CN110940290A - 激光收发扫描器和共轴收发成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光收发扫描器，其特征在于，包括：收发光纤、光束准直器和光束扫描装置，其中，收发光纤，用于发射光束，和接收光束；光束准直器，用于将来自收发光纤发射的发射光束准直输出至光束扫描装置，和用于将来自光束扫描装置的接收光束输出至收发光纤；光束扫描装置，用于将来自光束准直器的发射光束发射至多个方向，和用于将来自多个方向的接收光束输出至光束准直器。本发明实施例公开的技术方案，每根收发光纤均具备光束发射和接收的能力，能够实现光束的共轴收发，提高信噪比，降低了光束扫描的难度，解决了生产时光轴标校效率低下的问题。

Description

激光收发扫描器和共轴收发成像装置

技术领域

本发明涉及探测领域，特别涉及激光收发扫描器和共轴收发成像装置。

背景技术

在众多的应用领域，包括航空航天、仿形加工、机器视觉、自动驾驶汽车、无人机等领域，都需要物体和环境的三维轮廓信息。随着技术的发展，对环境感知提出了越来越高的要求。光电检测作为三维轮廓感知的重要实现手段，近几年获得了越来越广泛的重视，也取得了长足的发展。常用的光电检测技术途径主要包括莫尔条纹法、三角测量法、脉冲时间飞行法、间接时间飞行法、激光照明距离选通成像法等。上述技术途径各有优缺点，在不同的平台和领域都得到了实际应用。

现有的大部分方案光源发射孔径与接收孔径是分开的。这种结构增加了光束扫描的难度，也导致生产时的光轴标校效率低下。

发明内容

本发明实施例提供了激光收发扫描器和共轴收发成像装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

第一方面，本发明实施例提供了一种激光收发扫描器，其特征在于，包括：收发光纤、光束准直器和光束扫描装置，其中，

收发光纤包括纤芯和包层，所述纤芯用于发射光束，所述包层用于接收光束；

光束准直器，用于将来自收发光纤发射的发射光束准直输出至光束扫描装置，和用于将来自光束扫描装置的接收光束输出至收发光纤；

光束扫描装置，用于将来自光束准直器的发射光束发射至多个方向，和用于将来自多个方向的接收光束输出至光束准直器。

可选的，光束扫描装置还用于：

根据设定扫描视场角，确定扫描幅度；

根据设定扫描频率或设定帧率，确定扫描频率。

可选的，光束扫描装置包括按设定顺序设置的快轴扫描装置和慢轴扫描装置，其中，

所述快轴扫描装置实现行扫描；

所述慢轴扫描装置实现帧扫描。

可选的，快轴扫描装置和慢轴扫描装置包括：

多面体转镜、机械振镜、微机电***振镜、音圈快速反射镜、压电快速反射镜、液体透镜、光楔、光栅、电光晶体器件、液晶器件或光波导器件的一种或多种的组合。

可选的，所述快轴扫描装置包括多面体转镜、且使用其中至少一个面时：

每根所述收发光纤分别对应所述多面体转镜的一个面；和/或，

多根所述收发光纤同时对应所述多面体转镜的一个面。

可选的，收发光纤末端配套机械微动装置，所述机械微动装置用于：

对收发光纤的末端进行平移微动。

可选的，所述光束准直器配套机械微动装置，所述机械微动装置用于：

对所述光束准直器进行平移微动。

可选的，所述光束扫描装置是一个多面体转镜，其特征在于，所述多面体转镜的各面倾角不同。

第二方面，本发明实施例提供了一种共轴收发成像装置，包括控制器、激光器、共轴收发器、接收器、和激光收发扫描器，其中，

控制器，用于控制所述激光器产生发射光束；

激光器，用于将发射光束输出至所述发射光纤；

共轴收发器，用于经收发光纤将所述发射光束传输至激光收发扫描器；经收发光纤接收激光收发扫描器传输的回返光、并经接收光纤将回返光传输至接收器；

接收器，用于探测所述接收光纤接收到的接收光束。

可选的，成像装置包括至少一个激光收发扫描器，成像装置还包括：

光纤分束器，用于将激光器产生的发射光束进行分束，并将分束后的发射光束输出至发射光纤。

本发明实施例公开的技术方案，每条收发光纤均具备光束发射和接收的能力，能够实现光束的共轴收发，提高信噪比，降低了光束扫描的难度，解决了生产时光轴标校效率低下的问题。

本发明实施例公开的技术方案，用于对目标场景深度信息与灰度信息进行融合，能够融合深度图像和灰度图像中的有效信息，滤除无关和冗余信息，进而得到可包含更多目标场景识别信息的融合图像。同时，通过深度图像与灰度图像的融合，能够优化图像精度，提高识别效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是一示例性实施例中激光收发扫描器的示意图；

图2是一示例性实施例中光束扫描装置的示意图；

图2A是一示例性实施例中快镜使用多面体转镜时的示意图；

图2B是一示例性实施例中快镜使用四面等差倾角转镜时的示意图；

图2C是一示例性实施例中不同倾角转镜的激光收发扫描器的示意图；

图3是一示例性实施例中激光收发扫描器的示意图；

图4是一示例性实施例中激光收发扫描器的示意图；

图5是一示例性实施例中光束扫描装置的示意图；

图6和图7是一示例性实施例中机械微动装置的作用示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何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。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明实施例公开了一种激光收发扫描器10，如图1所示，包括收发光纤101、光束准直器102和光束扫描装置103，其中，

收发光纤101，用于发射光束，和接收光束；

光束准直器102，用于将来自收发光纤101发射的发射光束准直输出至光束扫描装置103，和用于将来自光束扫描装置103的接收光束输出至收发光纤101；

光束扫描装置103，用于将来自光束准直器102的发射光束发射至多个方向，和用于将来自多个方向的接收光束输出至光束准直器102。

收发光纤101可以为双包层光纤，也可以为多包层光纤，其中纤芯用于发射光束，包层用于接收光束。发射光束由收发光纤101的纤芯传播至光束准直器102。

光束准直器102，用于实现收发光纤101中的发射光束的准直输出，输出至光束扫描装置103。光束扫描装置103的接收光束，经过光束准直器102，进入收发光纤101的包层。

可选的，光束扫描装置103可以用于：

根据设定扫描视场角，确定扫描幅度；

根据设定扫描频率或设定帧率，确定扫描频率。

示例性的，通过调整光束扫描装置103中的一个或多个器件的扫描幅度，可以改变激光收发扫描器10的扫描视场角。相应的，可以给定扫描视场角作为***参数，本领域技术人员可以根据设定扫描视场角，确定扫描幅度。

示例性的，通过调整光束扫描装置103中的一个或多个器件的扫描频率，可以改变激光收发扫描器10的扫描频率或帧频。相应的，可以给定扫描频率或帧频作为***参数，本领域技术人员可以根据设定扫描频率或设定帧频，确定扫描频率。

光束扫描装置103可以是反射式、透射式或机械微动式，也可以是多种不同方式的组合。

可选的，当光束扫描装置103为反射式时，光束扫描装置103可以包括一个或多个反射镜。反射镜可以为多面体转镜、机械振镜、微机电***振镜、音圈快速反射镜或压电快速反射镜的一种或多种的组合。

一般的，光束扫描装置103可以包括两个反射镜，为方便描述，称之为快轴扫描装置(例如图2中的快镜)和慢轴扫描装置(例如图2中的慢镜)，如图2所示，快轴扫描装置和慢轴扫描装置按照设定顺序设置，其中，快轴扫描装置实现行扫描；

慢轴扫描装置实现帧扫描。

进一步的，光束扫描装置103可以包括多个反射镜，示例性的，包括一个多面体转镜和，一个或多个振镜，如图3示出了一个多面体转镜和两个振镜的情形。特别的，调整多面体转镜的面数，可以改变扫描的视场角和扫描频率，例如，增加多面体转镜的面数，每个面的尺寸就会减小，扫描的视场角就会减小，但是扫描频率就会增加；反之亦然。

当快镜使用多面体转镜时，可以多个收发光纤对应多面体转镜的多个面同时进行扫描。可以使用一根或多根收发光纤，每根收发光纤分别对应多面体转镜的一个面；或者多个收发光纤同时对应多面体转镜的一个面；或者是前面两者的组合。多面体转镜的每个面分别对应一个慢镜，从而实现多个面转镜同时扫描，提高扫描的视场范围，典型的为快镜前方两个面各有一个慢镜。

当快镜使用多面体转镜时，可以是一种四面等差倾角转镜(如图2A所示)，倾角分别为0度、5度、10度、15度。单根光纤收发激光垂直于转轴时，第一面反射激光夹角0度，第二面10度，第三面20度，第四面为30度。多根光纤收发时，可以在不同面扫描的角度间***激光，比如五根收发光纤时，则可把扫描的角度分辨率由5度提高到1度。也可以是一种四面等差倾角转镜(如图2B所示)，倾角分别为-5度、0度、5度、10度。单根光纤收发激光垂直于转轴时，第一面反射激光夹角-10度，第二面0度，第三面10度，第四面为20度。多根光纤收发时，可以在不同面扫描的角度间***激光，比如五根收发光纤时，则可把扫描的角度分辨率由5度提高到1度。

图2C示出了具有不同倾角转镜的激光收发扫描器。

图3中的激光收发扫描器10可以包括一根或多根收发光纤101，本领域技术人员可以在具体实施过程中，根据需要确定激光收发扫描器10的具体结构。

在激光收发扫描器10中，与多面体转镜的一个面对应的收发光纤101，可以是一根或多根，多根收发光纤101可以排布在一条直线上，也可以以其他任意合适的方式进行排列，并对应同一个慢镜。示例性的，如图4所示，多条收发光纤101可以互相之间有一定间隔，相应的，发射光束或接收光束之间可以有固定的倾角。

可选的，当光束扫描装置103为透射式时，光束扫描装置103可以包括一个或多个透射镜。透射镜可以为可电控光楔、光栅、电光晶体器件、液晶器件或光波导器件的一种或多种的组合。

一般的，光束扫描装置103可以包括两个透射镜，为方便描述，称之为快轴扫描装置和慢轴扫描装置，如图5所示，快轴扫描装置和慢轴扫描装置按设定顺序设定，其中，

快轴扫描装置实现行扫描；

慢轴扫描装置实现帧扫描。

可选的，收发光纤101末端配置机械微动装置，用于对收发光纤101的末端进行平移微动。

可选的，光束准直器102配套机械微动装置，用于对光束准直器102进行平移微动。

示例性的，如图6和图7所示，上述机械微动装置，可以用于：

对收发光纤101的末端进行平移微动，或对光束准直器102进行平移微动，必要时还可以同时对收发光纤101的末端和光束准直器102进行平移微动。

本发明实施例公开的技术方案，每条收发光纤101均具备光束发射和接收的能力，能够实现光束的共轴收发，提高信噪比，降低了光束扫描的难度，解决了生产时光轴标校效率低下的问题。多条收发光纤101的联合使用，可以提高测量的分辨率或测量的视场角，或同时提高测量的分辨率和测量的视场角。同时，激光收发扫描器10中，除反射式光束扫描装置103外，无其他运动结构，相较现有的机械旋转式激光雷达，使用寿命和可靠性有明显改善。反射式光束扫描装置103可以根据需要，灵活调整设置或实时动态调整设置扫描视场角或扫描范围，以及扫描频率等技术指标，实施部署方便。并且，激光收发扫描器10的***结构简单，尺寸较小，便于安装和维护。

本发明实施例还公开了一种共轴收发成像装置，包括控制器、激光器、发射光纤、接收光纤、共轴收发器、接收器和至少一个前文所述的激光收发扫描器10，其中，

控制器，用于控制激光器产生发射光束；

激光器，用于将发射光束输出至发射光纤；

发射光纤，用于将发射光束输出至激光收发扫描器10；

接收光纤，用于接收来自激光收发扫描器10的接收光束；

共轴收发器，用于经收发光纤将发射光束传输至激光收发扫描器10；经收发光纤接收激光收发扫描器10传输的回返光、并经接收光纤将回返光传输至接收器。

接收器，用于探测接收光纤接收到的接收光束。

可选的，共轴收发成像装置可以包括至少一个激光收发扫描器10，这种情况下，共轴收发成像装置还可以包括：

光纤分束器，用于将激光器产生的发射光束进行分束，并将分束后的发射光束输出至发射光纤。

一般的，共轴收发装置在实施部署过程中，可以包括内部安装部分和外部安装部分，具体的，

内部安装部分可以主要用来实现发射光束的产生、传输、分束、发射光束与接收光束的分离、接收光束的接收与探测等功能。包括控制器、激光器，以及一路或多路收发光纤，多路的时候，还可以配套使用光纤分束器，以便把一路激光分成多路，发射光纤、接收光纤、共轴收发器等。控制器控制激光器产生发射光束，发射光束在光纤中传输，进入光纤分束器进行分束，然后到达收发光纤。内部安装部分可以安装在平台内部，不需要有窗口，不需要直接暴露在外界环境中。

外部安装部分可以由一路或多路激光收发扫描器10构成，激光收发扫描器10与内部安装部分可以通过收发光纤101连接。激光收发扫描器10主要用于把发射光束发射出去，把接收光束接收回来，并使用光束扫描装置103，可以实现一定视场角的扫描。外部安装部分可以安装在平台侧壁，例如汽车的侧面、顶面、正面，或挡风玻璃后方等位置，可以暴露在外部环境中，也可以在相应光学窗口的辅助下，不直接暴露在外部环境中。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种激光收发扫描器，其特征在于，包括：收发光纤、光束准直器和光束扫描装置，其中，

所述收发光纤包括纤芯和包层，所述纤芯用于发射光束，所述包层用于接收光束；

所述光束准直器，用于将来自所述收发光纤发射的发射光束准直输出至所述光束扫描装置，和用于将来自所述光束扫描装置的接收光束输出至所述收发光纤；

所述光束扫描装置，用于将来自所述光束准直器的发射光束发射至多个方向，和用于将来自多个方向的接收光束输出至所述光束准直器。

2.如权利要求1所述的扫描器，其特征在于，所述光束扫描装置包括按设定顺序设置的快轴扫描装置和慢轴扫描装置，其中，

所述快轴扫描装置实现行扫描；

所述慢轴扫描装置实现帧扫描。

3.如权利要求2所述的扫描器，其特征在于，所述快轴扫描装置和慢轴扫描装置包括：

多面体转镜、机械振镜、微机电***振镜、音圈快速反射镜、压电快速反射镜、液体透镜、光楔、光栅、电光晶体器件、液晶器件或光波导器件的一种或多种的组合。

4.如权利要求3所述的扫描器，其特征在于，所述快轴扫描装置包括多面体转镜、且使用其中至少一个面时：

每根所述收发光纤分别对应所述多面体转镜的一个面；和/或，多根所述收发光纤同时对应所述多面体转镜的一个面。

5.如权利要求1所述的扫描器，其特征在于，所述收发光纤末端配套机械微动装置，所述机械微动装置用于：

对所述收发光纤的末端进行平移微动。

6.如权利要求1所述的扫描器，其特征在于，所述光束准直器配套机械微动装置，所述机械微动装置用于：

对所述光束准直器进行平移微动。

7.如权利要求1所述的扫描器，其特征在于，所述光束扫描装置是一个多面体转镜，其特征在于，所述多面体转镜的各面倾角不同。

8.一种共轴收发成像装置，包括控制器、激光器、共轴收发器、接收器、和至少一个如权利要求1至7所述的任一种激光收发扫描器，其中，所述控制器，用于控制所述激光器产生发射光束；

所述激光器，用于将发射光束输出至发射光纤；

所述共轴收发器，用于经收发光纤将所述发射光束传输至所述激光收发扫描器；经所述收发光纤接收所述激光收发扫描器传输的回返光、并经接收光纤将所述回返光传输至所述接收器；

所述接收器，用于探测接收光纤接收到的接收光束。

9.如权利要求8所述的成像装置，其特征在于，所述成像装置包括至少一个所述激光收发扫描器，所述成像装置还包括：

光纤分束器，用于将所述激光器产生的发射光束进行分束，并将分束后的发射光束输出至所述发射光纤。

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