CN116068579A - 一种激光雷达系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电子设备领域，具体涉及一种激光雷达系统及电子设备。其中，激光雷达系统包括：激光源，用于发射一束激光；准直单元，用于对激光源发射的激光进行准直；衍射光学分束元件，用于将准直后的激光按设定角度进行分束，以同时输出多束激光；分束后的多束激光一一对应的多个透射反射镜，每一个透射反射镜用于对相应的一束激光进行透射形成透射光；与多个透射反射镜一一对应的多个第一反射镜，每一束透射光入射到对应的第一反射镜，多个第一反射镜将各自的透射光同时反射到同一个光线偏转扫描元件；光线偏转扫描元件用于对多束透射光进行偏转反射；与多个透射反射镜一一对应的多个第二反射镜。本申请的激光雷达系统的视场角得到提升。

Description

一种激光雷达系统及电子设备

技术领域

本申请涉及电子设备领域，特别涉及一种激光雷达系统及电子设备。

背景技术

随着物联网和5G的发展，自动驾驶成为了未来的发展趋势，现阶段自动驾驶主要分为辅助驾驶、半自动驾驶和全自动驾驶。其中，长距扫描激光雷达(Light detection andranging，简称LIDAR)是实现半自动驾驶和全自动驾驶的必要手段。激光雷达的测试距离可以达到200米以上，且精度很高。

但现有的激光雷达的视场角(Field of view，简称FOV)偏小，探测距离有限。

发明内容

本申请的实施例提供一种激光雷达系统，采用单一光源结合衍射光学分束元件，实现激光的多光路输出，提升了激光雷达的视场角。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种激光雷达系统，包括：激光源，用于发射一束激光(即单一光源)；准直单元，用于对激光源发射的激光进行准直；衍射光学分束元件，用于将准直后的激光按设定角度进行分束，以同时输出多束激光；与分束后的多束激光一一对应的多个透射反射镜，每一个透射反射镜用于对相应的一束激光进行透射形成透射光；与多个透射反射镜一一对应的多个第一反射镜，每一束透射光入射到对应的第一反射镜，多个第一反射镜将各自的透射光同时反射到同一个光线偏转扫描元件；光线偏转扫描元件用于对多束透射光进行偏转反射，以对前方目标物体进行激光扫描；与多个透射反射镜一一对应的多个第二反射镜，从目标物体反射回的激光依次反射回光线偏转扫描元件、相应的第一反射镜和相应的透射反射镜，并经相应的透射反射镜反射到相应的第二反射镜，再经第二反射镜反射到探测器，以实现对目标物体的探测。

根据本申请的实施方式，本申请的激光雷达系统使用单一光源分束方案，光线偏转扫描元件对多束透射光进行偏转反射，以对前方目标物体进行激光扫描，提升了整个激光雷达系统的视场角，使得激光雷达系统的探测距离提高。

在上述第一方面的一种可能实现中，还包括合束器，从目标物体反射回的激光经第二反射镜反射到同一个合束器，再经合束器反射到探测器。

在上述第一方面的一种可能实现中，合束器为透镜系统。

在上述第一方面的一种可能实现中，一束激光是通过将不同波长的激光合束形成的双波长光源。

在上述第一方面的一种可能实现中，激光源包括：第一激光器，用于发射第一波长的激光；第二激光器，用于发射第二波长的激光；准直单元包括：第一准直器，用于对第一激光器发射的第一波长的激光进行准直；第二准直器，用于对第二激光器发射的第二波长的激光进行准直；还包括，双波长合波器和第三反射镜；第三反射镜用于将经第二准直器准直后的第二波长的激光反射到双波长合波器；双波长合波器用于将经第一准直器准直后的第一波长的激光和第二波长的激光合束形成双波长光源。

在上述第一方面的一种可能实现中，双波长光源由905nm波长和940nm波长的激光合束形成。

在上述第一方面的一种可能实现中，光线偏转扫描元件为MEMS转镜。

在上述第一方面的一种可能实现中，透射反射镜用于对相应的一束激光进行全部或部分透射。

在上述第一方面的一种可能实现中，多束激光包括五束激光。

在上述第一方面的一种可能实现中，探测器为面阵列探测器或多个点探测器。多个点探测器的数量例如是五个。

第二方面，本申请还提供一种电子设备，包括上述第一方面任一项所描述的激光雷达系统。示例性地，电子设备为自动驾驶汽车。

附图说明

图1根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统的结构框图；

图2根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统的光路示意图一；

图3根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统的光路示意图二；

图4根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统的光路示意图三；

图5根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中激光源的结构示意图；

图6根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中衍射光学分束元件的结构示意图一；

图7根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中合束器与探测器光路传输示意图；

图8根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中探测器的结构示意图；

图9根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中激光源与衍射光学分束元件的光路传输示意图；

图10根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中衍射光学分束元件的结构示意图二；

图11根据本申请的一些实施例，示出了激光雷达系统中透射反射镜的光路传输示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的具体实施方式。

激光雷达是自动驾驶等电子设备中不可缺少的技术，激光雷达相对于摄像头的优势在于3D模型的准确建立及夜间行驶，可提供更丰富且准确的数据，更轻松建造模拟环境。帮助判断周围车辆及物体的互动。同时，激光雷达也是当前交通标志识别、自适应巡航控制(ACC)、盲点检测、防撞系统和车道偏离警告等电子设备的系统中的关键组件。

激光雷达根据扫描技术进行分类，主要包括机械扫描和固态扫描。机械扫描扫描速度快，但结构笨重，成本高，工艺繁琐。而固态扫描中使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机械系统)。MEMS激光雷达尺寸小、工艺简单。本申请后述的激光雷达系统以MEMS激光雷达为示例说明。

现有的激光雷达的视场角(FOV)相对较小，而相对大的视场角(FOV)通常是用多个光源堆叠实现，结构复杂，成本高，尺寸打，在竞争力上很难做到性能与成本的平衡。即，现有的激光雷达采用单一光源的方案，FOV受限，无法满足激光雷达的需求。而现有激光雷达采用多光源的方案，FOV可以满足要求，但是采用多路光源，成本高，体积大，不利于激光雷达的小型化。

因此，本申请提供一种激光雷达系统，通过单一光源和衍射光学分束元件(Diffractive Optical Elements，简称DOE)的结合，实现激光的多路输出，提升了激光雷达系统的视场角，也实现了激光雷达的小型化。

参考图1，本申请的激光雷达系统1(例如MEMS激光雷达)包括相互连接的处理器11、光发射系统12(也称为发射端)、光扫描器件13和光接收系统14(也称为接收端)。其中，处理器11控制光发射系统12发出激光，光发射系统12发出的激光到达光扫描器件13(例如包括MEMS转镜)，通过光扫描器件13扫描目标物体，激光到达目标物体后被反射回光接收系统14，再通过处理器11进行数据处理，实现对目标物体的探测。例如，激光雷达系统1探测到200米外存在一个目标物体。

下面结合附图详细介绍本申请的激光雷达系统1的光发射系统12、光扫描器件13和光接收系统14。

参考图1至图3，本申请的激光雷达系统1的光发射系统12包括：激光源10、准直单元20、衍射光学分束元件30、多个透射反射镜40、多个第一反射镜50；光扫描器件13包括光线偏转扫描元件60；光接收系统14包括：多个第二反射镜80和探测器100。

其中，激光源10用于发射一束激光(图3中虚线箭头所示)，即激光源10发射的是单一光源。准直单元20用于对激光源10发射的激光进行准直。示例性地，准直单元20采用透镜系统。激光源10发射的一束激光经过透镜系统(准直单元20)变为准直光，然后到达衍射光学分束元件30，该分束元件采用DOE(Diffractive Optical Elements，简称DOE)结构构成。衍射光学分束元件30用于将准直后的激光分为多等份，且角度可以按照激光雷达的扫描需求设置。即，衍射光学分束元件30用于将准直后的激光按设定角度(图3中α所示)进行分束，以同时输出多束激光。示例性地，上述的设定角度α在20°至25°之间。

示例性地，图2和图3中示出衍射光学分束元件30输出五束激光，本申请以输出五束激光为示例说明。后述的透射反射镜40、第一反射镜50和第二反射镜80的数量相应地为五个。但本申请不限于此，在一些可能的实施方式中，可以根据激光雷达的扫描需求，输出其它数量的激光，例如衍射光学分束元件30输出四束激光或六束激光等。

上述经衍射光学分束元件30分束后的多束激光与多个透射反射镜40一一对应，分束后的每一束激光到达相应的透射反射镜40，每一个透射反射镜40用于对相应的一束激光进行透射形成透射光。上述多个第一反射镜50与多个透射反射镜40一一对应，每一束透射光入射到对应的第一反射镜50，多个第一反射镜50将各自的透射光同时反射到同一个光线偏转扫描元件60。即五束透射光分别经相应的第一反射镜50，改变光路角度后，同时反射到同一个光线偏转扫描元件60。示例性地，光线偏转扫描元件60为MEMS转镜或者其它转镜结构。示例性地，MEMS转镜为2D MEMS结构。光线偏转扫描元件60用于对五束透射光进行偏转反射，然后将光线传输出去，以对前方目标物体70进行激光扫描。

上述的多个第二反射镜80与多个透射反射镜40一一对应，上述光线偏转扫描元件60将五束透射光偏转反射出去，遇到目标物体70之后反射回来。从目标物体70反射回的激光(图3中实线箭头所示)依次反射回光线偏转扫描元件60、相应的第一反射镜50和相应的透射反射镜40。即，从目标物体70反射回的五束激光原路返回到相应的透射反射镜40。并经相应的透射反射镜40反射到相应的第二反射镜80，再经第二反射镜80反射到探测器100，以实现对目标物体70的探测。

即，激光源10发射一束激光依次经过准直单元20、衍射光学分束元件30、相应的透射反射镜40、相应的第一反射镜50、光线偏转扫描元件60达到前方的目标物体70，遇到目标物体70再反射回光线偏转扫描元件60、相应的第一反射镜50、相应的透射反射镜40，再经相应的透射反射镜40反射到相应的第二反射镜80后，反射到探测器100。从而，通过单一光源分束方案提升了整个激光雷达系统1的视场角(如图3中β所示)，探测距离提高。经DOE分束输出的五束激光之间的角度由激光雷达的需求决定，示例性地，该角度在20°至25°之间。

继续参考图2和图3和图7，本申请的激光雷达系统1还包括合束器90，从目标物体70反射回的激光经第二反射镜80反射到同一个合束器90，再经合束器90反射到探测器100。即，从目标物体70反射回的五束激光经第二反射镜80反射到同一个合束器90，五束激光再反射到探测器100。示例性地，合束器90为透镜系统。

多束激光在合束器90处通过透镜系统进行调制和汇聚，最终达探测器100，实现前方目标物体70的探测。示例性地，上述的每一个第二反射镜80的反射角度均不同，通过控制第二反射镜80的反射角度可以调整合束器90的位置，进而实现接收端的角度的调制，将发射端的大角度改变为小角度，进而减小接受端镜头的难度。这属于光路延展架构。接收端采用光路延展架构，可以减小接收端的视场角，可以实现常规镜头的多视点探测，减小了激光雷达系统1的复杂度。

也即，通过采用接收端同轴光路，且通过光路延展的方式，可以实现大视场角发射，小角度接收的架构，减小了接收端光路的复杂度。

如图3所示，合束器90包括一个透镜91。在一些可能的实施方式中，参考图4，合束器90包括与第二反射镜80一一对应的透镜91，以及与透镜91一一对应的准直单元92。图4中示出五个透镜91和五个准直单元92。从目标物体70反射回的激光经相应的第二反射镜80反射到相应的透镜91，再经相应的准直单元20汇聚到探测器100。从而，每一路光都有一个准直单元92，所以接收端是由多个准直光路构成的。从每一个第二反射镜80反射的每一路激光都是单独的接收光路，视场角小，光路简单，可以通过单透镜实现，光路之间的串扰会进一步降低，改善系统SNR(SIGNAL-NOISE RATIO，信噪比)。

在一些可能的实施方式中，参考图5，上述激光源10发射的激光可以是单一光源，也可以是由多个光源(波长一样)组成的。图5中示出两个光源，由于激光光源是单偏振状态，两个激光光源101，先经过双微透镜阵列102，将两路激光光源进行初步准直，然后通过PCS(Polarizing conversionsystem，偏振转换器)103实现双光路的合束，此时输出光强是两个激光光源的叠加，且发散角是基于单个光源的，可以实现小发散角的出射光束。并且出射光束为互相垂直的两个偏振状态叠加，消除了单偏振状态，具有更好的通用性照明效果。

在一些可能的实施方式中，参考图6，上述的衍射光学分束元件30由DOE构成，通过非周期性的光栅调制，可以实现光束的均匀地插损分束。其中，图6中(a)所示的DOE结构是通过非周期性的占空比和周期实现，图6中(b)所示的DOE结构是通过在非周期的前提下增加了两个光栅高度，可以进一步增加调制的自由度，进而实现更好分束调制。

在一些可能的实施方式中，参考图7和图8，上述的透镜系统(合束器90)与探测器100之间的关系，可以根据探测器100的类型，可以对合束器90的镜头进行设计。

在一些可能的实施方式中，探测器100为面阵列探测器，可以将合束器90的镜头采用共轴球面或非球面和柱透镜的组合，进而使探测器100是线光源探测(如图8中(a)所示)，提升探测的饱和度，图8中(a)所示黑色圆圈代表光斑。

在一些可能的实施方式中，探测器100为是分立的APD(雪崩光电探测器)，则合束器90的镜头可以用共轴的球面和非球面实现，进而使探测器100是点光源探测(如图8中(b)所示)，图8中(b)所示黑色圆圈代表光斑。

在一些可能的实施方式中，当发射端是带有一定发散角的光斑出射时，则探测器100采用面阵列探测器探测，每个光斑覆盖多个像素点(如图8中(c)所示)，图8中(c)所示黑色圆圈代表光斑，则可以通过每个像素点上的数据实现更高精度的测试。例如，发端端(激光源10)的发散角是±0.4°，则接收端(探测器100)每个光斑可以设计为8×8个像素点，则每个像素点对应0.1°的角分辨率，探测器100实现了更高精度的测试。

在一些可能的实施方式中，上述的探测器100是点探测器，点探测器的数量例如是五个。

在一些可能的实施方式中，参考图9，本申请的一束激光是通过将不同波长的激光合束形成的双波长光源。即，激光雷达系统1的发射端采用了双波长。示例性地，双波长光源由905nm波长和940nm波长的激光合束形成。但本申请对此不做限制，可以是其它不同波长的激光束合束形成。示例性地，激光源10包括：第一激光器104，用于发射第一波长λ1(例如是905nm)的激光(图9中实线箭头所示)；第二激光器105，用于发射第二波长λ2(例如是940nm)的激光(图9中虚线箭头所示)。

上述的准直单元20包括：第一准直器201，用于对第一激光器104发射的第一波长λ1的激光进行准直；第二准直器202，用于对第二激光器105发射的第二波长λ2的激光进行准直。上述的激光雷达系统1还包括，双波长合波器108和第三反射镜109。第一波长λ1的激光经准直后反射到双波长合波器108，经第二准直器202准直后的第二波长λ2的激光反射到第三反射镜109，第三反射镜109再将经第二准直器202准直后的第二波长λ2的激光反射到双波长合波器108。

第一波长λ1的激光和第二波长λ2的激光到达双波长合波器108后，双波长合波器108将经第一准直器201准直后的第一波长λ1的激光和第二波长λ2的激光合束形成双波长光源。

经双波长合波器108合束形成的双波长光源之后到达DOE(衍射光学分束元件30)分束器2015，其中，DOE将分别第一波长λ1的激光和第二波长λ2的激光分别按设定角度分束形成多束激光输出。示例性地，参考图9，DOE第一波长λ1的激光分束成两束激光，DOE第二波长λ2的激光分束成三束激光。经DOE分束输出的五束激光之间的角度由激光雷达的需求决定，最终五束光经过上述的透射反射镜40、上述的第一反射镜50之后到达上述的光线偏转扫描元件60上，实现对前方目标物体70的扫描。

采用双波长光源发射，接收端增加波长滤波片，可以减小接收端光路的杂散光。而且，双波长分束光路，在保证小体积的同时，减小了相邻光路通道之间的串扰。

示例性地，如图10中(a)所示，上述的DOE包括两个分立区域结构。示例性地，如图10中(b)所示，上述的DOE包括单一区域。上述两种DOE结构都可以实现将上述的双波长光源分束呈多束激光输出。

参考图11，上述的透射反射镜40用于对相应的一束激光进行全部或部分透射。

如图11中(a)所示，分束后的每一束激光到达相应的透射反射镜40后，部分透射，另一部分反射。其中，透射激光会到达相应的第一反射镜50；反射激光会被结构件或者其他结构吸收，防止该部分光变为噪声。示例性地，分束后的每一束激光到达相应的透射反射镜40后，其中50％的激光透射，另外50％的激光反射。但本申请对透射的比例不作限制，激光雷达的需求做相应的设置。

如图11中(b)所示，从目标物体70反射回的激光反射回相应的第一反射镜50，并经第一反射镜50反射到相应的透射反射镜40后，部分透射，另一部分反射。其中，反射激光会到达相应的第二反射镜80；透射激光会被结构件或者其他结构吸收，防止该部分光变为噪声。示例性地，激光经第一反射镜50反射到相应的透射反射镜40后，其中50％的激光透射，另外50％的激光反射。

如图11中(c)所示，透射反射镜40上采用开孔方案，分束后的每一束激光到达相应的透射反射镜40后，全部透射。其中，透射激光会到达相应的第一反射镜50。

如图11中(d)所示，从目标物体70反射回的激光反射回相应的第一反射镜50，并经第一反射镜50反射到相应的透射反射镜40后，部分透射，另一部分反射。其中，反射激光会到达相应的第二反射镜80；透射激光会被结构件或者其他结构吸收，防止该部分光变为噪声。示例性地，激光经第一反射镜50反射到相应的透射反射镜40后，其中50％的激光透射，另外50％的激光反射。

综上，本申请的激光雷达系统通过单一光源和衍射光学分束元件的结合，实现激光的多路输出，提升了激光雷达系统的视场角，实现了激光雷达的小型化，提升了激光雷达的探测距离。

Claims (11)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光源，用于发射一束激光；

准直单元，用于对所述激光源发射的激光进行准直；

衍射光学分束元件，用于将准直后的所述激光按设定角度进行分束，以同时输出多束激光；

与分束后的多束激光一一对应的多个透射反射镜，每一个所述透射反射镜用于对相应的一束激光进行透射形成透射光；

与所述多个透射反射镜一一对应的多个第一反射镜，每一束所述透射光入射到对应的所述第一反射镜，所述多个第一反射镜将各自的透射光同时反射到同一个光线偏转扫描元件；

所述光线偏转扫描元件用于对多束透射光进行偏转反射，以对前方目标物体进行激光扫描；

与所述多个透射反射镜一一对应的多个第二反射镜，从所述目标物体反射回的激光依次反射回所述光线偏转扫描元件、相应的所述第一反射镜和相应的所述透射反射镜，并经相应的所述透射反射镜反射到相应的所述第二反射镜，再经所述第二反射镜反射到探测器，以实现对所述目标物体的探测。

2.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括合束器，从所述目标物体反射回的激光经所述第二反射镜反射到同一个所述合束器，再经所述合束器反射到所述探测器。

3.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述合束器为透镜系统。

4.如权利要求1至3任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述一束激光是通过将不同波长的激光合束形成的双波长光源。

5.如权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，

所述激光源包括：

第一激光器，用于发射第一波长的激光；

第二激光器，用于发射第二波长的激光；

所述准直单元包括：

第一准直器，用于对所述第一激光器发射的第一波长的激光进行准直；

第二准直器，用于对所述第二激光器发射的第二波长的激光进行准直；

还包括，双波长合波器和第三反射镜；

所述第三反射镜用于将经所述第二准直器准直后的第二波长的激光反射到所述双波长合波器；

所述双波长合波器用于将经所述第一准直器准直后的第一波长的激光和第二波长的激光合束形成所述双波长光源。

6.如权利要求4或5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述双波长光源由905nm波长和940nm波长的激光合束形成。

7.如权利要求1至6任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光线偏转扫描元件为MEMS转镜。

8.如权利要求1至7任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述透射反射镜用于对相应的一束激光进行全部或部分透射。

9.如权利要求1至8任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述多束激光包括五束激光。

10.如权利要求1至9任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述探测器为面阵列探测器或多个点探测器。

11.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的激光雷达系统。

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