CN217467177U - 一种基于超表面的多线激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于超表面的多线激光雷达系统，其中，在基于超表面的多线激光雷达系统中，使用超表面对光源发射的光线进行分光，得到光线的2n个分光光束，2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上，接收元件接收被目标物体的探测区域反射回的各分光光束，并将被目标物体的探测区域反射回的各分光光束汇聚到光电探测器阵列上，通过本实用新型提供的基于超表面的多线激光雷达系统，大大减少了激光器和探测器的使用数量。使得多线激光雷达的内部结构更加简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种基于超表面的多线激光雷达系统。
背景技术
目前，多线激光雷达是指同时具备发射多束激光及接收多束激光的激光旋转测距雷达，多线激光雷达可以识别物体的高度信息并获取周围环境的3D扫描图，主要应用于无人驾驶，智慧城市等领域。多线激光雷达需要设置2n个激光器、2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，导致多线激光雷达的内部结构非常复杂。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种基于超表面的多线激光雷达系统。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于超表面的多线激光雷达系统，包括：光源、超表面、接收元件、光电探测器阵列、以及雷达支撑机构；
所述光源、所述超表面、所述接收元件和所述光电探测器阵列均安装在所述雷达支撑机构上；
所述超表面将所述光源发射的光线进行分光，得到所述光线的2n个分光光束，所述2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上；其中，n为大于2的自然数；
所述接收元件接收被所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束，并将被所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束汇聚到所述光电探测器阵列上。
本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，使用超表面对光源发射的光线进行分光，得到光线的2n个分光光束，2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上，接收元件接收被目标物体的探测区域反射回的各分光光束，并将被目标物体的探测区域反射回的各分光光束汇聚到光电探测器阵列上，与相关技术中多线激光雷达需要设置2n个激光器、2n个探测器以及其他配套使用的光学元件的实现方式相比，通过超表面对光源发射的光线进行分光得到光线的2n个分光光束照射到目标物体，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个激光器，通过光电探测器阵列对接收元件接收到的各分光光束进行接收，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个探测器，也进一步降低了其他与激光器和探测器配套的光学元件的使用，从而大大降低了多线激光雷达系统实际使用的光学元件数量，使得多线激光雷达的内部结构更加简单。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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他的附图。
图1示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超表面的多线激光雷达系统的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超表面的多线激光雷达系统中，超表面和超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构在基底上的排布图；
图3示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超表面的多线激光雷达系统的第二种结构示意图；
图4示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超表面的多线激光雷达系统的第三种结构示意图；
图5示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超表面的多线激光雷达系统的第四种结构示意图。
图标：100、光源；102、超表面；104、接收元件；106、光电探测器阵列；108、雷达支撑机构；1040、超透镜；1060、光电探测器；110、电机；112、支撑杆；114、光束偏折元件；200、MEMS振镜；202、反射元件；300、目标物体。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
目前，多线激光雷达是指同时具备发射多束激光及接收多束激光的激光旋转测距雷达，多线激光雷达可以识别物体的高度信息并获取周围环境的3D扫描图，主要应用于无人驾驶，智慧城市等领域。多线激光雷达需要设置2n个激光器、2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，导致多线激光雷达的内部结构非常复杂。
基于此，本申请实施例提出一种基于超表面的多线激光雷达系统，使用超表面对光源发射的光线进行分光，得到光线的2n个分光光束，2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上，接收元件接收被目标物体的探测区域反射回的各分光光束，并将被目标物体的探测区域反射回的各分光光束汇聚到光电探测器阵列上，通过超表面对光源发射的光线进行分光得到光线的2n个分光光束照射到目标物体，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个激光器，通过光电探测器阵列对接收元件接收到的各分光光束进行接收，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个探测器，也进一步降低了其他与激光器和探测器配套的光学元件的使用，从而大大降低了多线激光雷达系统实际使用的光学元件数量，使得多线激光雷达的内部结构更加简单。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的一种基于超表面的多线激光雷达系统的结构示意图，本实施例提出一种基于超表面的多线激光雷达系统，包括：光源100、超表面102、接收元件104、光电探测器阵列106、以及雷达支撑机构108。
所述光源、所述超表面、所述接收元件和所述光电探测器阵列均安装在所述雷达支撑机构上。
所述雷达支撑机构，可以采用板状结构或者雷达壳体等任何能够对光源、超表面、接收元件以及光电探测器阵列进行固定安装的器件，这里不再一一赘述。
所述超表面将所述光源发射的光线进行分光，得到所述光线的2n个分光光束，所述2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体300的探测区域上；其中，n为大于等于2的自然数。
当所述光线分光后得到2n个分光光束时，所述超表面上任意位置对光线的调制相位可通过IFTA算法得到。具体的调制相位的计算过程是现有技术，这里不再赘述。
所述接收元件接收被所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束，并将被目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束汇聚到所述光电探测器阵列上。
所述光源，可采用激光器。那么，所述光源发出的光线就是激光。
根据n的数量大小，本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统，可以是4线、8线、16线、32线、64线或者128线激光雷达系统。
在一个实施方式中，所述接收元件，包括：超透镜阵列。
所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个超透镜1040。
所述光电探测器阵列，是线阵光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器1060。
在一个实施方式中，超透镜阵列上的超透镜与光电探测器阵列中的探测器一一对应，光电探测器阵列位于超透镜阵列的下方。
所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束，分别入射到所述多个超透镜中的各超透镜上，各所述超透镜分别将入射的分光光束汇聚到所述多个光电探测器中与各所述超透镜相对设置的光电探测器上。
所述光电探测器，将入射的分光光束转化为电信号。即所述光电探测器，将入射的分光光束当作光信号进行光电转换，得到电信号。
所述光电探测器，可以采用但不限于：雪崩二极管(APD，Avalanche Photodiode)或是单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)。
在本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统中，所述超表面和所述超透镜，分别包括：基底和多个纳米结构。
所述多个纳米结构中的各纳米结构分别设置在所述基底上。
其中，所述2n个分光光束中的各分光光束之间的夹角满足以下公式：
其中，λ表示2n个分光光束中各分光光束的波长；q0表示所述超表面上所述纳米结构的周期；γ表示2n个分光光束中的各分光光束之间的夹角。
超表面和超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据基底上的纳米结构来调制入射光。其中纳米结构包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构可以采用全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。纳米结构在基底上呈阵列排布，所述超表面和超透镜的基底的截面形状为正六边形和/或正方形和/或扇形，每个基底的中心位置，或者每个基底的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。参见图2所示的超表面和超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构在基底上的排布图。超表面和超透镜的工作波段为红外波段。纳米结构之间可用空气填充或者其他透明的填充材料，需要注意的是，此填充材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
为了让基于超表面的多线激光雷达系统能够对周围的目标物体都能够进行扫描，本实施例提出的一种基于超表面的多线激光雷达系统，还包括：机械旋转模块。
所述机械旋转模块安装在所述雷达支撑机构上，能够带动所述雷达支撑机构旋转。
具体地，所述机械旋转模块，包括：电机110和支撑杆112。
所述支撑杆的一端固定在所述雷达支撑机构的底部，所述支撑杆的另一端与所述电机的输出端连接；所述电机带动所述支撑杆旋转，使得所述雷达支撑机构上的所述光源、所述超表面、所述接收元件和所述光电探测器阵列绕所述支撑杆轴向旋转，实现了所述基于超表面的多线激光雷达系统的360度扫描。从而达到了基于超表面的多线激光雷达系统能够对周围的目标物体都能够进行扫描的目的。
所述支撑杆固定在所述雷达支撑机构的底部的一端可以固定在所述雷达支撑机构的底部的任意位置，这里不对支撑杆固定在所述雷达支撑机构的底部的一端的固定位置进行限制。
为了对发出的光束进行整形，参见图3所示的一种基于超表面的多线激光雷达系统的第二种结构示意图，本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统，还包括：光束整形元件。
所述光束整形元件，能够对所述光源发出的光线进行准直，并使准直后的所述光线入射到所述超表面。
在一个实施方式中，所述光束整形元件，采用超透镜或者凸透镜。
为了让超表面分束后得到的2n个分光光束都尽可能照射到目标物体的探测区域上，本实施例提出的超透镜的多线激光雷达系统，还包括：光束偏折元件114。
所述光束偏折元件，接收所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束，并对各所述分光光束的出射方向进行偏折，使得各所述分光光束按照偏折后的出射方向照射到目标物体的探测区域上。
在一个实施方式中，所述光束偏折元件，采用超透镜、楔形棱镜或者反射镜。
为了在不旋转基于超表面的多线激光雷达系统的情况下也能够对目标物体在一定范围内的探测区域进行扫描，参见图4所示的基于超表面的多线激光雷达系统的第三种结构示意图和参见图5所示的基于超表面的多线激光雷达系统的第四种结构示意图，本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统，还包括：MEMS振镜200。
所述MEMS振镜，接收所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束，将入射的所述2n个分光光束中的各所述分光光束反射到目标物体的探测区域的不同位置上。
MEMS振镜可以将多个分光光束反射至目标物体的探测区域的不同位置以形成多个不同位置的扫描光斑，即当振镜扫描角度一定时，探测区域上存在多个不同位置的扫描光斑，提高了单次扫描区域的扫描范围，而当振镜偏转进行范围扫描时，振镜偏转角度为θ，当各分光光束之间的夹角与所述MEMS振镜的扫描角度满足公式
时，激光雷达的扫描范围就是多个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，从而在不旋转基于超表面的多线激光雷达系统的情况下，也可以增大多线激光雷达的扫描视场角，而且在扫描过程中不会在扫描光斑之间出现空隙。
在需要大范围扫描才可以对目标物体进行扫描时，利用机械旋转模块带动基于超表面的多线激光雷达系统进行旋转扫描目标物体，而在小范围内进行扫描就可以完成目标物体的情况下，依靠MEMS振镜偏转就可以对目标物体进行扫描，从而将机械旋转大范围扫描与MEMS振镜偏转的小范围扫描相结合，根据扫描范围大小的具体情况，选用利用机械旋转模块带动基于超表面的多线激光雷达系统进行旋转扫描目标物体，还是利用MEMS振镜偏转对目标物体进行扫描，大大提高了基于超表面的多线激光雷达系统的灵活性和可用性。
可选地，为了与探测目标的大体位置相对应，本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统，还包括：反射元件202。
所述反射元件，接收所述MEMS振镜反射的各所述分光光束，并将接收到的各所述分光光束反射到目标物体的探测区域的不同位置上；
或者，
所述反射元件接收到所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束后，将入射的所述2n个分光光束中的各所述分光光束反射到所述MEMS振镜。
所述反射元件，可以采用但不限于：超透镜和反射镜。
所述超透镜能够设计为对光线进行反射的光学元件的具体过程是现有技术，这里不再赘述。
为了对本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统进行控制，本实施例提出的基于超表面的多线激光雷达系统，还包括：控制系统和控制系统。
所述控制系统，分别与光源，光电探测器和电机连接，被构造为对光源，光电探测器和电机进行控制的部件；所述处理系统与所述控制系统相连，对所述控制系统下达命令，同时对控制系统接收到的光电探测器对光信号进行光电转换后得到的探测值(即上述电信号)进行数据处理。
所述控制系统和所述控制系统，可以采用现有技术中的任何微处理器、微控制器、以及单片机，这里不再一一赘述。
所述控制系统，分别与光源，光电探测器和电机连接，被构造为对光源，光电探测器和电机进行控制的具体过程都是现有技术，这里不再赘述。
所述处理系统，对所述控制系统下达命令，同时对控制系统接收到的光电探测器对光信号进行光电转换后得到的探测值(即上述电信号)进行数据处理的过程是现有技术，这里不再赘述。
相比于传统透镜，超表面和超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势。
基于超表面的多线激光雷达包括一个激光器和一个探测器，包含的元件少，结构简单，成本低；系统复杂度低，装调简单，损坏后易于维修；整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容。
综上所述，本实施例提出一种基于超表面的多线激光雷达系统，在基于超表面的多线激光雷达系统中，使用超表面对光源发射的光线进行分光，得到光线的2n个分光光束，2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上，接收元件接收被目标物体的探测区域反射回的各分光光束，并将被目标物体的探测区域反射回的各分光光束汇聚到光电探测器阵列上，与相关技术中多线激光雷达需要设置2n个激光器、2n个探测器以及其他配套使用的光学元件的实现方式相比，通过超表面对光源发射的光线进行分光得到光线的2n个分光光束照射到目标物体，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个激光器，通过光电探测器阵列对接收元件接收到的各分光光束进行接收，替代了多线激光雷达系统中使用的2n个探测器，也进一步降低了其他与激光器和探测器配套的光学元件的使用，从而大大降低了多线激光雷达系统实际使用的光学元件数量，使得多线激光雷达的内部结构更加简单。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，包括：光源、超表面、接收元件、光电探测器阵列以及雷达支撑机构；
所述光源、所述超表面、所述接收元件和所述光电探测器阵列均安装在所述雷达支撑机构上；
所述超表面将所述光源发射的光线进行分光，得到所述光线的2n个分光光束，所述2n个分光光束中的各分光光束分别照射到目标物体的探测区域上；其中，n为大于等于2的自然数；
所述接收元件接收被所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束，并将被所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束汇聚到所述光电探测器阵列上。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述接收元件，包括：超透镜阵列；
所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个超透镜；
所述光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器；
所述目标物体的探测区域反射回的各所述分光光束，分别入射到所述多个超透镜中的各超透镜上，各所述超透镜分别将入射的分光光束汇聚到所述多个光电探测器中与各所述超透镜相对设置的光电探测器上；
所述光电探测器，将入射的分光光束转化为电信号。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述超表面和所述超透镜，分别包括：基底和多个纳米结构；
所述多个纳米结构中的各纳米结构分别设置在所述基底上。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述2n个分光光束中的各分光光束之间的夹角满足以下公式：
其中，λ表示2n个分光光束中各分光光束的波长；q0表示所述超表面上所述纳米结构的周期；γ表示2n个分光光束中的各分光光束之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：机械旋转模块；
所述机械旋转模块安装在所述雷达支撑机构上，能够带动所述雷达支撑机构旋转。
6.根据权利要求5所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述机械旋转模块，包括：电机和支撑杆；
所述支撑杆的一端固定在所述雷达支撑机构的底部，所述支撑杆的另一端与所述电机的输出端连接；所述电机带动所述支撑杆旋转，使得所述雷达支撑机构上的所述光源、所述超表面、所述接收元件和所述光电探测器阵列绕所述支撑杆轴向旋转。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：光束整形元件；
所述光束整形元件，能够对所述光源发出的光线进行准直，并使准直后的所述光线入射到所述超表面。
8.根据权利要求7所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述光束整形元件，采用超透镜或者凸透镜。
9.根据权利要求1所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：光束偏折元件；
所述光束偏折元件，接收所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束，并对各所述分光光束的出射方向进行偏折，使得各所述分光光束按照偏折后的出射方向照射到目标物体的探测区域上。
10.根据权利要求9所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏折元件，采用超透镜、楔形棱镜或者反射镜。
11.根据权利要求5所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：MEMS振镜；
所述MEMS振镜，接收所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束，将入射的所述2n个分光光束中的各所述分光光束反射到目标物体的探测区域的不同位置上。
12.根据权利要求11所述的基于超表面的多线激光雷达系统，其特征在于，还包括：反射元件；
所述反射元件，接收所述MEMS振镜反射的各所述分光光束，并将接收到的各所述分光光束反射到目标物体的探测区域的不同位置上；
或者，
所述反射元件接收到所述超表面分束后得到的所述2n个分光光束中的各分光光束后，将入射的所述2n个分光光束中的各所述分光光束反射到所述MEMS振镜。
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| CN202221297546.4U CN217467177U (zh) | 2022-05-27 | 2022-05-27 | 一种基于超表面的多线激光雷达系统 |
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