CN220120980U - 光信号接收装置及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光信号接收装置及激光雷达，属于激光雷达技术领域，通过在接收镜头的焦平面处设置视场限制模块，在接收镜头的焦平面和探测器之间设置匀光模块，从而接收镜头接收到光信号后，该光信号在视场限制模块进行视场限制后进入匀光模块，匀光模块对该光信号进行匀光处理，从而匀光处理后的光信号能够入射至探测器的靶面的各个位置处，使多个视场复用同一个探测器，能够极大地增大探测器工作面积和动态范围。

Description

光信号接收装置及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种光信号接收装置及激光雷达。

背景技术

随着自动驾驶概念的兴起，作为L3级别以上自动驾驶不可或缺的器件，激光雷达开始陆续量产上车。测远能力及分辨率作为雷达的核心性能指标，直接受探测器工作面积和动态范围以及接收端通光孔径和视场范围的影响，受限于激光雷达的小型化和集成化要求，接收端通光孔径尺寸无法获得大幅的提高。

在目前探测器灵敏度已经可以响应单光子量级能量的情况下，提高探测器的响应面积和动态范围可以有效提高激光雷达的测远能力和分辨率。然而，现有车载激光雷达的探测器均存在局部视场对应的探测器工作面积小、动态范围低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光信号接收装置及激光雷达，其能够改善现有激光雷达所存在的局部视场对应的探测器工作面积小、动态范围低的问题。

本实用新型的实施方式可以这样实现：

第一方面，本实用新型实施方式提供一种光信号接收装置，包括探测器、接收镜头、视场限制模块和匀光模块；

所述视场限制模块设置于所述接收镜头的焦平面处，所述匀光模块设置于所述接收镜头的焦平面和探测器之间，以使所述接收镜头接收的光信号入射至所述探测器靶面的各个位置处。

进一步的，所述匀光模块包括多个匀光单元，所述多个匀光单元的排布位置与所述接收镜头的各视场对应。

进一步的，所述视场限制模块包括第一视场光阑，每个所述匀光单元的光信号入射面设置有多个所述第一视场光阑，所述匀光模块的光信号出射面与所述探测器的靶面抵接。

进一步的，每个所述匀光单元上设置的多个第一视场光阑按预设的视场对应规则排布，以使所述接收镜头的每个视场均对应两个及以上的第一视场光阑和一个匀光模块。

进一步的，所述匀光单元的填充物具有散射性。

进一步的，所述匀光模块的光信号入射面的尺寸与所述接收镜头的焦平面的尺寸一致。

进一步的，所述匀光模块包括傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设置于所述视场限制模块和所述探测器间的设定位置处，以使所述探测器的靶面与所述接收镜头的孔径光阑形成共轭关系。

进一步的，所述视场限制模块包括第二视场光阑，所述第二视场光阑的表面尺寸大于或等于所述接收镜头的焦平面的尺寸。

进一步的，所述探测器包括单光子雪崩二极管线型阵列。

第二方面，本实用新型实施方式提供一种激光雷达，包括激光发射装置，以及如第一方面所述的光信号接收装置。

本实用新型实施方式提供的光信号接收装置及激光雷达，通过在接收镜头的焦平面处设置视场限制模块，在接收镜头的焦平面和探测器之间设置匀光模块，从而接收镜头接收到光信号后，该光信号在视场限制模块进行视场限制后进入匀光模块，匀光模块对该光信号进行匀光处理，从而匀光处理后的光信号能够入射至探测器的靶面的各个位置处，使多个视场复用同一个探测器，能够极大地增大探测器工作面积和动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施方式提供的光信号接收装置的方框示意图。

图2为本实用新型实施方式提供的光信号接收装置的结构示意图之一。

图3为本实用新型实施方式提供的第一视场光阑在匀光单元上的排布示意图之一。

图4为本实用新型实施方式提供的第一视场光阑在匀光单元上的排布示意图之二。

图5为本实用新型实施方式提供的光信号接收装置的结构示意图之二。

附图标记；100-光信号接收装置；10-接收镜头；20-视场限制模块；21-第一视场光阑；22-第二视场光阑；30-匀光模块；31-匀光单元；32-傅里叶透镜；40-探测器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

目前，在探测器灵敏度已经可以响应单光子量级能量的情况下，提高探测器的响应面积和动态范围可以有效提高激光雷达的测远能力和分辨率。现有的激光雷达从收发方式可以分为：(1)点发-点收；(2)点/线发-线收；(3)点/面发-面收。

点发-点收的方式，接收器接收到的光信号的视场很小，可以只用一个或少量几个探测器进行探测，通过扫描系统获得大视场范围，但是此系统对于发射器和接收器的对准精度要求很高，一般需要接收器和发射器同轴设计，且接收器的有效通光孔径面积小，收光能力有限。

点/线发-线收的方式，发射器使用拼接或扫描方式实现垂直视场，接收器视场角与发射器视场相匹配，两者通过扫描装置获得水平视场。此方式可以拼接多个探测器或使用大面积探测器作为接收装置，缺陷在于探测器一般放置于接收镜头的焦平面位置，探测器工作区域与接收镜头的视场区域一一对应，导致局部视场对应的探测器工作面积较小，动态范围较低。

点/面发-面收的方式，Flash激光雷达和全固态激光雷达均可采用此种方式，缺陷在于由于是面发射和面接收，收发光功率密度下降明显，探测器工作区域与接收镜头的视场区域一一对应，导致局部视场对应的探测器工作面积较小，动态范围较低，极大限制了雷达的测远能力。

基于上述考虑，本实用新型实施方式提供一种光信号接收装置及激光雷达，能够改善现有的激光雷达所存在的探测器的工作区域与接收镜头的局部视场一一对应，导致探测器作面积小、动态范围低的问题，提升激光雷达的测远能力。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施方式提供了一种光信号接收装置100，参照图1，该光信号接收装置100可以包括探测器40、接收镜头10、视场限制模块20和匀光模块30。

视场限制模块20设置于接收镜头10的焦平面处，匀光模块30设置于接收镜头10的焦平面和探测器40之间。

视场限制模块20，用于对接收镜头10接收的光信号的视场进行限制。

匀光模块30，用于对从视场限制模块20射出的光信号进行匀光处理，以使光信号经匀光处理后入射至探测器40靶面的各个位置处。

上述光信号接收装置100的工作原理包括：接收镜头10接收到光信号后，光信号入射至位于接收镜头10的焦平面处的视场限制模块20，视场限制模块20对该光信号的视场进行限制，经过视场限制模块20后的光信号进入匀光模块30，匀光模块30对该光信号进行匀光处理，使光信号在各个位置处均相等，以均匀地照射在探测器40的靶面各位置处。

在上述光信号接收装置100中，任一光信号被光接收装置的任一视场接收后，均能够均匀地照射在探测器的靶面各位置处，使接收装置的所有视场复用同一个探测器，能够极大地增大探测器工作面积和动态范围，进而能够提升雷达的测远能力。

考虑到激光雷达的收发方式不同，不同的收发方式对探测器的工作面积和动态范围的要求也不同。

例如，在点发的方式中，发射端分时打点(即分时发射激光)，不同时间的打点所对应的时长和/或视场可能有所不同，使得接收端可能从不同视场接收到反射的激光信号，此时，对接收端的精度要求很高。

而在面发的方式中，不同时间的打点所对应的视场一般相同，使得接收端可以从相同的视场接收到反射的激光信号，此时，对接收端的精度要求较小。

在一种可能的实施方式中，为了使点发等复杂情况下反射的激光信号均能均匀照射到探测器40靶面的各个位置处，以提高探测器40的工作面积和动态范围，匀光模块30可以包括多个匀光单元31，且多个匀光单元31的排布位置与接收镜头10的各视场对应。

通过上述设置，从接收镜头10的不同视场被接收的光信号，均能被对应的匀光单元31进行匀光处理，以能够均匀照射至探测器40靶面的各个位置处。

进一步的，为了增大精度，使从接收镜头10的各个视场进入的光信号均能最终照射至探测器40靶面的各个位置处，参照图2，视场限制模块20包括第一视场光阑21，且每个匀光单元31的光信号入射面设置有多个第一视场光阑21，匀光模块30的光信号出射面与探测器40的靶面抵接。

在本实施方式中，匀光模块30的每个匀光单元31由相同的散射性材料制作而成，也可以匀光单元31的填充物均为具有散射性的同一种填充物。

例如，匀光单元31可以是由高透的玻璃微珠、高透体散射材料、傅里叶透镜32、微透镜阵列或二元光学(衍射/DOE)元件等实现。

为了使匀光模块30能够接收到从视场限制模块20处射出的光信号，在一种可能的实施方式中，匀光模块30的光信号入射面的尺寸大于或等于接收镜头10的焦平面的尺寸。

例如，焦平面为矩形时，匀光模块30的光信号入射面也可以为矩形，且焦平面的长小于或等于匀光模块30的光信号入射面的长，焦平面的宽小于或等于匀光模块30的光信号入射面的宽。

在一种可能的实施方式中，每个匀光单元31上设置的多个第一视场光阑21按预设的视场对应规则排布，以使接收镜头10的每个视场均对应两个及以上的第一视场光阑21和一个匀光模块30。

匀光单元31上设置的多个第一视场光阑21的设置方式，可以灵活选择，例如，可以沿匀光单元31的一条对角线排布且相邻第一视场光阑21的邻角相接，即如图3所示的排布方式，也可以沿匀光单元31的宽方向排列且在铜条中心线上，即如图4所示的排布方式，在本实施方式中不作具体限定。

假设匀光模块30可以由M个匀光单元31拼接而成，其中M≥1，匀光模块30的光信号入射面与接收镜头10的焦平面视场大小对应，每个匀光单元31上设置的第一视场光阑21为N个，光阑大小与传统探测器40工作面一致，其中，2≤N≤10。

匀光单元31的位置排布和第一视场光阑21分布对应接收镜头10的不同视场，激光发射系统的发射端分时打点时，对于每个匀光单元31可以实现N个视场的探测器40复用。按上述设置，可以将需要的探测器40数量由M*N个减少为M个，也可等效为在探测器40数量不变的情况下实现分辨率N倍提升，匀光单元31后的探测器40面积可增大为原来的N倍以上，大大提高了动态响应范围。

在一种可能的实施方式中，为了简化匀光模块30的复杂度，同时使匀光模块30能够实现对接收镜头10的各个视场的光信号进行匀光处理，参照图5，引入傅里叶透镜32作为匀光模块30，即匀光模块30可以包括傅里叶透镜32，并且傅里叶透镜32设置于视场限制模块20和探测器40间的设定位置处，以使探测器40的靶面与接收镜头10的孔径光阑形成共轭关系。

应当理解的是，傅里叶透镜32所处的设定位置与探测器40的靶面位置以及接收镜头10的孔径光阑的位置相关，在不同参数下，得到的设定位置不同，在本实施方式中，不对设定位置坐具体限定。共轭关系与设定位置的计算方法，本实施方式中不再赘述。

在匀光模块30由傅里叶透镜32实现的情况下，视场限制模块20可以由第二视场光阑22实现，此时，第二视场光阑22表面尺寸大于或等于接收镜头10的焦平面的尺寸。

通过上述设置，傅里叶透镜32与接收镜头10组合，使探测器40靶面位置与接收镜头10的孔径光阑共轭，而由于激光的反射信号(回波信号)一般可以看做平行且均匀的激光光束，在探测器40靶面与接收镜头10的孔径光阑的共轭作用下，傅里叶透镜32对光信号进行匀光，从而使每一个视场点的光都均匀照在探测器40靶面上，实现匀光作用。

探测器40的选择可以灵活设置，例如，可以是单光子雪崩二极管线型阵列(即SPAD线阵)、SPAD面阵、SIPM线阵和SIPM面阵中的任一种，在本实施方式中，不作具体限制。

在匀光模块30包括多个匀光单元31，每个匀光单元31的光信号入射面设置多个第一视场光阑21的情况下，光信号接收装置100的光路图如图2所示。

在匀光模块30包括傅里叶透镜32，且视场限制模块20包括与接收镜头10的焦平面尺寸相同的第二视场光阑22的情况下，光信号接收装置100的光路图如图5所示。

由图可知，光信号经接收镜头10接收后，在视场限制模块20和匀光模块30的作用下，在匀光模块30处实现匀光效果，并均匀照射至探测器40靶面的各个位置处。

本实用新型实施方式提供的光信号接收装置100，通过在接收镜头10的焦平面设置视场光阑，在视场限制模块20和探测器40间使探测器40靶面与接收镜头10的孔径光阑形成共轭关系的设定位置处设置傅里叶透镜32，或在接收镜头10的焦平面与探测器40靶面间设置由多个匀光单元31拼接成的匀光模块30，并在每个匀光单元31靠近焦平面的表面设置多个视场光阑(即视场限制模块20)，以使接收镜头10的多个视场复用同一个探测器40，接收镜头10接收的光信号经视场限制模块20进行视场限制，接着经匀光模块30进行匀光处理后，均匀地照射在探测器40靶面的各个位置处，实现增大探测器40的工作面积，并提高探测器40的动态范围。

基于上述光信号接收装置100相同的发明构思，本实用新型实施方式还提供了一种激光雷达，该激光雷达可以包括激光发射装置和光信号接收装置100。

光信号接收装置100可以包括探测器40、接收镜头10、视场限制模块20和匀光模块30。

视场限制模块20设置于接收镜头10的焦平面处，匀光模块30设置于接收镜头10的焦平面和探测器40之间。

视场限制模块20，用于对接收镜头10接收的光信号的视场进行限制。

匀光模块30，用于对从视场限制模块20射出的光信号进行匀光处理，以使光信号经匀光处理后入射至探测器40靶面的各个位置处。

关于视场限制模块20和匀光模块30的进一步实施方式，参见上述对光信号接收装置100的描述，本实施方式中，不作赘述。

通过上述设置，激光雷达工作时，反射的激光信号被接收镜头10接收后，该激光信号在视场限制模块20进行视场限制后进入匀光模块30，匀光模块30对该激光信号进行匀光处理，从而匀光处理后的激光信号能够入射至探测器40的靶面的各个位置处，使多个视场复用同一个探测器40，能够极大地增大探测器40工作面积和动态范围，进而能够提升激光雷达的测远能力。

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，可轻易想到的变化或替换，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。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光信号接收装置，其特征在于，包括探测器、接收镜头、视场限制模块和匀光模块；

所述视场限制模块设置于所述接收镜头的焦平面处，所述匀光模块设置于所述接收镜头的焦平面和探测器之间，以使所述接收镜头接收的光信号入射至所述探测器靶面的各个位置处。

2.根据权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于，所述匀光模块包括多个匀光单元，所述多个匀光单元的排布位置与所述接收镜头的各视场对应。

3.根据权利要求2所述的光信号接收装置，其特征在于，所述视场限制模块包括第一视场光阑，每个所述匀光单元的光信号入射面设置有多个所述第一视场光阑，所述匀光模块的光信号出射面与所述探测器的靶面抵接。

4.根据权利要求3所述的光信号接收装置，其特征在于，每个所述匀光单元上设置的多个第一视场光阑按预设的视场对应规则排布，以使所述接收镜头的每个视场均对应两个及以上的第一视场光阑和一个匀光模块。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的光信号接收装置，其特征在于，所述匀光单元的填充物具有散射性。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的光信号接收装置，其特征在于，所述匀光模块的光信号入射面的尺寸与所述接收镜头的焦平面的尺寸一致。

7.根据权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于，所述匀光模块包括傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设置于所述视场限制模块和所述探测器间的设定位置处，以使所述探测器的靶面与所述接收镜头的孔径光阑形成共轭关系。

8.根据权利要求6所述的光信号接收装置，其特征在于，所述视场限制模块包括第二视场光阑，所述第二视场光阑的表面尺寸大于或等于所述接收镜头的焦平面的尺寸。

9.根据权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于，所述探测器包括单光子雪崩二极管线型阵列。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括激光发射装置，以及如权利要求1至9中任一项所述的光信号接收装置。