CN116256729A - 扩散单元、发射系统、激光雷达及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达的技术领域，具体提供一种扩散单元、发射系统、激光雷达及车辆，旨在解决现有扩散单元难以将单束激光转变为面阵激光的问题。为此目的，本发明的扩散单元包括透镜，透镜包括互相相对的入射面和出射面，出射面的基面为曲面，出射面包括多个出射平面，出射平面为平面，任意两个出射平面之间的夹角大于0°且小于180°。单束光从透镜的入射面射入，并从出射面上的多个出射平面射出，从每个出射平面射出的光汇聚呈一束激光束，从一个透镜的多个出射平面射出的多束光束扩散形成面阵光。

Description

扩散单元、发射系统、激光雷达及车辆

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，具体提供一种扩散单元、发射系统、激光雷达及车辆。

背景技术

激光雷达是实现自动驾驶的关键部件，激光雷达能够测绘车身周边的物体，以形成高精度的3D地图，车辆依据激光雷达测绘形成的地图进行自动驾驶。激光雷达包括发射系统和接收系统，发射系统能够向指定方向发射面阵激光，激光遇到障碍物后会反射，被接收系统接收。通过测定发射系统与目标物体之间的传播距离，分析物体表面的反射能量大小、反射波普的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

激光雷达根据发射系统的不同而分为三种类型，分别为机械式激光雷达、半固态激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达能够实现360°扫描，半固态激光雷达和固态激光雷达能够实现一定角度的扫描。半固态激光雷达和固态激光雷达的扫描角度越大，成像的范围越大，因此在半固态激光雷达和固态激光雷达的发射系统中包括扩散单元，扩散单元能够扩大激光的发射角度，以提升扫描的角度。

以半固态激光雷达为例，半固态激光雷达的发射系统包括多个激光发射器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微振镜和扩散单元，MEMS能够驱动微振镜进行高速的摆动，每束激光发射器对应一个MEMS微振镜，每束激光束照射至微振镜后，经过微振镜的反射形成线阵激光，线阵激光经扩散单元后能够扩大线阵激光的发散角度。激光发射器、MEMS微振镜和扩散单元产生的线阵激光阵列组合后，能够形成面阵激光。

目前常用的扩散单元包括一组或一组以上的透镜组，每组透镜组包括沿激光发射方向依次设置的凸透镜和凹透镜，凹透镜朝向凸透镜的一侧面为凹面，凹透镜远离凸透镜的一侧面为平面。射向凸透镜的激光经凸透镜后转变为平行光，再经过凹透镜后转变为扩散光，以更大的广角向外扩散。该种扩散单元的不足之处在于，难以直接将单束激光转变为面阵激光。

因此，目前亟需一种扩散单元、发射系统、激光雷达及车辆，以解决现有扩散单元难以将单束激光转变为面阵激光的问题。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，即，解决现有扩散单元难以将单束激光转变为面阵激光的问题。

在第一方面，本发明提供一种扩散单元，该扩散单元包括透镜，透镜包括入射面和出射面，出射面的基面为曲面，出射面包括多个基于基面设置的出射平面，任意两个出射平面之间的夹角大于0°且小于180°；当光束自入射面射入时，光束经透镜的折射从出射平面射出，以形成扩散的面阵光。

在上述扩散单元的具体实施方式中，入射面为平面，基面为凸面；或者，入射面和基面均为凸面。

在上述扩散单元的具体实施方式中，入射面为平面，基面为凹面；或者，入射面和基面均为凹面。

在上述扩散单元的具体实施方式中，所有出射平面的面积均相同；并且/或者，任意相邻两个出射平面之间的间距相同。

在上述扩散单元的具体实施方式中，出射面在中心截面上的基线为双曲线的一支，基面为基线绕主光轴旋转获得，且任意一个出射平面与基面对应的外切平面平行。

在上述扩散单元的具体实施方式中，出射平面的边缘设置有遮光件。

在上述扩散单元的具体实施方式中，其包括第一透镜和多个第二透镜，第一透镜和第二透镜均与透镜的结构相同，第一透镜的多个出射平面与多个第二透镜一一对应设置；当光束从第一透镜的入射面射入时，光束经第一透镜的出射平面折射出的光能够射入第二透镜，之后经第二透镜折射射出。

在第二方面，本发明提供了一种发射系统，该发射系统包括上述的扩散单元和激光发射器，激光发射器能够发出平行激光，激光从入射面射入透镜后转变为扩散光。

在上述发射系统的具体实施方式中，发射系统还包括转动器，激光发射器和扩散单元均安装于转动器。

在第三方面，本发明提供了一种激光雷达，该激光雷达包括上述的发射系统。

在第四方面，本发明提供了一种车辆，该车辆包括上述的激光雷达。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的扩散单元包括透镜，透镜包括入射面和出射面，出射面的基面为曲面，出射面包括多个基于基面设置的出射平面，任意两个出射平面之间的夹角大于0°且小于180°；单束光从透镜的入射面射入，并从出射面上的多个出射平面射出，从每个出射平面射出的光汇聚呈一束光束，从一个透镜的多个出射平面射出的多束光束扩散形成面阵光。

更进一步，出射平面的边缘处设置有遮光件，遮光件能够对出射平面的边缘处进行遮挡，避免激光在出射平面的边缘处发生无序散射，以提升激光雷达测绘结果的准确性。

更进一步，扩散单元包括第一透镜和多个第二透镜，第一透镜的多个出射平面与多个第二透镜一一对应设置；当光束从第一透镜的入射面射入时，光束经第一透镜的出射平面折射出的光能够射入第二透镜，之后经第二透镜折射射出。当光束射向第一透镜的入射面时，光束经过第一透镜扩散后从第一透镜的出射面射出多束一次光束，每束一次光束均射向一个第二透镜的入射面，一次光束经过第二透镜扩散后从第二透镜的出射面射出多束二次光束，经过每个第二透镜扩散后射出的多束二次光束能够形成面阵光，多个第二透镜扩散后形成的面阵光组合后能够形成一个面积更大的面阵光，以提升光束的扩散范围。

附图说明

下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明实施例一提供的透镜的主视图；

图2是本发明实施例二提供的透镜的左视图

图3是图2中的A-A向剖视图；

图4是图3中的局部B处放大图；

图5是图2中的局部C处放大图；

图6是经本发明实施例一提供的透镜扩散后形成面阵激光的示意图；

图7是激光经本发明实施例一提供的一种扩散单元后所形成的光路图；

图8是激光经本发明实施例一提供的另一种扩散单元后所形成的光路图；

图9是本发明实施例二提供的透镜的主视图。

附图标记说明：

1、透镜；11、入射面；12、出射面；121、出射平面；13、主光轴；2、遮光件；14、第一透镜；15、第二透镜。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。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。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

为解决现有扩散单元难以将单束激光转变为面阵激光的问题，本发明实施例提供了一种车辆。车辆安装有激光雷达，激光雷达能够测绘车辆周边的物体，以形成高精度的3D地图，车辆依据激光雷达测绘形成的地图进行自动驾驶。激光雷达包括发射系统和接收系统，发射系统能够向指定方向发射面阵激光，激光遇到障碍物后会发生反射，被接收系统接收。接收系统接收到反射的激光后，通过激光的飞行时间计算发射系统与目标物体之间的传播距离，并且接收系统还能够通过检测反射激光的能量大小以及波普的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。发射系统至少包括激光发射器和扩散单元，激光发射器发出的激光为平行激光，激光直接、经过反射后间接地或经过折射后间接地射入扩散单元，激光经过扩散单元后增大射出的范围。

如图1和图2所示，扩散单元包括透镜1，透镜1的折射率大于透镜1周边介质的折射率，且透镜1能够将射入的平行光转变为扩散光。一般情况下，透镜1位于空气中，透镜1的折射率大于1即可。透镜1将射入的平行光转变为扩散光的具体方式为：透镜1将射入的平行光转变为会聚光射出，会聚光会聚后再扩散成扩散光。

透镜1包括相对的入射面11和出射面12，出射面12具有基面，出射面12基于基面加工而成。基面为凸弧曲面，入射面11为平面，激光从入射面11射入且从出射面12射出。若激光从入射面11垂直入射，激光进入透镜1内后方向不变，仍为平行光。

关于入射面11和出射面12的形状，需要说明的是，尽管本实施例中入射面11为平面且出射面12的基面为外凸的曲面，但这不是对本发明的限定，在不偏离本发明原理的前提下，在其他实施方式中，本领域技术人员也可以将入射面11设置为凸面，且将出射面12的基面也设置为凸面，以此将射入入射面11的平行光转变为从出射面12射出的会聚光，会聚光会聚后再扩散成扩散光。

出射面12包括多个出射平面121，出射平面121在出射面12的基面上通过去除材料的手段加工而成，任意两个出射平面121的夹角大于0°且小于180°。进入透镜1的激光从出射面12射出的过程中，从同一出射平面121射出的激光发射方向大致相同，能够形成单束激光，从每个出射平面121射出的单束激光先会聚再扩散，以形成面阵激光。每个出射平面121都是一个独立的出光点。设置出射平面121的目的是为了集中一部分激光以形成单束平行激光，以免激光太过分散而导致能量太弱。若激光能量强度不足，则发出的激光经过反射后难以被激光雷达的接收系统识别和分析。任意两个出射平面121的夹角设置为大于0°且小于180°的目的是：使从每个出射平面121射出的单束激光的发射方向均不相同，以免任意两束激光落在同一扫描目标点上。若任意两束激光落在同一扫描点，落到该扫描点处的激光能量增强，从该扫描点处反射的激光的能量也相应增强，会干扰激光雷达的分析结果。

值得说明的是，如图3所示，透镜1为平凸透镜且激光从入射面11垂直入射时，进入透镜1后激光的发射方向不变，射向每个出射平面121的激光均为平行光，从每个出射平面121射出的激光的方向完全相同，为平行光束。

所有出射平面121的面积相同，从入射面11射向每个出射平面121的激光的能量大致相同，使得从每个出射平面121射出的激光束的能量也大致相同。面阵激光中的每束激光束的能量越接近，激光遇到同一障碍物后反射的激光的能量也越近，反射的激光被接收系统接收后进行分析所获得的结果也更加准确。当然，在其他实施方式中，也可以采用其他方式使从每个出射平面121射出的激光束的能量大致相同，本发明对此不作具体限定，均应包含在本发明的保护范围内。

出射面12在中心截面的基线设计为双曲线的一支，出射面12为该基线绕主光轴13旋转获得的曲面。中心截面垂直于入射面11，主光轴13垂直于入射面11且过入射面11的中心点，主光轴13位于中心截面内。每个出射平面121均与基面不同的外切平面平行。激光从入射面11垂直入射，从每个出射平面121射出的激光束能够会聚于平凸透镜的焦点处，之后再扩散，使面阵激光中各个激光束的分布更加有序。在不违背本发明原理的前提下，在其他实施方式中，本领域技术人员还可以将出射面12设置为其他类型的凸面，只要能够保证从每个出射平面121出射的激光束先会聚再扩散后能够获得有序的面阵激光即可。

结合图4所示，相邻出射平面121之间的间距为m，相邻出射平面121之间的间距为两个相邻出射平面121中心点之间的间距，也为一个出射平面121一边与相邻出射平面121对应的一边之间的间距。任意两个相邻出射平面121之间的间距相同，从任意两个相邻出射平面121射出的激光束扩散后的间距相等，以此提升面阵激光中各个激光束分布的均匀性。

设面β为出射面12的基面，透镜1的折射率为K，激光射向出射平面121的入射角为θ，出射角为α，则sinα/sinθ＝K。

另外，如图5所示，在出射平面121的边缘处，尤其在两个相邻的出射平面121之间的交界处设置有遮光件2。两个相邻的出射平面121的交界处为光学瞬变线，受加工精度的影响，该交界处会存在破损等瑕疵，照射至该交界处的激光会发生无序散射。无序散射发出的激光彼此之间干涉，可能会在非扫描点处加强，产生干扰点，影响激光雷达的测绘结果。无序散射发出的激光也可能在某个点与从出射平面121射出的激光束叠加，改变从该点反射的激光的能量，从而影响激光雷达的测绘结果。遮光件2能够对出射平面121的边缘处进行遮挡，避免激光在出射平面121的边缘处，尤其在两个相邻的出射平面121之间的交界处，发生无序散射，以提升激光雷达测绘结果的准确性。

如图6所示，激光经过透镜后在平面上投射的光斑间距为n。再结合图7所示，透镜1的焦距为D，从出射面12射出的激光投射在垂直于主光轴13且与透镜1焦点距离为S的平面上，则n＝mS/D。投射的光斑间距n越小，激光雷达的扫描精度越高。通过减小两个相邻出射平面121之间的间距m，或增加焦距D，能够提高投射的光斑间距n，以提升雷达的扫描精度。减小两个相邻出射平面121之间的间距m需要提高制造工艺。增加焦距D，会使激光经过扩散单元后的投射范围缩小，即激光雷达的视角缩小，此时可以通过增加扩散单元和激光发射器的使用数量来提升激光雷达的视角。

在其他实施方式中，如图8所示，扩散单元包括第一透镜14和多个第二透镜15，第一透镜14和第二透镜15均与上述的透镜1结构相同，第一透镜14的多个出射平面121与多个第二透镜15一一对应设置，且第二透镜15的入射面11朝向第一透镜14的出射面12。激光发射器发射的激光射向第一透镜14的入射面11，经过第一透镜14扩散后从第一透镜14的出射面12射出多束一次激光，每束一次激光均射向一个第二透镜15的入射面11，一次激光经过第二透镜15扩散后从第二透镜15的出射面12射出多束二次激光，经过每个第二透镜15扩散后射出的多束二次激光能够形成面阵激光，多个第二透镜15扩散后形成的面阵激光组合后能够形成一个面积更大的面阵激光，以提升激光的扩散范围。

发射系统包括激光发射器和扩散单元，激光发射器发出的激光从透镜1的入射面11射入，并从出射面12上的多个出射平面121射出，从每个出射平面121射出的激光汇聚呈一束激光束，从一个透镜1的多个出射平面121射出的多束激光束先会聚再扩散，组合形成面阵激光。发射系统包括多组激光发射器和扩散单元时，多组激光发射器和扩散单元按序排列，单组内的激光发射器向该组内的扩散单元射入激光，射向每个扩散单元的激光经过扩散单元扩散后均能够形成一个面阵激光，从多个扩散单元射出的面阵激光组合后能够形成面积更大的面阵激光，以扩大扫描范围。

该发射系统可以固定设置，应用于固态激光雷达。应用该发射系统的固态激光雷达不易出现故障，具有结构稳定、可靠性高的优点。

在其他实施方式中，该发射系统还包括转动器，激光发射器和扩散单元均安装于转动器，转动器带动激光发射器和扩散单元进行转动或摆动时，能够扩大扩散单元射出的面阵激光的扫描范围。扩散单元能够将单束激光扩散成具有多个出光点的面阵激光。在扫描频率相同的前提下，相比于传统的机械式激光雷达，若转动器的转速相同，由于激光经过扩散单元所形成的面阵激光的出光点数量较多，转动器旋转后，激光雷达能够获得更多的扫描点和更大的扫描范围，扫描精度更高；另外，若激光雷达具有相同扫描点数，由于激光经过扩散单元所形成的面阵激光的出光点数量较多，本实施例中的转动器能够以更低的速度转动，使得转动器的寿命提升。

关于本发明所提供的扩散单元，需要说明的是，尽管本实施方式中应用于激光雷达，在不偏离发明原理的前提下，本领域技术人员还可以将其应用于其他光学领域内。

实施例二

与实施例一的区别之处在于，透镜1能够将射入的平行光直接转变为扩散光射出。

具体的，如图9所示，入射面11为平面，出射面12的基面为凹弧曲面。出射面12仍包括多个出射平面121，出射平面121的设置方式与实施例一相同。

激光从入射面11垂直入射，并冲出射面12上的多个出射平面121射出，从每个出射平面121射出的激光汇聚呈一束激光束，从一个透镜1的多个出射平面121射出的多束激光束直接向外扩散，组合形成面阵激光。

关于入射面11和出射面12的形状，需要说明的是，尽管本实施例中入射面11为平面且出射面12的基面为内凹的曲面，但这不是对本发明的限定，在不偏离本发明原理的前提下，在其他实施方式中，本领域技术人员也可以将入射面11设置为内凹的曲面且出射面12的基面也为内凹的曲面，激光从入射面11入射，从出射面12出射，同样能够将一束激光束转变为面阵激光扩散射出。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扩散单元，包括透镜(1)，所述透镜(1)包括入射面(11)和出射面(12)，所述出射面(12)的基面为曲面，其特征在于：

所述出射面(12)包括多个基于所述基面设置的出射平面(121)，任意两个出射平面(121)之间的夹角大于0°且小于180°；

当光束自所述入射面(11)射入时，所述光束经所述透镜(1)的折射从多个所述出射平面(121)射出，以形成扩散的面阵光。

2.根据权利要求1所述的扩散单元，其特征在于，所述入射面(11)为平面，所述基面为凸面；或

所述入射面(11)和所述基面均为凸面。

3.根据权利要求1所述的扩散单元，其特征在于，所述入射面(11)为平面，所述基面为凹面；或

所述入射面(11)和所述基面均为凹面。

4.根据权利要求1所述的扩散单元，其特征在于，所有所述出射平面(121)的面积均相同；并且/或者

任意相邻两个所述出射平面(121)之间的间距相同。

5.根据权利要求1所述的扩散单元，其特征在于，所述透镜(1)具有主光轴(13)，所述出射面(12)在中心截面上的基线为双曲线的一支，所述基面为所述基线绕所述主光轴(13)旋转获得，且任意一个所述出射平面(121)与所述基面对应的外切平面平行。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的扩散单元，其特征在于，所述出射平面(121)的边缘设置有遮光件(2)。

7.根据权利要求1所述的扩散单元，其特征在于，包括第一透镜(14)和多个第二透镜(15)，所述第一透镜(14)和所述第二透镜(15)均与所述透镜(1)的结构相同，所述第一透镜(14)的多个所述出射平面(121)与多个所述第二透镜(15)一一对应设置；

当光束从所述第一透镜(14)的所述入射面(11)射入时，所述光束经所述第一透镜(14)的所述出射平面(121)折射出的光能够射入所述第二透镜(15)，之后经所述第二透镜(15)折射射出。

8.一种发射系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至7中任意一项所述的扩散单元；

激光发射器，其能够发出平行的激光，所述激光从所述入射面(11)射入所述透镜(1)后转变为扩散光。

9.根据权利要求8所述的发射系统，其特征在于，所述发射系统还包括转动器，所述激光发射器和所述扩散单元均安装于所述转动器。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的发射系统。

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