CN210639281U - 一种微型固态激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微型固态激光雷达，微型固态激光雷达包括激光发射器、成像镜片、成像传感器、控制及数据处理装置；激光发射器用于发射线状激光；成像镜片用于收集反射回来的激光光线并成像在成像传感器上面；成像传感器接受经过成像镜片聚焦后的光线并成像；控制及数据处理装置用于控制激光发射器工作，接受成像传感器的成像数据并运行结构光算法，最终得到空间环境中的点云数据。本实用新型可以在较低的平均功率以及人眼安全的的前提下提升工作距离，避免点状激光加上机械扫描所带来的扫描装置成本，并能够提高系统稳定性、延长使用寿命，降低系统体积。

Description

一种微型固态激光雷达

技术领域

本实用新型涉及测距设备领域，具体涉及一种微型固态激光雷达及其数据处理方法。

背景技术

目前，现有技术中有多种方式可以进行距离测量，其中超声波测距和激光测距是目前主流的测距方法。

超声波测距是利用压电或者磁致形变现象产生超声波进行测距。超声波测距系统包括一个超声波发生装置和一个超声波接收装置。超声波发生装置发射超声波，超声波在传播过程中碰到障碍物或者目标就会反射，最终被超声波接收器接收，通过超声波传播速度以及超声波传播所需时间，即可以计算出距离。然而，由于在曲面或者弯曲面，超声波会发生漫反射，影响了测量精度。同时超声波测距装置的抗干扰能力低，容易受到风或者其他自然因素的影响。

激光测距是另一种测距方式。根据使用的物理信息的不同，激光测距可以分为很多种方式。一些激光测距利用反射波的相位变化来进行间接的激光往返时间的测量；还有一些使用脉冲的方式直接进行激光往返时间的测量，根据激光往返时间可以算出距离信息。其中，激光三角测距将激光器、目标点和激光接收装置放置在三个点上，激光器发射激光，然后经过目标点的反射，最终被激光接收器接收，激光接收器接收到激光以后，根据激光三角测距原理计算出距离。

现有技术中的机械式扫描激光雷达是在点激光三角测距的基础上，附加激光旋转扫描转置，从而完成对周围环境的360度扫描并测距，但机械式扫描激光雷达因为存在运动转置，需要通过电机旋转来带动点激光测距模块维持圆周运动，使得其寿命短、体积大、价格昂贵。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对现有技术中的缺陷，提供一种微型固态激光雷达，完成对周围环境的测量，本设备没有任何运动部件，可以减小设备体积，延长设备寿命。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是这样实现的：

一种微型固态激光雷达，其特征在于，包括：激光发射器、成像镜片、成像传感器、控制及数据处理装置；

所述激光发射器用于发射线状激光；

所述成像镜片用于收集反射回来的激光光线并成像在成像传感器上面；

所述成像传感器接受经过成像镜片聚焦后的光线并成像；

所述控制及数据处理装置用于控制激光发射器工作，接受成像传感器的成像数据并运行结构光算法，最终得到空间环境中的点云数据；

所述激光发射器发射出来的光线照射到物体表面后，经过物体表面反射被成像镜片接收，最终成像在成像镜片上；所述激光发射器、成像传感器均与控制及数据处理装置电气连接。

进一步的，所述成像镜片为非对称光学镜片，所述非对称光学镜片具有非对称聚焦的特性，即所述成像镜片在所述激光发射器与成像镜片连线方向上的等效焦距大于激光发射器与成像镜片垂直方向上的等效焦距。

进一步的，所述成像传感器前端设置有窄带带通滤波镜片，该窄带带通滤波镜片的中心波长与激光发射器发射的激光的波长相同。

进一步的，所述激光发射器包括激光驱动电路、激光二极管、激光投射镜片。

进一步的，其特征在于，所述控制及数据处理装置与所述激光发射器及所述成像传感器电气连接；所述控制及数据处理装置由时序控制接口、数据通信接口以及中央处理器组成，所述时序控制接口与激光发射器及成像传感器电气连接，所述数据通信接口与成像传感器电气连接。

进一步的，所述控制及数据处理装置同时与4个激光发射器及4个成像传感器连接，所述数据通信接口与所述成像传感器为通过电子开关进行连接，所述成像镜片设置于成像传感器前面聚焦光线在成像传感器上，所述成像镜片为视域的水平角度大于等于90度，所述激光发射器发射的激光线扩散角度大于等于90度，所述成像镜片的视域与所述激光发射器发射的激光线区域重合。

本实用新型可带来以下有益效果：

本实用新型的技术效果主要体现在以下几点：

1、本实用新型创新的采用线激光进行三角测量，通过集成激光发射器、成像镜片、成像传感器、控制及数据处理装置的结构设计，结合电子切换技术，固态的对周围环境进行测距建模，能够避免点状激光加上机械扫描所带来的扫描装置成本，也能够提高系统的稳定性，延长使用寿命，降低系统体积。

2、本实用新型采用非对称光学镜片作为成像镜片，可以极大降低激光发射器与成像镜片及成像芯片的基线距离，从而使得本系统可以微型化。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为固态激光雷达结构示意图；

图2为本实用新型中的成像镜片的非对称特性；

图3为激光束与成像镜片和成像传感器之间的位置关系图；

图4为本实用新型中测量目标点与装置之间距离的原理图；

1激光发射器 2成像镜片 3成像传感器 4控制与数据处理装置

5线激光测距系统 6线激光测距系统工作角度

7非对称视域 8固态激光雷达 9线激光平面 10障碍物

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提供的一种微型固态激光雷达具体实施方式、结构、特征、数据处理方法及其功效，详细说明如下。

如图1所示，一种微型固态激光雷达包括：激光发射器1、成像镜片2、成像传感器3、控制及数据处理装置4；激光发射器1用于发射线状激光；成像镜片2用于收集反射回来的激光光线并成像在成像传感器上面；成像传感器3接受经过成像镜片聚焦后的光线并成像；控制及数据处理装置4用于控制激光发射器工作，接受成像传感器3的成像数据并运行结构光算法，最终得到空间环境中的点云数据。

其中，一个激光发射器1，一个成像镜片2加上一个成像传感器3构成一组线激光测距系统5，四组线激光测距系统5在空间中围成一圈，并分别于控制及数据处理装置电气4，从而构成一个大角度工作范围的固态激光雷达，成像传感器3前端设置有窄带带通滤波镜片，该窄带带通滤波镜片的中心波长与激光发射器发射的激光的波长相同。

如图2所示，成像镜片2水平方向的等效焦距短，竖直方向上的等效焦距长，视域7呈现出非对称结构，应用非对称成像镜片可以极大降低激光发射器与成像镜片及成像芯片的基线距离，从而使得本系统可以微型化。

如图3所示，固态激光雷达8中的控制与数据处理装置4控制激光发射器1发射出线激光9，线激光9在空间传播过程中遇到被测物体10后发生反射，被成像镜片2汇聚并成像在成像传感器3上面(虚拟的成像平面位置)。控制与数据处理装置4成像数据分析处理后，得到最终的激光测距点云数据。

如图4所示，本实用新型中，三角测量的原理是：激光束和照相机光轴之间的夹角为θ，交点为O。所述激光束投射到障碍物，形成点P。P’为P点的镜像。O点到光心平面的垂直距离为h，P点到O点的垂直距离为Δh。v是点P’到成像平面u轴的距离，z为点P到光心平面的垂直距离。相机的焦距为f。于是有：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种微型固态激光雷达，其特征在于，包括：激光发射器、成像镜片、成像传感器、控制及数据处理装置；

所述激光发射器用于发射线状激光；

所述成像镜片用于收集反射回来的激光光线并成像在成像传感器上面；

所述成像传感器接受经过成像镜片聚焦后的光线并成像；

所述控制及数据处理装置用于控制激光发射器工作、接受成像传感器的成像数据并运行结构光算法并最终得到空间环境中的点云数据；

所述激光发射器发射出来的光线照射到物体表面后经过物体表面反射被成像镜片接收并最终成像在成像镜片上；所述激光发射器、成像传感器均与控制及数据处理装置电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种微型固态激光雷达，其特征在于，所述成像镜片为非对称光学镜片，所述非对称光学镜片具有非对称聚焦的特性，所述非对称聚焦特性具体是成像镜片在所述激光发射器与成像镜片连线方向上的等效焦距大于激光发射器与成像镜片垂直方向上的等效焦距。

3.根据权利要求1所述的一种微型固态激光雷达，其特征在于，所述成像传感器前端设置有窄带带通滤波镜片，所述窄带带通滤波镜片的中心波长与激光发射器发射的激光的波长相同。

4.根据权利要求1所述的一种微型固态激光雷达，其特征在于，所述激光发射器包括激光驱动电路、激光二极管、激光投射镜片。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微型固态激光雷达，其特征在于，所述控制及数据处理装置与所述激光发射器及所述成像传感器电气连接；所述控制及数据处理装置由时序控制接口、数据通信接口以及中央处理器组成，所述时序控制接口与激光发射器及成像传感器电气连接，所述数据通信接口与成像传感器电气连接。

6.根据权利要求5所述的一种微型固态激光雷达，其特征在于，所述控制及数据处理装置同时与4个激光发射器及4个成像传感器连接，所述数据通信接口与所述成像传感器为通过电子开关进行连接，所述成像镜片设置于成像传感器前面聚焦光线在成像传感器上，所述成像镜片为视域的水平角度大于等于90度，所述激光发射器发射的激光线扩散角度大于等于90度，所述成像镜片的视域与所述激光发射器发射的激光线区域重合。

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