CN220913341U - 一种激光雷达照明装置及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开一种激光雷达照明装置及激光雷达系统。在一具体实施方式中，该装置包括：半导体激光器、金字塔棱镜、透镜组以及接收镜头；所述半导体激光器，用于发出高斯光束；所述透镜组，用于对所述半导体激光器发出的高斯光束进行初步准直，并输出至所述金字塔棱镜的顶面；所述金字塔棱镜，用于分割由其顶面输入的初步准直后的高斯光束并由其底面向待测目标输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束。该实施方式利用金字塔棱镜自身的分光特性，对初步准直后的光束进行分割并在待测目标表面进行非相干叠加以获得强度均匀，具有良好的距离传输特性且满足视场匹配的平顶光束。

Description

一种激光雷达照明装置及激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域。更具体地，涉及一种激光雷达照明装置及激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是以激光作为辐射源，利用反射光回波强度、相位、偏振等物理参数对测量目标距离即深度数据进行主动测量的光电遥感探测设备。

激光雷达照明装置主要起到照明待测目标的作用，而照明光束的质量对测量精度和成像质量都有很大的影响。激光雷达照明装置中的半导体激光器即激光二极管是一种适合作为激光雷达的主动照明光源。半导体激光器具有特殊的谐振腔结构和工作方式，光束的空间分布具有不对称性，且在各自方向的发散角内光强分布不均匀。未整形的半导体激光器光束不能满足激光雷达系统的照明需求，因为照明视场的不对称性与传感器的接收面型不匹配，不利于充分利用光能，而照明视场内的光强不均匀分布则导致系统可用的动态范围减少。

目前，常用的半导体激光器光束匀光技术有：漫反射体、衍射光学元件、二元衍射光栅、液晶空间光调制器、复眼透镜、光纤、积分棒等。

然而，实用新型人发现，采用衍射光学元件这种方法可以实现平顶均匀照明，但是无法保持空间传播特性。二元衍射光栅其质量水平受到微精细加工技术发展水平的制约，激光损伤阈值较低，在强激光系统的应用上还有困难。液晶空间光调制器激光损伤阈值较低，器件价格昂贵，不易集成使用。复眼透镜只能在特定的范围内产生均匀光束,而且边沿具有相当比例的非均匀区域。这类方法耦合效率低且耦合成本高，技术难度大，也不利于小型化集成。采用光纤和积分棒这类方法耦合效率低且耦合成本高，能量损失较大，技术难度大，也不利于小型化集成。

综上所述，激光雷达的照明需要同时满足视场匹配、高质量的均匀性以及良好的距离传输特性三个条件，然而上述这些匀光照明技术方法都有着不同程度的不足，不适合或无法满足激光雷达的照明需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种通过金字塔棱镜进行匀光的激光雷达照明装置及激光雷达系统，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型第一方面提供了一种激光雷达照明装置，包括：

半导体激光器、透镜组以及金字塔棱镜；

所述半导体激光器，用于发出高斯光束；

所述透镜组，用于对所述半导体激光器发出的高斯光束进行初步准直，并输出至所述金字塔棱镜的顶面；

所述金字塔棱镜，用于分割由其顶面输入的初步准直后的高斯光束并由其底面向待测目标输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束。

进一步地，所述金字塔棱镜包括四棱锥体部和长方体部，所述四棱锥体的锥面作为所述金字塔棱镜的顶面，所述长方体的远离所述四棱锥体的表面作为所述金字塔棱镜的底面。

进一步地，所述四棱锥体的底面与所述长方体的靠近所述四棱锥体的表面共面。

进一步地，四棱锥体的相对锥面之间的夹角设计为满足如下条件：

其中，α为四棱锥体的相对锥面之间的夹角，K为初步准直光束的F度，n为金字塔棱镜材料的折射率。

进一步地，所述半导体激光器发出高斯光束的第一光轴、所述透镜组输出的初步准直光束的第二光轴为同轴，所述第二光轴以及金字塔棱镜输出的各分割光束的光轴相互平行。

进一步地，所述金字塔棱镜顶面和底面镀有增透膜。

进一步地，所述透镜组以及所述金字塔棱镜的材料为K9玻璃或石英。

本实用新型第二方面提供了一种激光雷达系统，包括：

一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

至少一个如第一方面所述的激光雷达照明装置，用于向待测目标输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束；

所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束并反射；

接收镜头，用于接收待经待测目标反射的平顶光束；

探测传感器，用于探测接收镜头接收的经待测目标反射的平顶光束；

处理显示模块，用于处理并显示探测传感器探测的数据。

进一步地，所述激光雷达照明装置输出的分割光束的光轴与所述接收镜头的接收光轴平行。

进一步地，所述激光雷达系统包括多个激光雷达照明装置且所述多个激光雷达照明装置呈阵列分布。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型利用金字塔棱镜自身的分光特性，对初步准直后的光束进行分割并在待测目标表面进行非相干叠加以获得强度均匀，具有良好的距离传输特性且满足视场匹配的平顶光束。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实用新型的一个实施例提供的待测目标受照射存在阴影时的照明装置的结构示意图；

图2示出本实用新型的一个实施例提供的待测目标受照射不存在阴影时的激光雷达系统的结构示意图；

图3示出本实用新型的一个实施例提供的经过初步准直的高斯光束入射至金字塔棱镜的结构示意图；

图4示出本实用新型的一个实施例提供的分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加的结构示意图；

图5示出本实用新型的一个实施例提供的不同探测距离不同待测目标下，使用相机拍摄图像、使用金字塔棱镜获取的图像以及不使用金字塔棱镜获取的图像的组合图。

附图标记说明：

1、激光雷达照明装置；11、半导体激光器；12、透镜组；13、金字塔棱镜；2、接收镜头；3、探测传感器；4、待测目标。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

一种激光雷达照明装置1，包括：

半导体激光器11、透镜组12以及金字塔棱镜13；

所述半导体激光器11，用于发出高斯光束；

所述透镜组12，用于对所述半导体激光器11发出的高斯光束进行初步准直，并输出至所述金字塔棱镜的顶面；

所述金字塔棱镜13，用于分割由其顶面输入的初步准直后的高斯光束并由其底面向待测目标4输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标4的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束。

在一种可能实现的方式中，所述金字塔棱镜13包括四棱锥体部和长方体部，所述四棱锥体的锥面作为所述金字塔棱镜13的顶面，所述长方体的远离所述四棱锥体的表面作为所述金字塔棱镜13的底面。

所述四棱锥体的底面与所述长方体的靠近所述四棱锥体的表面共面。进一步地，所述金字塔棱镜13为一体成型的结构，以使得四棱锥体部和长方体部之间地接触面具有足够的光线透过率。

本实用新型利用金字塔棱镜13自身的分光特性，对初步准直后的光束进行分割并在待测目标表面进行非相干叠加以获得强度均匀，具有良好的距离传输特性且满足视场匹配的平顶光束。

在一种可能实现的方式中，四棱锥体的相对锥面之间的夹角设计为满足如下条件：

其中α为四棱锥体的相对锥面之间的夹角，K为初步准直光束的F度，n为金字塔棱镜13材料的折射率。

所述半导体激光器11发出高斯光束的第一光轴、所述透镜组12输出的初步准直光束的第二光轴为同轴，所述第二光轴以及金字塔棱镜13输出的各分割光束的光轴相互平行。

在一种可能实现的方式中，所述金字塔棱镜13顶面和底面镀有增透膜。

通过在金字塔棱镜13表面镀增透膜，以增加入射至金字塔棱镜13以及从金字塔棱镜13出射的光束的透过率。

在一种可能实现的方式中，所述透镜组12以及所述金字塔棱镜13的材料为K9玻璃或石英。

在一具体实施方式中，半导体激光器11向透镜组12发出高斯光束，透镜组12将该高斯光束进行初步准直，并发送给金字塔棱镜13顶面；金字塔棱镜13将初步准直的高斯光束分割并向待测目标输出分割光束，分割光束在待测目标表面进行非相干叠加得到用于照明的平顶光束。为了保证分割光束能够实现有效叠加，避免如图2所示分割光束照射到待测目标表面后出现分割光束照射不到的部分(即阴影)，因此需要进行如下设计：

如图3和图4所示，确定分割光束的光束角与金字塔棱镜13相邻两棱锥面的夹角之间的关系：

δ＝(n-1)α (2)

其中，δ为处于初步准直后的高斯光束的光照边界且夹角最大的两条光线在入射至金字塔棱镜13后，两光线的夹角；α是四棱锥体的相对锥面之间的夹角；n为金字塔棱镜13材料的折射率。

确定处于初步准直后的高斯光束的光照边界且夹角最大的两条光线在入射至金字塔棱镜13后，两光线的夹角的取值；

其中，δ为处于初步准直后的高斯光束的光照边界且夹角最大的两条光线在入射至金字塔棱镜13后，两光线的夹角；K为初步准直光束的F度。

将公式(2)带入公式(3)中则得到金字塔棱镜13相对两侧面的夹角的取值范围。

为保证分割光束照射到待测目标表面后不会出现照射不到的情况，四棱锥体的相对锥面之间的夹角设计为满足如下条件：

其中，α为四棱锥体的相对锥面之间的夹角，K为初步准直光束的F度，n为金字塔棱镜材料的折射率。

结合图2、图3以及图4的内容，分割光束包括第一光束，第二光束、第三光束以及第四光束，通过金字塔棱镜13将初步准直后的高斯光束分割为关于分割光束光轴对称的四条光束，其中照射在P1面的光束通过金字塔分割后作为第一光束照射在了待测目标的S1区域，同样，照射在P2面的光束通过金字塔分割后作为第二光束照射在了待测目标的S2区域，照射在P3面的光束通过金字塔分割后作为第三光束照射在了待测目标的S3区域，照射在P4面的光束通过金字塔分割后作为第四光束照射在了待测目标的S4区域；

如图4所示，在满足公式(1)的基础上，通过采用不同夹角的金字塔棱镜13，调整的大小，进而调整待测目标阴影面积区域大小，以消除阴影区域；使分割后的初步准直后的高斯光束进行有效叠加。

在一具体的实施方式中，半导体激光器11，波长为近红外波段，包括但不限于850nm、905nm、940nm、1550nm；透镜组12为光学透镜组12，其与金字塔棱镜13的材料均为K9玻璃或石英；K9玻璃属于光学玻璃，其中材料选用K9玻璃的优势在于价格低，但K9玻璃石英纯度较低，对光的吸收率会多一些，对应的石英玻璃虽然成本较高，但是石英的纯度高，对光的吸收率会更低。

更为具体的，为增加金字塔棱镜13对光的透过率，本实施例中增透膜采用近红外波段增透膜。

另一方面，本实用新型提供了一种激光雷达系统，包括：

至少一个如上文所述的激光雷达照明装置1，用于向待测目标4输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束；

接收镜头2，用于接收待经待测目标反射的平顶光束；

探测传感器3，用于探测接收镜头2接收的经待测目标反射的平顶光束；

处理显示模块，用于处理并显示探测传感器3探测的数据。

在一种可能实现的方式中，所述激光雷达照明装置(1)输出的分割光束的光轴与所述接收镜头2的接收光轴相互平行。

在一种可能实现的方式中，所述激光雷达系统包括多个激光雷达照明装置1且所述多个激光雷达照明装置1呈阵列分布。

在一种可能实现的方式中，所述系统还包括电源模块，所述电源模块用于分别为激光雷达照明装置1、探测传感器3以及处理显示模块供电。

在一具体的实施方式中，如图3所示，其中最左侧的一列是本实用新型采用相机拍摄的实际图像，中间一列是本实用新型不采用金字塔棱镜13时采集的图像，最右侧一侧是本实用新型采用金字塔棱镜13时采集的图像；更为具体的，图3中第一行为探测距离为1.21m时的图像；第二行的为探测距离为3.75m时的图像，第三行的为探测距离为7.79m时的图像、第四行的为探测距离为18.71m时的图像；从图中明显能够看出，本实用新型在不同探测距离以及不同场景下，通过金字塔棱镜13对光线进行整形后采集的图像明显要比无金字塔棱镜13进行整形时采集的图像要更加完整，全面且采集的信息要素更多。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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系统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。除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

还需要说明的是，在本实用新型的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种激光雷达照明装置，其特征在于，包括：

半导体激光器、透镜组以及金字塔棱镜；

所述半导体激光器，用于发出高斯光束；

所述透镜组，用于对所述半导体激光器发出的高斯光束进行初步准直，并输出至所述金字塔棱镜的顶面；

所述金字塔棱镜，用于分割由其顶面输入的初步准直后的高斯光束并由其底面向待测目标输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述金字塔棱镜包括四棱锥体部和长方体部，所述四棱锥体的锥面作为所述金字塔棱镜的顶面，所述长方体的远离所述四棱锥体的表面作为所述金字塔棱镜的底面。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述四棱锥体的底面与所述长方体的靠近所述四棱锥体的表面共面。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

四棱锥体的相对锥面之间的夹角设计为满足如下条件：

其中，α为四棱锥体的相对锥面之间的夹角，K为初步准直光束的F度，n为金字塔棱镜材料的折射率。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述半导体激光器发出高斯光束的第一光轴、所述透镜组输出的初步准直光束的第二光轴为同轴，所述第二光轴以及金字塔棱镜输出的各分割光束的光轴相互平行。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述金字塔棱镜顶面和底面镀有增透膜。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述透镜组以及所述金字塔棱镜的材料为K9玻璃或石英。

8.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

至少一个如权利要求1-7中任一项所述的激光雷达照明装置，用于向待测目标输出多个分割光束，以使得所述分割光束在待测目标的表面进行非相干叠加，形成用于照明的平顶光束；

接收镜头，用于接收待经待测目标反射的平顶光束；

探测传感器，用于探测接收镜头接收的经待测目标反射的平顶光束；

处理显示模块，用于处理并显示探测传感器探测的数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述激光雷达照明装置输出的分割光束的光轴与所述接收镜头的接收光轴平行。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述激光雷达系统包括多个激光雷达照明装置且所述多个激光雷达照明装置呈阵列分布。