CN208188336U - 一种激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光雷达系统。该激光雷达系统包括：激光扫描部件和旋转部件；上述激光扫描部件包含发射组件、发射透镜、接收透镜和接收组件。其中，上述发射组件包含多个激光发射器和第一光纤阵列，上述接收组件包含多个接收器和第二光纤阵列。本实用新型提供的上述激光雷达系统，通过将光纤阵列作为发射组件的激光发射端和接收组件的反射光入射端，可减小激光雷达的体积，降低生产和调校成本。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光探测和测距技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统。

背景技术

激光探测和测距(Light Detection And Ranging，LiDAR)系统通常被称为激光雷达系统。激光雷达的基本工作原理是激光发射器发射激光到目标物体，接收器接收目标物体的发射光，激光雷达根据激光测距原理计算从激光雷达到目标物体的距离。其中，一个激光发射器和一个接收器组成一个激光测距通道。当激光对目标物体不断地扫描，可获得该目标物体上全部目标点的数据，对该数据进行成像处理后可得到该目标物体的三维立体图像。

常见的三维激光雷达是机械旋转式激光雷达，其包含多对激光发射器和接收器，每对激光发射器和接收器朝向不同的空间角度位置，形成扇面覆盖，然后用单轴旋转机构，驱动上述多对激光发射器和接收器整体旋转，实现三维激光扫描。

由于上述机械旋转式激光雷达的激光发射器和接收器的数量多、尺寸大，因此相邻激光测距通道间存在较大的物理间距，从而导致整个激光雷达的尺寸较大、角分辨率较低。同时，由于每个激光测距通道的激光发射器和接收器都需要进行精确校准，以保证对焦准确、发射和接收光轴精确平行，且需要保证相邻激光测距通道之间微小而精确的角度间隔，使得这类激光雷达组装和调校的工作量大、生产效率低，从而导致很高的生产成本。另外，当各激光测距通道的调校工作完成后，需要将所有激光发射器和接收器胶合固定，因此，一旦出现某个或某几个激光测距通道损坏时，需要对所有激光测距通道重新进行组装和调校，维修成本极大。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供一种激光雷达系统，包含：激光扫描部件和旋转部件，上述旋转部件用于旋转上述激光扫描部件；上述激光扫描部件包含：发射组件、发射透镜、接收组件和接收透镜。进一步地，上述发射组件包含多个激光发射器和第一光纤阵列，上述多个激光发射器与多条光纤一一对应，其中每个激光发射器发射的激光进入对应的光纤，上述多个激光发射器对应的多条光纤与上述第一光纤阵列连接；上述发射透镜用于将来自上述第一光纤阵列的激光准直后发射；上述接收组件包含多个接收器和第二光纤阵列，上述多个接收器与多条光纤一一对应，其中每个接收器接收对应光纤传导的反射光，上述多个接收器对应的多条光纤与上述第二光纤阵列连接；上述接收透镜用于接收上述激光的反射光，并将该反射光汇聚到上述第二光纤阵列。

可选地，上述发射组件还包含第一多芯光纤连接器，用于将上述多个激光发射器对应的多条光纤连接到上述第一光纤阵列；上述接收组件还包含第二多芯光纤连接器，用于将上述多个接收器对应的多条光纤连接到上述第二光纤阵列。

进一步地，上述发射组件还包含多个光束整形器，上述多个光束整形器与上述多个激光发射器一一对应，上述光束整形器用于将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。可选地，上述光束整形器可以是双柱面透镜，该双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交。

或者，上述光束整形器可以是一种基于光学衍射的光束整形器，包括：准直透镜、第一衍射元件和第二衍射元件。其中，上述准直透镜用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；上述第一衍射元件用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；上述第二衍射元件用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

或者，上述光束整形器还可以是另一种基于光学衍射的光束整形器，包括：第一透镜、第一衍射元件、第二衍射元件和第二透镜。其中，上述第一透镜用于将上述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；上述第一衍射元件用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；上述第二衍射元件用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束平行；上述第二透镜用于将来自上述第二衍射元件的上述其余各光束和上述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

进一步地，上述接收组件还可以包含多个微透镜，上述多个微透镜与多个接收器一一对应，用于将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。

进一步地，上述第一光纤阵列的端面在上述发射透镜的焦平面上，上述第二光纤阵列的端面在上述接收透镜的焦平面上。可选地，上述第一光纤阵列可以是一维光纤阵列或二维光纤阵列；上述第二光纤阵列可以是一维光纤阵列或二维光纤阵列。

本实用新型提供的激光雷达系统，通过使用光纤阵列作为发射组件的激光发射端和接收组件的反射光入射端，可以减小激光雷达的体积，降低生产和调校成本。另外，作为一个可选实施例，通过使用多芯光纤连接器将多个激光发射器和多个接收器连接到光纤阵列，可以实现激光雷达结构的模块化，从而降低激光雷达的维护成本。

附图说明

为了清楚地说明本实用新型提供的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述的附图仅是本实用新型的一些实施例，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附图。

图1是本实用新型提供的激光雷达系统的结构示意图；

图2A是本实用新型提供的激光雷达系统的一种发射组件的结构示意图；

图2B是本实用新型提供的激光雷达系统的另一种发射组件的结构示意图；

图3是本实用新型提供的双柱面透镜的结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种基于光学衍射的光束整形器的结构示意图；

图5是本实用新型提供的另一种基于光学衍射的光束整形器的结构示意图；

图6A是本实用新型提供的激光雷达系统的一种接收组件的结构示意图；

图6B是本实用新型提供的激光雷达系统的另一种接收组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的实施例的附图，对本实用新型的技术方案进行详细地描述，显然，以下所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种激光雷达系统，包括旋转部件11和激光扫描部件12。上述旋转部件11用于旋转上述激光扫描部件12。具体地，该旋转部件11可以使上述激光扫描部件12进行360度快速连续旋转。上述激光扫描部件12包含发射组件21、发射透镜22、接收透镜23和接收组件24。

进一步地，上述激光扫描部件12的发射组件包含多个激光发射器和第一光纤阵列。如图2A所示，本实施例中的发射组件包含N个激光发射器和第一光纤阵列220。其中，N为大于等于2的自然数。上述N个激光发射器与N条光纤一一对应，其中每个激光发射器发射的激光进入对应的光纤，并通过该光纤进行光传导，上述N个激光发射器对应的N条光纤与上述第一光纤阵列220连接。具体地，如图2A所示，激光发射器211、激光发射器212、……激光发射器21N与光纤1、光纤2、…光纤N一一对应，该N条光纤与第一光纤阵列220连，形成从N个激光发射器到第一光纤阵列220的N条光通路。

作为另一种可选实施方案，上述实施例中的发射组件还可以包含一个多芯光纤连接器，用于将多个激光发射器对应的多条光纤连接到第一光纤阵列。如图2B所示，在图2A的基础上，发射组件还包含第一多芯光纤连接器260，该第一多芯光纤连接器件260将激光发射器211、激光发射器212……激光发射器21N对应的光纤1、2……N连接到第一光纤阵列220，形成从N个激光发射器到第一光纤阵列220的N条光通路。

在上述图2A或2B所示实施例提供的激光雷达系统中，发射组件的N个激光发射器发射的N条激光经过N条光通路到达第一光纤阵列220，并从第一光纤阵列220的端面发出，即第一光纤阵列220的端面成为发射组件的激光出射端。

作为一个优选实施例，上述发射组件还包含多个光束整形器，上述多个光束整形器与上述多个激光发射器一一对应，用于将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。如图2A或2B所示，发射组件中可以包含N个光束整形器，例如光束整形器201、光束整形器202、……光束整形器20N，并且上述N个光束整形器分别与激光发射器211、激光发射器212、……激光发射器21N一一对应，用于将上述N个激光发射器发射的激光分别耦合到对应的N条光纤中。上述光束整形器有多种实现方式，现举例说明如下。

作为一个可选方案，上述光束整形器可以是图3所示的双柱面透镜，该双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交，即双柱面透镜的柱面A的母线L1和柱面B的母线L2相互正交。

多线激光雷达常用的高功率脉冲激光二极管是边发射半导体激光二极管(EdgeEmitting Laser Diode)，其发光源是芯片P/N结(P-N Junction)的端面，即P/N结两个平面交界的狭缝。这种激光发射器的特性是：平行于P/N结平面的方向，光束的线性尺寸较大(例如50um至数百um)，发散角较小(例如10度)；垂直于P/N结平面的方向，光束的线性尺寸较小(例如1um-10um)，发散角较大(例如45度)。线性尺寸大、发散角小的方向，被称为慢轴(SlowAxis)；线性尺寸小、发散角大的方向，被称为快轴(Fast Axis)。

本实施例采用的图3所示的双柱面透镜对激光光束的快轴和慢轴分别构成两个独立的光学系统。激光发射器发出的激光经过上述双柱面透镜，快轴的发散角减小、慢轴的发散角增加，从而实现光束在快轴和慢轴的发散角均衡、接近。因此，本实施例采用的双柱面透镜可以将快轴和慢轴两个方向差异性很大的椭圆形光斑，整形为快轴和慢轴两个方向的差异性较小的圆形或方形光斑，使光束高效耦合到光纤中。

作为另一个可选方案，上述光束整形器还可以是一种基于光学衍射的光束整形器，如图4所示，包括：准直透镜41、第一衍射元件42和第二衍射元件43。上述准直透镜41用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，将光束变成细长条形光束。例如，该准直透镜41可以是微型柱面镜。第一衍射元件42用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位。第二衍射元件43用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

具体地，如图4所示，激光光束经过准直透镜41后变成细长条形光束，该细长条形光束被第一衍射元件42分成3个光束：光束1、光束2(中心光束)和光束3，光束1向下、向右偏转；光束2是中心光束，保持与系统光轴平行的传播方向；光束3向上、向左偏转。第二衍射元件43对光束1和光束3进行校正，使上述光束1和光束3与中心光束2重叠，形成快轴和慢轴两个方向的线性尺寸和发散角都相对均衡的方形光斑，并聚焦到对应光纤的端面。上述基于光学衍射的光束整形器可以使光束高效地耦合到对应光纤中。

作为再一个可选方案，上述光束整形器还可以是另一种基于光学衍射的光束整形器，如图5所示，包括：第一透镜51、第一衍射元件52、第二衍射元件53和第二透镜54。第一透镜51用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束。例如，该第一透镜51可以是微型柱面镜。第一衍射元件52用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位。第二衍射元件53用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束平行。第二透镜54用于将来自上述第二衍射元件53的上述其余各光束和上述中心光束重叠并聚焦到对应光纤的端面。

具体地，如图5所示，激光光束经过准直透镜51后变成细长条形光束，该细长条形光束被第一衍射元件52分成3个光束：光束1、光束2(中心光束)和光束3，光束1向下、向右偏转；光束2是中心光束，保持与系统光轴平行的传播方向；光束3向上、向左偏转。第二衍射元件53对光束1和光束3进行校正，使上述光束1和光束3与中心光束2平行。第二透镜54将平行的光束1、光束2和光束3重叠，形成快轴和慢轴两个方向的线性尺寸和发散角都相对均衡的方形光斑，并聚焦到对应光纤的端面。上述基于光学衍射的光束整形器可以使光束高效地耦合到光纤中。

本实施例提供的激光雷达系统的发射透镜22用于将来自上述第一光纤阵列220的激光准直后发射。例如，上述发射透镜22从上述第一光纤阵列220接收来自上述多个激光发射器的激光，准直后，形成一个扇形分布的激光束阵列，照射到目标物体上。

可选地，上述第一光纤阵列220是一维光纤阵列或二维光纤阵列。上述第一光纤阵列220的端面在上述发射透镜22的焦平面上。

本实施例中上述激光扫描部件12的接收组件包含多个接收器和第二光纤阵列。如图6A所示，本实施例中的接收组件包含N个接收器和第二光纤阵列240。其中，N为大于等于2的自然数。上述N个接收器与N条光纤一一对应，其中每个接收器接收对应光纤传导的反射光，上述N个接收器对应的N条光纤与上述第二光纤阵列240连接。具体地，如图6A所示，接收器231、接收器232、…接收器23N与光纤1、光纤2、…光纤N一一对应，该N条光纤与第二光纤阵列240连接，形成从第二光纤阵列240到N个接收器到的N条光通路。

作为另一种可选实施方案，上述实施例中的接收组件还可以包含一个多芯光纤连接器，用于将多个接收器对应的多条光纤连接到第二光纤阵列。如图6B所示，在图6A的基础上，接收组件还包含第二多芯光纤连接器270，该第二多芯光纤连接器件270将接收器231、接收器232……接收器23N对应的光纤1、光纤2…光纤N连接到第二光纤阵列240，形成从第二光纤阵列240到N个接收器到的N条光通路。

作为一个优选实施例，上述接收组件还包含多个微透镜，上述多个微透镜与多个接收器一一对应，用于将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。如图6A或6B所示，接收组件中包含N个微透镜，例如微透镜251、微透镜252、……微透镜25N，并且上述N个微透镜分别与接收器231、接收器232、……接收器23N一一对应。

本实施例中的接收透镜23用于接收激光的反射光，并将反射光汇聚到如图6A或6B所示的第二光纤阵列240，即第二光纤阵列240的端面成为接收组件的激光入射端。例如，接收透镜23接收经目标物体反射的光，即反射光，该反射光是如图2A或2B所示的第一个光纤阵列220发射出的N条激光的反射光。上述反射光经接收透镜23汇聚后，到达如图6A或6B所示的第二光纤阵列240的端面，并经过N条光通路到达N个接收器。根据光路可逆性，由发射透镜21发射出的扇形分布的激光束阵列，经目标物体反射后，反射光仍成扇形阵列到达接收透镜23并被聚焦，进入第二光纤阵列240。

可选地，上述第二光纤阵列240是一维光纤阵列或二维光纤阵列。上述第二光纤阵列240的端面在上述接收透镜23的焦平面上。

本实用新型提供的激光雷达系统中，一个激光发射器和对应的一个接收器，组成一个激光测距通道。因此，本实用新型提供的激光雷达系统共有N个激光测距通道。

本实用新型提供的激光雷达系统，由于所有激光发射器到发射透镜、接收透镜到接收器的光通路都是通过纤细、柔软的光纤连接，并且激光的出射端和反射光的入射端都是光纤阵列的端面，因此，只要将发射组件的光纤阵列安装在发射透镜的焦平面上、将接收组件的光纤阵列安装在接收透镜的焦平面上，激光发射器和接收器的排列就可以不受发射和接收角度的限制，布局在激光扫描部件的任何位置。同时，由于光纤阵列尺寸小、光纤集成度高，因此，将光纤阵列作为发射组件中激光的出射端和入射组件中激光的入射端时，发射端和接收端仅各需要一个小口径的透镜窗口，就可实现数十通道的多线激光雷达。综上所述，通过本实施例提供的技术方案，可以减小机械旋转式激光雷达的体积。

另一方面，本实用新型提供的激光雷达系统，由于采用了光纤阵列作为发射组件的激光出射端和接收组件的激光入射端，实现了多个激光测距通道的相对角度位置精确地固定。因此，无论本实施例提供的激光雷达系统有多少个激光测距通道，仅需任意选取两个激光测距通道进行对焦和光轴对准工作，即可实现其余所有激光测距通道的精准对焦和光轴对准，不需要对所有激光测距通道进行逐一调校，也无须对相邻通路的角度间隔进行逐一调整，极大地提升了多线激光雷达的组装和调校效率，降低了生产成本。

此外，如图2B所示实施例提供的激光雷达系统的发射组件和如图6B所示实施例提供的激光雷达系统的接收组件，由于使用多芯光纤连接器将光纤连接到光纤阵列，使激光发射器与发射组件的光纤阵列是相对独立的模块，接收器与接收组件的光纤阵列也是相对独立的模块，因此，拆解、检修激光发射器或接收器不会影响光纤阵列的布局和位置，检修工作完成后不需要重新进行激光测距通道的对焦和光轴对准工作，降低了激光雷达的检修成本。

以上实施例和附图仅为本实用新型技术方案的示例性说明，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包含：激光扫描部件和旋转部件；

所述旋转部件，用于旋转所述激光扫描部件；

所述激光扫描部件，进一步包含：

发射组件，包含多个激光发射器和第一光纤阵列，所述多个激光发射器与多条光纤一一对应，其中每个激光发射器发射的激光进入对应的光纤，所述多个激光发射器对应的多条光纤与所述第一光纤阵列连接；

发射透镜，用于将来自所述第一光纤阵列的激光准直后发射；

接收组件，包含多个接收器和第二光纤阵列，所述多个接收器与多条光纤一一对应，其中每个接收器接收对应光纤传导的反射光，所述多个接收器对应的多条光纤与所述第二光纤阵列连接；和

接收透镜，用于接收所述激光的反射光，并将所述反射光汇聚到所述第二光纤阵列。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，

所述发射组件还包含第一多芯光纤连接器，用于将所述多个激光发射器对应的多条光纤连接到所述第一光纤阵列；

所述接收组件还包含第二多芯光纤连接器，用于将所述多个接收器对应的多条光纤连接到所述第二光纤阵列。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射组件还包含多个光束整形器，所述多个光束整形器与所述多个激光发射器一一对应，所述光束整形器用于将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光束整形器是双柱面透镜，所述双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交。

5.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光束整形器是基于光学衍射的光束整形器，包括：准直透镜、第一衍射元件和第二衍射元件；

所述准直透镜，用于将所述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；

所述第一衍射元件，用于将所述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；

所述第二衍射元件，用于对所述其余各光束进行校正，使所述其余各光束与所述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

6.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光束整形器是基于光学衍射的光束整形器，包括：第一透镜、第一衍射元件、第二衍射元件和第二透镜；

所述第一透镜，用于将所述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；

所述第一衍射元件，用于将所述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；

所述第二衍射元件，用于对所述其余各光束进行校正，使所述其余各光束与所述中心光束平行；

所述第二透镜，用于将来自所述第二衍射元件的所述其余各光束和所述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

7.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收组件还包含多个微透镜，所述多个微透镜与所述多个接收器一一对应，用于将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。

8.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一光纤阵列的端面在所述发射透镜的焦平面上，所述第二光纤阵列的端面在所述接收透镜的焦平面上。

9.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一光纤阵列是一维光纤阵列或二维光纤阵列；所述第二光纤阵列是一维光纤阵列或二维光纤阵列。