CN210639275U - 一种激光发射模块及激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种激光发射模块及激光雷达装置，激光发射模块包括激光单元和扫描单元，激光单元包括至少两个具有不同发射角的激光发射端，扫描单元设于激光发射端的出光路径上；其中，激光发射端用于产生并发射激光束，扫描单元用于对激光束的出射角度进行调整，以使得激光束在预设范围内进行扫描；在本实用新型中，激光发射模块通过设置至少两个激光发射端，各激光发射端产生的激光束的发射角各不相同，可以增大从激光发射模块出射的激光束的视场范围，有助于增大激光雷达装置的扫描范围；不仅如此，通过设置扫描单元，极大增加了激光束的扫描范围，有助于实现激光雷达装置的大视场扫描。

Description

一种激光发射模块及激光雷达装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光发射模块及激光雷达装置。

背景技术

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与发射信号进行比较，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束投射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

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种激光发射模块，以解决现有激光雷达因激光束视场范围有限导致无法进行大范围探测的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种激光发射模块，包括：

激光单元，所述激光单元包括至少两个具有不同发射角的激光发射端，所述激光发射端用于产生并发射激光束；以及，

扫描单元，设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光束的出射角度进行调整，以使得所述激光束在预设范围内进行扫描。

在一个实施例中，所述扫描单元包括振镜，所述振镜包括反射装置和驱动器；

所述反射装置设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光束的方向进行调整；

所述驱动器与所述反射装置连接，用于驱动所述反射装置进行旋转。

在一个实施例中，所述激光发射端包括激光器、第一准直透镜和聚焦透镜；

所述第一准直透镜设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光器产生的激光束进行准直；

所述聚焦透镜设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光器产生的激光束进行汇聚。

在一个实施例中，所述激光发射端还包括第二准直透镜，所述第二准直透镜设于所述激光器和所述第二准直透镜之间；

所述第二准直透镜用于对所述激光器产生的激光束进行准直。

在一个实施例中，所述激光器的数量为多个，所述第二准直透镜的数量与所述激光器的数量相适应，每个所述激光器与所述第一准直透镜之间均设有至少一个所述第二准直透镜。

在一个实施例中，所述激光发射端还包括光锥，所述光锥设有第一端面和第二端面，所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积；

所述第一端面朝向所述聚焦透镜，用于供所述激光束入射，所述第二端面用于供所述激光束出射。

在一个实施例中，所述光锥包括锥体和反射层，所述锥体的两端分别为所述第一端面和所述第二端面，所述反射层包覆于所述锥体的外表面。

在一个实施例中，所述光锥包括锥体和多根锥形光纤；

所述锥体的两端分别为所述第一端面和所述第二端面；

多根所述锥形光纤设于所述锥体内，各所述锥形光纤朝向所述第一端面一端的横截面积大于其朝向所述第二端面一端的横截面积。

在一个实施例中，所述锥形光纤包括包层和芯层；

所述芯层的直径沿其轴向从朝向所述第一端面的一端向朝向所述第二端面的一端逐渐减小；

所述包层包覆于所述芯层的外表面。

本实用新型的目的还在于提供一种激光雷达装置，包括控制模块、激光接收模块以及上述的激光发射模块；

所述激光发射模块和所述激光接收模块均与所述控制模块电性连接。

本实用新型实施例提供的激光发射模块及激光雷达装置的有益效果至少包括以下：本实用新型通过设置至少两个激光发射端，且各激光发射端产生的激光束的发射角各不相同，可以增大从激光发射模块出射的激光束的视场范围，从而可以增大激光雷达装置的扫描范围。不仅如此，本实用新型在激光单元的出光路径上设置扫描单元，通过调节扫描单元，使得每一个激光发射端产生的激光束在投射至扫描单元后均可以发生偏转，从而使得从激光发射模块出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大增加了激光束的扫描范围，有助于实现激光雷达装置的大视场扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例提供的激光发射模块的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的激光发射端的结构示意图；

图3是图2中激光发射端的光锥的第一种结构示意图；

图4是图2中激光发射端的光锥的第二种结构示意图；

图5是图4中锥形光纤的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的激光雷达装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1，本实施例提供了一种激光发射模块10，包括激光单元11和扫描单元12，激光单元11包括至少两个具有不同发射角的激光发射端111，扫描单元12设于激光发射端111的出光路径上。其中，激光发射端111用于产生并发射激光束，扫描单元12用于对激光束的出射角度进行调整，以使得激光束在预设范围内进行扫描。在本实施例中，激光发射端111的不同发射角指的是不同激光发射端111产生的激光束相对于扫描单元12的角度不同，从而可以对激光发射模块10的视场范围进行扩充。

在一个实施例中，激光单元11中各激光发射端111产生激光束的发射角沿横向不同，从而可以扩充激光发射模块10的横向视场范围。

在一个实施例中，激光单元11中各激光发射端111产生激光束的发射角沿纵向不同，从而可以扩充激光发射模块10的纵向视场范围。

在一个实施例中，激光单元11中各激光发射端111产生激光束的发射角沿横向和纵向不同，从而可以同时扩充激光发射模块10的横向视场范围和纵向视场范围。

当然，激光单元11中各激光发射端111产生激光束的发射角还可以为其他情形，并不仅限于上述的情形，只要能够扩展激光发射模块10的视场范围即可。

在一个实施例中，激光发射模块10可用于向激光雷达装置100中提供激光束。由于激光雷达装置100的扫描范围与激光发射模块10发射的激光束的视场范围直接相关，因此扩大激光束的视场范围有助于增大激光雷达装置100的扫描范围。

本实施例通过设置至少两个激光发射端111，且各激光发射端111产生的激光束的发射角各不相同，可以增大从激光发射模块10出射的激光束的视场范围，从而可以增大激光雷达装置100的扫描视场。同时，本实施例在激光单元11的出光路径上设置扫描单元12，通过调节扫描单元12，使得每一个激光发射端111产生的激光束在投射至扫描单元12后均可以发生偏转，从而使得从激光发射模块10出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大增加了激光束的扫描范围，有助于实现激光雷达装置100的大视场扫描。

在一个实施例中，激光发射端111的数量和类型均可以根据需要进行设置，例如激光发射端111可以是红宝石激光器、氦氖激光器或者激光二极管等，激光发射端111的波长也可以根据实际需要进行设置。

请参阅图1，在一个实施例中，扫描单元12包括振镜，振镜包括驱动器(图未示)和反射装置(图未示)。其中，驱动器与反射装置连接，用于驱动反射镜进行旋转；反射装置设于激光发射端111的出光路径上，用于对激光发射端111产生的激光束的方向进行调整。在采用激光发射模块10对待测体200进行扫描时，驱动器可以按照预设要求驱动反射装置旋转，使得发射至反射装置上的激光束的反射角发生改变，从而使得激光束经过反射装置后其传播方向发生偏转，可以实现从激光发射模块10中出射的激光束在预设范围内进行扫描。

不同激光发射端111发射的激光束经反射装置反射后的偏转角度也不相同。请参阅图1，例如，激光发射端111的数量为三个，为描述方便，分别记为第一激光发射端、第二激光发射端和第三激光发射端，其分别发射第一激光束301、第二激光束302和第三激光束303至反射装置，经反射装置反射后得到不同角度的第一反射激光束311、第二反射激光束312和第三反射激光束313。反射装置的旋转角θ范围为[-20°，20°]，当反射装置的旋转角θ改变时，第一激光束301、第二激光束302和第三激光束303相对反射装置的角度也在发生改变，从而使得对应的反射激光束发生不同程度的偏转，极大增加了激光雷达装置100的扫描视场。当然，激光发射端111的数量还可以为其他值，例如可以为两个或三个以上，并不仅限于上述的情形。

在一个实施例中，反射装置包括一个反射镜，驱动器与该反射镜连接，驱动器可以实现该反射镜在两个相互不平行的方向上进行旋转。为描述方便，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。可选地，第一方向和第二方向相互垂直，分别记为X方向(对应横向)和Y方向(对应纵向)，其所在的平面为激光单元11和扫描单元12所在的平面，驱动器驱动该反射镜在X方向和Y方向上旋转，从而使得激光束可以在X方向和Y方向上进行偏转，实现激光束在X方向和Y方向上的大视场扫描。

应当理解的是，在其他实施例中，反射装置包括的反射镜数量也可以为两个或两个以上，只要其能够在驱动器的驱动下进行旋转，使得激光束能够发生偏转即可，此处不做限制。

请参阅图2，在一个实施例中，为了对到达扫描单元12的光束进行优化，本实施例提供的激光发射模块10中激光发射端111还包括激光器1111、第一准直透镜1112和聚焦透镜1113，第一准直透镜1112和聚焦透镜1113的数量均可以为一个或多个，可以根据需要进行设置。其中，第一准直透镜1112设于激光器1111的出光路径上，用于对激光器1111产生的激光束进行准直；聚焦透镜1113设于激光器1111的出光路径上，用于对激光器1111产生的激光束进行汇聚。第一准直透镜1112和聚焦透镜1113可均为普通透镜，其设置方式可以根据需要进行选择，例如，第一准直透镜1112和聚焦透镜1113依次设于激光器1111的出光路径上，激光束首先通过第一准直透镜1112准直、再经过聚焦透镜1113汇聚后传播至扫描单元12；或者，激光束首先通过聚焦透镜1113汇聚、再通过第一准直透镜1112准直后传播至扫描单元12。当然，在其他实施例中，第一准直透镜1112和聚焦透镜1113也可以为其他形式，并不仅限于上述的情形。

请参阅图2，在一个实施例中，激光发射端111还包括第二准直透镜1114，第二准直透镜1114设于激光器1111和第一准直透镜1112之间，用于对激光器1111产生的激光束进行准直后出射至第一准直透镜1112处，有助于提高激光束的质量。第二准直透镜1114的数量可以为一个或多个，可以根据需要进行设置。

在一个实施例中，激光器1111的数量为一个以上，第二准直透镜1114的数量与激光发射端111的数量相适应，每个激光器1111与第一准直透镜1112之间均设有至少一个第二准直透镜1114，多个激光器1111发射的多束激光束经第二准直透镜1114准直后出射至第一准直透镜1112处进一步准直。可以理解的是，多个激光器1111发射的激光束平行且准直。通过在激光发射端111中设置多个激光器1111，可以有效增加每一个激光发射端111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100的扫描距离。

为了进一步提高激光束的投射光程，本实施例提供的激光发射端111还包括光锥1115，光锥1115设于聚焦透镜1113的出光路径上。通过光锥1115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装置100的探测距离。

在一个实施例中，激光发射端111中激光器1111、第二准直透镜1114、第一准直透镜1112、聚焦透镜1113、光锥1115以及扫描单元12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。

请参阅图3，在一个实施例中，光锥1115设有第一端面141和第二端面142，其分别位于光锥1115的两端，且第一端面141的面积大于第二端面142的面积。光锥1115的第一端面141朝向聚焦透镜1113，用于供激光束入射，光锥1115的第二端面142则用于供激光束出射。即激光束经透镜调整后从大端面(第一端面141)入射至光锥1115中，并从小端面(第二端面142)出射。由于光锥1115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1115后可以有效提高光束质量，减小发光面积。需说明的是，光锥1115的具体结构可以根据需要进行设置，并不限于此。

请参阅图3，在一个实施例中，光锥1115包括锥体143和反射层144，其中，锥体143的两端分别为第一端面141和第二端面142，且锥体143的直径沿其轴向逐渐变化，具体为锥体143的直径从第一端面141至第二端面142逐渐减小。反射层144包覆于锥体143的外表面，以使得通过第一端面141进入锥体143内的激光束会在反射层144的反射作用下最终从第二端面142出射，避免了激光束的损失。

锥体143和反射层144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，锥体143的折射率大于反射层144的折射率，激光束在锥体143内传播至锥体143和反射层144的交界处时，当其入射角大于临界角时，激光束将发生全反射，此时激光束会在锥体143内传播至第二端面142，有效避免了激光束的损失。

请参阅图4，在一个实施例中，光锥1115包括锥体143和多根锥形光纤145，其中，锥体143的两端分别为第一端面141和第二端面142，且锥体143的直径沿其轴向逐渐变化，具体为锥体143的直径从靠近第一端面141的一端至靠近第二端面142的一端逐渐减小。多根锥形光纤145紧密排布在锥体143内，且锥形光纤145朝向第一端面141一端的面积大于其朝向第二端面142一端的面积，从而确保激光束经过锥形光纤145后发光面积会减小。锥体143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145内传输时会发生全反射，确保了激光束只能从第二端面142出射，有效避免了激光束在传播过程中的损失。

请参阅图5，在一个实施例中，锥形光纤145包括包层1451和芯层1452。其中，芯层1452的直径沿其轴向逐渐变化，且芯层1452朝向第一端面141的一端1453的面积大于其朝向第二端面142的一端1454的面积，具体为芯层1452的直径从靠近第一端面141的一端向靠近第二端面142的一端逐渐减小。当激光束从第一端面141入射至芯层1452中时，锥形光纤145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1451则包覆于芯层1452的外表面，且芯层1452的折射率大于包层1451的折射率，以使得在芯层1452内传播的激光束在到达芯层1452和包层1451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145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1451的直径随着芯层1452的直径变化而变化，且确保锥形光纤145中任意横截面处的包层直径与芯层直径之比相同。当然，在其他实施例中，包层1451的直径和芯层1452的直径也可以为其他关系，并不仅限于上述的情形，只要确保激光束能够在锥形光纤145中发生全反射、并最终从第二端面142出射即可。

请参阅图6，本实施例的目的还在于提供一种激光雷达装置100，包括控制模块30、激光接收模块20以及上述的激光发射模块10。其中，激光发射模块10与控制模块30电性连接，用于在控制模块30的控制下发射激光束至待测体200；激光接收模块20与控制模块30电性连接，用于在控制模块30的控制下接收经待测体200反射的光束，并经内部处理后向控制模块30发送待测体200的信息。

在一个实施例中，激光发射模块10中的激光单元11除包含激光发射端111以外，还可以包括激光驱动电路(图未示)，激光驱动电路与激光发射端111电性连接，用于驱动激光发射端111工作。激光接收模块20可以包括光电探测器(图未示)、处理器(图未示)等，用于对接收到的反射光束进行接收并处理；控制模块30则可以包括寄存器、处理器、控制电路等，用于对激光发射模块10和激光接收模块20进行相应控制和处理。

本实施例提供的激光雷达装置100的有益效果至少包括以下：

(1)激光雷达装置100中的激光发射模块10通过设置至少两个激光发射端111，且各激光发射端111产生的激光束的发射角并不相同，可以增大从激光发射模块10出射的激光束的视场范围，从而可以增大激光雷达装置100的扫描视场。

(2)本实施例在激光发射模块10中激光单元11的出光路径上设置扫描单元12，通过调节扫描单元12，使得每一个激光发射端111产生的激光束在投射至扫描单元12后均可以发生偏转，从而使得从激光发射模块10出射的激光束可以在预设范围内进行扫描，极大增加了激光束的扫描范围，有助于实现激光雷达装置100的大视场扫描。

(3)通过在激光发射端111中设置多个激光器1111，可以有效增加每一个激光发射端111出射激光束的功率，从而有效增大激光发射模块10的激光束功率，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100的扫描距离，进而实现大视场、长距离扫描。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光发射模块，其特征在于，包括：

激光单元，所述激光单元包括至少两个具有不同发射角的激光发射端，所述激光发射端用于产生并发射激光束；以及，

扫描单元，设于所述激光发射端的出光路径上，用于对所述激光束的出射角度进行调整，以使得所述激光束在预设范围内进行扫描。

2.如权利要求1所述的激光发射模块，其特征在于，所述扫描单元包括振镜，所述振镜包括反射装置和驱动器；

所述反射装置设于所述激光发射端的出光路径上，用于对所述激光束的方向进行调整；

所述驱动器与所述反射装置连接，用于驱动所述反射装置进行旋转。

3.如权利要求1～2任一项所述的激光发射模块，其特征在于，所述激光发射端包括激光器、第一准直透镜和聚焦透镜；

所述第一准直透镜设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光器产生的激光束进行准直；

所述聚焦透镜设于所述激光器的出光路径上，用于对所述激光器产生的激光束进行汇聚。

4.如权利要求3所述的激光发射模块，其特征在于，所述激光发射端还包括第二准直透镜，所述第二准直透镜设于所述激光器和所述第二准直透镜之间；

所述第二准直透镜用于对所述激光器产生的激光束进行准直。

5.如权利要求4所述的激光发射模块，其特征在于，所述激光器的数量为多个，所述第二准直透镜的数量与所述激光器的数量相适应，每个所述激光器与所述第一准直透镜之间均设有至少一个所述第二准直透镜。

6.如权利要求3所述的激光发射模块，其特征在于，所述激光发射端还包括光锥，所述光锥设有第一端面和第二端面，所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积；

所述第一端面朝向所述聚焦透镜，用于供所述激光束入射，所述第二端面用于供所述激光束出射。

7.如权利要求6所述的激光发射模块，其特征在于，所述光锥包括锥体和反射层，所述锥体的两端分别为所述第一端面和所述第二端面，所述反射层包覆于所述锥体的外表面。

8.如权利要求6所述的激光发射模块，其特征在于，所述光锥包括锥体和多根锥形光纤；

所述锥体的两端分别为所述第一端面和所述第二端面；

多根所述锥形光纤设于所述锥体内，各所述锥形光纤朝向所述第一端面一端的横截面积大于其朝向所述第二端面一端的横截面积。

9.如权利要求8所述的激光发射模块，其特征在于，所述锥形光纤包括包层和芯层；

所述芯层的直径沿其轴向从朝向所述第一端面的一端向朝向所述第二端面的一端逐渐减小；

所述包层包覆于所述芯层的外表面。

10.一种激光雷达装置，其特征在于，包括控制模块、激光接收模块以及权利要求1～9任一项所述的激光发射模块；

所述激光发射模块和所述激光接收模块均与所述控制模块电性连接。

Images