激光接收模块包括接收基板，所述接收基板上设置有激光传感器，激光传感器位于所述接收透镜组光轴上。

3.如权利要求1所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块和激光接收模块沿第一方向错开。

4.如权利要求2所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述激光发射器为纵向设置的多线激光发射器。

5.如权利要求1所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述圆环外罩为口径均匀收窄的圆环，或者为侧壁具有曲率的圆环。

6.一种具有补偿片的激光雷达，其特征在于，包括：

圆环外罩，由能够使激光透过的材料制成；

一对发射透镜组，对齐设置于圆环外罩截面圆的直径两侧，具有沿第一方向的光轴；

接收透镜组，设置于圆环外罩截面圆的直径上，具有沿第一方向的光轴；

补偿片，设置于发射透镜组的第二侧与圆环外罩之间；

7.如权利要求6所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，激光发射模块包括发射基板，所述发射基板上设置有激光发射器，激光发射器位于所述发射透镜组光轴上；激光接收模块包括接收基板，所述接收基板上设置有激光传感器，激光传感器位于所述接收透镜组光轴上。

8.如权利要求6所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块和激光接收模块沿第一方向错开。

9.如权利要求7所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述激光发射器为纵向设置的多线激光发射器。

10.如权利要求6所述的具有补偿片的激光雷达，其特征在于，所述圆环外罩为口径均匀收窄的圆环，或者为侧壁具有曲率的圆环。