CN209803333U - 三维激光雷达装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三维激光雷达装置及系统，该三维激光雷达装置包括：激光发射单元，扫描单元，控制单元，测距单元，透反棱镜，成像单元，信号处理单元及数据处理单元；控制单元分别与激光发射单元和扫描单元电连接；激光发射单元与扫描单元光路连接，透反棱镜分别与测距单元和成像单元光路连接；信号单元与测距单元电连接，数据处理单元分别与信号单元和成像单元电连接。相比于现有技术中集成了摄像头的三维激光雷达装置，本装置使用了分束装置，通过测距单元及成像单元能够同时采集被测物的位置信息及影像信息，降低了光学系统设计难度，减小了激光雷达尺寸并降低了成本。

Description

三维激光雷达装置及系统

技术领域

本实用新型实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种三维激光雷达装置及系统。

背景技术

无人驾驶、高精地图测绘、辅助驾驶、机器人视觉技术的不断发展，测距能力强、体积小、成本低的激光雷达的需求不断增加，特别是在无人驾驶、高精地图测绘领域对激光雷达提出了点云数据、影像数据融合的新需求。

然而，目前常用的点云影像数据融合系统通常是在激光雷达外部集成了摄像头，是三维激光雷达和摄像头两套系统简单的融合，这种方式一方面，需要对每台三维激光雷达及与之匹配摄像头单独进行坐标标定，增加了系统的装调难度。另一方面，由于两套单独的系统进行融合无法做到合理利用空间尺寸，因此系统整体空间尺寸过大，不利于集成化使用。第三方面，两套系统简单集成及繁琐的标定增加了系统整体的成本。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种三维激光雷达装置及系统，解决了现有技术中常用的点云影像数据融合系统中的装调难度大，空间尺寸过大，不利于集成化使用及整体成本较高的技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种三维激光雷达装置，包括：激光发射单元，扫描单元，控制单元，测距单元，透反棱镜，成像单元，信号处理单元及数据处理单元；

所述控制单元分别与所述激光发射单元和所述扫描单元电连接；所述激光发射单元与所述扫描单元光路连接，所述透反棱镜分别与所述测距单元和所述成像单元光路连接；所述信号处理单元与所述测距单元电连接，所述数据处理单元分别与所述信号处理单元和所述成像单元电连接；

所述激光发射单元，用于在所述控制单元的控制下发射调制激光光束；

所述扫描单元，用于在所述控制单元的控制下对所述调制激光光束进行偏转，以完成探测区域的二维扫描；

所述控制单元，用于对所述激光发射单元和所述扫描单元进行控制；

所述测距单元，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束及可见光，初次矫正所述可见光的像差，并在将所述透反棱镜偏转的调制激光束的光信号转换成电信号；

所述透反棱镜，用于对所述测距单元汇聚的调制激光光束进行偏转并透射所述可见光；

所述成像单元，用于继续矫正所述可见光的像差，并将可见光信号转换成被测物的影像数据；

所述信号处理单元，用于将所述测距单元输出的电信号转换为所述被测物的点云数据；

所述数据处理单元，用于将所述被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，输出具有位置信息和影像信息的被测物探测数据。

进一步地，如上所述的装置，所述测距单元包括：测距镜组和测距光电探测器；

所述测距镜组与所述测距光电探测器通过所述透反棱镜进行光路连接；

所述测距镜组，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束及可见光，初次矫正所述可见光的像差；

所述测距光电探测器，用于将所述透反棱镜偏转的调制激光束的光信号转换成电信号。

进一步地，如上所述的装置，所述成像单元，包括：成像镜组和成像光电探测器；

所述成像镜组与成像光电探测器进行光路连接；

所述成像镜组，用于继续矫正所述可见光的像差；

所述成像光电探测器，用于将所述成像镜组进行像差矫正后的可见光信号转换成被测物的影像数据。

进一步地，如上所述的装置，所述透反棱镜反射面的中心与所述测距镜组的光轴重合，所述反射面镀光学薄膜，以使所述测距镜组汇聚的调制激光光束光轴发生偏转，所述可见光透射过所述透反棱镜；

其中，所述光学薄膜的反射波长范围为0.85μm-1.6μm。

进一步地，如上所述的装置，所以测距光电探测器的中心位于所述测距镜组光轴发生偏转后的测距镜组的焦平面上。

进一步地，如上所述的装置，所述测距镜组包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

进一步地，如上所述的装置，所述成像镜组的光轴与所述透反棱镜反射面的中心重合。

进一步地，如上所述的装置，所述成像光电探测器位于所述成像镜组的焦平面上。

进一步地，如上所述的装置，所述成像镜组包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

进一步地，如上所述的装置，所述调制激光光束为近红外调制激光光束，所述调制激光光束的波长范围为0.85μm-1.6μm。

第二方面，本实用新型实施例提供一种三维激光雷达系统，包括上述第一方面任一项所述的三维激光雷达装置。

本实用新型实施例提供一种三维激光雷达装置及系统，该三维激光雷达装置包括：激光发射单元，扫描单元，控制单元，测距单元，透反棱镜，成像单元，信号处理单元及数据处理单元；所述控制单元分别与所述激光发射单元和所述扫描单元电连接；所述激光发射单元与所述扫描单元光路连接，所述透反棱镜分别与所述测距单元和所述成像单元光路连接；所述信号处理单元与所述测距单元电连接，所述数据处理单元分别与所述信号处理单元和所述成像单元电连接；所述激光发射单元，用于在所述控制单元的控制下发射调制激光光束；所述扫描单元，用于在所述控制单元的控制下对所述调制激光光束进行偏转，以完成探测区域的二维扫描；所述控制单元，用于对所述激光发射单元和所述扫描单元进行控制；所述测距单元，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束及可见光，初次矫正所述可见光的像差，并在将所述透反棱镜偏转的调制激光束的光信号转换成电信号；所述透反棱镜，用于对所述测距单元汇聚的调制激光光束进行偏转并透射所述可见光；所述成像单元，用于继续矫正所述可见光的像差，并将可见光信号转换成被测物的影像数据；所述信号处理单元，用于将所述测距单元输出的电信号转换为所述被测物的点云数据；所述数据处理单元，用于将所述被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，输出具有位置信息和影像信息的被测物探测数据。通过透反棱镜将测距单元汇聚的目标反射的探测光及可见光分束，探测光信号转换成电信号，经过信号处理单元后输出被测物点云数据；可见光通过成像单元输出被测物的影像数据；被测物的点云数据及影像数据经过数据处理单元后输出最终点云及影像融合的探测数据。相比于现有技术中集成了摄像头的三维激光雷达装置，本装置使用了分束装置，通过测距单元及成像单元能够同时采集被测物的位置信息及影像信息，降低了光学系统设计难度，减小了激光雷达尺寸并降低了成本。

应当理解，上述实用新型内容部分中所描述的内容并非旨在限定本实用新型的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的三维激光雷达装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的三维激光雷达装置的结构示意图。

附图标记

101-激光发射单元 102-调制激光光束 103-扫描单元 104-控制单元 105-混合反射光束 106-测距单元 106a-测距镜组 106b-测距光电探测器 107-透反棱镜108-偏转后调制激光光束 109-可见光 110-成像单元 110a-成像镜组 110b-成像光电探测器 111-信号处理单元 112-数据处理单元

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的实施例。虽然附图中显示了本实用新型的某些实施例，然而应当理解的是，本实用新型可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本实用新型。应当理解的是，本实用新型的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型实施例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本实用新型实施例一提供的三维激光雷达装置的结构示意图，如图1所示，则本实施例提供的三维激光雷达装置包括：激光发射单元101，扫描单元103，控制单元104，测距单元106，透反棱镜107，成像单元110，信号处理单元111及数据处理单元112。

其中，控制单元104分别与所述激光发射单元101和所述扫描单元103 电连接；所述激光发射单元101与所述扫描单元103光路连接，所述透反棱镜107分别与所述测距单元106和所述成像单元110光路连接；所述信号处理单元与所述测距单元106电连接，所述数据处理单元112分别与所述信号处理单元和所述成像单元110电连接。

本实施例中，激光发射单元101，用于在所述控制单元104的控制下发射调制激光光束102。

其中，激光发射单元101发射的调制激光光束102可以为近红外调制激光光束，该近红外调制激光光束的波长范围可以为0.85μm-1.6μm，也可以为其他范围，本实施例中对此不作限定。

本实施例中，激光发射单元101发射出调制激光光束102，调制激光光束102入射至扫描单元103。

本实施例中，所述扫描单元103，用于在所述控制单元104的控制下对所述调制激光光束102进行偏转，以完成探测区域的二维扫描。

具体地，扫描单元103可通过机械式扫描或非机械式扫描对调制激光光束102进行偏转，完成探测区域的水平方向二维扫描，二维扫描的方式可以为全视场的二维扫描或局部视场的二维扫描，本实施例对此不作限定。

所述控制单元104，用于对所述激光发射单元101和所述扫描单元103 进行控制。

本实施例中，控制单元104可向激光发射单元101发送控制发射指令，以控制激光发射单元101发射调制激光光束102，并可向扫描单元103发送控制扫描指令，以控制对所述调制激光光束102进行偏转，以完成探测区域的二维扫描。

所述测距单元106，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束102及可见光109，初次矫正可见光109的像差，并在将所述透反棱镜107 偏转的调制激光束的光信号转换成电信号。所述透反棱镜107，用于对所述测距单元106汇聚的调制激光光束102进行偏转并透射所述可见光109。所述信号处理单元111，用于将所述测距单元106输出的电信号转换为所述被测物的点云数据。

具体地，本实施例中，在扫描单元103对探测区域的二维扫描后，测距单元106汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束102及可见光109，被测物反射回的调制激光光束102及可见光109为混合反射光束105，测距单元106初次矫正可见光的像差，混合反射光束105经过透反棱镜107后对调制激光光束102和可见光109进行分束，将所述测距单元106汇聚的调制激光光束102进行偏转并将可见光109进行透射。偏转后调制激光光束108 被测距单元106接收，将偏转后调制激光束的光信号转换为电信号，电信号输入到信号处理单元111中，信号处理单元111将电信号转换为所述被测物的点云数据。

其中，测距单元106可以包括：测距镜组和测距光电探测器，也可以为其他器件构成，本实施例中对此不作限定。

本实施例中，所述成像单元110，用于继续矫正所述可见光109的像差，并将可见光109信号转换成被测物的影像数据。

具体地，本实施例中，经过透反棱镜107透射的可见光109被成像单元 110接收，成像单元110继续矫正可见光109的像差，并将被测物的可见光 109信号转换为被测物的影像数据，并被测物的影像数据发送给数据处理单元112。

本实施例中，所述数据处理单元112，用于将所述被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，输出具有位置信息和影像信息的被测物探测数据。

具体地，本实施例中，数据处理单元112接收信号处理单元111发送的被测物的点云数据和成像单元110的被测物影像数据，并将被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，融合后的被测物探测数据具有位置信息和影像信息。

其中，数据处理单元112中，被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合的具体方法本实施例中不作限定。

本实施例提供的三维激光雷达装置，包括：激光发射单元101，扫描单元103，控制单元104，测距单元106，透反棱镜107，成像单元110，信号处理单元111及数据处理单元112；所述控制单元104分别与所述激光发射单元101和所述扫描单元103电连接；所述激光发射单元101与所述扫描单元103光路连接，所述透反棱镜107分别与所述测距单元106和所述成像单元110光路连接；所述信号处理单元与所述测距单元106电连接，所述数据处理单元112分别与所述信号处理单元和所述成像单元110电连接；所述激光发射单元101，用于在所述控制单元104的控制下发射调制激光光束102；所述扫描单元103，用于在所述控制单元104的控制下对所述调制激光光束 102进行偏转，以完成探测区域的二维扫描；所述控制单元104，用于对所述激光发射单元101和所述扫描单元103进行控制；所述测距单元106，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束102及可见光109，初次矫正可见光109的像差，并在将所述透反棱镜107偏转后调制激光束108的光信号转换成电信号；所述透反棱镜107，用于对所述测距单元106汇聚的调制激光光束102进行偏转并透射所述可见光109；所述成像单元110，用于继续矫正所述可见光109的像差，并将可见光109信号转换成被测物的影像数据；所述信号处理单元111，用于将所述测距单元106输出的电信号转换为所述被测物的点云数据；所述数据处理单元112，用于将所述被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，输出具有位置信息和影像信息的被测物探测数据。通过透反棱镜107将测距单元106汇聚的目标反射的探测光及可见光109分束，探测光信号转换成电信号，经过信号处理单元111后输出被测物点云数据；可见光109通过成像单元110输出被测物的影像数据；被测物的点云数据及影像数据经过数据处理单元112后输出最终点云及影像融合的探测数据。相比于现有技术中集成了摄像头的三维激光雷达装置，本装置使用了分束装置，通过测距单元106及成像单元110能够同时采集被测物的位置信息及影像信息，降低了光学系统设计难度，减小了激光雷达尺寸并降低了成本。

实施例二

图2为本实用新型实施例二提供的三维激光雷达装置的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的三维激光雷达装置是在本实用新型实施例一提供的三维激光雷达装置的基础上，对测距单元106和成像单元110的进一步地细化，则本实施例提供的三维激光雷达装置还包括以下技术方案。

进一步地，本实施例中，测距单元106包括：测距镜组106a和测距光电探测器106b。

其中，所述测距镜组106a与所述测距光电探测器106b通过所述透反棱镜107进行光路连接。所述测距镜组106a，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束102及可见光109，初次矫正所述可见光109的像差。所述测距光电探测器106b，用于将所述透反棱镜107偏转的调制激光束的光信号转换成电信号。

优选地，本实施例中，透反棱镜107反射面的中心与所述测距镜组106a 的光轴重合，所述反射面镀光学薄膜，以使所述测距镜组106a汇聚的调制激光光束102光轴发生偏转，所述可见光109初次矫正后，透射过所述透反棱镜107，测距光电探测器106b的中心位于所述测距镜组106a光轴发生偏转后的测距镜组106a的焦平面上。

具体地，本实施例中，测距镜组106a汇聚探测区域被测物反射回的调制激光光束102及可见光109，被测物反射回的调制激光光束102及可见光109 为混合反射光束105，由于测距镜组106a的光轴与透反棱镜107的反射面的中心重合，所以测距镜组106a汇聚的调制激光光束102光轴发生偏转，使偏转后的调制激光光束102的光轴与测距镜组106a光轴呈一定的夹角，将测距光电探测器106b的中心设置在测距镜组106a光轴发生偏转后的测距镜组 106a的焦平面上，能够将偏转后的调制激光光束102完全被测距光电探测器 106b接收，能够更加准确地将偏转后激调制激光光束108的光信号转换为电信号。

其中，光学薄膜的反射波长范围为0.85μm-1.6μm。

具体地，反射面镀光学薄膜，光学薄膜能够对波长范围为0.85μm-1.6μm 的调制激光光束102反射，对可见光109进行透射。

可选地，本实施例中，测距镜组106a包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

本实施例中，测距镜组106a可以包括至少一片自由曲面透镜，或者可以包括：至少两片球面镜，能够使测距镜组106a有更多的选择性，以满足不同的需求。

进一步地，本实施例中，成像单元110，包括：成像镜组110a和成像光电探测器110b。

其中，所述成像镜组110a与成像光电探测器110b进行光路连接。

具体地，所述成像镜组110a，用于继续矫正所述可见光109的像差。所述成像光电探测器110b，用于将所述成像镜组110a进行像差矫正后的可见光 109信号转换成被测物的影像数据。

优选地，成像镜组110a的光轴与所述透反棱镜107反射面的中心重合。成像光电探测器110b位于所述成像镜组110a的焦平面上。

具体地，本实施例中，成像镜组110a接收透射棱镜透射出的可见光109，并且成像镜组110a的光轴与所述透反棱镜107反射面的中心重合，则成像镜组110a能够准确地继续矫正透射过透反棱镜107的可见光109的像差，使被测物成清晰的像。成像光电探测器110b位于所述成像镜组110a的焦平面上，则成像镜组110a汇聚的可见光109完全被成像光电探测器110b接收，成像光电探测器110b能够准确将成像镜组110a进行像差矫正后的可见光109信号转换成被测物的影像数据。

可选地，成像镜组110a包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

本实施例中，成像镜组110a可以包括至少一片自由曲面透镜，或者可以包括：至少两片球面镜，能够使成像镜组110a有更多的选择性，以满足不同的需求。

进一步地，本实施例中，调制激光光束102为近红外调整激光光束，所述调制激光光束102的波长范围为0.85μm-1.6μm。

实施例三

本实用新型实施例提供一种三维激光雷达系统，该三维激光雷达系统包括本实用新型实施例一或本实用新型实施例二提供的三维激光雷达装置。

本实施例中，三维激光雷达装置的结构与功能与本实用新型实施例一或实施例二中提供的三维激光雷达装置的结构与功能相同，在此不再一一赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种三维激光雷达装置，其特征在于，包括：激光发射单元，扫描单元，控制单元，测距单元，透反棱镜，成像单元，信号处理单元及数据处理单元；

所述控制单元分别与所述激光发射单元和所述扫描单元电连接；所述激光发射单元与所述扫描单元光路连接，所述透反棱镜分别与所述测距单元和所述成像单元光路连接；所述信号处理单元与所述测距单元电连接，所述数据处理单元分别与所述信号处理单元和所述成像单元电连接；

所述激光发射单元，用于在所述控制单元的控制下发射调制激光光束；

所述扫描单元，用于在所述控制单元的控制下对所述调制激光光束进行偏转，以完成探测区域的二维扫描；

所述控制单元，用于对所述激光发射单元和所述扫描单元进行控制；

所述测距单元，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束及可见光，初次矫正所述可见光的像差，并在将所述透反棱镜偏转的调制激光束的光信号转换成电信号；

所述透反棱镜，用于对所述测距单元汇聚的调制激光光束进行偏转并透射所述可见光；

所述成像单元，用于继续矫正所述可见光的像差，并将可见光信号转换成被测物的影像数据；

所述信号处理单元，用于将所述测距单元输出的电信号转换为所述被测物的点云数据；

所述数据处理单元，用于将所述被测物的点云数据和所述被测物的影像数据进行融合，输出具有位置信息和影像信息的被测物探测数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测距单元包括：测距镜组和测距光电探测器；

所述测距镜组与所述测距光电探测器通过所述透反棱镜进行光路连接；

所述测距镜组，用于汇聚所述探测区域被测物反射回的调制激光光束及可见光，初次矫正所述可见光的像差；

所述测距光电探测器，用于将所述透反棱镜偏转的调制激光束的光信号转换成电信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像单元，包括：成像镜组和成像光电探测器；

所述成像镜组与成像光电探测器进行光路连接；

所述成像镜组，用于继续矫正所述可见光的像差；

所述成像光电探测器，用于将所述成像镜组进行像差矫正后的可见光信号转换成被测物的影像数据。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透反棱镜反射面的中心与所述测距镜组的光轴重合，所述反射面镀光学薄膜，以使所述测距镜组汇聚的调制激光光束光轴发生偏转，所述可见光透射过所述透反棱镜；

其中，所述光学薄膜的反射波长范围为0.85μm-1.6μm。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所以测距光电探测器的中心位于所述测距镜组光轴发生偏转后的测距镜组的焦平面上。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测距镜组包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述成像镜组的光轴与所述透反棱镜反射面的中心重合。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述成像光电探测器位于所述成像镜组的焦平面上。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述成像镜组包括：至少一片自由曲面透镜或至少两片球面镜。

10.根据权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述调制激光光束为近红外调制激光光束，所述调制激光光束的波长范围为0.85μm-1.6μm。

11.一种三维激光雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的三维激光雷达装置。