CN217820828U

CN217820828U - 激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统

Info

Publication number: CN217820828U
Application number: CN202221185112.5U
Authority: CN
Inventors: 朱瑞; 朱健; 郝成龙; 谭凤泽
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2032-05-17

Abstract

本实用新型提供了一种激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统，通过在激光雷达发射设备中设置能够对光线进行分光的超表面，通过超表面将光线分束为多个分光光束，MEMS振镜可以将多个分光光束反射至目标的探测区域的不同位置，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视场角的大小，而当振镜偏转进行扫描时，激光雷达的扫描视场相当于多个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，从而增大了激光雷达的扫描视场角。

Description

激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及超表面应用技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统。

背景技术

目前，激光雷达在智能机器人，全自动驾驶，无人机等众多应用领域表现出极大的市场潜力。主流的激光雷达主要分为机械式激光雷达，全固态激光雷达和半固态激光雷达。半固态激光雷达主要基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜。对于发射系统而言，MEMS振镜偏转角度有限，导致扫描角度较小，限制扫描视场；从而限制了MEMS激光雷达的应用场景。

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激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种激光雷达发射设备，包括：光源、超表面和MEMS振镜；

所述超表面对所述光源发出的光线进行分光，得到所述光线的至少两个分光光束，所述至少两个分光光束分别入射到所述MEMS振镜；

所述MEMS振镜，能够将入射的至少两个分光光束中的各分光光束反射到目标的探测区域的不同位置上；

所述各分光光束之间的夹角与所述MEMS振镜的扫描角度满足以下公式：

其中，α表示所述各分光光束之间的夹角；n表示分光光束的数量；θ表示所述MEMS振镜的扫描角度。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达接收设备，能够接收目标反射回的光信号，包括：光电探测器阵列、超透镜阵列和接收透镜；

所述光电探测器阵列，包括并列设置的多个光电传感器；所述超透镜阵列，包括并列设置的多个超透镜；

所述目标反射回的光信号，被所述接收透镜接收后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光信号汇聚到所述多个光电传感器中与各所述超透镜相对设置的光电传感器上；

所述光电传感器，将入射的光信号转化为电信号。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种半固态激光雷达系统，包括：上述第一方面所述的激光雷达发射设备和上述第二方面所述的激光雷达接收设备。

本实用新型实施例上述第一方面至第三方面提供的方案中，通过在激光雷达发射设备中设置能够对光线进行分光的超表面，超表面对光线进行分光得到的至少两个分光光束会分别被MEMS振镜反射到目标的探测区域上，以此对目标进行探测，与相关技术中MEMS振镜偏转角度有限造成激光雷达扫描角度较小的方式相比，通过超表面将光线分束为多个分光光束，MEMS振镜可以将多个分光光束反射至目标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视场角的大小，而当振镜偏转进行扫描时，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，激光雷达的扫描视场是多个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，从而增大了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，从而在增大激光雷达的扫描视场的同时，保证了激光雷达的扫描精度。

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激光雷达发射设备的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达发射设备中，超表面结构单元排布图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达发射设备中，超表面中不同形状的纳米结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达发射设备的另一个结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收设备的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收设备中，不同接收透镜的示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的一种半固态激光雷达系统的示意图。

图标：100、光源；102、超表面；104、MEMS振镜；106、反射元件；200、光电探测器阵列；202、超透镜阵列；204、接收透镜；10、超透镜；12、凸透镜组；14、超透镜与凸透镜组成的透镜组；300、激光雷达发射设备；302、激光雷达接收设备；304、处理系统；306、控制系统。

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，激光雷达在智能机器人，全自动驾驶，无人机等众多应用领域表现出极大的市场潜力。主流的激光雷达主要分为机械式激光雷达，全固态激光雷达和半固态激光雷达。半固态激光雷达主要基于MEMS振镜执行工作。对于激光雷达的发射系统而言，MEMS振镜偏转角度有限，导致扫描角度较小，限制扫描视场的范围；扫描视场角过小限制了MEMS激光雷达的应用场景。

基于此，本实施例提出一种激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统，通过在激光雷达发射设备中设置能够对光线进行分光的超表面，通过超表面将光线分束为多个分光光束，MEMS振镜可以将多个分光光束反射至目标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视场角的大小，而当振镜偏转进行扫描时，激光雷达的扫描视场相当于多个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，从而增大了激光雷达的扫描视场角。

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所示的一种激光雷达发射设备的结构示意图，本实施例提出一种激光雷达发射设备，包括：光源100、超表面102和MEMS振镜104。

在一个实施方式中，所述光源，可以采用激光器。所述激光器发射的光线是激光光束。

所述超表面，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。

所述各纳米结构之间，还可以填充有填充材料。

超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上设置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。在本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，纳米结构可选的材料包括：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/或正方形和/或扇形，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2给出正六边形、正方形和扇形的超表面结构单元排布图。超表面的工作波段为红外波段。纳米结构之间可是空气填充或者其他L光波段波段透明的材料，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。如图3所示，本实施例中提出的激光雷达发射设备使用的超表面中的纳米结构可采用偏振相关纳米结构，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正无关结构，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。

所述超表面对所述光源发出的光线进行分光，得到所述光线的至少两个分光光束，所述至少两个分光光束分别入射到所述MEMS振镜。

当所述光线分光后得到具有第一偏振特性的光线和具有第二偏振特性的光线时，所述超表面上任意位置的相位满足以下公式：

其中，(x,y)表示超表面上任意位置的位置信息；

表示超表面上任意位置的相位；k₀表示波矢；

f表示超表面的焦距；x₀表示焦距处具有第一偏振特性的光线或者具有第二偏振特性的光线距离光轴的距离；d表示纳米结构的周期。

当具有第一偏振特性的光线是左旋圆偏振光时，那么具有第二偏振特性的光线是右旋圆偏振光。

当具有第一偏振特性的光线是水平偏振光时，那么具有第二偏振特性的光线是竖直偏振光。

可选地，所述具有第一偏振特性的光线和所述具有第二偏振特性的光线之间的夹角满足以下公式：

其中，β表示所述具有第一偏振特性的光线和所述具有第二偏振特性的光线之间的夹角。

当所述光线分光后得到三个以及三个以上的分光光束时，所述超表面上任意位置的相位通过IFTA算法得到。具体的相位计算过程是现有技术，这里不再赘述。

当所述光线分光后得到至少两个均匀的分光光束的情况下，至少两个均匀的分光光束可以是任意特性的光线，并非必须是具有偏振特性的光线。

在一个实施方式中，所述至少两个均匀的分光光束中各分光光束之间的夹角满足以下公式：

其中，λ表示至少两个均匀的分光光束中各分光光束的波长；p₀表示超表面上所述纳米结构的周期。

所述MEMS振镜，能够将入射的至少两个分光光束中的各分光光束反射到目标1000的探测区域的不同位置上。

为了在扫描过程中不会在扫描光斑之间出现空隙，所述各分光光束之间的夹角与所述MEMS振镜的扫描角度应满足以下公式描述的关系：

这里，当

时，若振镜扫描角度一定，探测区域上存在的至少两个不同位置的扫描光斑，而若振镜振动进行扫描，至少两个扫描光斑对应的扫描范围之间恰好不存在重叠视场且相接，扫描视场角和扫描范围同时增大。

当

时，至少两个扫描光斑对应的扫描范围存在重叠，扫描密度增加从而提高扫描精度。

为了对光源发出的光线进行整形，本实施例提出的激光雷达发射设备，还可以包括：超透镜。

所述超透镜，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。

所述超透镜的具体结构与上述超表面的具体结构类似，这里不再赘述。

所述超透镜的具体功能与上述超表面的具体功能类似，这里亦不再赘述。

可选地，为了与探测目标的大体位置相对应，参见图4所示的本实施例提出的激光雷达发射设备的另一个结构示意图，本实施例提出的激光雷达发射设备，还可以包括：反射元件106。

所述反射元件，接收所述MEMS振镜反射的各分光光束，并将接收到的各分光光束反射到目标的探测区域的不同位置上。

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。

为了对目标反射回的光信号进行接收，参见图5所示的一种激光雷达接收设备的结构示意图，本实施例还提出一种激光雷达接收设备，能够接收目标反射回的光信号，包括：光电探测器阵列200、超透镜阵列202和接收透镜204。

所述光电探测器阵列，包括并列设置的多个光电传感器；所述超透镜阵列，包括并列设置的多个超透镜。

所述光电传感器，将入射的光信号转化为电信号。

在一个实施方式中，所述光电传感器，可以是但不限于：雪崩二极管(AvalanchePhotodiode，APD)或者单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)。

参见图6所示的一种激光雷达接收设备中接收透镜的示意图，所述接收透镜，包括但不限于：超透镜10、超透镜与凸透镜组成的透镜组14、或者凸透镜组12。

所述超透镜10、所述超透镜与凸透镜组成的透镜组14、以及所述凸透镜组12均可以对入射的光信号进行准直。

在对激光雷达发射设备和激光雷达接收设备进行描述之后，继续对包括激光雷达发射设备和激光雷达接收设备的半固态激光雷达系统进行描述。

参见图7所示的一种半固态激光雷达系统的示意图，本实施例提出的一种半固态激光雷达系统，包括：上述的激光雷达发射设备300和上述的激光雷达接收设备302。

除此之外，本实施例提出的半固态激光雷达系统还包括：处理系统304和控制系统306。

其中，所述控制系统分别与所述处理系统、所述激光雷达发射设备中的光源以及所述激光雷达接收设备中的所述光电探测器阵列连接。

所述控制系统，能够控制光源发光，使得激光雷达发射设备发出的分光光束能够照射到目标物体308的探测区域；所述激光雷达接收设备对目标反射回的光信号进行接收，将接收到的光信号转化为能够输出的探测值，并将探测值通过所述控制系统传输到所述处理系统；所述处理系统对探测值进行数据处理。

所述控制系统，可以采用现有技术中任何能够对光源进行控制的控制器或者微控制器；这里不再一一赘述。

所述处理系统，可以采用现有技术中任何能够对探测值进行数据处理的处理器，这里不再一一赘述。

所述探测值就是上述的电信号。

所述控制系统对光源进行控制的过程是现有技术，这里不再赘述。

所述处理系统对探测值进行数据处理的过程是现有技术，这里不再赘述。

综上所述，本实施例提出一种激光雷达发射设备、接收设备以及半固态激光雷达系统，通过在激光雷达发射设备中设置能够对光线进行分光的超表面，超表面对光线进行分光得到的至少两个分光光束会分别被MEMS振镜反射到目标的探测区域上，对目标进行探测，与相关技术中MEMS振镜偏转角度有限造成激光雷达扫描角度较小的方式相比，通过超表面将光线分束为多个分光光束，振镜可以将多个分光光束反射至目标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视场角的大小，而当振镜偏转进行扫描时，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，相当于激光雷达的扫描视场是多个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，从而增大了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，从而在增大激光雷达的扫描视场的同时，保证了激光雷达的扫描精度。

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

1.一种激光雷达发射设备，其特征在于，包括：光源、超表面和MEMS振镜；

2.根据权利要求1所述的激光雷达发射设备，其特征在于，还包括：超透镜；

3.根据权利要求2所述的激光雷达发射设备，其特征在于，还包括：反射元件；

4.根据权利要求2或者3所述的激光雷达发射设备，其特征在于，所述超透镜和所述超表面，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；

所述纳米结构采用偏振相关纳米结构。

5.根据权利要求1所述的激光雷达发射设备，其特征在于，当所述光线分光后得到具有第一偏振特性的光线和具有第二偏振特性的光线时，所述具有第一偏振特性的光线和所述具有第二偏振特性的光线之间的夹角满足以下公式：

其中，β表示所述具有第一偏振特性的光线和所述具有第二偏振特性的光线之间的夹角；x₀表示焦距处具有第一偏振特性的光线或者具有第二偏振特性的光线距离光轴的距离；f表示超表面的焦距。

6.根据权利要求4所述的激光雷达发射设备，其特征在于，当所述光线分光后得到至少两个均匀的分光光束时，所述至少两个均匀的分光光束中各分光光束之间的夹角满足以下公式：

7.一种激光雷达接收设备，能够接收目标反射回的光信号，其特征在于，包括：光电探测器阵列、超透镜阵列和接收透镜；

所述光电传感器，将入射的光信号转化为电信号。

8.根据权利要求7所述的激光雷达接收设备，其特征在于，所述光电传感器，采用雪崩二极管或者单光子雪崩二极管。

9.根据权利要求7所述的激光雷达接收设备，其特征在于，所述接收透镜，包括：超透镜、超透镜与凸透镜组成的透镜组、或者凸透镜组。

10.一种半固态激光雷达系统，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的激光雷达发射设备和权利要求7-9任一项所述的激光雷达接收设备。