CN210347935U - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种激光雷达，包括：激光器，用于发射激光光束；扫描器，位于所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；穿孔反射镜，所述穿孔反射镜的中心为一孔区，以供激光光束穿过；所述穿孔反射镜远离所述扫描器的一面为反射面；角度放大器，用于对经所述孔区射出的激光光束的扫描角度进行放大后投射至待扫描区域，并将待扫描区域的物体对激光光束进行反射形成的回波光束进行接收后投射至所述反射面；以及探测器，所述探测器朝向所述反射面设置，以接收由所述反射面反射的回波光束。上述激光雷达具有同轴结构，具有较大的扫描角度且能够适用任意偏振态的激光光束。

Description

激光雷达

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达技术，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、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，然后将接收到的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，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

激光雷达通常包括激光器与探测器。根据激光器和探测器光轴的相对位置，激光雷达可以分为离轴和同轴两种。对于离轴激光雷达而言，激光器发射的光束经第一镜组后照射到目标物，经目标物反射的激光光束经第二镜组后被探测器探测到，第一镜组和第二镜组为不同的镜组。对于同轴激光雷达而言，激光器发射的激光光束与探测器探测到的激光光束共用同一镜组。现有的激光雷达大部分采用的是离轴结构，因为要实现激光雷达的同轴结构的实现具有一定的难度。传统的同轴激光雷达其扫描角度较小且部分同轴激光雷达近适用于某种偏振光，导致对激光光束的要求较高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种激光雷达，以实现激光雷达的同轴结构，具有较大的扫描角度且能够适用任意偏振态的激光光束。

一种激光雷达，包括：

激光器，用于发射激光光束；

扫描器，位于所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

穿孔反射镜，位于所述扫描器的一侧；所述穿孔反射镜的中心为一孔区，以供激光光束穿过；所述穿孔反射镜远离所述扫描器的一面为反射面；

角度放大器，用于对经所述孔区射出的激光光束的扫描角度进行放大后投射至待扫描区域，并将待扫描区域的物体对激光光束进行反射形成的回波光束进行接收后投射至所述反射面；以及

探测器，所述探测器朝向所述反射面设置，以接收由所述反射面反射的回波光束。

上述激光雷达，通过扫描器和穿孔反射镜的相互配合即可实现激光雷达的同轴结构，结构简单且能够适用于任意偏振态的激光光束，从而降低了对激光器以及相应激光光路器件的要求。同时通过角度放大器能够对穿孔反射镜输出的激光光束的扫描角度进行扩大，进而使得激光雷达具有较大的扫描角度。

在一实施例中，所述角度放大器包括负透镜单元；所述负透镜单元位于所述角度放大器远离所述扫描器的一侧；所述负透镜单元具有负光焦度。

在一实施例中，所述角度放大器还包括正透镜单元；所述正透镜单元位于所述激光器和所述扫描器之间；所述正透镜单元具有正光焦度。

在一实施例中，所述扫描器为MEMS振镜；所述MEMS振镜的反射面朝向所述激光光束的出射方向和所述穿孔反射镜。

在一实施例中，还包括准直器；所述准直器设置在所述激光器和所述扫描器之间，用于对激光器发射的激光光束进行准直。

在一实施例中，所述扫描器的反射面的尺寸大于投射至所述扫描器的激光光束的光斑尺寸；所述穿孔反射镜的尺寸大于所述扫描器的反射面的尺寸。

在一实施例中，所述穿孔反射镜的孔区的直径为5毫米～6毫米；所述穿孔反射镜的反射面的直径为40毫米～50毫米。

在一实施例中，所述穿孔反射镜相对于所述探测器的接受面成预设角度设置；所述预设角度为45度。

在一实施例中，所述激光雷达还包括接收镜组，所述接收镜组位于所述穿孔反射镜与所述探测器之间，所述接收镜组用于将所述穿孔反射镜的反射面反射来的回波光束进行聚焦，并照射到探测器上；和/或

所述激光雷达还包括滤光片；所述滤光片位于所述穿孔反射镜与所述探测器之间，所述滤光片用于透过所述回波光束中由所述激光器发射的激光光束，并过滤所述激光器发射的激光光束之外的光。

在一实施例中，所述激光雷达还包括：

控制器，与所述激光器电连接，所述控制器用于控制所述激光器发射激光光束；

驱动器，与所述控制器以及所述扫描器电连接，所述驱动器在所述控制器的控制下驱动所述扫描器改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

接收电路，与所述探测器以及所述控制器电连接，所述接收电路用于将从所述探测器接收的光电流信号转换为电压信号并输出至所述控制器；所述控制器还用于根据所述电压信号计算目标物的参数信息。

附图说明

图1为一实施例中的激光雷达的结构示意图。

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。

一种激光雷达，包括激光器、扫描器、穿孔反射镜、角度放大器和探测器。激光器用于发射激光光束。扫描器位于激光器的出光方向上，用于改变激光器发射的激光光束的出射方向。穿孔反射镜位于扫描器的一侧，穿孔反射镜的中心为一孔区，以供激光光束穿过。穿孔反射镜远离扫描器的一面为反射面。角度放大器用于对经孔区射出的激光光束的扫描角度进行放大后投射至待扫描区域，并将待扫描区域的物体对激光光束进行反射形成的回波光束进行接收后投射至反射面。探测器朝向反射面设置，以接收由反射面反射的回波光束。

上述激光雷达，通过扫描器和穿孔反射镜的相互配合即可实现激光雷达的同轴结构，结构简单且能够适用于任意偏振态的激光光束，从而降低了对激光器以及相应激光光路器件的要求。同时通过角度放大器能够对穿孔反射镜输出的激光光束的扫描角度进行扩大，进而使得激光雷达具有较大的扫描角度。

图1为一实施例中的激光雷达的结构示意图。参考图1，激光雷达包括激光器10、扫描器20、穿孔反射镜30、角度放大器40以及探测器50。激光器10发射激光光束。激光器10可以采用光纤激光器、半导体激光器、气体激光器或者固体激光器等。激光器10可以根据需要探测的距离或者安全等级来选择激光的波长，比如激光器10可以产生波长为1550nm的激光光束。

扫描器20设置在激光器10的出光方向上，用于改变激光器20发射的激光光束的出射方向，因此，扫描器20可以改变激光器10发射的激光光束的出射角度，以实现对待扫描区域中的扫描。穿孔反射镜30位于扫描器20的一侧。穿孔反射镜30的中心为一孔区32。扫描器20反射过来的激光光束穿过孔区32投射至角度放大器40上。

角度放大器40设置在穿孔反射镜30的一侧，用于对穿孔反射镜30的孔区32穿过来的激光光束的扫描角度进行放大后投射至待扫描区域。角度放大器40的放大倍数可以预先设置，比如11倍或者其他倍数。经过角度放大器40投射至待扫描区域的激光光束被待扫描区域内的物体反射形成回波光束后，由角度放大器40接收并汇聚到穿孔反射镜30上的反射面34上。穿孔反射镜30倾斜设置，从而可以将角度放大器40投射来的回波光束反射至探测器50上，并由探测器50实现光电转换。探测器50可以采用APD光电探测器，APD光电探测器为集成了雪崩光电二极管的光电探测器。探测器50也可以为单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或者PIN光电二极管。

上述激光雷达，由于穿孔反射镜30的孔区32能够供任意偏振态的激光光束通过，且其反射面34也能够对任意偏振态的激光光束都进行反射以投射至探测器50上，确保各回波光束能够被正确接收并探测。因此上述激光雷达可以适用于任意偏振态下的激光光束，降低了对激光器10的要求，且同时也降低了对光路设计的要求。通过扫描器20和穿孔反射镜30来实现激光雷达的同轴结构，结构简单，且易于实现。角度放大器40则可以对激光光束的扫描角度进行扩大，从而使得整个激光雷达的扫描角度可以达到120度左右，甚至更高，从而实现大扫描频率和超大扫描角度。

参见图1，在一实施例中，角度放大器40包括负透镜单元42。负透镜单元42设置在穿孔反射镜30远离扫描器20的一侧，也即位于激光光束的出射端。负透镜单元42具有负光焦度，能够将物体反射回来的回波光束汇聚到穿孔反射镜30的反射面34上。负透镜单元42可以为单个负透镜，或者负透镜单元42可以为一个具有负光焦度的透镜组。经扫描器20改变方向后的激光光束具有一个比较小的扫描角度。经过角度放大器40的放大以后，可以使激光雷达具有较大的扫描角度。

在一实施例中，角度放大器40还包括正透镜单元44。正透镜单元44位于激光器10与扫描器20之间，正透镜单元44具有正光焦度。也即正透镜单元44具有光线汇聚能力，可以将激光器10发射的激光光束的光斑尺寸缩小，然后将缩小后的激光光束照射到扫描器20上，因此使激光器10发射的激光光束全部照射到扫描器20上，提高了光能利用率。正透镜单元44可以为单个正透镜，或者正透镜单元44可以为一个具有正光焦度的透镜组。正透镜单元44和负透镜单元42共同构成的角度放大器，可以使激光雷达具有较大的扫描角度。

在一实施例中，扫描器20包括MEMS振镜。MEMS的中文释义为微机电系统，为Micro-Electro-Mechanical System的简称。MEMS振镜包括一微反射镜面。该反射镜面朝向激光光束的出射方向和穿孔反射镜30设置。反射镜面在驱动力作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度。与传统光学扫描方式相比，MMES振镜在体积、重量、功耗以及动态响应方面的优点尤为突出，此外还具备MEMS器件所共有的成本低、易于实现批量制造的优点。在其他实施方式中，MEMS振镜还可以使用机械振镜或者旋转棱镜进行替代。

在一实施例中，激光雷达还包括准直器60。准直器60位于激光器10和扫描器40之间。准直器60用于将激光器10发射的激光光束准直。比如，经过准直器60准直后的激光光束投射到扫描器20上的光斑直径在2mm左右，此时扫描器20的反射面的尺寸(也即直径)大于该光斑尺寸，比如设置为3mm左右，确保投射过来的激光光束都能够被扫描器20所反射。相应的，穿孔反射镜30的尺寸大于扫描器20的反射面的尺寸。在一实施例中，穿孔反射镜30的孔区32的尺寸也大于扫描器20的反射面34的尺寸，以使得反射面34反射过来的激光光束都能够经过该孔区32进入到角度放大器40上。在本文中所提及的尺寸均指该结构的最大尺寸，比如本实施例中的扫描器20以及穿孔反射镜30均为圆形结构，因此尺寸表示直径。具体地，穿孔反射镜30的孔区32的直径为5毫米～6毫米；穿孔反射镜30的反射面34的直径为40毫米～50毫米。穿孔反射镜30相对于探测器50的接受面的角度为预设角度。该预设角度在45度，从而确保具有足够的反射面对回波光束进行接收反射。可以理解，当预设角度在预设允许偏差范围内，也是允许的。

在一实施例中，激光雷达还包括接收镜组70。接收镜组70设置在穿孔反射镜30和探测器50之间。接收镜组70能够将穿孔发射镜30反射过来的激光光束聚焦至探测器50上，以方便探测器50进行探测接收。由于本实施例的激光雷达的结构本质是近乎于同轴，因此需要一个大面积探测器50来进行接收，比如采用大面积APD进行接收。

在一实施例中，激光雷达还包括滤光片80。滤光片80位于穿孔反射镜30与探测器50之间。滤光片80用于透过回波光束中属于激光器10发射的激光光束，而过滤激光光束之外的其他干扰光。滤光片80过滤掉了干扰光，从而提高了激光雷达的信噪比。

在一实施例中，激光雷达还包括控制器、驱动器和接收电路。上述三部分在图1中国均没有示出。控制器与激光器10电连接，控制器用于控制激光器10发射激光光束。驱动器与控制器以及扫描器20电连接，驱动器在控制器的控制下驱动扫描器20改变激光器10发射的激光光束的出射方向。接收电路与探测器50以及控制器电连接，接收电路用于将从探测器50接收的光电流信号转换为电压信号并输出至控制器。控制器还用于根据电压信号计算目标物的参数信息。目标物的参数信息例如目标物的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数。

示例性地，控制器控制扫描器20进行光束扫描，并记录每一时刻的光束偏转角度值。控制器可以控制激光器10的发射频率和发射功率。控制器从接收电路获取回波信号，以脉冲飞行时间计算方法计算目标物的距离。将目标物的距离与对应时刻的光束偏转角度(垂直方向上的偏振角度和水平方向上的偏转角度)结合即可获得目标物的三维位置。

可选地，激光雷达还包括模数转换电路、数模转换电路和放大器。数模转换电路可以与控制器以及驱动器电连接，用于将控制器输出的数字信号转化为模拟信号并传递至驱动器。放大器的输入端可以与接收电路的输出端电连接，放大器的输出端可以与模数转换电路电连接，模数转换电路的输出端可以与控制器电连接。放大器用于对接收电路输出的电信号进行放大。模数转换电路用于将经放大器放大后的模拟信号转化为数字信号并传递至控制器。

示例性地，入射至MEMS振镜的光斑直径为2mm，可以选择MEMS振镜直径为3mm。MEMS振镜尺寸越小，扫描频率越大。MEMS振镜的水平扫描角度可以为±5.5度，垂直扫描角度可以为±1度。正透镜单元44和负透镜单元42共同构成的角度放大器的放大倍数被设计为11倍时，可以实现120度的大扫描角度。可以理解的是，MEMS振镜的水平扫描角度、MEMS振镜的垂直扫描角度以及角度放大器的放大倍数可以根据实际需求而设计，本实用新型实施例对此不作限定。本实用新型实施例提供的激光雷达可以实现水平扫描角度120度、垂直扫描角度20度的扫描视场。

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、相互结合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 (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光光束；

扫描器，位于所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

穿孔反射镜，位于所述扫描器的一侧；所述穿孔反射镜的中心为一孔区，以供激光光束穿过；所述穿孔反射镜远离所述扫描器的一面为反射面；

角度放大器，用于对经所述孔区射出的激光光束的扫描角度进行放大后投射至待扫描区域，并将待扫描区域的物体对激光光束进行反射形成的回波光束进行接收后投射至所述反射面；以及

探测器，所述探测器朝向所述反射面设置，以接收由所述反射面反射的回波光束。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述角度放大器包括负透镜单元；所述负透镜单元位于所述角度放大器远离所述扫描器的一侧；所述负透镜单元具有负光焦度。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述角度放大器还包括正透镜单元；所述正透镜单元位于所述激光器和所述扫描器之间；所述正透镜单元具有正光焦度。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描器包括MEMS振镜；所述MEMS振镜的反射面朝向所述激光光束的出射方向和所述穿孔反射镜。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括准直器；所述准直器设置在所述激光器和所述扫描器之间，用于对激光器发射的激光光束进行准直。

6.根据权利要求1或5所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描器的反射面的尺寸大于投射至所述扫描器的激光光束的光斑尺寸；所述穿孔反射镜的尺寸大于所述扫描器的反射面的尺寸。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述穿孔反射镜的孔区的直径为5毫米～6毫米；所述穿孔反射镜的反射面的直径为40毫米～50毫米。

8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述穿孔反射镜相对于所述探测器的接受面成预设角度设置；所述预设角度为45度。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括接收镜组，所述接收镜组位于所述穿孔反射镜与所述探测器之间，所述接收镜组用于将所述穿孔反射镜的反射面反射来的回波光束进行聚焦，并照射到探测器上；和/或

所述激光雷达还包括滤光片；所述滤光片位于所述穿孔反射镜与所述探测器之间，所述滤光片用于透过所述回波光束中由所述激光器发射的激光光束，并过滤所述激光器发射的激光光束之外的光。

10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：

控制器，与所述激光器电连接，所述控制器用于控制所述激光器发射激光光束；

驱动器，与所述控制器以及所述扫描器电连接，所述驱动器在所述控制器的控制下驱动所述扫描器改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

接收电路，与所述探测器以及所述控制器电连接，所述接收电路用于将从所述探测器接收的光电流信号转换为电压信号并输出至所述控制器；所述控制器还用于根据所述电压信号计算目标物的参数信息。

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