CN115728742A - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光雷达技术领域，提供了一种激光雷达，包括依次设置的收发模组、振镜和双远心透镜组，双远心透镜组包括间隔设置的正透镜和负透镜；正透镜靠近收发模组设置，用于会聚光束，以减小光束直径；负透镜用于发散光束，以增大光束发射角度；收发模组用于发出探测激光束，探测激光束能够依次经振镜、正透镜和负透镜射向探测区域，再经探测区域内的物体反射形成反射激光束；且反射激光束能够依次经负透镜、正透镜、振镜进入收发模组内。本发明提供的激光雷达，缩小了探测激光束的直径，并增加了探测激光束的光束发射角度，形成了更大的扫描视场角，同时兼顾了MEMS激光雷达的其他需求。

Description

激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

目前MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)激光雷达有大视场角的需求，但MEMS振镜本身依靠快慢轴两个悬臂带动振镜转动，不能摆动太大的角度，所以MEMS激光雷达要增大视场只能通过增加模组来实现，这需要多视场拼接，会增加***成本、装调难度，并导致激光雷达体积较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光雷达，旨在解决现有技术中激光雷达不能同时满足大视场角、低成本、易装调及小体积等需求的技术问题。

本发明是这样实现的，一种激光雷达，包括依次设置的收发模组、反射镜、振镜和双远心透镜组，所述双远心透镜组包括间隔设置的正透镜和负透镜；所述正透镜靠近所述收发模组设置，用于会聚光束，以减小光束直径；所述负透镜用于发散光束，以增大光束发射角度；

所述收发模组用于发出探测激光束，所述探测激光束能够依次经所述振镜、所述正透镜和所述负透镜射向探测区域，再经探测区域内的物体反射形成反射激光束；且所述反射激光束能够依次经所述负透镜、所述正透镜和所述振镜进入所述收发模组内。

在一个可选实施例中，所述激光雷达还包括位于所述双远心透镜组出光侧或者所述振镜和所述双远心透镜组之间的平场透镜，所述平场透镜用于校正视场畸变。

在一个可选实施例中，所述双远心透镜组还包括镜筒，所述负透镜和所述正透镜均固定安装于所述镜筒内。

在一个可选实施例中，所述平场透镜嵌装于所述镜筒的出光口。

在一个可选实施例中，所述激光雷达还包括底座，所述收发模组、所述振镜和所述双远心透镜组均固定安装于所述底座上。

在一个可选实施例中，所述激光雷达还包括外壳，所述外壳独自或与所述底座组合围成用于容纳所述收发模组、所述振镜和所述双远心透镜组的容纳腔，所述外壳上开设有窗口，所述平场透镜嵌装于所述窗口内。即平场透镜作为窗口片使用。

在一个可选实施例中，所述激光雷达还包括位于所述收发模组和所述振镜之间的反射镜，所述反射镜的光轴对准所述振镜的中心。

在一个可选实施例中，所述负透镜和所述正透镜的光轴分别对准所述振镜的中心。

在一个可选实施例中，所述振镜为二维MEMS振镜；

所述负透镜为平凹透镜，且所述平凹透镜的平面位于背离所述正透镜的一侧。

在一个可选实施例中，所述收发模组包括发射模组、准直模组和接收模组；

其中，所述发射模组用于发射探测激光束；所述准直模组用于将探测激光束准直成平行激光束并射向所述振镜；所述接收模组用于接收反射激光束。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的激光雷达，依次设置了收发模组、振镜和双远心透镜组，形成发射和接收同轴的光路，收发模组发出的探测激光束依次经振镜和双远心透镜组照射至探测区域内的物体上，再经上述物体反射经双远心透镜组、振镜回到收发模组内。其中，双远心透镜组中的正透镜可以起到会聚光束的作用，以缩小探测激光束的直径，负透镜则可以提高探测激光束的光束发散程度，与正透镜相配合即可使得激光雷达形成清晰且更大的扫描视场角。

另外，本发明实施例提供的激光雷达，结构简单，成本低廉，体积小，且便于装配和调试，兼顾了目前MEMS激光雷达的各种需求，但本发明实施例提供的激光雷达不局限于MEMS激光雷达，还适于其他型号的激光雷达。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的激光雷达的光路示意图，图中实线箭头表示入射光路，虚线箭头表示反射光路；

图2为本发明另一实施例提供的激光雷达的光路示意图，图中实线箭头表示入射光路，虚线箭头表示反射光路；

图3是本发明一实施例提供的激光雷达的使用状态光束分布示意图，图中未示出收发模组；

图4是本发明另一实施例提供的激光雷达的使用状态光束分布示意图，图中未示出收发模组；

图5是图3所示激光雷达对应的扫描区域示意图；

图6是图4所示激光雷达对应的扫描区域示意图；

图7是本发明又一实施例提供的激光雷达的使用状态光束分布示意图，图中未示出收发模组；

图8是本发明一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图9是本发明一实施例所采用的双远心透镜组的内部结构示意图；

图10是本发明另一实施例所采用的双远心透镜组的内部结构示意图；

图11是本发明另一实施例提供的激光雷达的内部结构示意图。

附图标记说明：

100、收发模组；110、发射模组；120、准直模组；130、接收模组；140、分束模组；200、反射镜；300、振镜；400、双远心透镜组；410、正透镜；420、负透镜；430、镜筒；431、第一端；432、第二端；440、垫圈；450、压圈；500、探测区域内的物体；600、平场透镜；700、底座；800、外壳。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参照图1至图3所示，在本发明实施例中，提供一种激光雷达，包括依次设置的收发模组100、振镜300和双远心透镜组400。

其中，收发模组100用于发射探测激光束，并接收反射激光束。具体的，收发模组100至少包括用于发射探测激光束的发射模组110，以及用于接收反射激光束的接收模组130，且上述发射模组110的光路和接收模组130的光路设置可为同轴设置。可选地，发射模组110包括至少一个激光源。当发射模组110包括多个激光源时，多个激光源呈一维或二维排列，且在实际应用中，上述激光源可以选用连续发光光源，例如发光二极管LED，也可以选用脉冲式发光光源，例如，激光二极管LD，对此本实施例不做具体限定。可选地，接收模组130用于接收振镜300反射回来的反射激光束，并对接收的反射激光束进行处理，进而获取对探测区域内的物体500的信息；接收模组130包括接收器，可用于接收反射激光束，并将反射激光束转化为电信号。其中，接收器可以为一个，也可以为多个，多个接收器排列成阵列；接收器可以为光电二极管、雪崩二极管APD、硅光电倍增管SiPM等中的一种或多种组合。

振镜300可以为一维MEMS、二维MEMS或其组合，用于改变探测激光束的方向，使探测激光束射向双远心透镜组400，还用于改变反射激光束的方向，使反射激光束射向收发模组100。

双远心透镜组400包括间隔设置的正透镜410和负透镜420。正透镜410用于会聚光束，以减小光束直径。负透镜420用于发散光束，以增大光束发射角度。具体的，双远心透镜组400中的正透镜410和负透镜420可均设置一个，也可设置多个，且正透镜410和负透镜420的型号可根据使用需要选择，这里不做唯一限定。其中，正透镜410靠近收发模组100设置，负透镜420靠近振镜300设置，即负透镜420位于正透镜410和振镜300之间。

本发明实施例提供的激光雷达的使用原理如下：

入射光路：收发模组100发出探测激光束，该探测激光束先经振镜300反射到达双远心透镜组400，之后依次经双远心透镜组400中的正透镜410会聚和负透镜420发散射至探测区域，最终被探测区域内物体反射形成反射激光束。

反射光路：上述反射激光束先依次经双远心透镜组400中的负透镜420会聚和正透镜410发散射至振镜300上，再经振镜300反射回收发模组100，收发模组100接收该反射激光束，并对其进行分析获取探测区域内物体信息。

本发明实施例提供的激光雷达，依次设置了收发模组100、振镜300和双远心透镜组400，形成发射和接收同轴的光路，收发模组100发出的探测激光束依次经振镜300和双远心透镜组400照射至探测区域内的物体500上，再经上述物体反射经双远心透镜组400、振镜300回到收发模组100内。其中，双远心透镜组400中的正透镜410可以起到会聚光束的作用，以缩小探测激光束的直径，负透镜420则可以提高探测激光束的光束发散程度，与正透镜410相配合即可使得激光雷达形成清晰且更大的扫描视场角。

另外，本发明实施例提供的激光雷达，结构简单，成本低廉，体积小，且便于装配和调试，兼顾了目前MEMS激光雷达的各种需求，但本发明实施例提供的激光雷达不局限于MEMS激光雷达，还适于其他型号的激光雷达。

由于场曲的存在，上述激光雷达的扫描视场角对应的角度域的扫描范围畸变会非常严重。为解决这一问题，如图4所示，在一个可选的实施例中，激光雷达还包括位于双远心透镜组400出光侧或者振镜300和双远心透镜组400之间的平场透镜600。该平场透镜600用于校正视场畸变，以使激光雷达得到小畸变的扫描视场。

为说明这一效果，现举例说明，在一个具体的实施例中，收发模组100发出的探测激光束的光束直径为5mm，振镜300在水平和垂直方向的机械扫描角度是±5°，则经过振镜300后，探测激光束的扫描区域为20×20°；之后探测激光束经过双远心透镜组400中的正透镜410和负透镜420后光束的发射角度增大。通过设计合适的双远心透镜组400结构，使得上述扫描区域增大至80×80°，视场角增至原来的4倍，同时角分辨率也会降低至原来的1/4。

但由于镜头场曲，扫描角度越大，最终出射角度畸变会越严重。当振镜300扫描到水平或垂直5°位置时，水平和垂直中心视场扫描范围满足80×80°需求，即最大出射角度是40°。但当振镜300扫描角水平和垂直都为5°时，边缘光线角度达到52°，即边缘扫描区域达114°，如图5所示。这样雷达的点云会畸变很严重，畸变达28％以上。

此时若在激光雷达中增加上述平场透镜600，可以有效减小最终雷达扫描区域的畸变，可将整个视场的畸变校正为＜5％，如图6所示。并且可以调整平场透镜600的设计，使得最终视场为标准的45×45°矩形视场。

请参照图7所示，在一个可选的实施例中，激光雷达还包括位于收发模组100和振镜300之间的反射镜200。反射镜200用于将收发模组100发出的探测激光束反射至振镜300，或者将振镜300反射的反射激光束反射至收发模组100。反射镜200的设置使得光路方向可根据需要调整，从而使得收发模组100的光轴和振镜300的中心可不在同一直线上，从而使得激光雷达内各部件更加紧凑，有助于减小激光雷达的体积。

由于振镜300会发生偏转，为保证入射光路中探测激光束始终能够别反射镜200反射至振镜300上，在一个可选的实施例中，反射镜200的光轴对准振镜300的中心。

同理，由于振镜300会发生偏转，为保证反射光路中的反射激光束能够经正透镜410或负透镜420射至振镜300上，在另一个可选的实施例中，负透镜420和正透镜410的光轴分别对准振镜300的中心。

上述振镜300为二维MEMS振镜。该振镜300能够在水平方向和垂直方向以一定的机械角旋转扫描。收发模组100发出的探测激光束经过二维MEMS振镜后以线扫描的方式扫描，扫描视场的水平角度和垂直角度由二维MEMS振镜的扫描机械角决定，视场位置由收发模组100发出的探测激光束的出射位置决定。

在一个可选的实施例中，如图1所示，上述收发模组100包括发射模组110、准直模组120和接收模组130。其中，发射模组110用于发射探测激光束。准直模组120用于将探测激光束准直成平行激光束并射向振镜300。接收模组130用于接收准直模组120偏转的反射激光束。可选地，发射模组110包括激光源，可用于发射出射激光。其中，激光源可以为一个，也可以为多个，多个激光源呈一维或二维排列，且在实际应用中，上述激光源可以选用连续发光光源，例如发光二极管LED，也可以选用脉冲式发光光源，例如，激光二极管LD，对此本实施例不做具体限定。可选地，准直模组120包括至少一个准直镜，具体可根据使用需要设置，这里不做唯一限定。可选地，接收模组130用于接收分束模组140偏转的反射激光，并对接收的反射激光进行处理，进而获取对探测区域内的物体500的信息；接收模组130包括接收器，可用于接收反射激光，并将反射激光转化为电信号。其中，接收器可以为一个，也可以为多个，多个接收器排列成阵列；接收器可以为光电二极管、雪崩二极管APD、硅光电倍增管SiPM等中的一种或多种组合。

在另一个可选的实施例中，如图2所示，上述收发模组100包括发射模组110、分束模组140和接收模组130。发射模组110用于发射探测激光束。分束模组140用于穿过探测激光束并射向振镜300，还用于将接收到的反射激光束偏转至接收模组130。接收模组130用于接收分束模组140偏转的反射激光。本实施例中的发射模组110、接收模组130结构可与上一实施例中发射模组110和接收模组130结构相同，如上文，这里不做赘述。上述分束模组140包括分束组件，分束组件可以为带孔反射镜200、偏振分光棱镜PBS、偏振分光片等中的一种或多种组合，本申请不做具体限定。

在一个具体的实施例中，如图8及图9所示，双远心透镜组400还包括镜筒430，负透镜420和正透镜410分别固定安装于镜筒430内。具体的，正透镜410和负透镜420可分别通过插接、胶接、卡接等方式固定安装于镜筒430内。如此，双远心透镜组400形成了一个整体，便于移动。

更为具体的，正透镜410位于镜筒430的第一端431，负透镜420位于镜筒430的第二端432，第一端431为探测激光束的入射端，第二端432为探测激光束的出射端。如此设置，可使得探测激光束先会聚再发射，从而使得镜筒430的体积较小，减小其占地面积。在一个可选的实施例中，如图10所示，平场透镜600嵌装于镜筒430的出光口。具体的，平场透镜600可通过插接、胶接、卡接等方式固定于镜筒430的出光口，以与双远心透镜组400组合成一个整体，进而便于后续激光雷达的组装或移动。

在一个可选的实施例中，如图9及图10所示，镜筒430内两两相邻的透镜之间设有垫圈440，以实现相邻两个透镜的间隔设置，避免相邻两个透镜之间发生碰撞，影响使用效果。

更为具体的，如图9及图10所示，在镜筒430的端部设有压圈450，上述压圈450用于与相应垫圈440相配合以将位于外端的透镜压紧限位于镜筒430的端部。

在一个具体的实施例中，如图8所示，激光雷达还包括底座700，收发模组100、振镜300和双远心透镜组400均固定安装于底座700上。具体的，收发模组100、振镜300和双远心透镜组400可分别通过插接、胶接等方式固定安装于底座700上。且当激光雷达包括反射镜200时，反射镜200固定安装于底座700上。如此，激光雷达形成了一个整体器件，便于移动。

如图11所示，在另一可选的实施例中，激光雷达还包括外壳800，外壳800独自或与底座700组合围成用于容纳收发模组100、振镜300和双远心透镜组400的容纳腔。具体的，外壳800可罩设于底座700上，如图11所示，以将收发模组100、振镜300和双远心透镜组400包覆其中；也可外壳800和底座700单独设置，此时底座700也可放置在外壳800内。外壳800上开设有窗口，平场透镜600嵌装于窗口内，即平场透镜600作为窗口片使用。采用这一形式，可将平场透镜600与镜筒430分开设置，便于两者分别组装、维修。

在一个具体的实施例中，如图9及图10所示，负透镜420为平凹透镜，且平凹透镜的平面位于背离正透镜410的一侧。如此，负透镜420的平面位于镜筒430的外端，便于组装及维护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.激光雷达，其特征在于，包括依次设置的收发模组、振镜和双远心透镜组，所述双远心透镜组包括间隔设置的正透镜和负透镜；所述正透镜靠近所述收发模组设置，用于会聚光束，以减小光束直径；所述负透镜用于发散光束，以增大光束发射角度；

所述收发模组用于发出探测激光束，所述探测激光束能够依次经所述振镜、所述正透镜和所述负透镜射向探测区域，再经探测区域内的物体反射形成反射激光束；且所述反射激光束能够依次经所述负透镜、所述正透镜和所述振镜进入所述收发模组内。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括位于所述双远心透镜组出光侧或者所述振镜和所述双远心透镜组之间的平场透镜，所述平场透镜用于校正视场畸变。

3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述双远心透镜组还包括镜筒，所述负透镜和所述正透镜均固定安装于所述镜筒内。

4.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述平场透镜嵌装于所述镜筒的出光口。

5.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括底座，所述收发模组、所述振镜和所述双远心透镜组均固定安装于所述底座上。

6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括外壳，所述外壳独自或与所述底座组合围成用于容纳所述收发模组、所述振镜和所述双远心透镜组的容纳腔，所述外壳上开设有窗口，所述平场透镜嵌装于所述窗口内。

7.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括位于所述收发模组和所述振镜之间的反射镜，所述反射镜的光轴对准所述振镜的中心。

8.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述负透镜和所述正透镜的光轴分别对准所述振镜的中心。

9.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述振镜为二维MEMS振镜；

所述负透镜为平凹透镜，且所述平凹透镜的平面位于背离所述正透镜的一侧。

10.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述收发模组包括发射模组、准直模组和接收模组；

其中，所述发射模组用于发射探测激光束；所述准直模组用于将探测激光束准直成平行激光束并射向所述振镜；所述接收模组用于接收反射激光束。

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