CN212483838U - 一种光接收装置及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光接收装置及激光雷达，涉及光电检测技术领域，光接收装置包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件和感光元件，反射聚光元件包括聚光反射面，聚光反射面与主光轴呈预设夹角设置，用于以预设夹角接收入射光会聚后反射至感光元件接收，其中，聚光反射面为二次曲面。本实用新型提供的光接收装置及激光雷达，能够在不影响光接收效果的前提下，减少光学元件的设置数量，使得结构紧凑，有利于结构的小型化设计。

Description

一种光接收装置及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及光电检测技术领域，具体而言，涉及一种光接收装置及激光雷达。

背景技术

激光雷达，是通过发射并接收激光束实现探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达实现目标探测的工作原理，是首先向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，进行对应的计算处理后，就可得到目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而实现对飞机、导弹等目标的精准探测、跟踪和识别。

激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。激光雷达由发射装置(激光器)、接收装置、信息处理等部分组成。随着激光雷达在民用行业的逐步广泛应用，如何降低激光雷达的制造成本以及减小激光雷达的结构体积成了激光雷达领域的重点研究方向之一。

其中，接收装置作为激光雷达中承上启下的重要环节，其工作效率、结构体积和制造成本都会对整个激光雷达产生直接且重要的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光接收装置及激光雷达，能够在不影响光接收效果的前提下，减少光学元件的设置数量，使得结构紧凑，有利于结构的小型化设计。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例的一方面，提供一种光接收装置，包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件和感光元件，反射聚光元件包括聚光反射面，聚光反射面与主光轴呈预设夹角设置，用于以预设夹角接收入射光会聚后反射至感光元件接收，其中，聚光反射面为二次曲面。

可选地，聚光反射面为抛物面。

可选地，预设夹角在10°-75°之间。

可选地，反射聚光元件为棱镜，聚光反射面形成于棱镜的侧面。

可选地，棱镜的侧面表面设置有反光层。

可选地，棱镜上设置有通光孔，通光孔由棱镜的一侧面穿入且透过棱镜由另一侧面穿出，用于使外接光源通过通光孔朝向被测目标出射。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种激光雷达，包括激光源，以及上述任一项的光接收装置，还包括处理器，激光源出射的激光束经被测目标反射后，通过光接收装置接收并在处理器中处理输出。

可选地，反射聚光元件为棱镜，聚光反射面形成于棱镜的侧面，激光源傍轴设置于棱镜的一侧并朝向被测目标出射激光束，聚光反射面接收经被测目标反射的激光束会聚并反射至感光元件，处理器与感光元件电连接，用于接收感光元件的光信号并处理输出。

可选地，反射聚光元件为棱镜，聚光反射面形成于棱镜的侧面，棱镜上设置有通光孔，通光孔由棱镜的一侧面穿入且由聚光反射面穿出，激光源设置于通光孔处，激光源出射的激光束通过通光孔射向被测目标，聚光反射面接收经被测目标反射的激光束会聚并反射至感光元件，处理器与感光元件电连接，用于获取感光元件接收到的光信号并处理输出。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的一种光接收装置和激光雷达，光接收装置包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件和感光元件，反射聚光元件包括聚光反射面，聚光反射面与主光轴呈预设夹角设置，用于以预设夹角接收入射光会聚后反射至感光元件接收，其中，聚光反射面为二次曲面。本实用新型实施例的光接收装置应用于激光雷达中，用于接收激光源出射且经被测目标反射后的激光束，聚光反射面与反射后的激光束的主光轴呈预设夹角设置，反射的激光束照射在聚光反射面上时，由于二次曲面的聚光作用，使得照射在聚光反射面上的光束得到会聚，并且，将会聚光束出射至感光元件接收。通过具有聚光反射面的反射聚光元件将被测目标反射的激光束会聚后反射至感光元件接收，不再需要在光组中分别设置反光元件和聚光元件，减少光组中光学元件的数量，使得本实用新型实施例的光接收装置的结构紧凑，光学系统无色差，整体结构趋于小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为现有技术中傍轴型光接收装置的光路示意图；

图2为现有技术中反射共轴型光接收装置的光路示意图；

图3为现有技术中收发共轴型光接收装置的光路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光接收装置的光路示意图之一；

图5为本实用新型实施例提供的光接收装置的光路示意图之二；

图6为本实用新型实施例提供的激光雷达的光路结构示意图之一；

图7为本实用新型实施例提供的激光雷达的光路结构示意图之二；

图8为本实用新型实施例提供的光接收装置中聚光反射面为抛物面的模拟光路图。

图标：10-透射式聚光镜；11-感光器件；12-反光镜；13-反射棱镜；100-被测目标；20-反射聚光元件；201-聚光反射面；21-感光元件；30-激光源；40-处理器；α-预设夹角；A-通光孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

激光雷达的接收装置需要将由被测目标反射的激光束进行会聚后收集于感光器件上接收。由于感光器件的感光面尺寸有限，而通常激光束在被测目标上是漫反射，经过漫反射的光束出射范围较大，为了提高感光器件的感光面上能够接收到的光束强度，进而提高相关参数测量的准确性，需要对激光束进行会聚，而且，经过会聚后的激光束能够缩短被感光器件的感光面接收的光程，也避免应用该接收装置的激光雷达内部空间浪费，导致尺寸体积过大。

激光雷达的接收装置根据其光路的出射和接收的光轴方向，主要包括有傍轴型、反射共轴型和收发共轴型。

图1示出的是现有技术中傍轴型光接收装置的光路示意图，如图1所示，激光束朝向被测目标100出射，经被测目标100漫反射后，经傍轴设置的透射式聚光镜10后，由感光器件11收集。傍轴型光接收装置的感光器件11只能设置于经被测目标100漫反射后的激光束出光方向，结构限制性较强，当需要调节出光方向或者调节感光器件11的接收位置时，傍轴型光接收装置的局限性较大。

图2示出的是现有技术中反射共轴型光接收装置的光路示意图，如图2所示，在透射式聚光镜前中心位置倾斜设置有反光镜12，朝向反光镜12出射激光束，激光束经反光镜12反射后射向被测目标100，再经被测目标100漫反射后，经透射式聚光镜会聚10并由感光器件11收集。反射共轴型光接收装置能够通过反光镜12的倾斜设置角度调整激光束的出射位置和感光器件11的接收位置，具有一定的结构适应性。但是收集的激光束经透射式聚光镜10后于感光器件11上接收，仍然存在透射式光学系统的色差问题。

图3示出的是现有技术中收发共轴型光接收装置的光路示意图，如图3所示，在反射棱镜13上设置有通孔，激光束通过通孔照射在被测目标100表面，经被测目标100漫反射后，先经过反射棱镜13斜面的反射改变光路的方向，转向后的激光束再经过透射式聚光镜10汇聚并入射感光器件11。收发共轴型光接收装置能够通过反射棱镜13的反射而调整光路方向，在通过透射式聚光镜10实现光的汇聚，但是整体结构较为复杂，光学器件数量多，导致结构体积较大。

本实用新型实施例提供一种光接收装置，图4示出了本实用新型实施例提供的光接收装置的光路示意图之一，请参照图4，本实用新型实施例提供的光接收装置，包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件20和感光元件21，反射聚光元件20包括聚光反射面201，聚光反射面201与主光轴呈预设夹角α设置，用于以预设夹角α接收入射光会聚后反射至感光元件21接收，其中，聚光反射面201为二次曲面。

采用本实用新型实施例的光接收装置的激光雷达，出射的激光束在照射至被测目标100表面后发生漫反射，漫反射的激光束入射反射聚光元件20的聚光反射面201上，聚光反射面201为二次曲面，且朝向远离反射光的方向凸出，从而实现对于激光束的汇聚和反射作用，而且，聚光反射面201与主光轴呈预设夹角α设置，其中预设夹角α可以配合实际光路结构和使用需要进行预先调整，以充分利用光接收装置的结构空间，使得会聚后的激光束入射感光元件21的感光面内。

需要说明的是，图4中所示的光路结构中，在反射聚光元件20上设置有通孔，激光束通过通孔出射至被测目标100，本实用新型实施例中不限于这种收发共轴型光路结构，例如，图5示出了本实用新型实施例提供的光接收装置的光路示意图之二，如图5所示，也可以是傍轴型光路结构，即激光束由反射聚光元件20的一侧向被测目标100出射激光束，经被测目标100漫反射后的激光束入射反射聚光元件20的聚光反射面201上并进行会聚和反射后，进入感光元件21的感光面内接收。

而且，本实用新型实施例中，对于反射聚光元件20形状不进行具体限定，示例的，可以为如图4中所示的结构，也可以为其他外形结构，只要保证反射聚光元件20具有一聚光反射面201，且聚光反射面201能够与主光轴呈预设夹角α设置以便能够通过调节预设夹角α而适应性调节会聚后的激光束能够充分入射感光元件21的感光面即可。其中，由于聚光反射面201为二次曲面，本实用新型实施例中聚光反射面201与主光轴的预设夹角α指的是聚光反射面201对应于主光轴中心的切面与主光轴之间的夹角。

本实用新型实施例提供的一种光接收装置和激光雷达，光接收装置包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件20和感光元件21，反射聚光元件20包括聚光反射面201，聚光反射面201与主光轴呈预设夹角α设置，用于以预设夹角α接收入射光会聚后反射至感光元件21接收，其中，聚光反射面201为二次曲面。本实用新型实施例的光接收装置应用于激光雷达中，用于接收激光源30出射且经被测目标100反射后的激光束，聚光反射面201与反射后的激光束的主光轴呈预设夹角α设置，反射的激光束照射在聚光反射面201上时，由于二次曲面的聚光作用，使得照射在聚光反射面201上的光束得到会聚，并且，将会聚光束出射至感光元件21接收。通过具有聚光反射面201的反射聚光元件20将被测目标100反射的激光束会聚后反射至感光元件21接收，不再需要在光组中分别设置反光元件和聚光元件，减少光组中光学元件的数量，使得本实用新型实施例的光接收装置的结构紧凑，光学系统无色差，整体结构趋于小型化。

可选地，如图4所示，聚光反射面201为抛物面。

图8为聚光反射面为抛物面的面型时的模拟光路图，如图8所示，聚光反射面201采用抛物面的面型，能够有效的提高聚光反射面201对于由被测目标100漫反射的激光束的会聚能力以及入射感光元件21的感光面内的有效激光束的数量。

可选地，如图4所示，预设夹角α在10°-75°之间。

预设夹角α可以在10°-75°之间的范围内预设调节，以便充分适应感光元件21所需的设置位置。本实用新型实施例的光接收装置用于激光雷达上，通常是用来对被测目标100的目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数进行检测，对应于不同的被测目标100，其可检测的角度、方位等都与实际情况相关，因此需要激光雷达能够具有较高的可适应性。另一方面，激光雷达根据不同的设计目的和制造要求，使得其外形结构以及大小尺寸存在较大的不同，配合于激光雷达的外形结构和大小尺寸，为了充分利用内部的光路空间，也许要光组的光轴方向能够较为灵活的调整。本实用新型实施例的光接收装置中，聚光反射面201与主光轴之间的预设夹角α能够在10°-75°之间进行预先的调整，从而使得本实用新型实施例的光接收装置，以及包括该光接收装置的激光雷达能够适应于各种光路空间以及测试现场。示例的，预设夹角α还可以根据需要设置为20°、45°、60°、70°等。

可选地，如图4所示，反射聚光元件20为棱镜，聚光反射面201形成于棱镜的侧面。

本实用新型实施例中，对于棱镜的形状结构不作限定，可以为如图5中所示的三角棱镜结构，也可以为如图8所示的棱台形式，或者其他用于适应结构特征的异型结构，均可，只要保证聚光反射面201形成于棱镜的一侧面，以及满足聚光反射面201的设置位置，使得能够对由被测目标漫反射回的激光束进行会聚和反射至相应的方向即可。以下以三角棱镜为例，进行详细的说明。

本实用新型实施例的光接收装置中，示例的，反射聚光元件20选用三角棱镜，其中，聚光反射面201设置于三角棱镜的斜面。常用的三角棱镜包括等腰三角棱镜以及直角三角棱镜，本实用新型实施例的反射聚光元件20选用等腰三角棱镜时，由于等腰三角棱镜具有两个对称的斜面，聚光反射面201可以设置于任意一个斜面上。

示例的，如图4所示，本实用新型实施例的反射聚光元件20还可以选用直角三角棱镜，并将聚光反射面201设置于直角三角棱镜的斜面上。直角三角棱镜的两直角边充分利用结构空间，还能够避免造成多余的外形尺寸，提高光接收装置的结构紧凑性。

其中，三角棱镜中，用于形成聚光反射面201的斜面的表面设置反光层(图4和图5中未示出)。通过设置反光层实现聚光反射面201的反射作用，在保证反射效果的同时，其制备工艺成熟，工作稳定可靠。通过二次曲面的结构实现反射聚光元件20的会聚作用，通过设置的反光层实现反射聚光元件20的反射作用，均不需要过于复杂的制备工艺，且制备良率高，使得本实用新型实施例的光接收装置，以及应用该光接收装置的激光雷达的能够有效的降低成本，且实用性较高。

可选地，如图4所示，直角三角棱镜上设置有通光孔A，通光孔A由直角三角棱镜的一直角侧面垂直穿入且穿透直角三角棱镜的斜面，用于使外接光源由直角侧面通过通光孔A朝向被测目标100出射。

采用如图4所示的收发共轴的反射式光接收装置，能够进一步节省光接收装置的外形结构，充分利用结构内部空间，实现结构的最大化利用，提高本实用新型实施例的光接收装置应用于激光雷达的检测准确性和检测效果。

需要说明的是，由于通光孔A需要穿透聚光反射面201设置，由于激光的单向性较好，通常情况下，在聚光反射面201对应于主光轴中心设置通光孔A，且通常通光孔A的直径尺寸较小，只要保证能够使得激光束通过即可，因此，本领域技术人员应当知晓，可以认为通光孔A的设置不会对聚光反射面201的聚光和反射作用造成实质影响。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种激光雷达，图6示出了本实用新型实施例的激光雷达的光路结构示意图之一，如图6所示，本实用新型实施例的激光雷达包括激光源30，以及上述任一项的光接收装置，还包括处理器40，激光源30出射的激光束经被测目标100反射后，通过光接收装置接收并在处理器40中处理输出。

需要说明的是，本实用新型实施例的激光雷达中，用于出射激光束的激光源30，可以根据需要选择能够出射不同波长范围激光束的激光源30，例如，可以选用880nm、905nm或者1550nm的激光源30。由于本实用新型实施例的激光雷达中的光接收装置的设置，当对于激光源30进行更换或升级时，由于接收系统无色差，因而光接收装置中光路的焦点位置不会随着更换激光源30(改变出射激光束的波长)而变化，从而不必因为更换激光源30而调整或更换整个光接收装置，因而提高了整机结构的适用性，也能够降低量产的成本。

使用本实用新型实施例提供的激光雷达对被测目标进行探测并获取相应数据，由激光源30出射的激光束照射至被测目标100表面，经被测目标100的漫反射后，入射光接收装置中，光接收装置中的聚光反射面201与反射后的激光束的主光轴呈预设夹角α设置，反射的激光束照射在聚光反射面201上时，由于二次曲面的聚光作用，使得照射在聚光反射面上的光束得到会聚，并且，将会聚光束出射至感光元件21接收。感光元件21将接收到的光信号传输至处理器40中进行运算处理，能够实现对被测目标100的参数信息的计算，运算处理的方式不同，能够分别用于获得如目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等不同的参数信息，从而实现对被测目标100的精准探测、跟踪和识别。通过具有聚光反射面201的反射聚光元件20将被测目标100反射的激光束会聚后反射至感光元件21，不再需要在光组中分别设置反光元件和聚光元件，减少光组中光学元件的数量，使得本实用新型实施例的激光雷达的结构紧凑，光学系统无色差，整体结构趋于小型化。

可选地，如图6所示，光接收装置中反射聚光元件20为三角棱镜，聚光反射面201形成于三角棱镜的斜面，激光源30傍轴设置于三角棱镜的一侧并朝向被测目标100出射激光束，聚光反射面201接收经被测目标100反射的激光束会聚并反射至感光元件21，处理器40与感光元件21电连接，用于接收感光元件21的光信号并进行运算处理，以输出对应的被测目标100的参数信息。

可选地，图7示出了本实用新型实施例的激光雷达的光路结构示意图之二，如图7所示，反射聚光元件20为三角棱镜，聚光反射面201形成于三角棱镜的斜面，三角棱镜上设置有通光孔A，通光孔A由三角棱镜的一侧面垂直穿入且穿出聚光反射面201，激光源30设置于通光孔A处，激光源30出射的激光束通过通光孔A射向被测目标，聚光反射面201接收经被测目标100反射的激光束会聚并反射至感光元件21，处理器40与感光元件21电连接，用于获取感光元件21接收到的光信号并处理输出。

图6和图7分别示出了光接收装置为傍轴型以及收发共轴型的两种激光雷达光路结构，本领域技术人员可以根据激光雷达的实际使用情况，以及外形尺寸需求对于两种光路结构进行合理的选择。

由于在前述实施例对于光接收装置的光路结构以及工作说明中，已经对于光接收装置应用于激光雷达的工作原理和工作状态进行了详细的说明，此处不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光接收装置，其特征在于，包括沿主光轴方向依次设置的反射聚光元件和感光元件，所述反射聚光元件包括聚光反射面，所述聚光反射面与主光轴呈预设夹角设置，用于以所述预设夹角接收入射光会聚后反射至所述感光元件接收，其中，所述聚光反射面为二次曲面。

2.如权利要求1所述的光接收装置，其特征在于，所述聚光反射面为抛物面。

3.如权利要求1所述的光接收装置，其特征在于，所述预设夹角在10°-75°之间。

4.如权利要求1所述的光接收装置，其特征在于，所述反射聚光元件为棱镜，所述聚光反射面形成于所述棱镜的侧面。

5.如权利要求4所述的光接收装置，其特征在于，所述棱镜的侧面表面设置有反光层。

6.如权利要求4所述的光接收装置，其特征在于，所述棱镜上设置有通光孔，所述通光孔由所述棱镜的一侧面穿入且透过所述棱镜由另一侧面穿出，用于使外接光源通过所述通光孔朝向被测目标出射。

7.一种激光雷达，其特征在于，包括激光源，以及如权利要求1-6任一项所述的光接收装置，还包括处理器，所述激光源出射的激光束经被测目标反射后，通过所述光接收装置接收并在所述处理器中处理输出。

8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述反射聚光元件为棱镜，聚光反射面形成于所述棱镜的侧面，所述激光源傍轴设置于所述棱镜的一侧并朝向被测目标出射激光束，所述聚光反射面接收经所述被测目标反射的激光束会聚并反射至感光元件，所述处理器与所述感光元件电连接，用于接收所述感光元件的光信号并处理输出。

9.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述反射聚光元件为棱镜，聚光反射面形成于所述棱镜的侧面，所述棱镜上设置有通光孔，所述通光孔由所述棱镜的一侧面穿入且由所述聚光反射面穿出，所述激光源设置于所述通光孔处，所述激光源出射的激光束通过所述通光孔射向被测目标，所述聚光反射面接收经所述被测目标反射的激光束会聚并反射至感光元件，所述处理器与所述感光元件电连接，用于获取所述感光元件接收到的光信号并处理输出。

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