CN219285418U - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学探测技术领域，公开了一种激光雷达。激光雷达包括：发射单元、第一反射镜、扫描单元和接收单元；发射单元用于发射探测光束；第一反射镜包括相对的第一面和第二面，第一面用于对探测光束进行反射使其入射到扫描单元；扫描单元反射探测光束并投射到探测视场，并反射探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；接收单元，用于采集该回波并转化为电信号，其中，第一面的面积大于第二面的面积。本申请实施例的激光雷达中第一反射镜上相对回波入射的第一面的面积大于背离回波的第二面的面积，可以减少侧面对回波的阻挡，从而可以提升激光雷达的探测性能。

Description

一种激光雷达

技术领域

本申请涉及光学探测技术领域，具体涉及一种激光雷达。

背景技术

利用飞行时间原理(Time of Flight，TOF)可以对目标物体进行距离测量以获取包括目标物体的深度值的深度图像，而基于飞行时间原理的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。基于TOF的距离测量系统通常包括发射器和采集器，利用发射器发射探测光束照射目标视场并利用采集器采集探测光束经目标视场中目标物体反射后的回波，计算光束由发射到被采集之间所需要的时间来计算目标物体的距离。

基于TOF的激光雷达主要分为机械式与非机械式。机械式激光雷达的发射器一般采用单点光源或线光源，通过旋转基座来实现对空间区域的360°探测。非机械式分为半固态激光雷达和全固态激光雷达。其中，全固态激光雷达中发射器采用二维光源阵列，朝向目标视场发射二维面阵光束以实现对空间区域的探测。

而半固态激光雷达中发射器一般采用线光源，朝向目标视场发射沿垂直方向的线状光束，利用转镜对线状光束的出射方向进行调整以使线状光束沿水平方向扫描，从而实现对空间区域的探测。并且，半固态激光雷达中通常会使用反射镜来改变光信号的传输方向，使得发射信号的光路和接收信号的光路部分重叠，但是由于反射镜位于接收光路中，不可避免的会阻挡部分回波，从而影响激光雷达的探测性能。

实用新型内容

本申请提出一种激光雷达，可以解决相关技术中的一个或多个技术问题。

第一方面，本申请一实施例提供一种激光雷达，包括：发射单元、第一反射镜、转镜和接收单元；发射单元用于发射探测光束；第一反射镜包括相对的第一面和第二面，第一面用于对探测光束进行反射使其入射到扫描单元；扫描单元反射探测光束并投射到探测视场，并反射探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；接收单元，用于采集回波并转化为电信号；其中，第一面的面积大于第二面的面积。

在一些实施例中，激光雷达还包括第二反射镜和第三反射镜，第二反射镜用于对发射单元发射的探测光束进行反射并入射到第一反射镜；第三反射镜用于对第一反射镜透射的回波进行反射并入射到接收单元。其中，第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜与主光轴之间的夹角均为45°。

在一些实施例中，第一反射镜还包括连接第一面周向和第二面周向的第三面，第三面所围成的面积沿着回波的传播方向逐渐变小。第三面包括依次首尾相连的第一子面、第二子面、第三子面、第四子面、第五子面和第六子面，第一子面与第四子面相对，第三子面和第五子面相对，第一子面、第三子面和第五子面相对主光轴倾斜设置。在一些实施例中，该激光雷达还包括第一支架，第一支架用于固定第一反射镜，第一支架采用透明钢化玻璃或透明亚克力材料。在一个实施例中，第一反射镜包括反射区域和投射区域。

在一些实施例中，发射单元包括多个列光源，相邻列光源呈错位排列。每个列光源包括多个发光元件，不同列光源中相邻两个发光元件之间的垂直视场角小于或等于同一列光源中相邻两个发光元件之间垂直视场角的1/2。在一个实施例中，发射单元包括n个列光源，其中，n＝a/b，a为同一列光源中相邻发光元件中有源区之间的尺寸，b为单个发光元件中有源区的尺寸。

在一些实施例中，扫描单元包括转镜，转镜包括至少一个反射镜面。

本申请提供的技术方案的有益效果是：激光雷达中第一反射镜上对应回波的第一面的面积设置成大于相背回波的第二面的面积，可以减少第一反射镜侧面对回波的阻挡，从而可以提升激光雷达的探测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的一种第一反射镜的结构示意图；

图3是本申请另一实施例提供的一种第一反射镜的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的一种发射单元的结构示意图；

图5是本申请一实施例提供的一种接收单元的结构示意图；

图6是本申请一实施例提供的一种激光雷达的探测过程示意图；

图7是本申请另一实施例提供的一种第一反射镜的结构示意图；

图8是本申请一实施例提供的一种垂直视场的光路示意图；

图9是本申请另一个实施例提供的一种激光雷达结构示意图；

图10是本申请另一实施例提供的一种发射单元和接收单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

另需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”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申请和简化描述，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申请的限制。

图1所示为本申请一实施例提供的一种激光雷达的俯视示意图。如图1所示，激光雷达包括发射单元11、第一反射镜21、扫描单元31以及接收单元12，它们配置在同一安装平面。发射单元11用于发射探测光束；第一反射镜21用于对探测光束进行反射并入射到扫描单元31；扫描单元31反射探测光束并投射到探测视场，并反射探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；接收单元12，用于采集被扫描单元31反射的回波并转化为电信号。图2所示为图1中第一反射镜21的放大结构示意图，第一反射镜包括相对的第一面211和第二面212，第一面用于对探测光束进行反射使入射到扫描单元，第一面211的面积大于第二面212的面积。在一些实施例中，激光雷达还包括主控处理单元(未图示)，主控处理单元接收电信号进行处理获取光束往返激光雷达和目标物之间的飞行时间，以及根据飞行时间计算出目标物的距离。

在一些实施例中，在如图1所示的激光雷达中，第一反射镜21为普通的反射镜，用于对光信号进行反射，改变光束的传输方向。在另一个实施例中，第一反射镜21为分光反射镜，用于对探测光束进行反射，以及透射回波，即局部区域用于反射光信号，局部区域用于透射光信号，例如第一反射镜21的中间区域为反射区域，边缘区域为透射区域。在本申请实施例中，第一反射镜21优选为普通反射镜，回波信号从第一反射镜的旁侧通过，但第一反射镜仍会阻挡部分回波信号。为了减少对回波的影响，相关技术中通常通过降低第一反射镜的尺寸来减少阻挡的回波信号，即设置小面积的反射镜作为第一反射镜，但如果太小，则会影响发射信号的反射，由于出射光束本身也具有一定的发散角，故需要考虑发射光束的发散角综合设计给出一个最优化的目标。

另一方面，在本申请中，由于第一反射镜存在一定的厚度，且需相对主光轴倾斜放置，如图3所示，第一反射镜通常大致呈椭圆柱形，而反射光束具有不同的角度，则第一反射镜的边缘部分会形成凸起阻挡部分特定角度的回波，因此，本申请实施例中，对第一反射镜进行切边处理，并且沿着回波传输方向向镜面内部倾斜切入，使的第一反射镜正对回波的第一面的面积大于背离回波的第二面的面积，以此来减少对回波的阻挡，从而提高激光雷达的探测性能。继续参见图2所示，第一反射镜21还包括连接第一面211周向和第二面212周向的第三面213，第三面213所围成的面积沿着回波的传播方向逐渐变小。

发射单元11包括光源，光源用于发射探测光束。光源可以包括垂直腔面发射激光器阵列(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser array，VCSEL array)、发光二极管阵列(Light Emitting Diode array，LED array)、微发光二极管阵列(Micro LightEmitting Diode array，Micro LED array)、脉冲激光沉积阵列(Pulsed LaserDeposition array，PLD array)或激光二极管阵列(Laser Diode array，LD array)等光源阵列。在一个实施例中，光源可以包括至少一个列光源，例如图4所示的列光源a(图4中每个圆圈代表一个光源)，列光源沿垂直方向(即图1中垂直于纸面的方向)延伸设置，列光源中的每个光源发射一个斑点光束，列光源发射的多个斑点光束最终朝向探测视场投射出沿垂直方向的一条线状探测光束。可以理解的是，上述垂直方向对应激光雷达探测视场的垂直视场，列光源的大小会影响激光雷达的垂直视场角。

接收单元12包括传感器阵列，传感器阵列可以包括采用单光子雪崩光电二极管阵列(Single-photon Avalanche Photodiode array，SAPD array)、雪崩光电二极管阵列(Avalanche Photo Diode array，APD array)、硅光电倍增管阵列(Siliconphotomultiplier array，SiPM array)、多像素光子计数器阵列(Multi-Pixel photocounter array，MPPC array)、光电倍增管阵列(photomultiplier tube array，PMTarray)等传感器元件阵列。

扫描单元31可包括转镜、振镜或MEMS等，在一个实施例中，扫描元件用于改变探测光束的出射方向以使得探测光束沿水平方向扫描完成对二维空间区域探测。在本申请一个实施例中，以扫描元件是转镜为例进行详细阐述，转镜包括本体和设置于本体侧壁的反射镜面。本体可以在电机的驱动下并在主控处理单元的控制下绕旋转轴旋转，使得反射镜面可以绕旋转轴旋转。转镜包括至少一个反射镜面，在一些实现方式中，探测光束的光路及其对应的回波的光路共用同一个反射镜面。

在一个实施例中，发射单元11中一个列光源发射一条线状探测光束，对应地，接收单元12包括一列传感器元件，如图5所示的一列传感器元件b(图5中每个方格对应一个传感器元件)，传感器元件与光源一一对应，形成一组探测通道。光源的数量决定探测视场的垂直视场角(vertical field of view，VFOV)。

图1所示的激光雷达的探测过程如图6所示，需要说明的是，图6仅示意性地示出了探测光束的光路。结合图1和图6所示，发射单元11发射出一条线状探测光束，如图6中A图所示实线，线状探测光束的延伸方向为垂直于纸面的方向，线状探测光束的VFOV即对应图6中B图所示探测视场的VFOV，探测视场的VFOV比如为25°，线状探测光束的水平视场角(horizontal field of view，HFOV)较小,比如为6°。线状探测光束投射到探测视场的最左边，形成如图6中B图所示的第一线状光束71，第一条线状光束的水平视场角为6°，垂直视场角为25°，此时转镜31为初始状态，控制转镜31按照一定的偏转角度偏转，偏转一次就会使得线状探测光束的出射方向发生改变，比如偏转一次后在探测视场形成如图6中B图所示的第二线状光束72，连续偏转多次后就完成了对探测视场的水平扫描，比如转镜从初始状态开始偏转60°完成对探测视场的水平扫描，使得激光雷达的水平探测视场角增大，比如，转镜偏转10次，则激光雷达的水平视场角可达到120度。

如图7所示为本申请一实施例提供的一种第一反射镜的结构示意图，具体地，该示意图为沿着主光轴方向看向图2所示第一反射镜21上第二面212的视图。图7所示第一反射镜是对图3所示反射镜进行切边处理得到的。如图7所示，Y方向对应垂直视场方向，X方向对应水平视场方向，第一反射镜21的第三面213包括6个子面，为依次首尾连接的第一子面2131、第二子面2132、第三子面2133、第四子面2134、第五子面2135和第六子面2136，其中第一子面2131为略微倾斜的平面，相对主光轴倾斜设置，例如，第一子面2131主要根据线状光束水平视场角方向边缘的光线进行切边得到，比如3°入射光线进行切边得到，具体的，对应水平视场边缘的光线，由于第一反射镜倾斜设置，负角度的光线不会被阻挡，所以不需要做切边处理。第三子面2133和第五子面2135相对主光轴倾斜设置，第三子面2133和第五子面2135根据垂直视场方向对应最大视场处的回波进行切边得到。例如，结合图6所示，当每一条线状探测光束的回波经过第一反射镜时,对应垂直视场边缘的光线，比如第一线状光束71在垂直方向两侧的两个加粗光斑，分别对应-12.5°和+12.5°的光束，则根据这两个斑点光束反射回第一反射镜的位置为基准点进行切边处理形成第三子面2133和第五子面2135，具体地，如图8所示，垂直视场角为25°，第三子面2133和第五子面2135对应的回波是12.5°，并且由于最大视场处回波是倾斜入射的，所以切边处理也是倾斜切除，第三子面2133和第五子面2135相对主光轴倾斜设置。最终第一反射镜21的第二面212的面积小于第一面211。这样设置可以进一步减少反射镜对回波光线的阻挡。可以理解的是，进行切边的光线主要跟激光雷达投射到空间中线状光束的水平视场角与垂直视场角有关。

在一个实施例中，激光雷达还包括第一支架，第一支架用于固定第一反射镜，第一支架采用透明钢化玻璃或透明亚克力材料。通过将第一支架设置成采用透明材料，可以进一步减少对回波的阻挡，从而进一步提升激光雷达的探测性能。

如图9所示为本申请另一个实施例的激光雷达的示意图，在一些实施例中激光雷达还包括第二反射镜22以及第三反射镜23。第二反射镜22和第三反射镜23为普通的反射镜，用于对光束进行偏折，改变光束的传输方向。具体地，第二反射镜22用于对发射单元11发射的探测光束进行反射并入射到第一反射镜21；第一反射镜21用于对探测光束进行反射并入射到扫描单元31，扫描单元31的反射镜面对探测光束进行反射出射到探测视场，又被探测视场中的目标物反射形成回波，回波沿着相同的光路入射到扫描单元31的反射镜面，经过反射后经过第一反射镜21入射到第三反射镜23，即回波从第一反射镜22的外侧穿过或经过第二反射镜22的透射区域入射到第三反射镜23；第三反射镜23用于对回波再次反射使其入射到接收单元12。

在一个实施例中，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜与主光轴之间的夹角均为45°。

在一个实施例中，激光雷达还包括光信号整形元件，例如可以为一个或多个透镜等。光信号整形元件用于对光信号进行准直、焦距、扩束和编码等中的一种或多种整形，发射单元与第二反射镜之间、第二反射镜与第一反射镜之间、第一反射镜与转镜之间、第一反射镜与第三反射镜之间、第三反射镜与接收单元之间中的一个或多个位置可以设置光信号整形元件，在本申请实施例中，对光信号整形元件不做具体限制。在图9所示实施例中，在发射单元11与第二反射镜22之间，在第一反射镜21与第二反射镜22之间，第一反射镜21与第三反射镜23，第三反射镜23与接收单元12之间，分别设置光信号整形元件，应理解，示例性描述不能解释为对本申请的限制。

在一个实施例中，继续参见图9所示，激光雷达还包括滤光元件13，用于滤除背景光或杂散光，滤光元件13设置在第三反射镜23与接收单元12之间。

在一些实施例中，为了提高VFOV和分辨率，发射单元11可包括多个列光源，且多个列光源错位排列，以使得相邻列光源发射的光斑在水平方向上不重叠，如图10所示，图10中A图所示两个列光源a错位排列。在一个实施例中，对应地，也可以配置多列交错排列的传感器元件，传感器元件与光源一一对应设置，如图10中B图所示两个列传感器元件b错位排列。在一些实施例中，也可以选择配置多列传感器元件，但传感器元件不交错排列，通过增加传感器元件的数量来补足列光源之间错位引起的偏移，此时，传感器元件的数量远大于光源的数量。

如图10所示，第二列光源相对于第一列光源沿着垂直方向向下偏移一定的距离。若还有第三列光源，则第三列光源相对第二列光源沿垂直方向向下偏移一定的距离。可以理解的是，对于单个列光源来说，沿垂直方向排布多个发光元件，每个发光元件包括有源区(图10中黑色圆点)，有源区的面积小于发光元件的腔面面积，当多个发光元件依次排列时，相邻发光元件发射出的光斑沿着垂直方向之间存在空隙，为了提高探测装置在垂直方向上的分辨率，则配置发光芯片中多列光源呈错位设置。发光元件的这种设置方式，从侧面来看可以理解为在相邻发光元件之间插入至少一个发光元件形成数量更多且均匀分布的列光源，可以使得发光元件投射到目标视场的光斑之间依次拼接以形成连续的扫描线。而且在提高扫描线数的同时可以降低每个列光源中的发光元件数量。

在一个实施例中，如图10所示，发射芯片包括两个列光源且呈错位排列，不同列中相邻两个发光元件之间的垂直视场角小于或等于同一列光源中相邻两个发光元件之间垂直视场角的1/2。在一个优选地实施例中，假设同一列中相邻发光元件中有源区之间的尺寸为a，单个发光元件中有源区的尺寸为b，则优选地，发射芯片中可配置n个列光源，n＝a/b。与发射芯片对应设置的，接收芯片中也包括多个感光区域，每个感光区域与列光源一一对应，且感光区域不需要错位排列。

在一个实施例中，发射单元还可以包括多个发射芯片和驱动电路，每个发射芯片表面排布如图10所示的列光源。对应的，接收单元包括多个接收芯片，每个接收芯片表面排布对应设置的传感器阵列(感光区域)。在一个实施例中，每个发射芯片连接一个驱动电路，即一个列光源中的所有发光元件共享驱动电路，则控制发光时列光源中仅部分发光元件发光，优选地，仅一个发光元件发光，相对应的，控制感光区域中与发光元件对应的探测区域处的传感器元件开启，其他非探测区域处的传感器元件关闭。例如，开启列光源中第一个发光元件，控制与其对应的第一个探测区域开启，按照顺序开启第二个发光元件，依次开启直至最后一个发光元件开启，完成对最后一个区域的探测。或者也可以按照相反的顺序进行探测，或者也可选择随机顺序，在此不做具体限制。在一个实施例中，每个列光源分别对应连接一个驱动电路，用于控制列光源中的每个发光元件发光，例如可以按照从上到下的顺序控制每个列光源中的第一个发光元件发光，依次类推直至最后一个发光元件发光。或者，每个发光芯片共用一个驱动电路，按照一定的顺序控制每个发光元件发光，例如从上到下从左往右的顺序。具体的方式不做限制。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：发射单元、第一反射镜、扫描单元和接收单元；

所述发射单元用于发射探测光束；

所述第一反射镜包括相对的第一面和第二面，所述第一面用于对所述探测光束进行反射使其入射到所述扫描单元；

所述扫描单元反射所述探测光束并投射到探测视场，并反射所述探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；

所述接收单元，用于采集所述回波并转化成电信号；

其中，所述第一面的面积大于所述第二面的面积。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括第二反射镜和第三反射镜；所述第二反射镜用于对所述发射单元发射的探测光束进行反射并入射到所述第一反射镜；所述第三反射镜用于对所述回波进行反射并入射到所述接收单元。

3.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜还包括连接所述第一面周向和所述第二面周向的第三面，所述第三面所围成的面积沿着所述回波的传播方向逐渐变小。

4.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述第三面包括依次首尾相连的第一子面、第二子面、第三子面、第四子面、第五子面和第六子面，所述第一子面与所述第四子面相对，所述第三子面和所述第五子面相对，所述第一子面、所述第三子面和所述第五子面相对主光轴倾斜设置。

5.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述发射单元包括多个列光源，相邻列光源呈错位排列。

6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，每个列光源包括多个发光元件，不同列光源中相邻两个发光元件之间的垂直视场角小于或等于同一列光源中相邻两个发光元件之间垂直视场角的1/2。

7.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述发射单元包括n个列光源，其中，n＝a/b，a为同一列光源中相邻发光元件中有源区之间的尺寸，b为单个发光元件中有源区的尺寸。

8.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括第一支架，所述第一支架用于固定所述第一反射镜，所述第一支架采用透明钢化玻璃或透明亚克力材料。

9.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜包括反射区域和透射区域。

10.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描单元包括转镜，所述转镜包括至少一个反射镜面。

11.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜与主光轴之间的夹角均为45°。

12.如权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，还包括光信号整形元件，用于对光信号进行整形，所述光信号整形元件设置在以下至少一个位置：

所述发射单元与所述第二反射镜之间；

所述第一反射镜与所述第二反射镜之间；

所述第一反射镜与所述转镜之间；

所述第一反射镜与所述第三反射镜之间；

所述第三反射镜与所述接收单元之间。

13.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，还包括滤光元件，用于滤除背景光或杂散光，所述滤光元件设置在所述第三反射镜与所述接收单元之间。

Images