CN113359106A - 一种基于视场扫描的光学模组及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视场扫描的光学模组及激光雷达。该光学模组包括：光学镜组；光学焦平面模块，该光学焦平面模块包括光信号发射模块和/或光信号接收模块；其中，该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动实现视场扫描，该光信号发射模块的光电器件和/或该光信号接收模块的光电器件位于该光学镜组的焦平面所在平面内。本发明提供了一种实现视场扫描的方式。省去独立的扫描机构件，仅利用光学模组中已有部件实现视场扫描。降低成本，压缩尺寸。同时，便于提升分辨率，提升扫描探测的效率。

Description

一种基于视场扫描的光学模组及激光雷达

技术领域

本发明涉及信号扫描以及探测，特别是涉及一种基于视场扫描的光学模组及激光雷达。

背景技术

激光雷达作为主动扫描式传感器，其扫描方式是其核心逻辑。其扫描方式与激光雷达的性能天花板有着直接的关系，对于测量精度、测距、分辨率、体积、结构复杂度有着重要的影响。对于是否适用于高等级的自动驾驶，也有着关键作用。

故而，扫描方式上的研究与创新，将促进激光雷达这一产品的功能拓展，使得为汽车防撞自适应巡航控制***、高级驾驶辅助***等无人驾驶***必备智能***提供关键技术支撑。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种实现视场扫描的方式。

更进一步的，利用光学模组中已有部件实现视场扫描，省去独立的扫描机构件。

更进一步的，降低成本，压缩尺寸。

本发明公开了一种基于视场扫描的光学模组，该光学模组包括：

光学镜组；

光学焦平面模块，该光学焦平面模块包括光信号发射模块和/或光信号接收模块；

其中，该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动实现视场扫描，该光信号发射模块的光电器件和/或该光信号接收模块的光电器件位于该光学镜组的焦平面所在平面内。

所述的光学模组仅该光学镜组运动，仅该光学焦平面模块运动，或该光学镜组以及该光学焦平面模块都运动。

所述的光学模组仅该光信号发射模块运动，或者，仅该光信号接收模块运动，或者该光信号发射模块以及该光信号接收模块都运动。

该光学镜组包括发射镜组以及接收镜组；

仅该发射镜组运动，或者，仅该接收镜组运动，或者该发射镜组以及该接收镜组都运动。

该发射镜组以及该接收镜组共用部分或全部光学组件实现。

该光学镜组与该光学焦平面模块以同光路方式排布。

该光学镜组与该光学焦平面模块周期性相对运动。

该光信号发射模块包括一个或多个发射单元，该多个发射单元以线阵或面阵方式排列；

该光信号接收模块包括一个或多个接收单元。

该光学镜组相对该光学焦平面模块在第一方向、第二方向或者第一方向以及第二方向上相对运动。

本发明还公开了一种应用所述的光学模组的激光雷达。

该激光雷达包括驱动机构，用于驱动该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动；和/或，

该激光雷达外部的外部驱动源驱动该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动。

所述的激光雷达还包括弹性连接件，连接于该光学镜组、光信号发射模块和/或光信号接收模块。

本发明的光学模组提供了一种实现视场扫描的方式。省去独立的扫描机构件，仅利用光学模组中已有部件实现视场扫描。降低成本，压缩尺寸。同时，便于提升分辨率，提升扫描探测的效率。

附图说明

图1、2所示为本发明的基于视场扫描的光学模组。

图3A-3H所示为本发明的光学模组的视场扫描光路图。

图4A-4H所示为本发明的光学模组的视场扫描光路图。

图5A-5B所示为本发明的发射单元排列方式示意图。

图6所示为本发明的光学模组的结构示意图。

图7所示为本发明的激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

为了利用光学模组中已有部件实现视场扫描，省去独立的扫描机构件，降低成本，压缩尺寸，本发明提供了一种全新的视场扫描实现方式。

如图1所示为本发明的基于视场扫描的光学模组。

该基于视场扫描的光学模组1具有光学镜组10以及光学焦平面模块20。光学镜组10对应该光学焦平面模块20设置。该光学焦平面模块20包括发射模块和/或接收模块。

该光学镜组10与该光学焦平面模块20相对运动以实现视场扫描，特别是，该光学焦平面模块20的光电器件位于该光学镜组10的焦平面所在平面内。且无论如何相对运动，该光学焦平面模块20的光电器件均位于该光学镜组10的焦平面所在平面内。

该相对运动可以是持续性的，规律性的，或周期性的，该相对运动方式也可以根据特定算法来控制。

如图2所示，该光学镜组10包括发射镜组11和/或接收镜组12，该光学焦平面模块20包括发射模块21和/或接收模块22。该发射模块21为光信号发射模块，该接收模块22为光信号接收模块。该光信号发射模块的光电器件和/或该光信号接收模块的光电器件位于该光学镜组的焦平面所在平面内。

其中，该发射镜组11与该发射模块21对应且同时设置，该接收镜组12与该接收模块22对应且同时设置。也就是说，当设置有发射模块21时，则对应设置该发射镜组11，如未设置该发射模块21，仅设置该接收模块22，则仅设置该接收镜组12。

该发射镜组11、接收镜组12、发射模块21、接收模块22可以受到驱动发生相对运动，例如在Z方向上运动。

在第一实施例中,第一种情况，发射模块21保持静止，该发射镜组11受到驱动在Z方向运动。以Z方向上依次排列B、A、C三个位置为例，以发射模块21具有发射单元210进行说明。如图3A-3D所示为本发明的光学模组的视场扫描光路图。

在图3A中，发射单元210位于发射镜组11焦平面上(位置A)，发射单元210所发射的光信号通过发射镜组11形成平行的出射光。当发射镜组11向上运动到位置B(图3B)，出射光随之向上移动，当发射镜组11向下运动到位置C(图3C)，出射光随之向下移动。

如图3D所示为当发射镜组11在B、C位置之间的循环往复运动，出射光随之在B’、A’、C’三个区域实现来回运动，实现视场扫描。此时可以不设置任何与接收相关的部件，这一光学模组可以应用在用于实现视场扫描，乃至主动式扫描的场合。其中，区分B’、A’、C’三个区域仅为了清楚的示例，实质上可以实现连续扫描，即，B’、C’及其之间的区域均可被扫描。发射镜组11在B、C位置之间的循环往复运动可实现连续往复的扫描。

在第一实施例中,第二种情况，发射镜组11保持静止，该发射模块21被驱动在Z方向运动。以Z方向上依次排列B1、A1、C1三个位置为例，以发射模块21具有发射单元210进行说明，发射单元210例如为一个激光器。如图3E-3G所示为本发明的光学模组的视场扫描光路图。

在图3E中，发射单元210位于发射镜组11焦平面上(位置A1)，发射单元210所发射的光信号通过发射镜组11形成平行的出射光。当发射单元210向下运动到位置C1(图3F)，出射光随之向上移动，当发射单元210向上运动到位置B1(图3G)，出射光随之向下移动。

如图3H所示为当发射单元210在B1、C1位置之间的循环往复运动，出射光随之在B1’、C1’区域之间实现来回运动，实现往复视场扫描。此时可以不设置任何与接收相关的部件。

在第一实施例中,第三种情况，发射镜组11或发射模块21运动，而接收镜组12和接收模块22静止。接收镜组12和接收模块22用于接收该发射模块21所发出信号的反馈信号。接收模块22具有接收单元。接收模块22针对一个该发射单元210对应设置有一个或多个接收单元的方式，保证对该扫描信号实现探测接收。对于图3D、3G所示实施例，接收模块22可在对应位置预设有三个接收单元，以保证该视场扫描的三个扫描区域的反馈信号分别被接收。该三个接收单元也可由一个较大接收面积的接收单元所代替。

在第二实施例中,第一种情况，与图3A-3D实施例同理但光路反向，接收模块22保持静止，该接收镜组12在Z方向运动,例如接收镜组12在E、D、F位置之间运动，接收模块22具有接收单元220，则接收单元220可以接收来自E’、D’、F’三个区域的入射光，如图4A-4D所示。接收单元220例如为光电探测器(APD)或图像传感器。当接收镜组12在E、D、F位置之间循环往复运动，接收单元220可以对来自E’、F’及其之间的区域的信号实现视场扫描。此时可以不设置任何与发射相关的部件。

在第二实施例中,第二种情况，与图3E-3H实施例同理但光路反向，接收镜组12保持静止，驱动该接收单元220在Z方向运动,例如驱动接收单元220在E1、D1、F1位置之间运动，则接收单元220可以接收来自E1’、D1’、F1’三个区域的入射光，如图4E-4H所示。当接收单元220在E1、D1、F1位置之间循环往复运动，接收单元220可以对来自E1’、F1’及其之间的区域的信号实现视场扫描。此时可以不设置任何与发射相关的部件。

在第二实施例中,第三种情况，接收镜组12或接收模块22运动，而发射镜组11和发射模块21静止。此时，以发射模块21具有多个发射单元210为例，例如具有三个发射单元210，则对应产生三组扫描区域，而接收模块22可设置有一个接收单元220，通过接收镜组12或接收单元220运动，对来自该三个扫描区域的信号实现视场扫描。

在第三实施例中,第一种情况，发射镜组11和接收镜组12同步运动，发射模块21和接收模块22保持静止。配合参考图3A-3D、4A-4D。此时，A’区域与D’区域重合，B’区域与E’区域重合，C’区域与F’区域重合，通过发射模块21进行扫描得到的环境信号被接收模块22接收，完成探测过程。此时，发射单元210和接收单元220的数量可以相等。此时，发射镜组11和接收镜组12可以通过共用部分或全部光学组件实现。

对于共用同一光学组件实现的情况，还可以借助同光路的排布方式。即，如图6所示，在光学镜组10与发射单元210之间设置有具有通孔41的反射镜40，该发射单元210发出的光信号从该通孔41中穿过，通过光学镜组10射出，而入射光通过光学镜组10后，被反射镜40反射，进而被设置在该反射镜40一侧的接收模块22所接收。上述方式使得发射与接收利用同一光学组件实现，减省了镜组设置数量，丰富了光学镜组10与光学焦平面模块20的排布方式，压缩了***体积以及成本。

另外，对于共用部分光学组件的情况，由于发射镜组以及接收镜组仅仅是功能划分，完全可以采用同样的镜组实现，故而，可应用各种镜组搭配方式以节约组件配置，压缩尺寸。例如通过调整镜组的设置位置与形状，使得发射镜组的一部分，也可以用于接收光路，实现镜组的共用。

在第三实施例中,第二种情况，发射模块21和接收模块22同步运动，发射镜组11和接收镜组12保持静止。配合参考图3E-3H、4E-4H。此时，A1’区域与D1’区域重合，B1’区域与E1’区域重合，C1’区域与F1’区域重合，通过发射模块21进行扫描得到的环境信号被接收模块22接收，完成探测过程。此时，发射单元210和接收单元220的数量可以相等。此时，发射镜组11和接收镜组12可以利用同一块光学组件实现。

在第三实施例中,第三种情况，发射模块21和接收镜组12运动，接收模块22和发射镜组11静止。配合参考图3E-3H、4A-4D。具体来说，发射模块21和接收镜组12相对其各自的初始位置反向运动，也可视为反向同频运动。即，发射单元210位于位置A1时，接收镜组12位于位置D，发射单元210位于位置B1时，接收镜组12位于位置F，发射单元210位于位置C1时，接收镜组12位于位置E。发射单元210向下运动时，接收镜组12向上运动，发射单元210向上运动时，接收镜组12向下运动。此时，A1’区域与D’区域重合，B1’区域与F’区域重合，C1’区域与E’区域重合，通过发射模块21进行主动扫描得到的环境信号被接收模块22接收，完成视场扫描。此时，发射单元210和接收单元220的数量可以相等。

在第三实施例中,第四种情况，接收模块22和发射镜组11运动，发射模块21和接收镜组12静止。配合参考图3A-3D、4E-4H。具体来说，接收模块22和发射镜组11相对其各自的初始位置反向运动，也可视为反向同频运动。即，接收单元220位于位置D1时，发射镜组11位于位置A，接收单元220位于位置E1时，发射镜组11位于位置C，接收单元220位于位置F1时，发射镜组11位于位置B。接收单元220向下运动时，发射镜组11向上运动，接收单元220向上运动时，发射镜组11向下运动。此时，A’区域与D1’区域重合，B’区域与F1’区域重合，C’区域与E1’区域重合，通过发射模块21进行扫描得到的环境信号被接收模块22接收，完成视场扫描。此时，发射单元210和接收单元220的数量可以相等。

上述实施例均以各部件在Z方向上发生运动为例，事实上，上述实施例的运动也可以在Y方向上进行。只要在Z方向以及Y方向组成的平面内，可以根据扫描视场的需要，设计该运动的轨迹方案。例如，该运动可沿Z方向振荡同时沿Y方向移动。Y方向、Z方向组成的平面为该光学镜组的焦平面所在平面。

为了进一步的提升扫描的分辨率，可提升发射单元210的数量，例如以一维线阵方式沿Z方向排布，进而增大扫描视场，且不同发射单元210的扫描视场部分交叠可以降低远距离扫描过程中未被扫到的盲区，还可对视场中同一点多次产生探测数据，提升扫描探测精度，如图5A所示。多个发射单元210还可以二维阵列方式在ZY方向组成的平面内排列，优化的方案为在Y方向上彼此错开，如图5B所示，此时在Z方向上的扫描视场得到了扩展。相应的提升接收单元220的数量。

上述光学模组1可以应用于激光雷达中。该激光雷达包括驱动机构，例如驱动电机或其他驱动方式，用于驱动该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动。

该光学镜组10可设置于导轨上，该驱动电机驱动该光学镜组10，通过移动计数装置记录该光学镜组10的移动距离。该移动计数装置例如为码盘。

该光学焦平面模块20亦可设置于导轨上，该驱动电机驱动该光学焦平面模块20，通过移动计数装置记录该光学焦平面模块20的移动距离。

该驱动电机也可替换为来自激光雷达外部的外部驱动源60。该外部驱动源60与该驱动机构可以同时存在。

此时，该光学镜组、光信号发射模块和/或光信号接收模块可通过弹性连接件连接至该激光雷达2的外壳。如图7所示，为对应前述第三实施例的设置结构。

该弹性连接件可为弹簧、弹片等，可将光学镜组和/或光学焦平面模块悬垂或固接至激光雷达的外壳或激光雷达的固定结构。临近该弹性连接件还设置有相对运动评估单元51，例如码盘等，以识别当前实现的振荡位置。

该外部驱动源60可以是驱动马达，也可是通过将激光雷达设置至车体或飞行器，由车体或飞行器的震动提供的动力作为该外部驱动源。由于部分部件通过弹性连接件连接至外壳，部分部件直接连接至外壳，则弹性连接件接收到该外部驱动源所提供的动力将产生振荡，而直接连接至外壳的部件将保持静止。

本发明的光学模组提供了一种实现视场扫描的方式。省去独立的扫描机构件，仅利用光学模组中已有部件实现视场扫描。降低成本，压缩尺寸。同时，便于提升分辨率，提升扫描探测的效率。

上述实施例仅为实现本发明的示例性描述，而不用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可据以做出各种明显变形以及等同替换的技术方案，皆涵盖于本发明的公开范围内，本发明保护范围请参阅后附权利要求书记载为准。

Claims (12)

1.一种基于视场扫描的光学模组，其特征在于，该光学模组包括：

光学镜组；

光学焦平面模块，该光学焦平面模块包括光信号发射模块和/或光信号接收模块；

其中，该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动实现视场扫描，该光信号发射模块的光电器件和/或该光信号接收模块的光电器件位于该光学镜组的焦平面所在平面内。

2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，仅该光学镜组运动，仅该光学焦平面模块运动，或该光学镜组以及该光学焦平面模块都运动。

3.如权利要求2所述的光学模组，其特征在于，仅该光信号发射模块运动，或者，仅该光信号接收模块运动，或者该光信号发射模块以及该光信号接收模块都运动。

4.如权利要求1或2或3所述的光学模组，其特征在于，该光学镜组包括发射镜组以及接收镜组；

仅该发射镜组运动，或者，仅该接收镜组运动，或者该发射镜组以及该接收镜组都运动。

5.如权利要求4所述的光学模组，其特征在于，该发射镜组以及该接收镜组共用部分或全部光学组件实现。

6.如权利要求5所述的光学模组，其特征在于，该光学镜组与该光学焦平面模块以同光路方式排布。

7.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，该光学镜组与该光学焦平面模块周期性相对运动。

8.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，该光信号发射模块包括一个或多个发射单元，该多个发射单元以线阵或面阵方式排列；

该光信号接收模块包括一个或多个接收单元。

9.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，该光学镜组相对该光学焦平面模块在第一方向、第二方向或者第一方向以及第二方向上相对运动。

10.一种应用如权利要求1-9中任一所述的光学模组的激光雷达。

11.如权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，该激光雷达包括驱动机构，用于驱动该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动；和/或，

该激光雷达外部的外部驱动源驱动该光学镜组与该光学焦平面模块相对运动。

12.如权利要求10或11所述的激光雷达，其特征在于，还包括弹性连接件，连接于该光学镜组、光信号发射模块和/或光信号接收模块。

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