CN210142187U - 一种距离探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种距离探测装置，包括：用于发射光束的光源；扫描模块用于将所述光源发射的光束依次改变至不同的传播方向出射，形成一个扫描视场，其中，所述扫描模块包括旋转的第一光学元件和旋转的第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件同向旋转或者反向旋转。在本实用新型的测距装置中用旋转的第一光学元件和第二光学元件实现光源出射光束方向的动态调整，其结构简单，从而稳定可靠，成本低，便于大规模普及应用；并且随着时间的积累，空间覆盖范围越来越大，从而空间信息的细密程度也越来越高。

Description

一种距离探测装置

技术领域

本实用新型总地涉及光学探测领域，更具体地涉及一种距离探测装置。

背景技术

激光雷达是对外界的感知系统。以基于飞行时间(Time of flight,TOF)原理的激光雷达为例，激光雷达向外发射脉冲，接收外界物体发射产生的回波。通过测量回波的延时，能够计算出在该发射方向上物体与激光雷达的距离。通过动态的调整激光的出射方向，能够测量不同方位的物体与激光雷达的距离信息，从而实现对三维空间的建模。

在激光雷达中，对激光雷达激光出射方向的动态调整是一个关键的系统功能，影响到系统能够探测到的空间范围(这里指视场)，以及获得的空间信息的细密程度。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本实用新型一方面提供一种距离探测装置，包括：

光源，用于发射光束；

扫描模块，用于将所述光源发射的光束依次改变至不同的传播方向出射，形成一个扫描视场，其中，所述扫描模块包括旋转的第一光学元件和旋转的第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件同向旋转或者反向旋转；

探测器，用于接收所述光源发射的光束经物体反射回的至少部分，以及根据接收到的光束获取所述距离探测装置与所述物体的距离；

其中，所述探测器包括：

光电转换电路，用于接收所述光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号；

采样电路，用于对来自所述光电转换电路的电信号进行采样，获得采样结果；

运算电路，用于根据所述采样结果计算所述物体与所述测距装置之间的距离。

示例性地，所述扫描视场的视场角位于[10°,100°]之间。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件具有不同的转速。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件的转速范围在3000rpm～30000rpm之间。

示例性地，所述第一光学元件和第二光学元件沿着所述光源发射的光束的传播方向顺序排布，其中，所述第一光学元件的转速大于所述第二光学元件的转速。

示例性地，所述第二光学元件的转速是所述第一光学元件的转速的50％～90％。

示例性地，随着扫描时间的积累，所述扫描视场内的点分布越来越密。

示例性地，所述扫描视场具有接近于水平线的第一中间区域，以对竖直方向长度大的目标物体进行探测；

所述扫描视场具有接近于竖直线的第二中间区域，以对横向长度大的目标物体进行探测。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件均包括第一表面以及和所述第一表面相对而非平行的第二表面，其中，所述第一光学元件的第一表面和第二表面中的一个和所述第二光学元件的第一表面和第二表面中的一个相对设置。

示例性地，所述第一光学元件的第一表面和所述第二光学元件的第一表面相对设置，或者，所述第一光学元件的第二表面和所述第二光学元件的第二表面相对设置。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件绕同一旋转轴旋转，其中，所述第一表面和所述旋转轴垂直，所述第二表面相对所述第一表面倾斜设置。

示例性地，以所述第一光学元件和所述第二光学元件的厚度减小最快的方向为其的延伸方向，则所述第一光学元件和所述第二光学元件的相对位置设置为使所述第二光学元件和所述第一光学元件的延伸方向相反或者相同。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴的夹角大于80度。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴垂直。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件为对所述光源发射的光束的波长具有大于90％的透过率，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件为玻璃材料。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件对所述光源发射的光束的折射率为1.1～2.2之间。

示例性地，还包括收发透镜，用于：

对光源出射的光束进行准直后出射，和/或，

将接收到经所述物体反射回的至少部分光束汇聚至所述探测器。

示例性地，所述扫描视场的视场角位于[30°,90°]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[15°,21°]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[25mm，35mm]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[7°，11°]之间。

示例性地，所述距离探测装置的测距距离位于[200m,300m]之间。

示例性地，所述扫描视场的视场角位于[10°,20°]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[5°,9°]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[45mm，60mm]之间。

示例性地，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[2°，5°]之间。

示例性地，所述距离探测装置的测距距离位于[500m,600m]之间。

示例性地，所述第一光学元件和所述第二光学元件均为楔形棱镜。

示例性地，所述光发射装置的数量和所述光电转换电路的数量分别为至少2个；

每个所述光电转换电路用于接收来自对应的光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号。

在本实用新型的测距装置中用旋转的第一光学元件和第二光学元件(例如旋转双棱镜)实现光源出射光束方向的动态调整，存在以下好处：首先，结构简单，从而稳定可靠，成本低，便于大规模普及应用；并且随着时间的积累，空间覆盖范围越来越大，从而空间信息的细密程度也越来越高；另外，激光出射方向的分布对第一光学元件和第二光学元件的转速变化很灵敏，从而有较大的优化空间；最后，通过调整棱镜的楔角和材料折射率，可以方便的调节视场的大小。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。

附图中：

图1示出了本实用新型的距离探测装置的一个实施例的示意图；

图2示出了本实用新型一个实施例中的扫描模块的结构示意图；

图3A至图3C示出了本实用新型一个实施例中的扫描模块的第一光学元件和第二光学元件同向旋转在不同的旋转速度下所形成的扫描图案的示意图，其中图3A至图3C中均包含的4个图自左向右其扫描时间依次增加；

图4A至图4C示出了本实用新型一个实施例中的扫描模块的第一光学元件和第二光学元件反向旋转在不同的旋转速度下所形成的扫描图案的示意图，其中图4A至图4C中包含的4个图自左向右其扫描时间依次增加；

图5A示出了本实用新型一个实施例中的扫描模块在不同范围形成的扫描视场示意图；

图5B示出了本实用新型一个实施例中的扫描模块不同扫描时间的扫描点云分布图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本实用新型能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本实用新型的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本实用新型教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本实用新型的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细结构，以便阐释本实用新型提出的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

本提供实用新型一种距离探测装置，包括：

光源，用于发射光束；

扫描模块，用于将所述光源发射的光束依次改变至不同的传播方向出射，形成一个扫描视场，其中，所述扫描模块包括旋转的第一光学元件和旋转的第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件同向旋转或者反向旋转；探测器，用于接收所述光源发射的光束经物体反射回的至少部分，以及根据接收到的光束获取所述距离探测装置与所述物体的距离；

其中，所述探测器包括：

光电转换电路，用于接收所述光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号；

采样电路，用于对来自所述光电转换电路的电信号进行采样，获得采样结果；

运算电路，用于根据所述采样结果计算所述物体与所述测距装置之间的距离。

在一个示例中，所述光发射装置的数量和所述光电转换电路的数量分别为至少2个；每个所述光电转换电路用于接收来自对应的光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号。

在本实用新型的测距装置中用旋转的第一光学元件和第二光学元件(例如旋转双棱镜)实现光源出射光束方向的动态调整，存在以下好处：首先，结构简单，从而稳定可靠，成本低，便于大规模普及应用；并且随着时间的积累，空间覆盖范围越来越大，从而空间信息的细密程度也越来越高；另外，激光出射方向的分布对第一光学元件和第二光学元件的转速变化很灵敏，从而有较大的优化空间；最后，通过调整棱镜的楔角和材料折射率，可以方便的调节视场的大小。

下面，参考图1、图2、图3A至图3C、图4A至图4C以及图5A至图5B对本实用新型的距离探测装置进行说明。在不冲突的前提下，本实用新型中的各个实施例和示例是可以相互结合的。

图1所示为距离探测装置100的一个实施例的示意图。距离探测装置100可以用来测量探测物101到距离探测装置100的距离和方位。在一个实施例中，距离探测装置100可以包括雷达，例如激光雷达。距离探测装置100可以通过测量距离探测装置100和探测物101之间光传播的时间，即光飞行时间(Time-of-Flight，TOF)，来探测探测物101到距离探测装置100的距离。

距离探测装置100包括光收发装置110，光收发装置110包括光源103、收发透镜104、探测器105和光路改变元件106。光收发装置110用于发射光束，且接收回光，将回光转换为电信号。光源103用于发射光束。在一个实施例中，光源103可发射激光束。光源103发射出的激光束为波长在可见光范围之外的窄带宽光束。收发透镜104用于准直光源103发射的光束，将光源103发出的光束进行准直为准直光束119，例如平行光。

在一个示例中，光源103可以为激光二极管。对于光源103所发射光的波长，在一个示例中，可以选择波长位于895纳米到915纳米之间的光，例如选择905纳米波长的光。在另一个示例中，可以选择波长位于1540纳米到1560纳米之间的光，例如选择1550纳米波长的光。在其他示例中，也可以根据应用场景和各种需要选择其他合适波长的光。

距离探测装置100还包括扫描模块102，用于将所述光源发射的光束依次改变至不同的传播方向出射，形成一个扫描视场。扫描模块102放置于收发透镜104相对于光源103的一侧。准直光束119可以投射至扫描模块102。扫描模块102用于改变穿过收发透镜104的准直光束119的传输方向并投射至外界环境，并将回光投射至收发透镜104。扫描模块102将光束向距离探测装置100周围的空间投射。在一个实施例中，扫描模块102可以包括一个或多个光学元件，例如，透镜、反射镜、棱镜、光栅、光学相控阵(Optical Phased Array)或上述光学元件的任意组合。在一个实施例中，扫描模块102的多个光学元件可以绕共同的轴109旋转，将光投射至不同的方向。在另一个实施例中，扫描模块102的多个光学元件可以绕不同的轴旋转。在再一个实施例中，扫描模块102的至少一个光学元件，例如振镜，可以振动，来改变光的传播方向。在一个实施例中，扫描模块102的多个光学元件可以以不同的转速旋转。在另一个实施例中，扫描模块102的多个光学元件可以以基本相同的转速旋转。

在一个实施例中，扫描模块102包括第一光学元件114和与第一光学元件114连接的驱动器116，驱动器116用于驱动第一光学元件114绕旋转轴109转动，使第一光学元件114改变准直光束119的方向。第一光学元件114将准直光束119投射至不同的方向。在一个实施例中，第一光学元件114包括楔角棱镜，对准直光束119进行折射。在一个实施例中，第一光学元件114上镀有增透膜，能够增加透射光束的强度。

在图1所示的实施例中，扫描模块102包括第二光学元件115，第二光学元件115绕旋转轴109转动，第一光学元件114和所述第二光学元件115同向旋转或者反向旋转。

在一个实施例中，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115均包括第一表面以及和所述第一表面相对而非平行的第二表面，光束穿过该对表面，沿着所述第一表面或所述第二表面的延伸方向，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的厚度从一端向相对的另一端逐渐增大。

在一个示例中，所述第一光学元件的第一表面和第二表面中的一个和所述第二光学元件的第一表面和第二表面中的一个相对设置。在一个示例中，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115绕同一旋转轴旋转，其中，所述第一表面和所述旋转轴109垂直，所述第二表面相对所述第一表面倾斜设置。在一个示例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件的旋转轴与所述光源发射的光束的光轴平行或者在一条直线上。

在一个示例中，如图2所示的左图所示，所述第一光学元件114的第二表面和所述第二光学元件115的第二表面相对设置，使得第一表面朝外，例如，准直光束119先穿过第一光学元件114的第一表面。在另一个示例中，如图2所示的右图所示，所述第一光学元件114的第一表面和所述第二光学元件115的第一表面相对设置，使得第二表面朝外。在图2中所示的两种情况均是第一光学元件114和第二光学元件115反向设置，也即以所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的厚度减小最快的方向为其的延伸方向，则所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的相对位置设置为使所述第二光学元件115和所述第一光学元件114的延伸方向相反。

在另一个示例中，如图1所示，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的相对位置设置为使所述第二光学元件115和所述

第一光学元件114的延伸方向相同。

第二光学元件115的转动速度与第一光学元件114的转动速度不同。第二光学元件115改变第一光学元件114投射的光束的方向。在一个示例中，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的转速范围在3000rpm～30000rpm之间，其中，rpm是指每分钟转数。可选地，所述第一光学元件114和第二光学元件115沿着所述光源发射的光束的传播方向顺序排布，其中，所述第一光学元件114的转速大于所述第二光学元件115的转速，例如，所述第二光学元件的转速是所述第一光学元件的转速的50％～90％，例如60％、70％。

所述第一光学元件114和第二光学元件115的转速可以根据实际的对扫描视场的需要进行合理的设定，在一个示例中，第一光学元件114和第二光学元件115同向旋转，扫描视场由相交于扫描视场的中心的多个近似圆形(或近似心形)的扫描轨迹组成整体近似为圆形或者椭圆形的扫描视场，如图3A至图3C所示，图3A中自左至右示出的四个扫描视场分别是扫描积分时间为100ms、200ms、400ms和1000ms时的扫描视场的图案，如图3A所示，在第一光学元件114的转速位于为[12000rpm，12100rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[7250rpm，7350rpm]之间时，所形成的扫描视场的图案；如图3B所示，在所述第一光学元件114的转速位于[7900rpm，8000rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[4800rpm,4900rpm]之间时，所形成的扫描视场的图案；如图3C所示，在所述第一光学元件114的转速位于[9150rpm,9250rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5600rpm，5700rpm]之间时，所形成的扫描视场的图案；并且，右图也可以看出，随着扫描时间的积累，视场内的点分布越来越密。

在另一个示例中，第一光学元件114和第二光学元件115反向旋转，例如一个逆时针旋转，另一个则顺时针旋转，扫描视场由相交于扫描视场的中心的多个椭圆形的扫描轨迹组成整体近似为圆形或者椭圆形的扫描视场，椭圆形的扫描轨迹一端位于扫描视场的中心另一端沿径向方向向外延伸，如图4A至图4C所示，图4A中自左至右示出的四个扫描视场分别是扫描时间为100ms、200ms、400ms和1000ms时的扫描视场的图案，如图4A所示，在第一光学元件114的转速位[7750rpm,7900rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5950rpm,6050rpm]之间时，所形成的扫描视场的图案；如图4B所示，在所述第一光学元件114的转速位于[7800rpm,7950rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[4750rpm,4900rpm]时，所形成的扫描视场的图案；如图4C所示，在所述第一光学元件114的转速为位于[7250rpm,7350rpm]之间，第二光学元件115的转速为[4600rpm，4750rpm]之间时，所形成的扫描视场的图案；并且，右图也可以看出，随着扫描时间的积累，视场内的点分布越来越密。

在其他示例中，所述第一光学元件114的转速位于[7000rpm，8000rpm，]之间，第二光学元件115的转速位于[4850rpm，4950rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9400rpm，9500rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[6050rpm，610rpm，]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9300rpm，9400rpm，]之间，第二光学元件115的转速位于[6000rpm,6100rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9300rpm，9400rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5700rpm，5800rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9200rpm，9300rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5900rpm，6000rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9100rpm，9200rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5900rpm，6000rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9400rpm，9500rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[6050rpm，6150rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9400rpm，9500rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[6050rpm,6150rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9400rpm，9500rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[6050rpm，6150rpm]之间；所述第一光学元件114的转速位于[9100rpm,9200rpm]之间，第二光学元件115的转速位于[5850rpm,5950rpm]之间。上述转速的组合也同样能够实现符合要求的扫描视场，例如在第一光学元件114和第二光学元件115反向旋转时，形成图4A至图4C相近的扫描视场，第一光学元件114和第二光学元件115同向旋转,形成图3A至图3C相近的扫描视场。

在一个实施例中，第二光学元件115与另一驱动器117连接，驱动器117驱动第二光学元件115转动。第一光学元件114和第二光学元件115可以由不同的驱动器驱动，使第一光学元件114和第二光学元件115的转速不同，从而将准直光束119投射至外界空间不同的方向，可以扫描较大的空间范围。在一个实施例中，控制器118控制驱动器116和117，分别驱动第一光学元件114和第二光学元件115。第一光学元件114和第二光学元件115的转速可以根据实际应用中预期扫描的区域和样式确定。驱动器116和117可以包括电机或其他驱动装置。

在一个实施例中，第二光学元件115包括楔角棱镜。在一个实施例中，第二光学元件115上镀有增透膜，能够增加透射光束的强度。

所述第一光学元件和所述第二光学元件的材料可以为具有高透过率的任意适合的透光材料，在一个实施例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件为对所述光源发射的光束的波长具有大于90％的透过率，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件为玻璃材料，例如，HK9L玻璃材料。

所述第一光学元件114和所述第二光学元件115的折射率受到光源发射的光束的波长的影响，波长越长，折射率越小，可选地，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115所述光源发射的光束的折射率为1.1～2.2之间，例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8等。例如，光源发射的光束的波长为905nm左右，则玻璃材料的所述第一光学元件114和所述第二光学元件115对905nm波长的光束的折射率为1.50895。

所述第一光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角范围为5～25°；和/或，所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角范围为5～25°，所述第一光学元件114和所述第二光学元件115均为棱镜时，上述夹角也成为楔角，在本实施例中，第一光学元件和第二光学元件的楔角可以为18°，或者其他适合的角度。

在一个示例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴的夹角大于80度。在另一个示例中，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴垂直。再一个示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[15°,21°]，由此可以获得的扫描视场的视场角可以位于[40°,80°]。在其他示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[5°,9°]，由此可以获得的所述扫描视场的视场角位于可以[10°,20°]。

具体地，可以通过调整第一光学元件(例如棱镜)和所述第二光学元件(例如棱镜)的楔角和材料折射率，从而方便的调节视场的大小。

通过上述的扫描模块形成扫描视场，例如所述扫描视场的视场角位于[10°,100°]之间。在一个示例中，如图5A所示为不同范围的扫描视场，其中图5A中的(a)图为视场角为2°×2°时的扫描视场，(b)图为视场角为20°×20°时的扫描视场，(c)图为视场角为100°×100°时的扫描视场。在一个示例中，所述扫描视场的视场角位于[40°,80°]，在其他示例中，所述扫描视场的视场角位于[10°,20°]。

在一个示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[7°，11°]，所述扫描视场的视场角位于[40°,80°]；在另一个示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[2°，5°]，所述扫描视场的视场角位于[10°,20°]。光学元件的折射能力指在入射光垂直入光面的情况下，出射光相比入射光的偏折角度。折射能力之差小于10度，可以是指在入射光垂直入光面的情况下，对入射光的偏折方向相同，但偏折角度之差小于10度；或者是偏折方向不同，但偏折方向的夹角小于10度。

由于采用特定的第一光学元件和第二光学元件(例如双棱镜)旋转使得形成的扫描视场(也可以称为扫描图案)具有以下特征：

首先，在特定的扫描时间内，视场内的点云分布比较均匀；

再者，随着扫描时间的积累，视场内的点分布越来越密。如图5B所示，对比图5B中(a)图与图5B中(b)图，图5B中(b)图对应的扫描时间是5B中(a)图的5倍，点云也更加的细密。

更进一地，如图5B中(a)图所示，所述扫描视场具有接近于水平线的第一中间区域1，以对竖直方向长度大的目标物体进行探测，例如，在将本实用新型的距离探测装置应用于例如自动驾驶等场景时，便于对电线、路障等横向长度比较大的目标物体的探测。如图5B中(a)图所示，所述扫描视场具有接近于竖直线的第二中间区域2，以对横向长度大的目标物体进行探测，例如，在将本实用新型的距离探测装置应用于例如自动驾驶等场景时，便于对行人等横向长度比较大的目标物体的探测。

上述扫描模块102不仅可以应用于激光雷达中，还可以适用于激光制导、空间光通信及精密跟瞄系统等。

扫描模块102旋转可以将光投射至不同的方向，例如方向111和113，如此对距离探测装置100周围的空间进行扫描。当扫描模块102投射出的光111打到探测物101时，一部分光被探测物101沿与投射的光111相反的方向反射至距离探测装置100。扫描模块102接收探测物101反射的回光112，将回光112投射至收发透镜104。

收发透镜104会聚探测物101反射的回光112的至少一部分。在一个实施例中，收发透镜104上镀有增透膜，能够增加透射光束的强度。探测器105与光源103放置于收发透镜104的同一侧，探测器105用于将穿过收发透镜104的至少部分回光转换为电信号。在一些实施例中，探测器105可以包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管为高灵敏度的半导体器件，能够利用光电流效应将光信号转换为电信号。

在一个示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[25mm，35mm]之间。所述扫描视场的视场角位于[30°,90°]之间，更进一步还可以位于[40°,80°]之间。探测距离位于[100m,360m],更进一步还可以位于[200m,300m]之间。

在另一个示例中，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[45mm，60mm]之间。所述扫描视场的视场角位于[10°,20°]之间,探测距离位于[400m,650m]之间,更进一步还可以位于[500m,600m]之间。准直透镜(也即收发透镜)口径大，就可以接收更多的回波能量，雷达接收信号增强。透镜焦距增长，能够被雪崩光电二极管(APD)收到的噪声光空间张角会会减小，噪声就会减少。因此测距距离可以变长。

在一些实施例中，距离探测装置100包括测量电路，例如TOF单元107，可以用于测量TOF，来测量探测物101的距离。例如，TOF单元107可以通过公式t＝2D/c来计算距离，其中，D表示距离探测装置和探测物之间的距离，c表示光速，t表示光从距离探测装置投射到探测物和从探测物返回到距离探测装置所花的总时间。距离探测装置100可以根据光源103发射光束和探测器105接收到回光的时间差，确定时间t，进而可以确定距离D。距离探测装置100还可以探测探测物101在距离探测装置100的方位。距离探测装置100探测到的距离和方位可以用于遥感、避障、测绘、建模、导航等。

在一些实施例中，光源103可以包括激光二极管，通过激光二极管发射纳秒级别的激光。例如，光源103发射的激光脉冲持续10ns，探测器105探测到的回光的脉冲持续时间与发射的激光脉冲持续时间基本相等。进一步地，可以确定激光脉冲接收时间，例如，通过探测电信号脉冲的上升沿时间确定激光脉冲接收时间。在一些实施例中，可以对电信号进行多级放大。如此，距离探测装置100可以利用脉冲接收时间信息和脉冲发出时间信息计算TOF，从而确定探测物101到距离探测装置100的距离。

在图示实施例中，光路改变元件106、光源103和探测器105放置于收发透镜104的同一侧，光路改变元件106用于改变光源103发射的光束的光路或穿过收发透镜104的回光的光路。探测器105和光源103中的一者放置于收发透镜104的焦面上，另一者放置于收发透镜104的光轴的一侧。此处的“焦面”指过收发透镜104的焦点且垂直于收发透镜104的光轴的平面。在一个实施例中，距离探测装置100可以包括一个光路改变元件106。在另一个实施例中，距离探测装置100可以包括多个光路改变元件106，多次改变发出的光束的光路或回光的光路。

收发透镜104可以准直光源103发出的光束且可以会聚回光，光路改变元件106可以改变光源103发射的光束或回光的光路，以实现光发射和回光接收可以共用收发透镜104，从而距离探测装置100的结构更紧凑，更加小型化。而且，充分利用透镜，降低成本。

在一些实施例中，距离探测装置100包括位于扫描模块102相对于收发透镜104的一侧的窗口(未图示)，扫描模块102投射出的光穿过窗口投射至外界空间，回光可以穿过窗口至扫描模块102。光源103、探测器105、光路改变元件106、收发透镜104和扫描模块102可以封装于封装装置中，窗口形成于封装装置。在一个实施例中，窗口可以包括玻璃窗。在一个实施例中，窗口上镀有长波通膜。在一个实施例中，长波通膜对大约400nm-700nm的可见光透过率较低，对发射光束波段的光高透。

在一个实施例中，窗口的内表面、扫描模块102的表面、收发透镜104的表面、光路改变元件106的表面和探测器105的镜片的表面中的至少一个表面上镀有正水膜。正水膜为亲水膜，距离探测装置100发热时挥发的油在正水膜表面可以平铺开，避免油在光学元件的表面形成油滴，从而避免油滴对光传播的影响。在一些实施例中，距离探测装置100的其他光学元件的表面可镀有正水膜。在图1所示的实施例中，扫描模块102的第一光学元件114的相对非平行的两表面和第二光学元件115的相对非平行的两表面可以镀正水膜。

在本实用新型的测距装置中用旋转的第一光学元件和第二光学元件(例如旋转双棱镜)实现光源出射方向的动态调整，存在以下好处：首先，结构简单，从而稳定可靠，成本低，便于大规模普及应用；并且随着时间的积累，空间覆盖范围越来越大，从而空间信息的细密程度也越来越高；另外，激光出射方向的分布对双棱镜的转速变化很灵敏，从而有较大的优化空间；最后，通过调整棱镜的楔角和材料折射率，可以方便的调节视场的大小。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (29)

1.一种距离探测装置，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；

扫描模块，用于将所述光源发射的光束依次改变至不同的传播方向出射，形成一个扫描视场，其中，所述扫描模块包括旋转的第一光学元件和旋转的第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件同向旋转或者反向旋转；

探测器，用于接收所述光源发射的光束经物体反射回的至少部分，以及根据接收到的光束获取所述距离探测装置与所述物体的距离；

其中，所述探测器包括：

光电转换电路，用于接收光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号；

采样电路，用于对来自所述光电转换电路的电信号进行采样，获得采样结果；

运算电路，用于根据所述采样结果计算所述物体与所述测距装置之间的距离。

2.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述扫描视场的视场角位于[10°,100°]之间。

3.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件具有不同的转速。

4.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件的转速范围在3000rpm～30000rpm之间。

5.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和第二光学元件沿着所述光源发射的光束的传播方向顺序排布，其中，所述第一光学元件的转速大于所述第二光学元件的转速。

6.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第二光学元件的转速是所述第一光学元件的转速的50％～90％。

7.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，随着扫描时间的积累，所述扫描视场内的点分布越来越密。

8.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述扫描视场具有接近于水平线的第一中间区域，以对竖直方向长度大的目标物体进行探测；

所述扫描视场具有接近于竖直线的第二中间区域，以对横向长度大的目标物体进行探测。

9.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件均包括第一表面以及和所述第一表面相对而非平行的第二表面，其中，所述第一光学元件的第一表面和第二表面中的一个和所述第二光学元件的第一表面和第二表面中的一个相对设置。

10.如权利要求9所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件的第一表面和所述第二光学元件的第一表面相对设置，或者，所述第一光学元件的第二表面和所述第二光学元件的第二表面相对设置。

11.如权利要求9所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件绕同一旋转轴旋转，其中，所述第一表面和所述旋转轴垂直，所述第二表面相对所述第一表面倾斜设置。

12.如权利要求10所述的距离探测装置，其特征在于，以所述第一光学元件和所述第二光学元件的厚度减小最快的方向为其的延伸方向，则所述第一光学元件和所述第二光学元件的相对位置设置为使所述第二光学元件和所述第一光学元件的延伸方向相反或者相同。

13.如权利要求9所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴的夹角大于80度。

14.如权利要求9所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件相背的两个面，分别与所述光源的出射光轴垂直。

15.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件为对所述光源发射的光束的波长具有大于90％的透过率，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件为玻璃材料。

16.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件对所述光源发射的光束的折射率为1.1～2.2之间。

17.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，还包括收发透镜，用于：

对光源出射的光束进行准直后出射，和/或，

将接收到经所述物体反射回的至少部分光束汇聚至所述探测器。

18.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述扫描视场的视场角位于[30°,90°]之间。

19.如权利要求1或18所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[15°,21°]之间。

20.如权利要求17所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[25mm，35mm]之间。

21.如权利要求1或18所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[7°，11°]之间。

22.如权利要求1或17所述的距离探测装置，其特征在于，所述距离探测装置的测距距离位于[200m,300m]之间。

23.如权利要求1所述的距离探测装置，其特征在于，所述扫描视场的视场角位于[10°,20°]之间。

24.如权利要求1或23所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的第一表面和第二表面之间的夹角位于[5°,9°]之间。

25.如权利要求17所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件包括楔形棱镜，所述楔形棱镜和/或所述收发透镜的口径位于[45mm，60mm]之间。

26.如权利要求1或23所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或所述第二光学元件的折射能力位于[2°，5°]之间。

27.如权利要求1或23所述的距离探测装置，其特征在于，所述距离探测装置的测距距离位于[500m,600m]之间。

28.如权利要求1至17之一所述的距离探测装置，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件均为楔形棱镜。

29.根据权利要求28所述的距离探测装置，其特征在于，所述光发射装置的数量和所述光电转换电路的数量分别为至少2个；

每个所述光电转换电路用于接收来自对应的光发射装置出射的激光脉冲信号经物体反射回的至少部分光信号，以及将接收到的光信号转成电信号。

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