TWI619960B - Optical design of modular laser radar sensor - Google Patents

Abstract

本案係揭露一種雷射雷達裝置，包括：一雷射投射系統及一雷射雷達偵測系統。其中該雷射投射系統包含：一雷射二極體；及一光源方位調變單元，其包含一準直透鏡及一鮑爾透鏡，用以調變該第一雷射入射光投射於一物體的角度。其中該雷射雷達偵測系統，包含至少二雷射雷達偵測單元，該等雷射雷達偵測單元係分別設於該物體之水平方向及垂直方向，各該雷射雷達偵測單元包含：一楔型透鏡、一非球面透鏡組以及一光偵測器。藉由設計該楔型透鏡之光學參數，並將該等雷射雷達偵測單元於水平方向及垂直方向堆疊，可達到便於整體裝置的製造加工及研究發展之需求，並且易於調整整體光學系統。

Description

模組化雷射雷達感測器光學設計

本發明係關於一種雷射雷達感測器，更特別的是關於一種模組化雷射雷達感測器之光學設計。

現今智慧運輸系統發展快速，使市面上有很多雷射雷達產品，但是因為其光學系統製造以及調整的成本過高，使得這些產品普遍價格昂貴，舉例來說，雷射雷達的光偵測系統之視野(field of view, FOV)係根據整體系統的需求而有不同的設計，因此若雷射雷達系統將FOV設計為45 ^o，則其光偵測系統之透鏡的FOV即需設計成45 ^o以符合系統需求，如此，不同的雷射雷達系統設計會需要與其FOV相配合之光偵測系統，而使光偵測系統中的透鏡製造成本高昂且調整成本過高。

鑒於上述習知技術之缺失，本發明係提供一種使雷射雷達光學系統模組化的光學設計，以藉由一個固定模組的設計，並將複數個固定模組以堆疊的方式來達到符合整體系統需求之FOV，進而降低生產與研究發展的成本，並且易於調整整體光學系統。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種雷射雷達偵測單元，包括：一楔型透鏡， 其係接收一第一雷射反射光，並輸出一第二雷射反射光；一非球面透鏡組，其係接收該第二雷射反射光，並將該第二雷射反射光會聚成一第三雷射反射光；以及一光偵測器，其係偵測該第三雷射反射光，並將該第三雷射反射光轉換為一電訊號。

上述之雷射雷達偵測單元，其中該楔型透鏡包含：一光輸入面，用以接收該第一雷射反射光；一光輸出面，位於該光輸入面之對側，用以輸出該第二雷射反射光；一第一側平面；及一第二側平面，其中該第一側平面之厚度係大於該第二側平面之厚度，該光輸入面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈不對稱關係，該光輸出面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈對稱關係。

為達上述目的及其他目的，本發明復提出一種雷射雷達裝置，包括：一雷射投射系統，其係投射一第一雷射入射光至一物體；以及一雷射雷達偵測系統，其包含至少二雷射雷達偵測單元，該等雷射雷達偵測單元係分別設於該物體之水平方向及垂直方向，其中各該雷射雷達偵測單元包含：一楔型透鏡， 其係接收該物體反射之一第一雷射反射光，並輸出一第二雷射反射光；一非球面透鏡組，其係接收該第二雷射反射光，並將該第二雷射反射光會聚成一第三雷射反射光；以及一光偵測器，其係偵測該第三雷射反射光，並將該第三雷射反射光轉換為一電訊號。

上述之雷射雷達裝置，其中該雷射投射系統包含：一雷射二極體，用以發出該第一雷射入射光；以及一光源方位調變單元，其包含一準直透鏡及一鮑爾透鏡，以調變該第一雷射入射光投射於該物體的角度。

上述之雷射雷達裝置，其中該楔型透鏡包含：一光輸入面，用以接收該第一雷射反射光；一光輸出面，位於該光輸入面之對側，用以輸出該第二雷射反射光；一第一側平面；以及一第二側平面，其中該第一側平面之厚度係大於該第二側平面之厚度，該光輸入面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈不對稱關係，該光輸出面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈對稱關係。

上述之雷射雷達裝置，其中該楔型透鏡包含：一光輸入面，用以接收該第一雷射反射光；一光輸出面，位於該光輸入面之對側，用以輸出該第二雷射反射光；一第一側平面；以及一第二側平面，其中該第一側平面之厚度係大於該第二側平面之厚度，該光輸入面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈不對稱關係，該光輸出面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈對稱關係。

上述之雷射雷達裝置，其中該雷射雷達裝置更包含一處理模組，用以將該電訊號進行分析處理。

上述之雷射雷達裝置，其中該處理模組係一電腦。

藉此，本發明之雷射雷達裝置係藉由在相對於欲物體之水平方向及垂直方向堆疊多個雷射雷達偵測單元，以組合出雷射雷達裝置所需要的規格，如此不僅是在整體裝置的製造加工上或者研究發展上皆方便許多，並且易於調整整體光學系統。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合圖1~圖5，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參考圖1a，其係本發明之一雷射雷達偵測單元20之示意圖。該雷射雷達偵測單元20係包含一楔型透鏡21、一非球面透鏡組22以及一光偵測器23。該楔型透鏡21係用以接收來自一物體反射之第一雷射反射光A，並輸出一第二雷射反射光B；該非球面透鏡組22再將該第二雷射反射光B會聚成一第三雷射反射光C並輸入至該光偵測器23；該光偵測器23係將接收到的該第三雷射反射光C轉換成一電訊號。其中該非球面透鏡組22包含一第一非球面透鏡221及一第二非球面透鏡222，需說明的是，圖1a所示之非球面透鏡的數量係為本發明之較佳實施方式，然而使用者可以根據其設計需求而增減非球面透鏡之數量，而不以2個為限。

請再參考圖1b，其係該楔型透鏡21之示意圖，如圖所示，該楔型透鏡21具有一光輸入面F1、一光輸出面F2、一第一側平面F3及一第二側平面F4。該光輸入面F1係用以接收該第一雷射反射光A。該光輸出面F2係位於該光輸入面F1之對側，用以輸出該第二雷射反射光B。該第一側平面F3之厚度係大於該第二側平面F4之厚度，因此該光輸入面F1的長度方向(y)之形狀相對於該楔型透鏡21之光軸L呈不對稱關係，該光輸出面F2的長度方向(y)之形狀相對於該楔型透鏡21之光軸L呈對稱關係。由於該光輸入面F1及該光輸出面F2具有一夾角q，因此可以藉由設計該光輸入面F1與該光輸出面F2之夾角q來使該光輸入面F1可接收來自不同FOV之雷射反射光，此為本發明之一設計重點。

例如，如圖2所示，其圖示二個雷射雷達偵測單元20及20’，左邊的楔型透鏡21之光輸入面F1及該光輸出面F2之夾角為q ₁，因此其可接收之該第一雷射反射光A的FOV為0°~2.8°；而右邊的楔型透鏡21’之光輸入面F1’及該光輸出面F2’之夾角為q ₂，因此其可接收之該第一雷射反射光A’的FOV為2.8°~5.6°。如此，若將雷射雷達偵測單元20及20’組合起來即可以達到FOV為5.6°。因此使用者可以藉由在水平方向及垂直方向排列堆疊複數個雷射雷達偵測單元，來達到符合其系統需求之FOV。

請參考圖3，其係本發明之雷射雷達裝置之架構圖。如圖所示，該雷射雷達裝置係由兩個子光學系統所組成，分別為一雷射投射系統1及一雷射雷達偵測系統2，該雷射投射系統1主要之功能為提供一雷射入射光，調整該雷射入射光之發射角度 (Beam shaping)並投射至一物體3，該雷射雷達偵測系統2之主要功能為接收該物體3反射之雷射反射光。

該雷射投射系統1包含一雷射二極體11及一光源方位調變單元12。該雷射二極體11，用以發出一第一雷射入射光Q。該光源方位調變單元12，包含一準直透鏡121及一鮑爾透鏡122，用以調變該第一雷射入射光Q投射於物體3的角度，詳言之，如圖4所示，該雷射二極體11所發出的第一雷射入射光Q經由該準直透鏡121形成一平行光束後，再經過該鮑爾透鏡122形成一發散角為±Z°的光源。

請再參考圖3，該雷射雷達偵測系統2係包含L個雷射雷達偵測單元20及一處理模組(圖未示)。其中各該雷射雷達偵測單元之組成構件如同前述，因此在此不再描述。

該等雷射雷達偵測單元20係分別設於相對於該物體3之水平方向及垂直方向。詳言之，本發明係將L個雷射雷達偵測單元20分成M個NxN的雷射雷達偵測模組，也就是說1個雷射雷達偵測模組在水平方向有N個雷射雷達偵測單元20及在垂直方向也有N個雷射雷達偵測單元20。如此的目的是要將不同區域的雷射反射光接收進其相對應的各該光偵測器23。並且各該雷射雷達偵測模組的垂直FOV為±X°，水平FOV為±Y°，再將各該雷射雷達偵測模組堆疊以達到系統所需之FOV。更進一步來說，為了使雷射雷達裝置之雷射投射系統1及雷射雷達偵測系統2之FOV相同，在水平方向上，本發明係藉由設計雷射雷達偵測單元20之楔型透鏡21的光輸入面F1與光輸出面F2之夾角q，來控制雷射反射光進入到光偵測器23中的視角。

舉例來說，若該雷射投射系統1發出之第一雷射入射光Q經由鮑爾透鏡122後形成一水平方向FOV±45°，垂直方向FOV±2.8°的雷射光，則為了使雷射雷達偵測系統2的FOV與該雷射投射系統1之FOV相同，則可藉由改變楔型透鏡21的光輸入面F1與光輸出面F2之夾角q，來控制雷射反射光進入到光偵測器23中的視角，進而達到該雷射投射系統1之FOV在水平方向上為0~±45°，如圖2所示，將雷射雷達偵測單元20及20’組合起來即可達到在水平方向的FOV為5.6°；而在垂直方向上，則是把兩組一樣的雷射雷達偵測單元20及20’在垂直方向組合起來，使其垂直FOV達到±2.8°。如此一來，就可得到一個2x2的雷射雷達偵測模組，其水平FOV為5.6°，垂直FOV為±2.8°，接下來，再利用該雷射雷達偵測模組的堆疊特性，堆疊複數個2x2的雷射雷達偵測模組來達到水平FOV為±45°，也就是說，把16個2x2的雷射雷達偵測模組以一曲面的方式堆疊，便可達到系統所需要的規格，如圖5所示，其係圖示出1/4部分之雷射雷達偵測系統2。

另外，各該雷射雷達偵測單元再透過其光偵測器，將接收到的雷射光轉換成一電訊號。該雷射雷達裝置更包含一處理模組(圖未示)，用以將該電訊號進行分析處理，並且該處理模組可為一電腦(圖未示)。

藉此，本發明係藉由設計單一雷射雷達偵測單元之楔型透鏡的光學參數，並將複數個雷射雷達偵測單元於水平方向及垂直方向堆疊起來，藉由將雷射雷達偵測單元形成雷射雷達偵測模組之方式，組合出雷射雷達裝置所需要的規格，如此不論是在整體雷射雷達裝置的製造加工或者研究發展上皆方便許多，並且易於調整整體光學系統。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧雷射投射系統

11‧‧‧雷射二極體

12‧‧‧光源方位調變單元

121‧‧‧準直透鏡

122‧‧‧鮑爾透鏡

2‧‧‧雷射雷達偵測系統

20, 20’‧‧‧雷射雷達偵測單元

21, 21’‧‧‧楔型透鏡

22‧‧‧非球面透鏡組

221‧‧‧第一非球面透鏡

222‧‧‧第二非球面透鏡

23‧‧‧光偵測器

3‧‧‧物體

A, A’‧‧‧第一雷射反射光

B‧‧‧第二雷射反射光

C‧‧‧第三雷射反射光

F1, F1’‧‧‧光輸入面

F2, F2’‧‧‧光輸出面

F3‧‧‧第一側平面

F4‧‧‧第二側平面

FOV‧‧‧視野

L‧‧‧光軸

Q‧‧‧第一雷射入射光

x‧‧‧寬度方向

y‧‧‧長度方向

z‧‧‧厚度方向

q, q₁, q₂‧‧‧光輸入面與光輸出面之夾角

［圖1a］係為本發明一實施例中之雷射雷達偵測單元之示意圖。 ［圖1b］係為本發明一實施例中之楔型透鏡之示意圖。 ［圖2］係為本發明一實施例中之二個雷射雷達偵測單元之組合圖。 ［圖3］係為本發明一實施例中之雷射雷達裝置之架構圖。 ［圖4］係為本發明一實施例中之光源方位調變單元之示意圖。 ［圖5］係為本發明一實施例中之四分之一之雷射雷達偵測系統之堆疊架構圖。

Claims (6)

1. 一種雷射雷達裝置，包括：一雷射投射系統，其係投射一第一雷射入射光至一物體；以及一雷射雷達偵測系統，其包含複數雷射雷達偵測單元，該等雷射雷達偵測單元係分別設於該物體之水平方向及垂直方向而形成複數個NxN的雷射雷達偵測模組，N為複數，其中各該雷射雷達偵測單元包含：一楔型透鏡，其係接收該物體反射之一第一雷射反射光，並輸出一第二雷射反射光；一非球面透鏡組，其係接收該第二雷射反射光，並將該第二雷射反射光會聚成一第三雷射反射光；以及一光偵測器，其係偵測該第三雷射反射光，並將該第三雷射反射光轉換為一電訊號；其中，選取不同數量的雷射雷達偵測單元，以建立系統所需之視野。
2. 如請求項1所述之雷射雷達裝置，其中該雷射投射系統包含：一雷射二極體，用以發出該第一雷射入射光；以及一光源方位調變單元，其包含一準直透鏡及一鮑爾透鏡，以調變該第一雷射入射光投射於該物體的角度。
3. 如請求項1所述之雷射雷達裝置，其中該楔型透鏡包含：一光輸入面，用以接收該第一雷射反射光； 一光輸出面，位於該光輸入面之對側，用以輸出該第二雷射反射光；一第一側平面；以及一第二側平面，其中該第一側平面之厚度係大於該第二側平面之厚度，該光輸入面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈不對稱關係，該光輸出面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈對稱關係。
4. 如請求項2所述之雷射雷達裝置，其中該楔型透鏡包含：一光輸入面，用以接收該第一雷射反射光；一光輸出面，位於該光輸入面之對側，用以輸出該第二雷射反射光；一第一側平面；以及一第二側平面，其中該第一側平面之厚度係大於該第二側平面之厚度，該光輸入面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈不對稱關係，該光輸出面的長度方向形狀相對於該楔型透鏡之光軸呈對稱關係。
5. 如請求項1至4其中任一項所述之雷射雷達裝置，其中該雷射雷達裝置更包含一處理模組，用以將該電訊號進行分析處理。
6. 如請求項5所述之雷射雷達裝置，其中該處理模組係一電腦。