CN118091607A - 一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光雷达辅材技术领域，解决了现有技术中将激光雷达芯片竖直放置所导致的激光雷达整机厚度增加、散热性能降低以及因内部空间布局受限而导致的激光雷达体积增大的问题，公开了一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，包括用于对发出的激光进行准直的收发光学镜头，所述收发光学镜头的一端设置有倾斜放置的第一平面反射镜，所述第一平面反射镜的上方设置有可自由摆动的第二平面反射镜，采用该装置能够提高激光雷达结构的紧凑度，降低激光雷达整机厚度，光芯片的驱动板则可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，更加有利于光芯片的散热。

Description

一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置

技术领域

本申请涉及激光雷达辅材技术领域，尤其是一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置。

背景技术

激光雷达是一种能主动发射激光信号去获取目标物距离、速度、位置等信息的器件，其原理一般是器件首先发射出信号光，信号光经目标物反射回来后被器件所接收，通过处理发射光和接收光信号，比较两个信号之间的时间、相位等信息，即可获得目标物的距离、速度、位置等信息。

激光雷达按其测试原理可分为飞行时间激光雷达、调频连续波激光雷达(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)等，其中FMCW激光雷达由于其独特的测距原理，在接收端通过发射光与接收光进行平衡探测的方式，可以有效地减少外界环境光对激光雷达性能的干扰，提升激光雷达测距性能。同时，除了提供传统的目标物位置、距离信息外，FMCW激光雷达还能提供目标物的速度信息，因此，FMCW激光雷达是公认的下一代激光雷达主流技术。

FMCW激光雷达的一种典型系统是采用光芯片进行收发光信号，即光信号在光芯片内通过光通道出射，光信号经目标物反射后被器件接收又沿光通道进入到光芯片中，发射光与接收光在光芯片中进行平衡探测，这样即可实现激光雷达的发射端与接收端结合，使雷达整机结构集成度更高。

为获得探测空间的目标物信息，激光雷达一般还搭配了转镜、振镜等扫描部件，其中转镜负责光束在水平方向x的扫描，振镜负责在竖直方向y的扫描，同时激光雷达一般水平视场范围(通常120°)要远大于垂直视场范围(通常25°)。

如图2所示，转镜10的形状一般是正方体或多面体，在xy平面内绕z轴旋转，其面一11及其对面不是反射面，面二12、面三13及其对面是反射面，转镜10连续旋转过程中光束经转镜反射面反射后即可实现光束在水平方向的大视场扫描。

振镜一般是一个形状不定的如长方形、圆形、椭圆形的反射平面，其旋转轴位于xy平面内，绕旋转轴往返阶跃性摆动，摆动过程中光束经振镜反射面反射后即可实现光束在竖直方向的小视场扫描。

图3为FMCW激光雷达的一种光芯片结构示意图，其中21为光芯片的驱动板，具有给光芯片供电、散热的功能，22为光芯片，23为出光通孔，24为发出的激光光信号的第三出射光束，其中芯片4个出光通孔数量只做举例说明，并不代表实际芯片通孔数量。在空间中，激光信号沿y方向出射，x方向为空间中的水平方向，z方向为空间中的竖直方向。

在光芯片搭配转镜、振镜使用过程中，如果芯片沿水平方向放置，四个通道的出光光束也沿水平方向排布，经转镜反射后会出现4个通道扫描光束重合的情况，为避免该情况的发生，只能将芯片如图4所示沿竖直方向放置。

而相较于水平放置方式，竖直方向放置方式则存在以下缺陷：

1.整机厚度增加，芯片沿竖直方向放置时其驱动板也要相应的沿竖直方向放置，此时增加了激光雷达整机的厚度，而在车载等应用场景中激光雷达的厚度很受限，如果水平放置，有利于优化整机厚度；

2.散热性能变差，芯片沿竖直方向放置时，其驱动板背面是悬空的，不利于散热，如果水平放置，驱动板则可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，该方式有助于光芯片的散热；

3、由于转镜和振镜的关系，往往使得设备内部不能做到很紧凑，使得设备体积受限。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术中需要发出沿竖直方向排列的激光光束时需要将激光雷达芯片竖直放置所导致的激光雷达整机厚度增加、散热性能降低以及因内部空间布局受限而导致的激光雷达体积增大的问题，提供一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置。

第一方面，提供了一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，包括用于对发出的激光进行准直的收发光学镜头，所述收发光学镜头的一端设置有倾斜放置的第一平面反射镜，所述第一平面反射镜的上方设置有可自由摆动的第二平面反射镜。

在一些可能的实现方式中，所述收发光学镜头的光轴与激光雷达光芯片所发出的激光平行。

在一些可能的实现方式中，所述第一平面反射镜与水平面的夹角为45°。

在一些可能的实现方式中，还包括壳体，所述第一平面反射镜和收发光学镜头均固定在壳体底部，所述第二平面反射镜设置于壳体内，所述壳体一侧预留有入光通道，所述收发光线镜头远离第一平面反射镜的一端朝向入光通道，所述壳体的一面预留有出光通道，所述第二平面反射镜的镜面朝向出光通道。

在一些可能的实现方式中，所述第二平面反射镜连接有驱动第二平面反射镜往复摆动的扫描电机，所述扫描电机固定在所述壳体的一侧。

在一些可能的实现方式中，所述扫描电机的转轴与收发光学镜头的光轴平行，且所述扫描电机的转轴延长线经过所述第二平面反射镜的中心点。

在一些可能的实现方式中，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜均为矩形，所述收发光学镜头为圆形，所述第一平面反射镜的水平边b大于或等于收发光学镜头的直径D，所述第一平面反射镜的倾斜边a大于或等于√2倍的收发光学镜头的直径D。

在一些可能的实现方式中，所述第二平面反射镜的水平边d大于或等于收发光学镜头的直径D，所述第二平面反射镜的倾斜边c满足以下条件：

c≥D/sin(45°-θ/4)

其中，D为收发光学镜头的直径，θ为需要控制激光的垂向角度。

在一些可能的实现方式中，所述收发光学镜头包括第一外壳，以及设置在第一外壳内沿远离第一平面反射镜的一端向靠近第一平面反射镜的一端依次设置的第一凹透镜、第二凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜。

在一些可能的实现方式中，所述收发光学镜头包括第二外壳，以及设置在第二外壳内沿远离第一平面反射镜的一端向靠近第一平面反射镜的一端依次设置的第五凸透镜、第三凹透镜和第六凸透镜。

本申请具有如下有益效果：本申请能够将多通道水平排布的光束转换成沿竖直方向排布的光束，从而能够保持光芯片沿水平方向放置不变，相对于光芯片竖向放置能够提高激光雷达结构的紧凑度，降低激光雷达整机厚度，光芯片的驱动板则可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，更加有利于光芯片的散热。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用于来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的结构示意图；

图2是转镜的结构示意图；

图3是光芯片结构水平放置的结构示意图；

图4是光芯片结构竖直放置的结构示意图；

图5是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置具有壳体的透视图；

图6是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的收发光学镜头、第一平面反射镜和第二平面反射镜的摆放位置示意图；

图7是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的光束垂向控制示意图；

图8是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的收发光学镜头、第一平面反射镜和第二平面反射镜的尺寸示意图；

图9是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的中需要控制激光的垂向角度FOV的示意图；

图10是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置的第二平面反射镜的第二倾斜边的尺寸示意图；

图11是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置中壳体的结构示意图；

图12是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置与光芯片结构和转镜的整体工作示意图；

图13是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置中收发光学镜头的结构示意图一；

图14是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置中收发光学镜头的结构示意图二。

附图标记：

10、转镜；11、面一；12、面二；13、面三；20、光芯片结构；21、驱动板；22、光芯片；23、出光通孔；24、第三出射光束；30、收发光学镜头；40、第一平面反射镜；50、第二平面反射镜；51、扫描电机；60、壳体；61、入光通道；62、出光通道；70、第一外壳；71、第一凹透镜；72、第二凹透镜；73、第一凸透镜；74、第二凸透镜；75、第三凸透镜；76、第四凸透镜；80、第二外壳；81、第五凸透镜；82、第三凹透镜；83、第六凸透镜；90、第一倾斜边；91、第一水平边；92、第二倾斜边；93、第二水平边；94、入射光束；95、第一出射光束；96、第二出射光束；97、旋转轴线；98、虚线箭头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本申请实施例所涉及的一种用于激光雷达光芯片22的出光转向和垂向控制的装置，如图1所示，从左往右依次为收发光学镜头30、第一平面反射镜40，第一平面反射镜40的上方为第二平面反射镜50，其中，收发光学镜头30的光轴与激光雷达光芯片22所发出的激光平行。

如图5和图6所示，收发光学镜头30的光轴沿x轴方向；第一平面反射镜40的第一水平边91沿y方向，第一平面反射镜40的第一倾斜边90与x、z正方向均成45°夹角；第二平面反射镜50的第二水平边93沿x方向，第二平面反射镜50的第二倾斜边92与反射面与yz平面成45°夹角；图6中虚线箭头98为反射镜面法线方向即镜面朝向。

如图1所示，为光芯片结构20的出光光束在转向和垂向控制的结构内的转向示意图，图1中入射光束94为光芯片结构20两个出光通孔23的出光光束，入射光束94沿x轴正方向进入本实施例的收发光学镜头30后，首先经收发光学镜头30对入射光束94进行准直，之后两束光束平行射入第一平面反射镜40，之后光束方向发生转折沿z方向被反射至第二平面反射镜50，经第二平面反射镜50反射后沿y轴方向出射，可以看出此时出光光束由水平方向分布变为竖直方向分布，其中，此时第二平面反射镜50与水平面的夹角为45°。

如图7所示，为光束垂向控制示意图，第二平面反射镜50沿旋转轴线97顺时针和逆时针交替运动时，垂向出射的两束光的出射角度就会随着振镜的反射镜远动而改变如图7中的第一出射光束95和第二出射光束96。

如图8所示，为收发光学镜头30、第一平面反射镜40和第二平面反射镜50的尺寸示意图，其最小尺寸由收发光学镜头30的直径D和需要控制的垂向角度FOV决定，第一平面反射镜40和第二平面反射镜50需要保证能覆盖镜头投影。第一平面反射镜40的第一水平边91的最小尺寸为D，第一平面反射镜40的第一倾斜边90的最小尺寸为√2D。第二平面反射镜50的第二水平边93的最小尺寸为D，第二平面反射镜50的第二倾斜边92的最小尺寸为c0：如图9所示，c为第二平面镜的长边，c处于45°的初始状态，n1为c初始状态时的法线，l为入射光且L垂直向上射入第二平面反射镜50，f为出射光；需要控制的垂向角度FOV＝θ，即入射光垂直向上时控制第二平面反射镜50往复摆动过程中出射光扫过的最大角度为θ，当c逆时针转θ/4时，处于c0位置，这时出射光从f处向上偏转θ/2，即出射光f0处；c顺时针转θ/4时，处于c1位置，这时光线从f处向下偏转θ/2，即出射光f1处；由于求c边不漏光所需要的最小长度(即这里的最大值)，所以只要求逆时针方向转θ/4角度时，c边的长就行，即c0的长，根据三角形外角等于不相邻的两个内角和，如图10所示，n1为处于c位置的第二平面反射镜的法线，n2为处于c0位置的第二平面反射镜的法线，可得到：

c0＝D/sin(45°-θ/4)

其中，D为收发光学镜头30的直径，θ为需要控制激光的垂向角度。

如图5、图11和图12所示，还包括壳体60，所述第一平面反射镜40和收发光学镜头30均固定在壳体60底部，所述第二平面反射镜50设置于壳体60内，所述壳体60一侧预留有入光通道61，所述收发光线镜头远离第一平面反射镜40的一端朝向入光通道61，所述壳体60的一面预留有出光通道62，所述第二平面反射镜50的镜面朝向出光通道62，如图12所示，光芯片机构20发出的光束穿过入光通道61进入收发光线镜头30，经过收发光学镜头30准直后射在第一平面反射镜40的反射面，随后光束被反射至第二平面反射镜50的反射面经出光通道62射出壳体60，射出壳体60的光束沿竖直方向排列且入射到转镜10的反射面，由转镜10进行水平方向的角度控制，通过控制第二平面反射镜50的角度可以实现对出射光束的垂向角度调节，第二平面反射镜50起到了振镜的作用，从而在采用本实施例中的出光转向和垂向控制的装置后无需额外的振镜。

如图7所示，为了驱动第二平面反射镜50进行往复的摆动，第二平面反射镜50连接有驱动第二平面反射镜50往复摆动的扫描电机51，所述扫描电机51固定在所述壳体60的一侧，优选的，扫描电机51的转轴与收发光学镜头30的光轴平行，且所述扫描电机51的转轴延长线经过所述第二平面反射镜50的中心点，有利于第二平面反射镜50转动平衡。

需要说明的是，一般收发光学镜头30用复式透镜，由凸透镜和凹透镜组合而成；凸透镜有汇聚光线的作用，凹透镜有散发光线的作用。一般收发光学镜头30的镜面通常是呈球面状的，这种透镜叫球面透镜。而非球面透镜的侧面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化，采用非球面透镜能有效的克服“球差”。

在一种可能的实施例中，如图13所示，收发光学镜头30包括第一外壳70，以及设置在第一外壳70内沿远离第一平面反射镜40的一端向靠近第一平面反射镜40的一端依次设置的第一凹透镜71、第二凹透镜72、第一凸透镜73、第二凸透镜74、第三凸透镜75和第四凸透镜76，主要针对于无穷远带一定视场角的目标物进行测试，可以看到多个出光点经镜头准直出射，根据物像关系，不同发光点可以照射至不同视场处，故这两种镜头相对于镜头一可以用在带一定视场角目标物的测试。

在上述实施例中的收发光学镜头30中镜片数量较多有6片，这无疑增加了收发光学镜头30的生成成本和组装难度，如图14所示，为了降低收发光学镜头30的生成成本和组装难度，将镜片数量缩减至三片，具体的，收发光学镜头30包括第二外壳80，以及设置在第二外壳80内沿远离第一平面反射镜40的一端向靠近第一平面反射镜40的一端依次设置的第五凸透镜81、第三凹透镜82和第六凸透镜83。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式；但本申请的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，包括用于对发出的激光进行准直的收发光学镜头，所述收发光学镜头的一端设置有倾斜放置的第一平面反射镜，所述第一平面反射镜的上方设置有可自由摆动的第二平面反射镜。

2.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述收发光学镜头的光轴与激光雷达光芯片所发出的激光平行。

3.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述第一平面反射镜与水平面的夹角为45°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，还包括壳体，所述第一平面反射镜和收发光学镜头均固定在壳体底部，所述第二平面反射镜设置于壳体内，所述壳体一侧预留有入光通道，所述收发光线镜头远离第一平面反射镜的一端朝向入光通道，所述壳体的一面预留有出光通道。

5.根据权利要求4所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述第二平面反射镜连接有驱动第二平面反射镜往复摆动的扫描电机，所述扫描电机固定在所述壳体的一侧。

6.根据权利要求5所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述扫描电机的转轴与收发光学镜头的光轴平行，且所述扫描电机的转轴延长线经过所述第二平面反射镜的中心点。

7.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜均为矩形，所述收发光学镜头为圆形，所述第一平面反射镜的水平边b大于或等于收发光学镜头的直径D，所述第一平面反射镜的倾斜边a大于或等于√2倍的收发光学镜头的直径D。

8.根据权利要求7所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述第二平面反射镜的水平边d大于或等于收发光学镜头的直径D，所述第二平面反射镜的倾斜边c满足以下条件：

c≥D/sin(45°-θ/4)

其中，D为收发光学镜头的直径，θ为需要控制激光的垂向角度。

9.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述收发光学镜头包括第一外壳，以及设置在第一外壳内沿远离第一平面反射镜的一端向靠近第一平面反射镜的一端依次设置的第一凹透镜、第二凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜。

10.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向和垂向控制的装置，其特征在于，所述收发光学镜头包括第二外壳，以及设置在第二外壳内沿远离第一平面反射镜的一端向靠近第一平面反射镜的一端依次设置的第五凸透镜、第三凹透镜和第六凸透镜。