CN210465678U - 一种激光发射装置以及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光发射装置以及激光雷达系统。激光发射装置包括：激光发射单元、扩散器以及扫描镜。激光发射单元用于产生激光束。扩散器设置在激光束的传播光路上，扩散器至少朝一个扩散方向扩大激光束的直径并向外投射被扩散的激光束，各扩散方向均垂直于激光束入射扩散器的入射方向，激光束沿扩散方向的直径依照入射方向呈逐渐增大设置。扫描镜与扩散器相对设置，扫描镜在预设角度范围内旋转并向外偏转反射入射其的激光束。本实用新型使得从激光发射单元出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大地增加了激光束的扫描范围，有助于使激光雷达系统实现大视场扫描。

Description

一种激光发射装置以及激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光发射装置以及激光雷达系统。

背景技术

目前，激光雷达是一种发射激光束探测待测体的位置、速度等信息的雷达系统。激光雷达通过向待测体发射激光束，然后将接收到的从待测体反射回来的信号经过适当处理后，就可以获得待测体的相关信息，从而对待测体进行探测、跟踪和识别。激光雷达具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，因而广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等众多技术领域。

激光雷达的扫描范围与激光发射模块发射激光束的视场范围直接相关。然而，由于目前的激光雷达发射的激光束视场范围有限，导致激光雷达的扫描视场范围受限，因而无法进行大范围探测。

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，旨在解决如何扩大激光雷达系统的扫描范围的问题。

本实用新型提供了一种激光发射装置，用于发射激光束以探测目标物，所述激光发射装置包括：

激光发射单元，用于产生所述激光束；

扩散器，设置在所述激光束的传播光路上，所述扩散器至少朝一个扩散方向扩大所述激光束的直径并向外投射所述激光束，各所述扩散方向均垂直于所述激光束入射所述扩散器的入射方向，所述激光束沿所述扩散方向的直径沿所述入射方向呈逐渐增大设置；以及

扫描镜，与所述扩散器相对设置，所述扫描镜在预设角度范围内旋转并向外偏转反射入射其的所述激光束；

其中，所述扩散器朝所述扫描镜投射所述激光束，所述扫描镜朝所述目标物偏转反射所述激光束。

在一个实施例中，各所述光线入射所述扩散器的入射方向与该光线出射所述扩散器的出射方向所确定的平面均水平布置和/或竖直布置。

在一个实施例中，所述激光发射单元包括产生所述激光束的激光器、用于准直所述激光束的第一准直透镜以及用于聚焦所述激光束的聚焦透镜，所述第一准直透镜和所述聚焦透镜均位于所述激光束的传播光路上。

在一个实施例中，所述第一准直透镜位于所述激光器与所述聚焦透镜之间，所述激光发射单元还包括位于所述激光器与所述第一准直透镜之间的第二准直透镜，所述第二准直透镜用于对所述激光束进行准直。

在一个实施例中，所述激光器设置有多个，各所述激光器与所述第一准直透镜之间均至少设置有一所述第二准直透镜。

在一个实施例中，所述激光发射单元还包括用于提高所述激光束出射光程的光锥，所述光锥设置于所述激光束的出光光路上，所述第一准直透镜与所述聚焦透镜均位于所述激光器与所述光锥之间，所述光锥具有供所述激光器投射所述激光束的入光面以及与所述入光面相对设置且朝所述扩散器出射所述激光束的出光面。

在一个实施例中，所述光锥包括锥本体以及涂覆于所述锥本体的锥侧面上的反射层，所述入光面与所述出光面分别位于所述锥本体两端的端面，所述锥本体的横截面面积从所述入光面指向所述出光面的方向渐缩设置。

在一个实施例中，所述光锥包括锥套以及设置在所述锥套内且用于引导所述激光束传播的多根锥形光纤，所述入光面与所述出光面分别位于所述锥套的两端，所述激光束从所述入光面射入各所述锥形光纤并从所述出光面出射各所述锥形光纤，各所述锥形光纤的横截面面积沿所述激光束的传播方向呈逐渐缩小设置。

在一个实施例中，所述锥形光纤包括引导所述激光束传播的芯本体以及包裹于所述芯本体侧表面的包层；所述芯本体的折射率大于所述包层的折射率，所述芯本体的横截面面积从所述入光面朝所述出光面逐渐缩小设置。

本实用新型的另一目的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、从所述目标物接收所述激光束的激光接收装置以及控制装置，所述控制装置用于控制所述激光发射装置与所述激光接收装置。

本实用新型的技术效果是：通过在激光发射单元的出光路径上设置扩散器，扩散器至少朝一个扩散方向扩大所述激光束的直径并向外投射激光束，激光束沿扩散方向的直径沿入射方向呈逐渐增大设置，增大了从激光发射单元出射的激光束的视场范围，从而可以增大激光雷达系统的扫描视场。同时，在激光发射单元的出光路径上设置扫描镜，使得扩散的激光束在投射至扫描镜后均可以发生偏转反射，从而使得从激光发射单元出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大地增加了激光束的扫描范围，有助于使激光雷达系统实现大视场扫描。

附图说明

图1是本实用新型实施例所提供的激光雷达系统的原理示意图；

图2是本实用新型的激光发射装置的结构示意图；

图3是图2的激光发射单元的结构示意图；

图4是图3的一个实施例中光锥的结构示意图；

图5是图3的另一实施例中光锥的结构示意图；

图6是图5的锥形光纤的结构示意图。

附图中标号与名称对应的关系如下所示：

100、激光雷达系统；10、激光发射装置；20、激光接收装置；30、控制装置；200、目标物；101、激光发射单元；102、扩散器；103、扫描镜；12、第一激光束；13、第二激光束；14、第三激光束；12'、第一反射激光束；13'、第二反射激光束；14'、第三反射激光束；1011、激光器；1012、第一准直透镜；1013、聚焦透镜；1014、第二准直透镜；1015、光锥；111、锥本体；114、反射层；112、入光面；113、出光面；115、锥形光纤；111'、锥管；1152、芯本体；1151、包层；1153、第一端面；1154、第二端面；11、激光束；

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1至图2，本实用新型实施例提供了一种激光发射装置10以及具有其的激光雷达系统100。激光雷达系统100还包括激光接收装置20以及控制装置30。控制装置30与激光发射装置10连接，用于控制激光发射装置10向目标物200发射激光束。控制装置30还与激光接收装置20连接，并控制激光接收装置20接收经目标物200反射回的回波信号，通过激光接收装置20内部处理后得到目标物200的相关信息。

激光发射装置10包括：激光发射单元101、扩散器102以及扫描镜103。激光发射单元101用于产生并向扩散器102发射激光束11。激光发射单元101所产生的激光束11的波长可以根据实际需要进行设置。扩散器102设置在激光束11的传播光路上。可以理解的是，扩散器102至少朝一个扩散方向扩大入射其的激光束11的直径并向外投射激光束11，各扩散方向均垂直于激光束11入射扩散器102的入射方向，出射扩散器102的激光束11沿某一扩散方向的直径沿激光束11的入射方向呈逐渐增大设置。扫描镜103与扩散器102相对设置，扩散器102朝扫描镜103投射激光束，扫描镜103在预设角度范围内旋转并向外偏转反射入射其的激光束。具体地，扫描镜103朝目标物200偏转反射激光束。

通过在激光发射单元101的出光路径上设置扩散器102，扩散器102至少朝一个扩散方向扩大激光束11的直径并向外投射激光束，出射扩散器102的激光束11沿某一扩散方向的直径沿激光束11的入射方向呈逐渐增大设置，增大了从激光发射单元101出射的激光束11的视场范围，从而可以增大激光雷达系统100的扫描视场。同时，在激光发射单元101的出光路径上设置扫描镜103，使得扩散的激光束在投射至扫描镜103后均可以发生偏转反射，从而使得从激光发射单元101出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大地增加了激光束的扫描范围，有助于使激光雷达系统100实现大视场扫描。

在一个实施例中，扩散方向为水平方向。具体地，激光束11经扩散器102后，其直径沿水平方向发生扩大，从而可以扩大激光发射装置10的水平方向的视场范围。

在一个实施例中，扩散方向为竖直方向。具体地，激光束11经扩散器102后，其直径沿垂直方向发生扩大，从而可以扩大激光发射装置10的垂直方向的视场范围。

在一个实施例中，扩散方向为水平方向和竖直方向，从而可以同时扩大激光发射装置10的水平方向和垂直方向的视场范围。

请参阅图2，也可以理解地是，经扩散器102扩散后的激光束包括不同发射角度的激光束且可以分别记为第一激光束12、第二激光束13和第三激光束14，经扫描镜103反射后得到不同发射角度方向的扫描激光束记为第一反射激光束12'、第二反射激光束13'和第三反射激光束14'。其中，发射角度是指第一激光束12、第二激光束13或第三激光束14与入射扩散器102的激光束11之间的夹角。需要说明的是，经扩散器102扩散后的激光束包含多个发射角度的激光束，本实施例中的第一激光束12、第二激光束13以及第三激光束14仅为其中的一部分激光束。

在一个实施例中，扩散器102可以是一种衍射光学原件，用于将输入激光束(可以是单膜，多模等)转化为不同角度的输出激光束，且得到的激光光斑具有均匀的强度分布。扩散器102常见的形状有：圆形、方形、矩形、椭圆形或六角形。除此之外，扩散器102也可以设计成其它任何形状的图像。因此，激光扩散器102也称为激光任意图形发生器，可以定制相应形状的激光图案的强度分布等。

可选地，扫描镜103为振镜，振镜旋转的角度范围为[-20°，20°]，当扫描镜103旋转预定角度时，第一激光束12、第二激光束13和第三激光束14相对扫描镜103的入射角度也发生改变，从而使得对应的反射激光束发生不同程度的偏转，极大地增加了激光雷达装置的扫描视场。

在一个实施例中，扫描镜103包括一个反射镜以及驱动反射镜偏转的电子驱动器(图中未示出)，电子驱动器可以实现该反射镜在两个非平行的方向上进行旋转。可以理解地是，反射镜旋转的两个方向分别记为第一方向和第二方向，第一方向和第二方向不平行设置。可选地，第一方向和第二方向相互垂直，且分别记为X方向和Y方向，其中X方向为激光束从激光发射单元101的出射方向。激光发射单元101和扫描镜103均位于X方向与Y方向所确定的平面。电子驱动器驱动反射镜围绕X方向和/或Y方向上旋转，从而使得反射激光束可以在X方向和/或Y方向上进行偏转，实现激光束在X方向和/或Y方向上的大视场扫描。

应当理解的是，在其它实施例中，反射镜的数量也可以为两个或两个以上，各反射镜能够在电子驱动器的驱动下进行旋转，使得激光束能够发生偏转，此处不做限制。

本实施例通过设置扩散器102从而增大从激光发射单元101出射的激光束的视场范围，从而可以增大激光雷达系统100的扫描视场。同时，本实施例在激光发射单元101的出光路径上设置扫描镜103，使得每一个角度的激光束在投射至扫描镜103后均可以发生偏转，从而使得从激光发射单元101出射的激光束可以在预设范围内进行偏转扫描，极大增加了激光束的扫描范围，有助于实现激光雷达系统100的大视场扫描。

请参阅图3，在一个实施例中，激光发射单元101包括产生激光束的激光器1011、用于准直激光束的第一准直透镜1012、用于聚焦激光束的聚焦透镜1013、用于准直激光束的第二准直透镜1014以及光锥1015。其中，第一准直透镜1012和聚焦透镜1013均位于激光束的传播光路上。可选地，激光器1011包括红宝石激光器1011、氦氖激光器1011或者激光二极管等。第一准直透镜1012设置在激光束的出光光路上且对激光束进行准直。聚焦透镜1013也设置在激光束的出光光路上且对激光束进行聚焦。可选地，第一准直透镜1012和聚焦透镜1013的数量均可以为一个或一个以上。激光发射单元101由激光器1011、透镜(1012、1013、1014)、光锥1015等光学部件组合而成为优化的激光发射单元101。

可选地，第一准直透镜1012和聚焦透镜1013均为普通透镜，其设置方式可以根据需要进行选择。例如，第一准直透镜1012和聚焦透镜1013依次设于激光器1011的出光路径上，激光束首先通过第一准直透镜1012准直，再经过聚焦透镜1013汇聚后传播至光锥1015；或者，聚焦透镜1013和第一准直透镜1012依次设于激光器1011的出光路径上，激光束首先通过聚焦透镜1013汇聚，再通过第一准直透镜1012准直后传播至光锥1015。可以理解的是，在其它实施例中，第一准直透镜1012和聚焦透镜1013也可以为其他形式，此处不作限制。

在一个实施例中，第一准直透镜1012位于激光器1011与聚焦透镜1013之间，激光发射单元101还包括位于激光器1011与第一准直透镜1012之间的第二准直透镜1014，激光束先被第二准直透镜1014准直后，再入射第一准直透镜1012，有助于提高激光束的质量。

在一个实施例中，第二准直透镜1014的直径小于第一准直透镜1012的直径。可选地，第二准直透镜1014也可以设置两个或两个以上。

在一个实施例中，激光器1011设置有多个，各激光器1011与第一准直透镜1012之间均至少设置有一第二准直透镜1014。各激光器1011发射的激光束经对应的第二准直透镜1014准直后出射至第一准直透镜1012处并进一步被准直。可以理解的是，各激光器1011出射的激光束平行且准直。通过在激光发射单元101中设置多个激光器1011，可以有效增加激光发射单元101出射激光束的功率，有助于进一步增加激光束的光程，从而可以增大激光雷达装置的扫描距离。

在一个实施例中，激光发射单元101还包括用于提高激光束出射光程的光锥1015，光锥1015设置于激光束的出光光路上，第一准直透镜1012与聚焦透镜1013均位于激光器1011与光锥1015之间。光锥1015具有供激光器投射激光束的入光面112以及出光面113。出光面113与入光面112相对设置且朝扩散器102出射激光束。聚焦透镜1013或第一准直透镜1012出射的激光束入射光锥1015，通过光锥1015减小出射激光束的发射面积，可以有效增大激光束的发射光程，有助于增大激光雷达系统100的探测距离。

在一个实施例中，入光面112与出光面113分别位于光锥1015的两端，且入光面112的面积大于出光面113的面积。光锥1015的入光面112朝向聚焦透镜1013，用于供激光束入射，光锥1015的出光面113则用于供激光束出射。即激光束经准直和聚焦调整后从入光面112入射至光锥1015中，并从出光面113出射。由于光锥1015可以有效提高入射光束的损伤阈值，同时可以对入射光束进行准直，因此激光束经过光锥1015后可以有效提高光束质量，减小发光面积。需说明的是，光锥1015的具体结构可以根据需要进行设置，并不限于此。

请参阅图4，在一个实施例中，光锥1015包括锥本体111以及涂覆于锥本体111的锥侧面上的反射层114，入光面112与出光面113分别位于锥本体111两端的端面，锥本体111的横截面面积从入光面112指向出光面113的方向呈渐缩设置。反射层114包覆于锥本体111的外表面，以使得通过入光面112进入锥本体111内的激光束会在反射层114的全反射作用下最终从出光面113出射，避免了激光束的损失。

可选地，锥本体111和反射层114可均由普通光学材料制成，例如可以是不同折射率的玻璃制成，加工方便，成本低廉。

在一个实施例中，锥本体111的折射率大于反射层114的折射率，激光束在锥本体111内传播至锥本体111和反射层114的交界处时，当激光束入射反射层114的入射角大于临界角时，激光束将发生全反射，此时激光束会在锥本体111内传播至出光端面，有效避免了激光束的损失。

请参阅图5，在一个实施例中，光锥1015包括锥套以及设置在锥套内且用于引导激光束传播的多根锥形光纤115，入光面112与出光面113分别位于锥套的两端，激光束从入光面112射入各锥形光纤115并从出光面113出射各锥形光纤115，各锥形光纤115的横截面面积沿激光束的传播方向呈逐渐缩小设置。相应地，锥套的内径从入光面112朝出光面113逐渐减小设置。多根锥形光纤115紧密排布在锥套内，且锥形光纤115位于入光面112处端面大于其位于出光面113处的端面，从而确保激光束经过各锥形光纤115后发光面积会减小。锥套可由普通光学材料制成，例如可以是由光学玻璃制成。激光束在锥形光纤115内传输时会发生全反射，确保了激光束只能从出光面113处出射各锥形光纤115，有效避免了激光束在传播过程中的损失。

请参阅图6，在一个实施例中，锥形光纤115包括引导激光束传播的芯本体1152以及包裹于芯本体1152侧表面的包层1151；芯本体1152的折射率大于包层1151的折射率，芯本体1152的横截面面积从入光面112朝出光面113逐渐缩小设置。其中，芯本体1152的直径沿激光束的传播方向逐渐缩小设置，且芯本体1152位于入光面112处的第一端面1153的面积大于其位于出光面113处的第二端面1154的面积。当激光束从入光面112入射至芯本体1152中时，锥形光纤115可以提高入射端的损伤阈值，可以准直入射光束，提高光束质量。包层1151包覆于芯本体1152的外侧表面，且芯本体1152的折射率大于包层1151的折射率，以使得在芯本体1152内传播的激光束在到达芯本体1152和包层1151的交界面时会发生全反射，有效降低光束在传导过程中的光能损失。

在一个实施例中，锥形光纤115的制作方式可以根据实际需要进行选择，例如可以采用熔拉法制作。包层1151的直径随着芯本体1152的直径变化而变化，且确保锥形光纤115中任意横截面处的包层1151直径与芯本体1152直径之比相同。

可选地，在其他实施例中，包层1151的直径和芯本体1152的直径也可以为其他比例关系，并不仅限于上述的情形，只要确保激光束能够在锥形光纤115中发生全反射、并最终从出光面113处出射即可。在一个实施例中，激光器1011、第一准直透镜1012、第二准直透镜1014、聚焦透镜1013、光锥1015以及扫描镜103可以集成为一个激光发射部件，使得整体结构更优化，集成度更高。

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，用于发射激光束以探测目标物，其特征在于，所述激光发射装置包括：

激光发射单元，用于产生所述激光束；

扩散器，设置在所述激光束的传播光路上，所述扩散器至少朝一个扩散方向扩大所述激光束的直径并向外投射所述激光束，各所述扩散方向均垂直于所述激光束入射所述扩散器的入射方向，所述激光束沿所述扩散方向的直径沿所述入射方向呈逐渐增大设置；以及

扫描镜，与所述扩散器相对设置，所述扫描镜在预设角度范围内旋转并向外偏转反射入射其的所述激光束；

其中，所述扩散器朝所述扫描镜投射所述激光束，所述扫描镜朝所述目标物偏转反射所述激光束。

2.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于：所述扩散方向为水平方向和/或竖直方向。

3.如权利要求1-2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产生所述激光束的激光器、用于准直所述激光束的第一准直透镜以及用于聚焦所述激光束的聚焦透镜，所述第一准直透镜和所述聚焦透镜均位于所述激光束的传播光路上。

4.如权利要求3所述的激光发射装置，其特征在于：所述第一准直透镜位于所述激光器与所述聚焦透镜之间，所述激光发射单元还包括位于所述激光器与所述第一准直透镜之间的第二准直透镜，所述第二准直透镜用于对所述激光束进行准直。

5.如权利要求4所述的激光发射装置，其特征在于：所述激光器设置有多个，各所述激光器与所述第一准直透镜之间均至少设置有一所述第二准直透镜。

6.如权利要求3所述的激光发射装置，其特征在于：所述激光发射单元还包括用于提高所述激光束出射光程的光锥，所述光锥设置于所述激光束的出光光路上，所述第一准直透镜与所述聚焦透镜均位于所述激光器与所述光锥之间，所述光锥具有供所述激光器投射所述激光束的入光面以及与所述入光面相对设置且朝所述扩散器出射所述激光束的出光面。

7.如权利要求6所述的激光发射装置，其特征在于：所述光锥包括锥本体以及涂覆于所述锥本体的锥侧面上的反射层，所述入光面与所述出光面分别位于所述锥本体两端的端面，所述锥本体的横截面面积从所述入光面指向所述出光面的方向渐缩设置。

8.如权利要求6所述的激光发射装置，其特征在于：所述光锥包括锥套以及设置在所述锥套内且用于引导所述激光束传播的多根锥形光纤，所述入光面与所述出光面分别位于所述锥套的两端，所述激光束从所述入光面射入各所述锥形光纤并从所述出光面出射各所述锥形光纤，各所述锥形光纤的横截面面积沿所述激光束的传播方向呈逐渐缩小设置。

9.如权利要求8所述的激光发射装置，其特征在于：所述锥形光纤包括引导所述激光束传播的芯本体以及包裹于所述芯本体侧表面的包层；所述芯本体的折射率大于所述包层的折射率，所述芯本体的横截面面积从所述入光面朝所述出光面逐渐缩小设置。

10.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9任意一项所述的激光发射装置、从所述目标物接收所述激光束的激光接收装置以及控制装置，所述控制装置用于控制所述激光发射装置与所述激光接收装置。

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