CN217820829U - 一种收发同轴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收发同轴的多线激光雷达系统，通过在激光雷达发射模块与激光雷达接收模块之间设置分光镜和MEMS振镜，实现了多线激光雷达系统的收发同轴，而且，使用包括超透镜阵列和光电探测器阵列的激光雷达接收模块，替代传统的多线激光雷达中使用的2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，由于超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于超透镜的多线激光雷达包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修；整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容，满足激光雷达小型化发展趋势。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜、超表面应用技术领域，具体而言，涉及一种收发同轴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个探测器以及其他配套使用的光学元件来对目标物体反射回的光线进行接收，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收发同轴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收发同轴的多线激光雷达系统，包括：激光雷达发射模块、分光镜、MEMS振镜以及激光雷达接收模块；
所述分光镜能够透过所述激光雷达发射模块发出的2n个扫描光束，使得2n个扫描光束中的各扫描光束分别入射到所述MEMS振镜；其中，各所述扫描光束具有第一光学特性，n为大于等于2的自然数；
所述MEMS振镜，将入射的各扫描光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述扫描光束对所述目标物体的不同位置进行扫描；
所述激光雷达接收模块，包括：超透镜阵列和光电探测器阵列；
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；
所述目标物体的不同位置被各所述扫描光束照射后，会生成2n个反射光束，所述2n个反射光束中的各反射光束依次经过所述MEMS 振镜以及所述分光镜的反射后，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各反射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；其中，各所述反射光束具有第二光学特性，所述第一光学特性与所述第二光学特性不同；
所述光电探测器，将入射的反射光束转化为电信号。
本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，通过在激光雷达发射模块与激光雷达接收模块之间设置分光镜和MEMS振镜，实现了多线激光雷达系统的收发同轴，而且，使用包括超透镜阵列和光电探测器阵列的激光雷达接收模块，替代传统的多线激光雷达中使用的2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，由于超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于超透镜的多线激光雷达包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修；整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容，满足激光雷达小型化发展趋势。
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收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图一；
图2示出了本实用新型实施例所提供的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图二；
图3示出了本实用新型实施例所提供的一种收发同轴的多线激光雷达系统中，准直超透镜、超表面、偏折光束超透镜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4示出了本实用新型实施例所提供的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图三；
图5示出了本实用新型实施例所提供的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图四；
图6示出了本实用新型实施例所提供的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图五。
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。
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个探测器以及其他配套使用的光学元件来对目标物体反射回的光线进行接收，导致多线激光雷达的内部结构非常复杂。
基于此，本申请以下实施例提出的一种收发同轴的多线激光雷达系统，通过在激光雷达发射模块与激光雷达接收模块之间设置分光镜和MEMS振镜，实现了多线激光雷达系统的收发同轴，而且，使用包括超透镜阵列和光电探测器阵列的激光雷达接收模块，替代传统的多线激光雷达中使用的2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，由于超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于超透镜的多线激光雷达包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修；整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容，满足激光雷达小型化发展趋势。
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所示的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图一，包括：激光雷达发射模块、分光镜100、MEMS振镜102以及激光雷达接收模块。
所述分光镜能够透过所述激光雷达发射模块发出的2n个扫描光束，使得2n个扫描光束中的各扫描光束分别入射到所述MEMS振镜。其中，各所述扫描光束具有第一光学特性，n为大于等于2的自然数。
根据n的数量大小，本实施例提出的收发同轴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。
所述MEMS振镜，将入射的各扫描光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述扫描光束对所述目标物体的不同位置进行扫描。
所述MEMS振镜可以将多个分光光束反射至目标物体的不同位置以形成对多个不同位置的扫描光斑，即通过各所述扫描光束形成的光斑所覆盖的所述目标物体的区域，完成对目标物体进行的扫描。
所述激光雷达接收模块，包括：超透镜阵列104和光电探测器阵列106。
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，是线阵光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器。
所述目标物体的不同位置被各所述扫描光束照射后，会生成2n个反射光束，所述2n个反射光束中的各反射光束依次经过所述MEMS 振镜以及所述分光镜的反射后，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各反射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；其中，各所述反射光束具有第二光学特性，所述第一光学特性与所述第二光学特性不同。
所述光电探测器，将入射的反射光束转化为电信号。
所述第一光学特性与所述第二光学特性，可以是不同的偏振特性，也可以是不同的光线波长，还可以是其他已知的任何不同的光学特性，这里不再一一赘述。
所述分光镜，可以为了满足所选择的所述第一光学特性与所述第二光学特性进行设计得到。具体的设计方式是现有技术，这里不再赘述。
所述激光器为单个激光光源，用于发射一个激光光束。
所述光电探测器，可以采用但不限于：雪崩二极管(APD， Avalanche Photodiode)或者单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)，可以将作为光信号的反射光束转化为电信号。
超透镜阵列上的超透镜与光电探测器阵列中的光电探测器在排列上一一对应，光电探测器可以位于接收超透镜的下方。
本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统中，所述激光雷达发射模块，可使用单个激光器，形成“单发多收”多线激光雷达系统；那么，所述激光雷达发射模块，包括：激光器108、超表面110和准直超透镜112。
所述超表面将所述激光器发射的光线进行分光，得到2n个扫描光束。
所述准直超透镜，能够对所述2n个扫描光束中的各扫描光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的各所述扫描光束入射到所述分光镜。
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上，参见图2所示的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图二，所述激光雷达发射模块，还包括：光束偏折元件114。
所述光束偏折元件，对所述激光器发出的光线的出射方向进行偏折，使得所述光线按照偏折后的出射方向照射到所述超表面上。
在一个实施方式中，所述光束偏折元件，包括但不限于：棱镜、光束偏折超透镜或反射镜。
具体地，所述超表面、所述准直超透镜、所述光束偏折超透镜和所述超透镜，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。
准直超透镜、超表面、光束偏折超透镜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，准直超透镜、超表面、光束偏折超透镜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3所示的准直超透镜、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。准直超透镜、超表面、光束偏折超透镜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。
所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述超透镜所使用的纳米结构的尺寸和周期并不相同，所以可以实现各自不同的功能。
在激光雷达发射模块发出的所述2n个扫描光束中，所述2n个扫描光束中的各扫描光束之间的夹角满足以下公式：
其中，λ表示2n个扫描光束中各扫描光束的波长；r0表示所述超表面上所述纳米结构的周期；θ表示2n个扫描光束中的各扫描光束之间的夹角。
参见图4所示的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图三，在本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统中，所述激光雷达发射模块，可使用2n个激光器，形成“多发多收”多线激光雷达系统；那么，所述激光雷达发射模块，包括：2n个激光器。
2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束分别入射到所述分光镜。
采用单个激光器实现的激光雷达发射模块，可以进一步降低收发同轴的多线激光雷达系统中使用的光学元件数量，以及收发同轴的多线激光雷达系统的复杂度。
参见图5所示的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图四，在本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统中，所述激光雷达发射模块，还包括：准直超透镜。
所述准直超透镜，能够对2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的扫描光束入射到所述分光镜。
参见图6所示的一种收发同轴的多线激光雷达系统的结构示意图五，在本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统，所述激光雷达发射模块，还包括：光束偏折元件。
所述光束偏折元件，对2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束的出射方向进行偏折，使得2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束按照偏折后的出射方向照射到所述分光镜上。
为了对本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统进行控制，本实施例提出的收发同轴的多线激光雷达系统，还包括：控制系统和处理系统。
所述控制系统，分别与激光器和光电探测器连接，被构造为对激光器和光电探测器进行控制的部件；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处理系统，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，分别与激光器和光电探测器连接，被构造为对激光器和光电探测器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，本实施例提出一种收发同轴的多线激光雷达系统，通过在激光雷达发射模块与激光雷达接收模块之间设置分光镜和 MEMS振镜，实现了多线激光雷达系统的收发同轴，而且，使用包括超透镜阵列和光电探测器阵列的激光雷达接收模块，替代传统的多线激光雷达中使用的2n个探测器以及其他配套使用的光学元件，由于超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，使得基于超透镜的多线激光雷达包含的光学元件少、结构简单、成本低、复杂度低，装调简单，损坏后易于维修；整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容，满足激光雷达小型化发展趋势。
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 (10)
1.一种收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，包括：激光雷达发射模块、分光镜、MEMS振镜以及激光雷达接收模块；
所述分光镜能够透过所述激光雷达发射模块发出的2n个扫描光束，使得2n个扫描光束中的各扫描光束分别入射到所述MEMS振镜；其中，各所述扫描光束具有第一光学特性，n为大于等于2的自然数；
所述MEMS振镜，将入射的各扫描光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述扫描光束对所述目标物体的不同位置进行扫描；
所述激光雷达接收模块，包括：超透镜阵列和光电探测器阵列；
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；
所述目标物体的不同位置被各所述扫描光束照射后，会生成2n个反射光束，所述2n个反射光束中的各反射光束依次经过所述MEMS振镜以及所述分光镜的反射后，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各反射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；其中，各所述反射光束具有第二光学特性，所述第一光学特性与所述第二光学特性不同；
所述光电探测器，将入射的反射光束转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射模块，包括：激光器、超表面和准直超透镜；
所述超表面将所述激光器发射的光线进行分光，得到2n个扫描光束；
所述准直超透镜，能够对所述2n个扫描光束中的各扫描光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的各所述扫描光束入射到所述分光镜。
3.根据权利要求2所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射模块，还包括：光束偏折元件；
所述光束偏折元件，对所述激光器发出的光线的出射方向进行偏折，使得所述光线按照偏折后的出射方向照射到所述超表面上。
4.根据权利要求3所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏折元件，包括：棱镜、偏折光束超透镜或反射镜。
5.根据权利要求4所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述超透镜，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。
6.根据权利要求5所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述2n个扫描光束中的各扫描光束之间的夹角满足以下公式：
其中，λ表示2n个扫描光束中各扫描光束的波长；r0表示所述超表面上所述纳米结构的周期；θ表示2n个扫描光束中的各扫描光束之间的夹角。
7.根据权利要求1所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测器，采用雪崩二极管或者单光子雪崩二极管。
8.根据权利要求1所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射模块，包括：2n个激光器；
2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束分别入射到所述分光镜。
9.根据权利要求8所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射模块，还包括：准直超透镜；
所述准直超透镜，能够对2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的扫描光束入射到所述分光镜。
10.根据权利要求8所述的收发同轴的多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射模块，还包括：光束偏折元件；
所述光束偏折元件，对2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束的出射方向进行偏折，使得2n个激光器中的各激光器发出的扫描光束按照偏折后的出射方向照射到所述分光镜上。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |