CN210142188U - 一种棱镜及多线激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种棱镜及多线激光雷达系统。其中棱镜用于多线激光雷达中，包括顶面、底面和位于顶面与底面之间的至少三个侧面，其中至少两个侧面包括发射区域和接收区域；接收区域位于发射区域与顶面之间；沿顶面指向底面的方向，发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个反射面与底面之间的夹角不同。本实用新型实施例提供的棱镜，用于多线激光雷达系统中，可以实现降低多线激光雷达系统的制作成本和制作难度的效果。

Description

一种棱镜及多线激光雷达系统

技术领域

本实用新型实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种棱镜及多线激光雷达系统。

背景技术

随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达是一种通过激光来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。

目前，最常用的激光雷达包括单线激光雷达光学系统和多线激光雷达光学系统，其中，单线激光雷达利用单光束扫描，扫描区域小；多线激光雷达通过电机旋转对周围环境进行扫瞄，通过长焦大靶面接收光学系统将被照射物返回来的光线聚焦在相对应的光电感应器上，能将多个阵列的光束发射出去和接收回来，对周围环镜一定区域进行扫瞄，其缺陷是所需激光发射器太多，接收器需要具有较大的光敏面来接收被目标物反射的激光光束，而且处理电路比较复杂，成本较高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种棱镜及多线激光雷达系统，以降低多线激光雷达系统的制作成本和制作难度。

第一方面，本实用新型实施例提供一种棱镜，用于多线激光雷达中，包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的至少三个侧面，其中至少两个所述侧面包括发射区域和接收区域；所述接收区域位于所述发射区域与所述顶面之间；

沿所述顶面指向所述底面的方向，所述发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个所述反射面与所述底面之间的夹角不同。

可选的，沿所述顶面指向所述底面的方向，位于同一所述发射区域的各所述反射面与所述底面之间的夹角呈等差数列。

可选的，每个所述侧面包括至少四个反射面；

在同一所述发射区域中，靠近所述发射区域的中心的相邻两个所述反射面与所述底面之间的夹角差值最小。

可选的，所述接收区域所在侧面与所述底面的夹角为α₁，所述发射区域的一所述反射面与所述底面的夹角为α₂，α₁＝α₂。

可选的，所述反射面与所述底面之间夹角的最大值为α₃，所述反射面与所述底面之间夹角的最小值为α₄，0°＜|α₃-α₄|＜2°。

可选的，在同一所述侧面，沿所述顶面指向所述底面的方向，所述接收区域与底面的夹角和所述发射区域的各所述反射面与所述底面之间的夹角呈等差数列。

可选的，所述棱镜包括n对相对设置的侧面，n为大于或者等于2的正整数；

相对的两个所述侧面中，最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角均大于或者均小于，两个所述侧面之间的至少一个侧面最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角。

可选的，相对的两个所述侧面中，最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角相等。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种多线激光雷达系统，包括上述第一方面任一所述的棱镜，还包括：

旋转机构，所述棱镜位于所述旋转机构上，所述旋转机构带动所述棱镜绕旋转机构的旋转轴旋转；

至少一组发射接收组件，所述发射接收组件包括发射单元和接收单元；所述发射单元位于所述棱镜的一侧，用于发射激光光束，所述发射单元将发射的激光光束经所述棱镜的发射区域反射后照射到目标物；所述接收单元与同一组所述发射接收组件中的所述发射单元位于所述棱镜的同一侧，所述接收单元用于接收从所述目标物反射后经所述棱镜的接收区域反射的激光光束。

可选的，还包括：

发射镜组，位于所述发射单元与所述棱镜之间，用于将所述发射单元发射的激光光束进行准直照射到所述棱镜的发射区域上；

接收镜组，位于所述接收单元与所述棱镜之间，用于将所述棱镜的接收区域反射的激光光束进行聚焦照射到所述接收单元上。

可选的，所述发射单元包括激光光源，所述接收单元包括光电转换器，所述激光光源的数量与所述光电转换器的数量相同。

可选的，还包括滤光镜，所述滤光镜位于所述接收镜组与所述接收单元之间，用于滤除环境光。

可选的，还包括16通道互阻放大器，与所述接收单元电连接，用于将所述接收单元输出的光电流信号放大并转化为电压信号。

本实用新型实施例提供的棱镜，包括顶面、底面和位于顶面与底面之间的至少三个侧面，其中至少两个侧面包括发射区域和接收区域；接收区域位于发射区域与顶面之间；沿顶面指向底面的方向，发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个反射面与底面之间的夹角不同。通过将至少两个侧面设置为倾斜角度不同的反射面，从而使棱镜旋转时照射在不同反射面上的光束变为多条光束，通过设置同一侧面的反射面的倾斜角的不同变化趋势，可以改变反射光线的扫描分辨率；用于激光雷达并旋转时可以实现多线扫描，进而可以减少发射器和接收器的数量。通过设置发射区域和接收区域，发射区域可以将激光光束反射到目标物上，接收区域可以接收目标物反射的激光光束并将其反射到接收器。由于同一侧面上既包括发射区域又包括接收区域，该侧面的发射区域反射到目标物上的激光光束，经过目标物反射后可以经该侧面的接收区域接收，然后反射到接收器，从而无需专门设置一个大光敏面的接收器来接收目标物反射回来的激光光束，以实现降低多线激光雷达系统的制作成本和制作难度的效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种棱镜的立体结构示意图；

图2是图1所示的棱镜的一种主视示意图；

图3是提供的一种棱镜的侧面反射光路示意图；

图4是图1所示的棱镜的另一种主视示意图；

图5是图1所示的棱镜的又一种主视示意图；

图6是图1所示的棱镜的又一种主视示意图；

图7是本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达系统的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的中的具体含义。

图1所示为本实用新型实施例提供的一种棱镜的立体结构示意图，图2为图1所示的棱镜的一种主视示意图。本实用新型实施例提供的棱镜，可适用于多线激光雷达中，参考图1，该棱镜包括顶面10、底面20和位于顶面10与底面20之间的至少三个侧面30，其中至少两个侧面30包括发射区域301和接收区域302；接收区域302位于发射区域301与顶面10之间；沿顶面10指向底面20的方向，发射区域301包括依次排列的至少两个反射面，至少两个反射面与底面20之间的夹角不同。

需要说明的是，图1所示的棱镜的形状为四棱柱只是示意性的，并不是对本实用新型的限定，具体实施时，侧面30的数量可以根据实际需要设置。顶面10和底面20之间的至少两个侧面30设置为反射面，例如可以是图1中后表面和右表面。反射面可以通过在侧面的表面镀反射膜形成。示例性的，图2为图1的一种主视示意图，示出了右侧侧面的形状。图2示出的右侧侧面包括位于上方的接收区域302和位于下方的发射区域301，发射区域301包括至少两个反射面(图2中示例性的示出3个反射面301a、301b和301c)，至少两个反射面与底面20之间的夹角不同，例如图2中反射面301a和反射面301c与底面的夹角相同，反射面301a和反射面301b与底面的夹角不同。可以理解的是，将各侧面看作一个整体，至少两个侧面与底面的夹角不同。需要说明的是，图2中右侧短虚线是为了示意性示出各反射面与底面的夹角，并不是棱镜实际轮廓。

可以理解的是，当激光器发射的激光光束发射到棱镜的发射区域时，由于不同反射面与底面的夹角不同，会在空间的垂直方向(垂直于顶面和底面)上形成不同的反射光束，当棱镜旋转时，光束可以对目标物体进行扫描，例如对于图1所示的四个侧面的棱镜，如果四个侧面都设置为反射面，每个侧面的发射区域都包括三个反射面，可以通过调节三个反射面的倾斜角度调整反射光线在垂直方向的距离(例如中间密集，两边稀疏)，则棱镜旋转一周，一列激光器发出的激光光束可以形成四束不同分辨率的扫描光束，用于激光雷达中时通过一列激光器就可以实现四线多分辨率扫描，大大降低了多线激光雷达的复杂度和成本。

图3所示为本实用新型实施例提供的一种棱镜的侧面反射光路示意图。参考图3，图3中上方为接收区域302，下方为发射区域301，为了便于描述，图3中仅示出了接收区域302和发射区域301最靠近接收区域302的一个反射面，发射区域301将从右侧入射的激光光束(光源发出)反射到左侧，发射区域301反射的激光光束的传播方向为从右到左；接收区域302将从右侧入射的激光光束(目标物反射)反射到右侧，接收区域302反射的激光光束的传播方向为从左到右。通过在棱镜侧面设置接收区域，可以将目标物反射的光束反射和汇聚到接收器上，有效降低对接收镜头视场角的要求，减少接收器光敏面的面积，降低多线激光雷达系统的成本。

本实施例的技术方案，通过将至少两个侧面设置为倾斜角度不同的反射面，从而使棱镜旋转时照射在不同反射面上的光束变为多条光束，通过设置同一侧面的反射面的倾斜角的不同变化趋势，可以改变反射光线的扫描分辨率；用于激光雷达并旋转时可以实现多线扫描，进而可以减少发射器和接收器的数量。通过设置发射区域和接收区域，发射区域可以将激光光束反射到目标物上，接收区域可以接收目标物反射的激光光束并将其反射到接收器。由于同一侧面上既包括发射区域又包括接收区域，该侧面的发射区域反射到目标物上的激光光束，经过目标物反射后可以经该侧面的接收区域接收，然后反射到接收器，从而无需专门设置一个大光敏面的接收器来接收目标物反射回来的激光光束，以实现降低多线激光雷达系统的制作成本和制作难度的效果。

在上述技术方案的基础上，可选的，沿顶面指向底面的方向，位于同一发射区域的各反射面与底面之间的夹角呈等差数列。

示例性的，图4所示为图1所示的棱镜的另一种主视示意图。参考图4，沿从上到下的方向，发射区域301的各反射面与底面之间的夹角呈等差分布，即各反射面与底面的夹角呈梯度分布，例如从上到下各反射面301a、301b和301c与底面夹角依次为88°、88.5°、89°或者依次为89°、88.5°、88°(图4中未示出)，这样设置可以使各反射面的反射光线在垂直方向上等间距分布，实现空间上的等分辨率扫描。

可选的，每个侧面包括至少四个反射面；在同一发射区域中，靠近发射区域的中心的相邻两个反射面与底面之间的夹角差值最小。

示例性的，图5所示为图1所示的棱镜的又一种主视示意图。参考图5，沿从上到下的方向，发射区域301的各反射面与底面之间的夹角之差呈从中间向两侧增大的趋势，例如从上到下各反射面301a、301b、301c和301d与底面夹角依次为88°、88.4°、88.6°、89°或者依次为89°、88.6°、88.4°、88°，这样设置可以使各反射面的反射光线在垂直方向上中间区域距离较近(分辨率高)，探测距离较远，两边区域距离较远(分辨率低)，探测距离较近的效果。可以理解的是，当反射面的数量为奇数时，可以设置最中间的反射面和与之相邻的两个反射面与底面的夹角之差相同，都为最小值。

需要说明的是，以上发射区域反射面数量设置及夹角大小的举例只是示意性的，同一反射区域的各反射面与底面的夹角可以根据实际需求设定，不同侧面的反射区域对应位置处各反射面与底面的夹角可以相同也可以不同，本实用新型实施例不作限定。

可选的，接收区域所在侧面与底面的夹角为α₁，发射区域的一反射面与底面的夹角为α₂，α₁＝α₂。可选的，在同一侧面，沿顶面指向底面的方向，接收区域与底面的夹角和发射区域的各反射面与底面之间的夹角呈等差数列。

示例性的，继续参考图4，接收区域302与底面的夹角可以和发射区域的各反射面与底面之间的夹角呈梯度分布，例如可以为87.5°，或者与其中任意一个反射面与底面的夹角相同(例如88°或88.5°或89°)，或者都不相同，在其他实施例中，也可以根据要反射光线的角度，设计接收区域与底面的夹角。

可选的，反射面与底面之间夹角的最大值为α₃，反射面与底面之间夹角的最小值为α₄，0°＜|α₃-α₄|＜2°。

可以理解的是，这样设置的优点在于，保证了所有的反射面不至于倾斜过大，保证了多线雷达系统具有良好的分辨率。需要说明的是，在其他实施方式中，α₃与α₄的差值还可以大于或者等于2°。

可选的，棱镜包括n对相对设置的侧面，n为大于或者等于2的正整数；相对的两个侧面中，最邻近底面的反射面与底面的夹角均大于或者均小于，两个侧面之间的至少一个侧面最邻近底面的反射面与底面的夹角。

示例性地，图6所示为图1所示的棱镜的又一种主视示意图。参考图6，以n＝2为例，相对的左侧面最下面的反射面301c′、右侧面最下面的反射面301c与底面的夹角均大于或者均小于前侧面与后侧面中至少一个的最下面的反射面底面的夹角，例如反射面301c′与底面的夹角为89°，反射面301c与底面的夹角为88°，前侧面最下面的反射面与底面的夹角为87°。这样设置使反射面与底面的夹角不会存在绕棱镜一周方向逐渐增加或者逐渐减小的情况，从而避免了棱镜的多个反射面的力矩严重不均情况的发生，有助于实现棱镜在旋转时的多个反射面的力矩平衡。

可选的，相对的两个侧面中，最邻近底面的反射面与底面的夹角相等。

可以理解的是，通过设置相对的两个侧面中，最下面的反射面与底面的夹角相等，使相对的两个反射面具有相同的倾斜程度，在棱镜转动时，相对的两个反射面不会产生力矩不均，进一步地实现棱镜的多个反射面的力矩平衡。

图7为本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达系统的结构示意图，本实施例提供的激光雷达系统包括上述实施例提供的任意一种棱镜100，还包括旋转机构200，棱镜100位于旋转机构200上，旋转机构200带动棱镜100绕旋转机构200的旋转轴旋转；至少一组发射接收组件310，发射接收组件310包括发射单元300和接收单元400；发射单元300位于棱镜100的一侧，用于发射激光光束，发射单元300将发射的激光光束经棱镜100的发射区域反射后照射到目标物；接收单元400与同一组所述发射接收组件310中的发射单元300位于棱镜100的同一侧，接收单元400用于接收从目标物反射后经棱镜100的接收区域反射的激光光束。

可以理解的是，旋转机构200可以包括步进电机，旋转机构200的旋转轴与棱镜100的旋转轴重合；图7以包括一组发射接收组件310为例，当发射接收组件310为多组时，可以分别对应棱镜100的一个侧面。发射单元300可以包括脉冲激光器，用于发出脉冲光束；接收单元400可以包括光电转换器，将光信号转换成电信号，通过处理电信号，以获取目标物的距离、形状等信息。

本实施例的技术方案，通过将至少两个侧面设置为倾斜角度不同的反射面，从而使棱镜旋转时照射在不同反射面上的光束变为多条光束，通过设置同一侧面的反射面的倾斜角的不同变化趋势，可以改变反射光线的扫描分辨率；当旋转机构带动棱镜旋转时可以实现多线扫描，进而可以减少发射单元和接收单元的数量。通过在棱镜侧面设置发射区域和接收区域，发射区域可以将激光光束反射到目标物上，接收区域可以接收目标物反射的激光光束并将其反射到接收器。由于同一侧面上既包括发射区域又包括接收区域，该侧面的发射区域反射到目标物上的激光光束，经过目标物反射后可以经该侧面的接收区域接收，然后反射到接收器，从而无需专门设置一个大光敏面的接收器来接收目标物反射回来的激光光束，以实现降低多线激光雷达系统的制作成本和制作难度的效果。此外，使用旋转机构带动棱镜旋转而不用转动整机实现水平方向上的扫瞄，提高了产品的机械性能(抗震，抗冲击，及散热等)，同时整个雷达无需无线传电及大数据无线传输，简化了系统结构。

在上述实施例的基础上，可选的，图8所示为本实用新型实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图。参考图8，本实施例提供的激光雷达系统还包括：发射镜组500，位于发射单元300与棱镜100之间，用于将发射单元300发射的激光光束进行准直照射到棱镜100的发射区域上；接收镜组600，位于接收单元400与棱镜100之间，用于将棱镜100的接收区域反射的激光光束进行聚焦照射到接收单元400上。

可以理解的是，发射镜组500和接收镜组600可以选用相同的透镜组，具体实施时根据可以根据实际光路设计，本实用新型实施例对此不作限定。

可选的，发射单元包括激光光源，接收单元包括光电转换器，激光光源的数量与光电转换器的数量相同。

可以理解的是，在具体实施时，发射单元可以利用半导体激光器发射激光脉冲，接收单元可以利用雪崩二极管(APD)形成的光电转换器，为了进一步提高激光雷达的精度，可以设置多个激光器和光电转换器，多个激光器和光电转换器可以一列排布，也可以多列排布，且激光器和光电转换器的数量和排列方式相同。

可选的，继续参考图8，该激光雷达系统还包括滤光镜700，滤光镜700位于接收镜组600与接收单元400之间，用于滤除环境光。

可以理解的是，由于环境中可能存在太阳光、各种灯光等环境光对接收单元400接收的信号引起干扰，通过设置滤光镜700，可以滤除环境光，提高多线激光雷达系统测量准确性。

可选的，本实用新型实施例提供的多线激光雷达系统还包括16通道互阻放大器(图8中未示出)，与接收单元电连接，用于将接收单元输出的光电流信号放大并转化为电压信号。从而提高测量精度。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种棱镜，其特征在于，用于多线激光雷达中，包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的至少三个侧面，其中至少两个所述侧面包括发射区域和接收区域；所述接收区域位于所述发射区域与所述顶面之间；

沿所述顶面指向所述底面的方向，所述发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个所述反射面与所述底面之间的夹角不同。

2.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，沿所述顶面指向所述底面的方向，位于同一所述发射区域的各所述反射面与所述底面之间的夹角呈等差数列。

3.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，每个所述侧面包括至少四个反射面；

在同一所述发射区域中，靠近所述发射区域的中心的相邻两个所述反射面与所述底面之间的夹角差值最小。

4.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述接收区域所在侧面与所述底面的夹角为α₁，所述发射区域的一所述反射面与所述底面的夹角为α₂，α₁＝α₂。

5.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述反射面与所述底面之间夹角的最大值为α₃，所述反射面与所述底面之间夹角的最小值为α₄，0°＜|α₃-α₄|＜2°。

6.根据权利要求2所述的棱镜，其特征在于，在同一所述侧面，沿所述顶面指向所述底面的方向，所述接收区域与底面的夹角和所述发射区域的各所述反射面与所述底面之间的夹角呈等差数列。

7.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述棱镜包括n对相对设置的侧面，n为大于或者等于2的正整数；

相对的两个所述侧面中，最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角均大于或者均小于，两个所述侧面之间的至少一个侧面最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角。

8.根据权利要求7所述的棱镜，其特征在于，相对的两个所述侧面中，最邻近所述底面的反射面与所述底面的夹角相等。

9.一种多线激光雷达系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的棱镜，还包括：

旋转机构，所述棱镜位于所述旋转机构上，所述旋转机构带动所述棱镜绕旋转机构的旋转轴旋转；

至少一组发射接收组件，所述发射接收组件包括发射单元和接收单元；所述发射单元位于所述棱镜的一侧，用于发射激光光束，所述发射单元将发射的激光光束经所述棱镜的发射区域反射后照射到目标物；所述接收单元与同一组所述发射接收组件中的所述发射单元位于所述棱镜的同一侧，所述接收单元用于接收从所述目标物反射后经所述棱镜的接收区域反射的激光光束。

10.根据权利要求9所述的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：

发射镜组，位于所述发射单元与所述棱镜之间，用于将所述发射单元发射的激光光束进行准直照射到所述棱镜的发射区域上；

接收镜组，位于所述接收单元与所述棱镜之间，用于将所述棱镜的接收区域反射的激光光束进行聚焦照射到所述接收单元上。

11.根据权利要求9所述的多线激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元包括激光光源，所述接收单元包括光电转换器，所述激光光源的数量与所述光电转换器的数量相同。

12.根据权利要求10所述的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括滤光镜，所述滤光镜位于所述接收镜组与所述接收单元之间，用于滤除环境光。

13.根据权利要求9所述的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括16通道互阻放大器，与所述接收单元电连接，用于将所述接收单元输出的光电流信号放大并转化为电压信号。

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