CN217639544U - 一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车，在车载激光雷达发射子系统中使用可调超透镜阵列对光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的光线能够始终在水平方向上形成点云，由于可调超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于可调超透镜的车载激光雷达系统包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修，从而缩小了车载激光雷达系统的体积，可以使车载激光雷达系统能够安装到空间比较紧凑的车辆中，大大提高了车载激光雷达系统的用于场景，满足车载激光雷达系统小型化发展趋势。

Description

一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车

技术领域

本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车。

背景技术

目前，车载激光雷达实现了汽车的无人驾驶、紧急避让等自动化功能。车载激光雷达在平稳的道路上展现了优越的性能，但现在的车载激光雷达的结构复杂，体积较大，对车辆的安装空间要求较高。

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可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统，能够安装在汽车上，所述基于可调超透镜的车载激光雷达系统，包括：车载激光雷达发射子系统和车载激光雷达接收子系统；

所述车载激光雷达发射子系统，包括：光源和可调超透镜阵列；

所述光源位于所述可调超透镜阵列的焦平面上；

所述可调超透镜阵列对所述光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的所述光线能够在水平方向上形成点云；

所述车载激光雷达接收子系统，接收目标物体反射的回波信号。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种汽车，包括上述第一方面所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统。

本实用新型实施例上述第一方面至第二方面中，在车载激光雷达发射子系统中使用可调超透镜阵列对光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的光线能够在水平方向上形成点云，由于可调超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于可调超透镜的车载激光雷达系统包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修，从而缩小了车载激光雷达系统的体积，可以使车载激光雷达系统能够安装到空间比较紧凑的车辆中，大大提高了车载激光雷达系统的用于场景，满足车载激光雷达系统小型化发展趋势。

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可调超透镜的车载激光雷达系统中，车载激光雷达发射子系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，车载激光雷达接收子系统的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，电压与调制相位的关系示意图；

图4示出了本实用新型实施例2所提供的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，基于梯度电压的广角探测的车载激光雷达发射子系统的示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，正六边形、正方形的超表面结构单元排布图。

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，车载激光雷达实现了汽车的无人驾驶、紧急避让等自动化功能。车载激光雷达在平稳的道路上展现了优越的性能，但现在的车载激光雷达的结构复杂，体积较大，对车辆的安装空间要求较高。

基于此，本申请实施例提出一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车，在车载激光雷达发射子系统中使用可调超透镜阵列对光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的光线能够始终在水平方向上形成点云，由于可调超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于可调超透镜的车载激光雷达系统包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修，从而缩小了车载激光雷达系统的体积，可以使车载激光雷达系统能够安装到空间比较紧凑的车辆中，大大提高了车载激光雷达系统的用于场景，满足车载激光雷达系统小型化发展趋势。

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所示的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中车载激光雷达发射子系统的结构示意图，参见图2所示的一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统中车载激光雷达接收子系统的结构示意图，本实施例提出一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统，能够安装在汽车上，包括：车载激光雷达发射子系统100和车载激光雷达接收子系统200。

所述车载激光雷达发射子系统，包括：光源102和可调超透镜阵列104。

所述光源位于所述可调超透镜阵列的焦平面上。

所述可调超透镜阵列对所述光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的所述光线能够始终在水平方向上形成点云。

所述车载激光雷达接收子系统，接收目标物体反射的回波信号。

为了实时调整可调超透镜的调制相位，本实施例提出的基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，所述车载激光雷达发射子系统，还包括：水平仪106和电源108。

所述电源分别与所述可调超透镜阵列和所述水平仪分别连接。

所述水平仪能够对所述汽车的车身倾斜角度进行测量。

所述可调超透镜阵列能够按照与所述车身倾斜角度匹配的电源输出电压相对应的调制相位，对所述光源发出的光线的出射方向进行相位调制。

可选地，本实施例提出的基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，除了使用可调超透镜阵列对光源发出的光线的出射方向进行相位调制外，还可以使用空间光调制器(LSM)或者数字微反射镜(DMD)，实现与上述可调超透镜阵列类似的功能，这里不再赘述。

进一步地，所述车载激光雷达发射子系统，还包括：准直超透镜阵列110。

所述准直超透镜阵列，与所述可调超透镜阵列并排设置。

所述准直超透镜阵列，包括：并排设置的多个准直超透镜。

所述可调超透镜阵列，包括：并排设置的多个可调超透镜。

所述准直超透镜，对所述光源发出的光线进行准直，使得准直后的光线能够在准直后的出射方向上形成点云。

可选地，所述光源，可以采用激光器阵列。

所述激光器阵列，包括：并排设置的多个激光器。

设置好的激光器阵列中的各激光器和超透镜阵列中的各准直超透镜以及各可调超透镜分别一一对应。

所述并排设置的多个激光器中的各激光器发出的光线分别入射到与各所述激光器相对设置的准直超透镜或者可调超透镜上。

所述可调超透镜的具体结构已通过其它专利进行保护，并不是本申请的重点。

在上述可调超透镜中，电极分布在基底两侧，可提供不同的电压。当汽车在水平道路上，水平仪采集的车身倾斜角度为0，电源不提供电压，可调超透镜实现与准直超透镜具有相同的功能(即汽车在水平道路上行驶，可调超透镜对光源发出的光线进行准直，使得准直后的光线能够在准直后的出射方向上形成点云)。但当汽车行驶在有一定坡度的道路上时，如图1所示或者图2所示，水平仪将车身倾斜角度反馈给电源，使电源输出与车身倾斜角度对应的电压，而电压与调制相位的关系如图3所示。从而实时调整电源对可调超透镜阵列输出的电压值，以此改变可调超透镜阵列中各可调超透镜的电极部分的相位分布，使得光线经过可调超透镜阵列后的出射角等于车身倾斜角，让出射光线光轴保持水平方向，增大光源探测视场，使汽车在陡峭路段也不会存在探测盲区。

当有目标物体进入点云时，点云照射到目标物体上的光线会被目标物体反射，产生目标物体反射的回波信号。

为了接收回波信号，在本实施例提出的基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，所述车载激光雷达接收子系统，包括：超透镜阵列和光电探测器阵列204。

所述超透镜阵列分别与所述水平仪和所述电源连接。

所述光电探测器阵列，位于所述超透镜阵列的焦平面上。

所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个可调超透镜202。

所述光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器。

所述并排设置的多个可调超透镜中的各可调超透镜按照与所述水平仪测量的车身倾斜角度匹配的电源输出电压相对应的调制相位，对接收到的回波信号进行相位调制，相位调制后的回波信号会以出射光轴垂直光电探测器的方式入射到所述多个光电探测器中与各可调超透镜相对设置的光电探测器中。

在一个实施方式中，所述光电探测器，采用光电二极管，将接收到的回波信号光电转换为电信号。

进一步地，基于可调超透镜的车载激光雷达系统中，所述超透镜阵列，还包括：并排设置的多个汇聚超透镜206。

所述并排设置的多个汇聚超透镜中的各汇聚超透镜对回波信号进行汇聚，使得汇聚后的回波信号会被所述多个光电探测器中与各汇聚超透镜相对设置的光电探测器接收。

只有车身在水平方向，回波信号才会垂直入射到所述多个光电探测器中与各汇聚超透镜相对设置的光电探测器中，车身倾斜时，回波信号会以非垂直角度入射到所述多个光电探测器中与各汇聚超透镜相对设置的光电探测器中。

超透镜阵列中的各汇聚超透镜和各可调超透镜分别和光电探测器阵列中的光电探测器一一对应。超透镜阵列将回波信号聚焦在光电探测器表面，光电探测器位于汇聚超透镜和可调超透镜的焦平面上。为了弥补光电探测器倾斜导致收集到的回波信号功率低，超透镜阵列中的可调超透镜的电极改变回波信号的相位，矫正回波信号的入射角，减小能量损失，使回波信号以出射光轴垂直于光电探测器的方式汇聚到光电探测器，具体的原理和车载激光雷达发射子系统中可调超透镜的原理相同，这里不再赘述。

可选地，所述车载激光雷达发射子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达发射子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第一比例，所述车载激光雷达接收子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达接收子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第二比例，第一比例和第二比例均在[0.1,0.7]之间。

优选地，所述车载激光雷达发射子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达发射子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第一比例和所述车载激光雷达接收子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达接收子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第二比例均为0.4。

参见图4所示的基于梯度电压的广角探测的车载激光雷达发射子系统的示意图，为了使车载激光雷达发射子系统中准直超透镜阵列与可调超透镜阵列不存在空白探测视场，所述电源给可调超透镜阵列发出的电压为梯度电压。以倾斜角度所需产生水平光源的电压为最大电压，朝0电压逐步递减，光束按一定角度覆盖整个视场所述电源发出的电压为梯度电压。

在一个实施方式中，所述准直超透镜和汇聚超透镜，分别包括：衬底和纳米结构。

所述纳米结构，设置在所述衬底上。

所述可调超透镜中使用的超透镜结构，与所述准直超透镜或者所述汇聚超透镜的结构类似，这里不再赘述。

超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元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。本案中，纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元呈阵列排布，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。图5给出正六边形、正方形的超表面结构单元排布图。

超表面的工作波段为可见光。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此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。

本实施例提出的基于可调超透镜阵列的车载激光雷达系统，包括上述激光雷达发射子系统和上述激光雷达接收子系统。水平仪根据车身倾斜角度的读数反馈给电源，电源采用图3的方式为激光雷达发射子系统中可调超透镜阵列含有电极区域提供相应的电压改变发射系统超透镜阵列和接收系统超透镜阵列的相位变化，实现可调超透镜阵列对光源发出光线的水平出射相位调制，弥补车身倾斜带来的驾驶员和传统探测器的探测盲区。对于激光雷达接收子系统来说，对入射的回波信号进行相位调制，矫正入射角，减小能量损失，使回波信号的按照光轴垂直于光电探测器的方式入射到轨道探测器，提高回波信号的信噪比。

相比于传统透镜，超透镜具备“轻”，“薄”，“简”，“廉”以及产能高的优势。

基于可调超透镜阵列的车载激光雷达系统解决了汽车在有一定坡度的道路上存在盲区的问题，增大了系统探测的视场，同时接收的可调超透镜阵列矫正回波信号入射角，减小回波信号损失提高系统的信噪比。整个系统体积小，重量轻，可以轻易地安装在汽车前部。

本实施例还提出一种汽车，包括上述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统。

综上所述，本实施例提出一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统和汽车，在车载激光雷达发射子系统中使用可调超透镜阵列对光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的光线能够在水平方向上形成点云，由于可调超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于可调超透镜的车载激光雷达系统包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修，从而缩小了车载激光雷达系统的体积，可以使车载激光雷达系统能够安装到空间比较紧凑的车辆中，大大提高了车载激光雷达系统的用于场景，满足车载激光雷达系统小型化发展趋势。

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 (9)

1.一种基于可调超透镜的车载激光雷达系统，能够安装在汽车上，其特征在于，所述基于可调超透镜的车载激光雷达系统，包括：车载激光雷达发射子系统和车载激光雷达接收子系统；

所述车载激光雷达发射子系统，包括：光源和可调超透镜阵列；

所述光源位于所述可调超透镜阵列的焦平面上；

所述可调超透镜阵列对所述光源发出的光线的出射方向进行相位调制，相位调制后的所述光线能够在水平方向上形成点云；

所述车载激光雷达接收子系统，接收目标物体反射的回波信号。

2.根据权利要求1所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，所述车载激光雷达发射子系统，其特征在于，还包括：水平仪和电源；

所述电源分别与所述可调超透镜阵列和所述水平仪分别连接；

所述水平仪能够对所述汽车的车身倾斜角度进行测量；

所述可调超透镜阵列能够按照与所述车身倾斜角度匹配的电源输出电压相对应的调制相位，对所述光源发出的光线的出射方向进行相位调制。

3.根据权利要求2所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述车载激光雷达发射子系统，还包括：准直超透镜阵列；

所述准直超透镜阵列，与所述可调超透镜阵列并排设置；

所述准直超透镜阵列，包括：并排设置的多个准直超透镜；

所述可调超透镜阵列，包括：并排设置的多个可调超透镜；

所述准直超透镜，对所述光源发出的光线进行准直，使得准直后的光线能够在准直后的出射方向上形成点云。

4.根据权利要求3所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述光源，采用激光器阵列；

所述激光器阵列，包括：并排设置的多个激光器；

所述并排设置的多个激光器中的各激光器发出的光线分别入射到与各所述激光器相对设置的准直超透镜或者可调超透镜上。

5.根据权利要求3所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述车载激光雷达接收子系统，包括：超透镜阵列和光电探测器阵列；

所述超透镜阵列分别与所述水平仪和所述电源连接；

所述光电探测器阵列，位于所述超透镜阵列的焦平面上；

所述超透镜阵列，包括：并排设置的多个可调超透镜；

所述光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器；

所述并排设置的多个可调超透镜中的各可调超透镜按照与所述水平仪测量的车身倾斜角度匹配的电源输出电压相对应的调制相位，对接收到的回波信号进行相位调制，相位调制后的回波信号会以出射光轴垂直光电探测器的方式入射到所述多个光电探测器中与各可调超透镜相对设置的光电探测器中。

6.根据权利要求5所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述超透镜阵列，还包括：并排设置的多个汇聚超透镜；

所述并排设置的多个汇聚超透镜中的各汇聚超透镜对回波信号进行汇聚，使得汇聚后的回波信号会被所述多个光电探测器中与各汇聚超透镜相对设置的光电探测器接收。

7.根据权利要求6所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述车载激光雷达发射子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达发射子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第一比例，所述车载激光雷达接收子系统中可调超透镜的数量占车载激光雷达接收子系统中汇聚超透镜与可调超透镜的总数的第二比例，所述第一比例和所述第二比例均在[0.1,0.7]之间。

8.根据权利要求7所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统，其特征在于，所述准直超透镜和所述汇聚超透镜，分别包括：衬底和纳米结构；

所述纳米结构，设置在所述衬底上。

9.一种汽车，其特征在于，包括上述权利要求1-8任一项所述的基于可调超透镜的车载激光雷达系统。

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