CN210347921U - 一种激光发射装置以及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种激光发射装置以及激光雷达系统。激光装置包括：激光发射单元，用于向目标物产生激光束；凸透镜，设置在激光束的光路路径上且用于对激光束进行准直和汇聚，激光束从凸透镜的一侧入射并从凸透镜的另一侧出射；振镜，具有朝向凸透镜的反光面，反光面用于接收从凸透镜出射的激光束并将所接收到的激光束朝目标物进行反射，反光面呈凹面或凸面设置。其中，凸透镜位于激光发射单元与振镜之间。本实用新型可以在不改变凸透镜的屈光度的情况下，使激光雷达系统的扫描距离或扫描视场得到调节。

Description

一种激光发射装置以及激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种激光发射装置以及激光雷达系统。

背景技术

请参阅图1，目前，激光雷达系统100'是通过激光器101'发射激光束11'来探测目标物的位置、速度等特征量的雷达系统。在现有技术中，激光雷达系统100'中往往包含透镜102'、振镜103'等光学器件，其中，透镜102'用于对激光束11'准直、汇聚等，振镜103'用于将准直后的激光束12'进行反射，同时实现激光束13'的偏转，达到多角度激光扫描的效果。在激光雷达系统100'对目标物体扫描时，激光雷达系统100'中透镜102'的屈光度越小，激光的发光面越小，扫描距离将越大。反之，激光雷达系统100'中透镜102'的屈光度越大，激光的发光面越大，扫描视场将越大。因此，改变透镜102'的屈光度可以调节激光雷达系统100'的扫描范围，从而使激光雷达适配实际需求。

然而，透镜102'的屈光度与出射激光束12'的直径D为负相关，即减小透镜102'的屈光度时，其激光束12'直径D增大，而激光雷达系统100'中振镜103'的直径一般为3mm左右，从而导致对透镜102'出射的激光束12'难以全部接收，进而对调节激光束13'的扫描距离造成限制。

因此，通过改变透镜102'的屈光度而来调节激光雷达系统100'的探测范围，将比较困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种激光发射装置，旨在解决在不改变凸透镜的屈光度的情况下，如何有效调节激光雷达系统的探测范围的问题。

本实用新型提供了一种激光发射装置，用于向目标物发射激光束，所述激光装置包括：

激光发射单元，用于向目标物产生所述激光束；

凸透镜，设置在所述激光束的光路路径上且用于对所述激光束进行准直和汇聚，所述激光束从所述凸透镜的一侧射入并从所述凸透镜的另一侧射出；

振镜，所述振镜具有朝向所述凸透镜的反光面，所述反光面用于接收从所述凸透镜射出的所述激光束并将所接收到的所述激光束朝所述目标物进行反射，所述反光面呈凹面或凸面设置；

其中，所述凸透镜位于所述激光发射单元与所述振镜之间，所述凸透镜对所述激光束的屈光度为w₁，所述凸透镜和所述振镜共同对所述激光束的屈光度为w₀，w₁大于或小于w₀。

在一个实施例中，所述反光面呈凸面设置，所述反光面上任意一点的曲率中心位于所述振镜内。

在一个实施例中，所述反光面呈凹面设置，所述反光面上任意一点的曲率中心位于所述振镜外。

在一个实施例中，所述激光发射单元包括用于产生激光束的激光器、对所述激光束进行调制的激光调制器以及用于驱动所述激光器和所述激光调制器的激光驱动电路。

在一个实施例中，所述振镜包括光学反射镜以及用于驱动所述光学反射镜相对所述激光束转动的电子驱动器，所述反光面位于所述光学反射镜。

在一个实施例中，所述激光发射装置还包括的扩束器，所述扩束器位于所述激光发射单元与所述透镜之间且用于调节所述激光束的直径。

在一个实施例中，所述激光发射装置还包括位于所述激光束的传播光路上的光锥，所述光锥位于所述激光发射单元与所述透镜之间且用于调节所述激光束的功率密度。

在一个实施例中本实用新型的另一目的还在于提供一种激光雷达系统，其包括如上所述的激光发射装置、用于接收被所述目标物所反射的所述激光束的激光接收装置以及用于控制所述激光发射装置与所述激光接收装置的激光控制装置。

在一个实施例中，所述激光控制装置包含寄存器、连接所述寄存器的控制处理器以及用于驱动所述寄存器与所述控制处理器的控制电路。

在一个实施例中，所述激光接收装置包括用于接收从所述目标物所反射的回波信号的光电探测器以及连接所述光电探测器并用于处理所述回波信号的接收处理器。

本实用新型的另一目的在于提供一种激光雷达系统，其用于探测目标物，所述激光雷达系统包括：如上所述的激光发射装置、用于接收被所述目标物所反射的所述激光束的激光接收装置以及用于控制所述激光发射装置与所述激光接收装置的激光控制装置。

在一个实施例中，所述激光控制装置包含寄存器、连接所述寄存器的控制处理器以及用于驱动所述寄存器与所述控制处理器的控制电路。

在一个实施例中，所述激光接收装置包括用于接收从所述目标物所反射的回波信号的光电探测器以及连接所述光电探测器并用于处理所述回波信号的接收处理器。

本实用新型的技术效果是：将振镜结构的反光面设置成非平面，从而达到间接改变激光雷达系统中透镜的屈光度的目的。激光雷达系统的总屈光度等于透镜的屈光度加上振镜结构的屈光度。激光发射装置的发光面大小与总屈光度呈正比关系，而激光发射装置的发光面大小的改变将会引起激光雷达系统扫描范围的改变。需要说明的是，凸透镜和凹面镜的屈光度为正值，凹透镜和凸面镜的屈光度为负值。从而可以根据不同扫描范围的需求来选择不同形状的反光面，使得激光雷达系统的总屈光度增大或变小，进而改变激光发射装置的发光面面积，在不改变凸透镜的屈光度的情况下，使激光雷达系统的扫描距离或扫描视场得到调节。

附图说明

图1是现有技术中激光发射装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所提供的激光雷达系统的结构原理图；

图3是图2的激光发射装置的反光面为凸面镜的结构示意图；

图4是图2的激光发射装置的反光面为凹面镜的结构示意图。

附图中标号与名称对应的关系如下所示：

200、激光雷达系统；23、激光发射装置；22、激光接收装置；21、激光控制装置；24、目标物；301、激光发射单元；31、激光束；302、透镜；303、振镜；304、反光面；

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“垂直”、“平行”、“底”、“角”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

请参阅图2至图4，本实用新型实施例提供了一种激光发射装置23以及具有其的激光雷达系统200。激光发射装置23用于向目标物24发射激光束31。激光雷达系统200还包括用于从目标物24接收反射过来的激光束31的激光接收装置102以及用于控制激光发射装置23与激光接收装置102的激光控制装置21。激光雷达系统200用于对目标物24的物理特征进行探测，其中物理特征包括速度、位置等。激光雷达系统200的扫描范围包括扫描距离和扫描视场，其中，激光发射装置23的发光面积越小，激光束31投射的光程越长，激光雷达系统200的扫描距离越大；反之，激光发射装置23的发光面积越大，激光束31投射的视场越大，激光雷达系统200的扫描视场越大。激光装置包括：激光发射单元301、凸透镜302以及振镜303。激光发射单元301用于向目标物24产生激光束31。凸透镜302设置在激光束31的光路路径上且用于对激光束31进行准直和汇聚，其中，凸透镜302可以为普通的光学凸透镜302。激光束31从凸透镜302的一侧入射并从另一侧出射光束32，从而使激光束31得到准直和汇聚。凸透镜302位于激光发射单元301与振镜303之间，振镜303具有朝向凸透镜302的反光面304，反光面304用于接收从凸透镜302出射的激光束32并将所接收到的激光束32朝目标物24进行反射，可以理解的是，振镜303通过反光面304将从凸透镜302出射的激光束32反射至目标物24。其中，反光面304呈凹面或凸面设置。凸透镜对激光束的屈光度为w₁，凸透镜302和振镜303组合对激光束的屈光度为w₀，w₁大于或小于w₀。

为更好地说明本实用新型，将凸透镜302的焦距记为f，凸透镜302的物距记为u，凸透镜302的像距记为v。激光发射单元301的发光面积记为S₁，激光发射装置23的发光面记为S₂，有如下关系式：

S₂＝S₁×(v/u) (1)

1/f＝1/u+1/v (2)

w₁＝1/f (3)

可以理解的是，在激光雷达系统200扫描目标物体时，凸透镜302的像距v远大于物距u，通过公式(1)、(2)、(3)可以得到公式(4)。

S₂＝S₁×(v/u)＝S₁×(v/f)＝S₁×v×w₁ (4)

由公式(4)可知，凸透镜302的屈光度w₁越小，激光发射装置23的发光面积S₂越小；凸透镜302的屈光度w₁越大，激光发射装置23的发光面积S₂越大。可以理解的是，发光面积S₂越小，激光束33投射的光程越长，激光雷达系统200的扫描距离将越大；激光的发光面积S₂越大，激光束33投射的视场越大，激光雷达系统200的扫描视场将越大。需要说明的是，当凸透镜302的屈光度w₁减小时，从凸透镜302出射的激光束32的孔径D增大，然而，对于振镜303而言，由于其微机械结构，其表面直径一般为3mm左右，难以接收全部光束。可以理解的是，振镜结构与凸透镜302之间的距离远小于激光束31的投射光程，即激光束32到达振镜303时，其激光束31的直径近似等于D。

将振镜303的反光面304设置成非平面，从而达到间接改变激光雷达系统200中凸透镜302的屈光度的目的。激光雷达系统200的总屈光度w₀等于凸透镜302的屈光度w₁与振镜303的屈光度w₂之和，如公式(5)所示。激光发射装置23的发光面大小S₂与总屈光度w₀呈正比关系，而激光发射装置23的发光面大小的改变将会引起激光雷达系统200扫描范围的改变。需要说明的是，凸透镜和凹面镜的屈光度为正值，凹透镜和凸面镜的屈光度为负值。从而可以根据不同扫描范围的需求来选择不同形状的反光面304，使得激光雷达系统200的总屈光度增大或减小，进而改变激光发射装置23的发光面面积S₂，使激光雷达系统200的扫描距离或扫描视场得到调节。

w_0＝w₁₊w₂ (5)

由上述公式(4)和(5)，可以得到公式(6)：

S₂＝S₁×v×w₀ (6)

请同时参阅图3，在一个实施例中，反光面304呈凸面设置，反光面304上任意一点的曲率中心位于振镜303结构内。呈凸面设置的反光面304使得振镜303的屈光度w₂为负值，可以理解的是，通过反光面304为凸面镜的振镜303与凸透镜302的结合，将使得总屈光度w₀＝w₁+w₂减小，进而达到减小发光面S₂面积的目的，从而使激光束31投射的光程增长，激光雷达系统200的扫描距离增大。

请同时参阅图4，在一个实施例中，反光面304呈凹面设置，反光面304上任意一点的曲率中心位于振镜303结构外。呈凹面设置的反光面304使得振镜303的屈光度w₂为正值，可以理解的是，通过反光面304为凹面的振镜303与凸透镜302的结合，将使得总屈光度w₀＝w₁₊w₂增大，进而达到增大发光面S₂面积的目的，从而使激光束投射视场增大，激光雷达系统200的扫描视场增大。

在一个实施例中，激光发射单元301包括用于产生激光束31的激光器、对激光束31进行调制的激光调制器以及用于驱动激光器和激光调制器的激光驱动电路。激光调制器可以根据激光束31所传播的距离进行激光束31的强度调制或相位调制。

在一个实施例中，激光器为红宝石激光器、氦氖激光器以及二极管激光器中的一种。

请参阅图2至图4，在一个实施例中，振镜303包括光学反射镜以及用于驱动光学反射镜相对激光束32转动的电子驱动器，光学反射镜用于反射激光束32。具体地，定义激光束32的传播方向为X轴的正方向，垂直于X轴且朝向的方向为Y轴正方向。电子驱动器驱动光学反射镜在X方向和/或Y方向偏转，从而控制激光束33在X方向和/或Y方向的偏转，实现激光雷达系统200的多角度扫描。

在一个实施例中，激光发射装置23还包括扩束器，扩束器位于激光发射单元301与凸透镜302之间，扩束器用于调节激光束31的直径，对激光束31的直径进行展宽使其适配凸透镜302的尺寸。

在一个实施例中，激光发射装置23还包括位于激光束31的传播光路上的光锥，光锥位于激光发射单元301与凸透镜302之间且用于调节激光束31的功率密度。光锥可以调节激光束31的功率密度，使其光照强度在横截面上保持均匀。

在一个实施例中，激光接收装置102包括用于接收从目标物24所反射的回波信号的光电探测器以及连接光电探测器并用于处理回波信号的接收处理器，接收处理器将处理结果反馈至激光控制装置21，从而得到目标物24的相关物理特征。

在一个实施例中，激光控制装置21包含寄存器、连接寄存器的控制处理器以及用于驱动寄存器与控制处理器的控制电路。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光发射装置，用于向目标物发射激光束，其特征在于，所述激光发射装置包括：

激光发射单元，用于向目标物产生所述激光束；

凸透镜，设置在所述激光束的光路路径上且用于对所述激光束进行准直和汇聚，所述激光束从所述凸透镜的一侧射入并从所述凸透镜的另一侧射出；

振镜，所述振镜具有朝向所述凸透镜的反光面，所述反光面用于接收从所述凸透镜出射的所述激光束并将所接收到的所述激光束朝所述目标物进行反射，所述反光面呈凹面或凸面设置；

其中，所述凸透镜位于所述激光发射单元与所述振镜之间，所述凸透镜对所述激光束的屈光度为w₁，所述凸透镜和所述振镜共同对所述激光束的屈光度为w₀，w₁大于或小于w₀。

2.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于：所述反光面呈凸面设置，所述反光面上任意一点的曲率中心位于所述振镜内。

3.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于：所述反光面呈凹面设置，所述反光面上任意一点的曲率中心位于所述振镜外。

4.如权利要求1-3任意一项所述的激光发射装置，其特征在于：所述激光发射单元包括用于产生激光束的激光器、对所述激光束进行调制的激光调制器以及用于驱动所述激光器和所述激光调制器的激光驱动电路。

5.如权利要求1-3任意一项所述的激光发射装置，其特征在于：所述振镜包括光学反射镜以及用于驱动所述光学反射镜相对所述激光束转动的电子驱动器，所述反光面位于所述光学反射镜。

6.如权利要求1-3任意一项所述的激光发射装置，其特征在于：所述激光发射装置还包括扩束器，所述扩束器位于所述激光发射单元与所述透镜之间且用于调节所述激光束的直径。

7.如权利要求1-3任意一项所述的激光发射装置，其特征在于：所述激光发射装置还包括位于所述激光束的传播光路上的光锥，所述光锥位于所述激光发射单元与所述透镜之间且用于调节所述激光束的功率密度。

8.一种激光雷达系统，用于探测目标物，其特征在于，所述激光雷达系统包括：如权利要求1-7任意一项所述的激光发射装置、用于接收被所述目标物反射的所述激光束的激光接收装置以及用于控制所述激光发射装置与所述激光接收装置的激光控制装置。

9.如权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光控制装置包含寄存器、连接所述寄存器的控制处理器以及用于驱动所述寄存器与所述控制处理器的控制电路。

10.如权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光接收装置包括用于接收从所述目标物反射的回波信号的光电探测器以及连接所述光电探测器并用于处理所述回波信号的接收处理器。

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