WO2023116918A2 - 一种激光雷达发射系统和激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了激光雷达发射系统和激光雷达装置，其中，所述激光雷达发射系统包括激光发射器和准直透镜，所述准直透镜包括透镜主体和消光件，所述透镜主体形成有相对的入射面和出射面；其中，所述入射面用于供激光光束射入，所述出射面用于供所述激光光束射出，以使所述激光光束经过透镜主体后出射为平行光；所述消光件设置在所述入射面或出射面，用于消除所述透镜主体内的被出射面反射的激光光束。由于本发明在透镜主体的入射面或出射面设置有消光件，消光件能够吸收透镜主体内出射面反射的激光光束，进而不能向准直光路正向反射，从而实现鬼反杂散光的抑制效果。
Description
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种激光雷达发射系统和激光雷达装置。
激光雷达采用光飞行时间法进行测距，激光雷达的测距能力与激光器的发射功率有直接关系，随着应用端对激光雷达的测距能力要求越来越高，激光雷达的光源的出射功率也越来越高。激光在经过透镜的表面时，主要部分能量透过两个表面出射，但是仍然有10
-2～10
-3量级的能量被反射。由于经过透镜时容易在透镜的前后表面发生二次反射，形成的反射光束对激光雷达的数据形成干扰，造成激光雷达数据异常。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种激光雷达发射系统和激光雷达装置，旨在解决激光经过透镜内部时发生反射，形成的光束对激光雷达的数据形成干扰的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种激光雷达发射系统，包括激光发射器和准直透镜，所述准直透镜包括：
透镜主体，所述透镜主体形成有相对的入射面和出射面；其中，所述入射面用于供激光光束射入，所述出射面用于供所述激光光束射出，以使所述激光光束经过透镜主体后出射为平行光；以及，
消光件，所述消光件设置在所述入射面或出射面，用于消除所述透镜主体内的被所述出射面反射的激光光束。
在其中一个实施例中，所述准直透镜还包括增透膜，所述增透膜设置在所述入射面和/或所述出射面。
在其中一个实施例中，所述消光件位于所述入射面的中心区域或出射面 的中心区域。
在其中一个实施例中，当所述消光件位于所述入射面的中心区域时，所述准直透镜满足以下公式：
其中，所述d为入射面中心至出射面中心的距离，l为激光光源至入射面中心的距离，r
2为出射面的曲率，n为所述准直透镜的材料折射率。
在其中一个实施例中，所述消光件为吸光膜、吸光纸或消光材料层。
在其中一个实施例中，所述消光件的光吸收率不低于90％。
在其中一个实施例中，所述准直透镜为慢轴准直镜或快轴准直镜。
在其中一个实施例中，所述准直透镜的数量为多个，其中，部分所述准直透镜为慢轴准直镜，形成慢轴准直镜组；另一部分所述准直透镜为快轴准直镜，形成快轴准直镜组。
在其中一个实施例中，所述激光发射器为半导体激光器。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种激光雷达装置，所述激光雷达装置包括激光接收系统以及如上所述的激光雷达发射系统，所述激光接收系统用于接收探测目标反射的回波信号。
在本发明的技术方案中，激光雷达发射系统包括激光发射器和准直透镜，准直透镜包括透镜主体和消光件，透镜主体形成有相对的入射面和出射面，激光发射器发射的激光从透镜主体的入射面射入，大部分光从出射面射出，形成平行光，少部分激光在出射面表面发生反射，由于本发明在透镜主体的入射面或出射面设置有消光件，该消光件能够吸收透镜主体内的被出射面反射的激光光束，因此被所述出射面反射的激光光束不再能向沿准直后的主光路方向出射，从而实现鬼反杂散光的抑制效果。
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为现有的激光雷达发射的准直光路结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的激光雷达发射系统的慢轴方向准直光路结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的激光雷达发射系统的慢轴方向鬼反射光路图；
图4为本发明一实施例提供的激光雷达发射系统的慢轴准直镜的结构示意图；
图5为图3所示的慢轴准直镜入射面的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的激光雷达发射系统的慢轴方向鬼反射光路图。
附图标号说明：
100、激光发射器；200、准直透镜；210、透镜主体；220、消光件；211、入射面；212、出射面；230、慢轴准直镜；240、快轴准直镜。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护 范围之内。
请参见图1，图1示出了目前激光雷达发射的准直系统光路结构。从左往右依次为光源、快轴准直镜、慢轴准直镜。快轴准直镜为柱面镜，作用是将快轴方向上的光准直为平行光出射，慢轴准直镜也为柱面镜，作用是将慢轴方向上的光准直为平行光。通常情况下慢轴准直镜对入射到镜片表面的光束的透过率大于99％，反射率约为1％。对于经过慢轴准直镜前后表面两次反射的光束，其出射方向与激光的主光束方向一致，在激光雷达测距时，对目标反射的回波信号产生影响，即产生鬼返杂散光。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种激光雷达发射系统，如图2～图4所示，包括激光发射器100和准直透镜200，准直透镜200包括透镜主体210和消光件220，透镜主体210形成有相对的入射面211和出射面212；其中，入射面211用于供激光光束射入，出射面212用于供激光光束射出，以使激光光束经过透镜主体210后出射为平行光；消光件220设置在入射面211或出射面212，用于消除透镜主体210内出射面212反射的激光光束。本申请中的入射面是指激光光束发射方向上的激光入射至任意透镜的入射面，出射面是指激光光束发射方向上的激光从任意透镜的出射面。
可以理解，本发明技术方案在透镜主体210的入射面或出射面设置有消光件220，所述消光件220能够吸收透镜主体210内出射面反射的激光会聚光束，即反射的激光光束的汇聚点与所述消光件的位置对应。因此被所述出射面二次反射的激光光束不再能向沿准直后的主光路方向出射，从而达到了鬼反杂散光的抑制效果。
本实施例中，所述激光发射器100出射光可以与准直透镜200同轴设置，以增大出射光的透过率。另外，本实施例中，所述激光发射器可以为半导体激光发射器，利用该半导体激光可以提供波长为905nm的激光光束。此外，所述激光发射器还可以为固态、气体等激光发射器。
准直透镜200可以为慢轴准直镜230或快轴准直镜240，慢轴准直镜230和快轴准直镜240可以为柱面镜，慢轴准直镜230的作用是将快轴方向上的光准直为平行光出射，慢轴准直镜230的作用是将慢轴方向上的光准直为平行光。还可以在激光雷达发射系统的准直光路中既设置快轴准直镜240，又设置慢轴准直镜230。
请继续参见图2，激光发射器100发射的激光依次经过快轴准直镜240和慢轴准直镜230。以准直透镜200为慢轴准直镜230为例，消光件220若设置在入射面211上，当激光光束在经过慢轴准直镜230出射面212时，则会有一部分光向后反射。由于所述慢轴准直镜230出射面212呈凸型，因此该经出射面212反射后的激光光束发生会聚，会聚后的光斑投射在慢轴准直镜230的消光件220上，从而使一次反射的会聚光束在此位置被吸收，避免了该光束在到达入射面211后再次被反射，最终沿准直光路的方向出射，从而达到鬼反杂散光的抑制效果。
本实施例中，慢轴准直镜230的主要功能是对光束进行准直，因此由于镜面曲度的限制，可能经出射面212反射会聚后投射在入射面211上的反射光的光斑尺寸较大，若通过设置具有较大面积的消光件来实现在入射面上消除反射光，则会降低的慢轴准直镜230的光透光率。基于此，可以考虑让该光束在入射面211上再次经过反射和会聚，以较小光斑尺寸，降低对消光件尺寸的要求。
在一实施例中，请参考图6，所述消光件220设置在出射面212上，激光光束在到达慢轴准直镜230出射面212后，有一部分光经出射面21反射和会聚后投射至入射面211，然后经入射面211二次反射和会聚后，在出射面212上的消光件220处可形成较小的光斑，使得二次反射的会聚光束尽可能的在此位置被消光件220吸收，而无法沿准直光路出射，从而达到抑制鬼反杂散光的效果。经过透镜主体210前后表面反射的光束，其出射方向与激光的主光束方向一致，在激光雷达测距时，对目标反射的回波信号产生影响。
进一步地，准直透镜200还包括增透膜(图未示出)，增透膜设置在入射面211和/或出射面212。增透膜又称减反射膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。增透膜可以通过沉积或溅射的工艺镀在入射面211和/或出射面212上，可全面覆盖在其表面。优选在透镜主体210的入射面211和出射面212均镀增透膜，其对入射到镜片表面的光束的透过率大于99％，反射率约为1％，提高了准直透镜200的光透过率。
优选地，消光件220位于入射面211的中心区域或出射面212的中心区域。以消光件220位于慢轴准直镜230入射面211的中心位置为例，激光光 束经过慢轴准直镜230后表面有一部分光向后反射，反射的光束呈会聚的形状，最终会聚在慢轴准直镜230的前表面的中心位置。本实施例中，考虑到反射后的光束形成的光斑一般为条形/矩形光斑，因此优先将所述消光件的设置为矩形；此外，还可以根据需要将所述消光件设置为其它形状。在其一个实施例中，当将消光件220位于入射面211的中心区域时，则所述准直透镜200满足以下公式：
其中，d为入射面211中心至出射面212中心的距离，l为激光光源至入射面211中心的距离，r
2为出射面212的曲率，n为准直透镜200的材料折射率。
此外，为保证慢轴准直镜230的准直作用，使得激光光束经过慢轴准直镜230出射面212后变为平行光光束，所以准直透镜200还应该满足以下公式：
需要注意的是，本实施例仅对慢轴准直镜230的出射面212进行说明，对慢轴准直镜230的入射面211的曲率、材料折射率等不作具体限制。
如图5所示，消光件设置在出射面212的中心区域，因此可将该出射面212划分为两个区域，其中A区域为主区，用于入射的激光光束进行准直，且镀有增透膜，以增大光透过率，B区域为消光区域，通过消光件220消除鬼反射杂散光。
参见图5，消光件220位于设置面的中心区域，为了避免影响光路，其尺寸稍大于反射后激光光束在设置面上的形成的光斑即可。假设光源经过准直系统后，主光束准直成平行光出射。多次鬼反射光束经过折射和反射后汇聚在准直透镜的出射面(212)上.此时，光源200在出射面212上成像。假设此时成像的垂轴放大倍率为(βf,βs)，鬼反射成像的大小为((hfβf,hsβs),由于在实际中的误差已经精度影响，实际鬼反射尺寸要比理论尺寸大。因此消光膜的尺寸满足：
Df>hfβf；Df<1.5hfβf；
Ds>hsβs；Ds<1.5hsβs。
同理可设置在入射面上的消光件的尺寸。
在另外一个实施例中，由于激光发射器100在慢轴方向和快轴方向的发散角不同，假设激光器在快轴方向上的光源尺寸为h
f，快轴方向的发散角为θ
f，快轴准直镜240的焦长为f
f，经过快轴准直镜240后，快轴方向上的光束宽度为H
f＝2f
ftan(θ
f/2)。假设激光器在慢轴方向上的光源尺寸为hs，发散角为θs，慢轴准直镜230的焦长为fs，入射在慢轴准直镜入射面211上的光束在慢轴方向上的宽度为Hs＝2l×tan(θs/2)。由于慢轴方向光束会聚在慢轴准直镜230的入射面211，d<d+fs。因此慢轴方向光源成一个缩小的像，因此在镀膜区域A为慢轴方向比较细的一个矩形或椭圆形，假设在慢轴方向上鬼反射所成的像的放大或缩小倍率为β，那么理论上在慢轴准直镜入射面上的鬼反射会聚光斑最小尺寸为Hf×βHs。也可以考虑基于Hf×βHs设置消光件的尺寸以及在设置面上的放置姿态。由于光学系统像差以及装配误差等因素导致实际鬼反射会聚光斑大小要更大。即在慢轴准直镜入射面上设置消光件时其尺寸要求为：Df>Hf；Df<1.5Hf；Ds>βHs；Ds<1.5βHs。
同理也可以设计出在将消光件设置在慢轴准直镜的出射面，或快轴准直镜的入射面或出射面时的合理尺寸。
由于在慢轴准直镜230的入射面211设置消光件220会影响准直光束的准直效率，通常情况下要求慢轴准直镜230的准直效率不低于50％。需要说明的是，上述实施例对慢轴方向上的鬼反射杂散光抑制进行了说明，同样的方法适用于快轴准直镜240。
以消光件220位于慢轴准直镜230出射面212的中心位置为例，激光光束经过慢轴准直镜230出射面有一部分光向后反射，反射的光束呈会聚的形状，会聚光束经过入射面211时，一部分光透射过透镜表面，这部分光的方向与出射方向相反，最终依靠光学镜筒的机械内壁多次反射消除。另一部分光最终会聚在慢轴准直镜230的出射面211的中心位置。假设慢轴准直镜的入射面为平面即，r
1＝∞。此时，准直透镜200满足以下公式：
其中，d为入射面211中心至出射面212中心的距离，l为激光光源至入射面211中心的距离，r
2为出射面212的曲率，n为准直透镜200的材料折射率。此外，激光光束经过慢轴准直镜230出射面212后出射为平行光，所以准直透镜200还满足以下公式：
本发明对慢轴准直镜230的出射面212进行说明，对慢轴准直镜230的入射面211的曲率不作限制。
在其中一个实施例中，消光件220的光吸收率不低于90％，以最大程度的消除鬼反射杂散光。在实际情况中，也可根据对激光雷达的数据准确度的要求，适当改变对消光件的光吸收率的要求。例如，在对激光雷达的数据准确度要求较低时，或激光雷达能够很好的识别出伪影时，可适当降低对消光件220的光吸收率，比如只要消光件220的光吸收率不低于50％即可。
在其中一个实施例中，消光件220可以为吸光膜、吸光纸或消光材料层。
可以理解，所述吸光膜具有透光率极高，反光率极低的特性，因此可通过将吸光膜可镀设在准直透镜200入射面211和出射面212的中心位置，以消除鬼返杂散光。消光材料层可通过在准直透镜200的表面涂覆或蒸镀消光材料形成，具体可以采用带有环氧基的聚丙烯酸酯树脂，即消光剂，消光材料层的表面形成微粗糙面，当反射光到达凹凸不平的消光材料层时，发生漫反射，即发生散射产生消光外观。消光纸与消光材料层的消光原理相似，此处不再赘述。
为了进一步增强消光效果，本实施例中，所述消光件220为黑色的吸光膜。
在其中一个实施例中，激光雷达发射系统包括多个准直透镜200。其中，部分准直透镜200为慢轴准直镜230，形成慢轴准直镜230组；另一部分准直透镜200为快轴准直镜240，形成快轴准直镜240组。慢轴准直镜230和快轴准直镜240的数量以及位置可根据需求设置，可在每个准直镜上均设置上述消光件220，以最大程度的减少鬼反射杂散光。
可选地，激光发射器100为半导体激光器，半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质而产生激光的器件，其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带之间，或者半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器效率高、体积小、重量轻且价格低。在其它实施例中，激光发射器100也可以采用光纤激光器，通过用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光束质量好、效率高、 散热特性好且结构紧凑，可靠性高。
综上，本发明实施例提供了一种激光雷达发射系统和激光雷达。其中，激光雷达发射系统包括激光发射器和准直透镜，准直透镜包括透镜主体和消光件，透镜主体形成有相对的入射面和出射面，激光发射器发射的激光从透镜主体的入射面射入，大部分光从出射面射出，形成平行光，少部分激光在出射面表面发生反射，由于本发明在透镜主体的入射面或出射面设置有消光件，该消光件能够吸收透镜主体内的被出射面反射的激光光束，因此被所述出射面反射的激光光束不再能向沿准直后的主光路方向出射，从而实现鬼反杂散光的抑制效果。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种激光雷达，激光雷达包括激光接收系统以及如上的激光雷达发射系统，激光接收系统用于接收探测目标反射的回波光束。由于该激光雷达采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
- 一种激光雷达发射系统，其特征在于，包括激光发射器和准直透镜，所述准直透镜包括：透镜主体，所述透镜主体形成有相对的入射面和出射面；其中，所述入射面用于供激光光束射入，所述出射面用于供所述激光光束射出，以使所述激光光束经过透镜主体后出射为平行光；以及，消光件，所述消光件设置在所述入射面或出射面，用于消除所述透镜主体内的被所述出射面反射的激光光束，反射的激光光束的汇聚点与所述消光件的位置对应。
- 根据权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述准直透镜还包括增透膜，所述增透膜设置于所述入射面和/或所述出射面。
- 根据权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述消光件位于所述入射面的中心区域或所述出射面的中心区域。
- 根据权利要求3所述的激光雷达发射系统，其特征在于，当所述消光件位于所述入射面的中心区域时，所述准直透镜满足以下公式：
其中，所述d为入射面中心至出射面中心的距离，l为激光光源至入射面中心的距离，r 2为出射面的曲率，n为所述准直透镜的材料折射率。 - 根据权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述消光件为吸光膜、吸光纸或消光材料层。
- 根据权利要求1～5中任一项所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述消光件的光吸收率不低于90％。
- 根据权利要求1～5中任一项所述的激光雷达发射系统，其特征在于， 所述准直透镜为慢轴准直镜或快轴准直镜。
- 根据权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，消光件的尺寸满足：Df>hfβf；Df<1.5hfβf；Ds>hsβs；Ds<1.5hsβs；其中，Df，Ds表示所述消光件的尺寸，(βf,βs)为成像的垂轴放大倍率为，(hfβf,hsβs)为光斑大小。
- 根据权利要求1～5中任一项所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光发射器为半导体激光器。
- 一种激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置包括激光接收系统以及根据权利要求1～9中任一项所述的激光发射系统，其中所述激光接收系统用于接收探测目标反射的回波信号。
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