CN219085147U - 一种激光雷达*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学***技术领域，提供了一种激光雷达***，其中，沿第一光路依次布置的阵列光源模块、发射***和偏振分光棱镜，所述发射***包括安装基体、沿所述第一光路依次布置的1/4λ波片和偏振片，所述安装基体的轴线沿所述第一光路延伸，所述偏振片和1/4λ波片安装于所述安装基体，且各自至少在所述激光雷达***的调试状态下能够绕所述轴线转动，本激光雷达***解决了发射***造成的内部杂散光及降低了窗口片和内部结构的剩余反射率引起的杂散光能量，能够有效的抑制激光雷达***中杂散光的串扰影响，提高激光雷达***的测距能力，还减少了拖点现象的发生。

Description

一种激光雷达***

技术领域

本申请涉及光学***技术领域，更具体地说，涉及一种激光雷达***。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。激光雷达主要由主动光源、光束整形***、接收镜头、感光元件、信号控制和数据处理单元构成。

近年来，随着自动驾驶领域的逐渐兴起，采用激光雷达辅助实现自动驾驶的技术路线越来越受各大企业的青睐，因此车载激光雷达的需求量迅速猛增，同时对激光雷达的性能要求也越来越高，这也带动着车载激光雷达将进一步朝着高分辨率、高精度、长探测距离、小型化、低功耗的方向发展。

现有的激光雷达产品光源大多数采用阵列激光器的方式，达到激光线束的要求。由于半导体激光器的准直***的性能与激光雷达的性能紧密相连，对于多线雷达，半导体阵列激光器由于体积问题，如果将激光器的入射光直接进入发射***进行准直，会造成发射***体积增大，进一步增大雷达体积，因此在远场的目标识别中，为了更高的能量使用率和传输效率，激光器光束须被准直，其远场分布须整形为圆形。

由于半导体激光器特殊的结构，其光束表现为一束具有初始像散、快轴方向和慢轴方向发散角不同，且在远场分布为一个椭圆形光斑的激光束，因此为了得到良好的光学质量，须经过快慢轴准直和光学整形，才可以高效的耦合到光纤中。

同轴光学***最常见的问题就是内部杂散光干扰较为严重，由于同轴的发射***和接收***处在同一个光轴平面内，阵列光源准直后，出射光斑在内部结构的剩余反射率作用下，会通过某个途径进入到接收***内部，一般杂散光来源途径有三方面：1、发射镜筒本身的反射率作用下产生的杂散光；2、窗口片的剩余反射率及二次反射造成的杂散光；3、内部其他结构件反射的光通过挖孔反射镜反射进入接收***产生杂散光，从而形成杂散光串扰，在目标识别过程中就会出现噪点，影响雷达应用性能。

总之，现有技术中的大部分的激光雷达普遍体积偏大，为此需要采取同轴光路***的技术路线，来达到减小雷达体积和重量的问题，但同轴光路中杂散光形成的噪点对目标识别会造成严重的影响，另外由于激光器本身的发光特性，远场光斑会出现拖点现象，容易造成分辨率降低，而目前由准直***造成的拖点现象需要依靠电路或者算法进行处理，影响了车载激光雷达的实际应用。

实用新型内容

本实用新型主要目的是提供一种激光雷达***，旨在解决现有技术中针对激光雷达中受杂散光影响大的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种激光雷达***，其中，包括：

沿第一光路依次布置的阵列光源模块、发射***和偏振分光棱镜，所述发射***包括安装基体、沿所述第一光路依次布置的1/4λ波片和偏振片，所述安装基体的轴线沿所述第一光路延伸，所述偏振片和1/4λ波片安装于所述安装基体，且各自至少在所述激光雷达***的调试状态下能够绕所述轴线转动。

进一步地，所述安装基体为发射镜筒，所述发射镜筒沿所述轴线的两端分别具有入光口和出光口，所述入光口朝向所述阵列光源模块，所述出光口朝向所述偏振分光棱镜，所述偏振片和1/4λ波片均安装于所述发射镜筒的内部。

进一步地，所述发射***还包括绕所述轴线可转动地安装于所述发射镜筒的内部的第一旋转安装件和第二旋转安装件，所述第一旋转安装件具有沿所述轴线贯通的第一安装通孔，所述1/4λ波片设置在所述第一安装通孔中，所述第二旋转安装件具有沿所述轴线贯通的第二安装通孔，所述偏振片设置在所述第二安装通孔中。

进一步地，所述发射镜筒的侧壁上设置有沿所述发射镜筒的圆周方向延伸的第一通槽和第二通槽，所述发射***包括设置于所述第一旋转安装件的第一拨动件和设置于所述第二旋转安装件的第二拨动件，所述第一拨动件凸出于所述第一通槽的外部，所述第二拨动件凸出于所述第二通槽的外部。

进一步地，所述激光雷达***还包括：

反射镜，所述偏振分光棱镜与所述反射镜沿第二光路依次布置；

接收***和阵列探测器，所述偏振分光棱镜、接收***和阵列探测器沿第三光路依次布置；

所述偏振分光棱镜包括依次连接的第一表面、第二表面、第三表面和第四表面，所述发射***位于所述第一表面一侧，所述反射镜位于所述第二表面一侧，所述接收***位于所述第四表面一侧。

进一步地，所述激光雷达***包括设置在所述第三表面的消光结构。

进一步地，所述消光结构为消光涂层。

进一步地，所述消光结构为多级消光结构。

进一步地，所述发射***的光轴与所述接收***的光轴彼此垂直且处于同一平面。

本申请提供的激光雷达***的有益效果在于：

由于本实用新型提供的激光雷达***中，其发射***中，偏振片和1/4λ波片各自至少在激光雷达***的调试状态下能够绕轴线转动，通过角度调试从而使得特定的线偏振态的光可以完全通过(理论上不会产生任何能量损耗)，而与其垂直的方向偏振的光则完全不能通过，1/4λ波片的引入是为了特定的线偏振态的光可以完全通过(理论上不会产生任何能量损耗)，保证发射的激光为线偏振光，同时偏振分光棱镜作用是只允许某个方向的偏振光通过，该方向的偏振光和经过偏振片的偏振光方向相同，解决了发射***造成的内部杂散光及降低了窗口片和内部结构的剩余反射率引起的杂散光能量，能够有效的抑制激光雷达***中杂散光的串扰影响，提高激光雷达***的测距能力。

进一步的方案中，所述阵列光源模块包括依次排列的多个激光器，对应各激光器设置的多个光纤束，对应的激光器和光纤束之间设置有快准镜，各光纤束的第一端朝向对应的所述快准镜，各光纤束的第二端安装在固定结构上并且朝向所述发射***，经过光纤耦合后的阵列光纤(即多个光纤束)，通过固定结构固定，可以有效的减小光纤之间的间隔，进而缩小发射光源的间隔，使发射***的体积大幅度减小。激光器经过快准镜快准后，其光斑发散角较小，激光能量比较集中，最后通过光纤将快准后的光耦合到光纤里，最终形成一定发散角和光功率的圆形光斑，在阵列光源模块中，激光器组成n个LD发光单元，在经过快轴准直之后，每个发光单元的光束耦合进一根光纤。经过光纤耦合后的光斑由于发散角相对较小，光斑形态较为规整，能量分布均匀且集中，光晕小，准直后的远场光斑圆化形态规则，像散矫正效果好，因此一定程度上提高了激光器的发射光利用效率，增大了雷达在远场的测距能力，减少了拖点现象的发生，提高了远场分辨率；同时固定结构将光纤固定有助于光纤排列紧密，降低了发射***的体积，促进雷达整机的小型化、轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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为本申请的一个实施例所提供的激光雷达***的示意简图；

图2为本申请的一个实施例所提供的激光雷达***的部分结构示意简图；

图3为本申请的一个实施例所提供的激光雷达***中的阵列光源模块的示意图；

图4为本申请的一个实施例所提供的激光雷达***中的发射***的立体图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-反射镜； 2-阵列探测器；

3-消光结构； 4-光学功率计；

100-阵列光源模块； 101-激光器；

102-光纤束； 103-快准镜；

104-固定结构； 200-发射***；

201-发射镜筒； 202-入光口；

203-出光口； 204-1/4λ波片；

205-偏振片； 206-第一旋转安装件；

207-第二旋转安装件； 208-第一通槽；

209-第二通槽； 210-第一拨动件；

211-第二拨动件； 300-偏振分光棱镜；

301-第一表面； 302-第二表面；

303-第三表面； 304-第四表面；

400-接收***； 401-光学汇聚器；

402-滤光片。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设处于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

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申请和简化描述，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申请的限制。

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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

参见图1和图2，本实用新型实施例提供一种激光雷达***，其中，包括：

沿第一光路依次布置的阵列光源模块100、发射***200和偏振分光棱镜300，发射***200包括安装基体、沿第一光路依次布置的偏振片205和1/4λ波片204，安装基体的轴线沿第一光路延伸，偏振片205和1/4λ波片204安装于安装基体，且各自至少在所述激光雷达***的调试状态下能够绕所述轴线转动，偏振片205和1/4λ波片204各自至少在激光雷达***的调试状态下能够绕轴线转动并不排除在其他所需条件下也能够转动的可能，通常出厂装机时偏振片205和1/4λ波片204是固定不可调的(可通过点胶进行固定)。

由于本实用新型提供的激光雷达***中，其发射***200中，偏振片205和1/4λ波片204各自至少在激光雷达***的调试状态下能够绕轴线转动，从而特定的线偏振态的光可以完全通过(理论上不会产生任何能量损耗)，而与其垂直的方向偏振的光则完全不能通过，1/4λ波片204的引入是为了特定的线偏振态的光可以完全通过(理论上不会产生任何能量损耗)，保证发射的激光为线偏振光，同时偏振分光棱镜300作用是只允许某个方向的偏振光通过，该方向的偏振光和经过偏振片205的偏振光方向相同，解决了发射***200造成的内部杂散光及降低了窗口片和内部结构的剩余反射率引起的杂散光能量，能够有效的抑制激光雷达***中杂散光的串扰影响，提高激光雷达***的测距能力。

需要说明的是，1/4λ波片204的作用是保证通过的光为线偏振光，偏振片205的作用是检测通过的线偏振光的振动方向是否发生改变，所以布局激光雷达***的结构时，应尤其注意沿第一光路，1/4λ波片204在前，偏振片205在后；光线依次通过1/4λ波片以及偏振片后，保证光的线偏振方向与激光光源一致。

参见图1和图2，此外，激光雷达***还包括：

反射镜1，偏振分光棱镜300与反射镜1沿第二光路依次布置；

接收***400和阵列探测器2，偏振分光棱镜300、接收***400和阵列探测器2沿第三光路依次布置；

偏振分光棱镜300包括依次连接的第一表面301、第二表面302、第三表面303和第四表面304，发射***200位于第一表面301一侧，反射镜1位于第二表面302一侧，接收***400位于第四表面304一侧，具体地，第一表面301、第二表面302、第三表面303和第四表面304可以依次连接成正方形，但也可以连成矩形或其他合适的形状。

参见图3，根据本实用新型的一个实施例，阵列光源模块100包括依次排列的多个激光器101，对应各激光器101设置的多个光纤束102，对应的激光器101和光纤束102之间设置有快准镜103，各光纤束102的第一端朝向对应的快准镜103，各光纤束102的第二端安装在固定结构104上并且朝向发射***200。

本实施例中，经过光纤耦合后的阵列光纤(即多个光纤束102)，通过固定结构104(具体可以是固定块、固定架等)固定，可以有效的减小光纤之间的间隔，进而缩小发射光源的间隔，使发射***200的体积大幅度减小。激光器101经过快准镜103快准后，其光斑发散角较小，激光能量比较集中，最后通过光纤将快准后的光耦合到光纤里，最终形成一定发散角和光功率的圆形光斑，在阵列光源模块100中，激光器101组成n个LD(半导体激光二极管)发光单元，在经过快轴准直之后，每个发光单元的光束耦合进一根光纤。经过光纤耦合后的光斑由于发散角相对较小，光斑形态较为规整，能量分布均匀且集中，光晕小，准直后的远场光斑圆化形态规则，像散矫正效果好，因此一定程度上提高了激光器101的发射光利用效率，增大了雷达在远场的测距能力，减少了拖点现象的发生，提高了远场分辨率；同时固定结构104将光纤固定有助于光纤排列紧密，降低了发射***200的体积，促进雷达整机的小型化、轻量化。

根据本实用新型的具体实施例，固定结构104上具有多个卡槽，多个光纤束102一一对应的固定在多个卡槽中，当然，光纤束102并不限于通过卡槽固定于固定结构104，还可以通过在固定结构104上设置安装孔或卡扣等方式固定。

参见图2和图4，根据本实用新型的一个实施例，安装基体为发射镜筒201，发射镜筒201沿轴线的两端分别具有入光口202和出光口203，入光口202朝向阵列光源模块100，出光口203朝向偏振分光棱镜300，偏振片205和1/4λ波片204均安装于发射镜筒201的内部，当然，作为其他实施例，安装基体也可以是安装架等等。

参见图2和图4，根据本实用新型的一个实施例，发射***200还包括绕其轴线可转动地安装于发射镜筒201的内部的第一旋转安装件206和第二旋转安装件207，第一旋转安装件206具有沿轴线贯通的第一安装通孔，1/4λ波片204设置在第一安装通孔中，第二旋转安装件207具有沿轴线贯通的第二安装通孔，第一旋转安装件206和第二旋转安装件207具体可以是空心圆盘的形式，发射镜筒201的内壁可以具有供空心圆盘安装和旋转的圆周向滑槽，偏振片205设置在第二安装通孔中，具体地，1/4λ波片204可以卡在第一安装通孔的孔壁上，偏振片205可以卡在第二安装通孔的孔壁上。

参见图2和图4，根据本实用新型的一个实施例，发射镜筒201的侧壁上设置有沿发射镜筒201的圆周方向延伸的第一通槽208和第二通槽209，发射***200包括设置于第一旋转安装件206的第一拨动件210和设置于第二旋转安装件207的第二拨动件211，第一拨动件210凸出于第一通槽208的外部，第二拨动件211凸出于第二通槽209的外部，第一拨动件210和第二拨动件211可以是拨杆等结构，方便使用者操作拨杆来转动第一旋转安装件206和第二旋转安装件207，进而旋转1/4λ波片204和偏振片205。

参见图2，调试激光雷达***时，可以采用设置在第二表面302的一侧和第三表面303的一侧的光学功率计4，方便获取偏振分光棱镜300产生的相关光线的功率大小，下文将详述其作用。

参见图1，根据本实用新型的一个实施例，激光雷达***包括设置在第三表面303的消光结构3，偏振分光棱镜300中向第三表面303的偏振光P1经过消光结构3的消除，避免产生内部杂散光，对探测器造成串扰影响。

具体地，消光结构3为消光涂层，例如通过黑色消光涂层材料或者任意合适的可替换消光技术，消光结构3可以采用多级消光结构。

根据本实用新型的一个实施例，发射***200的光轴与接收***400的光轴彼此垂直且处于同一平面，以形成偏振同轴光路***，基于偏振同轴光路的特性，采用这样的同轴***可以使发射***200、反射镜1、接收***400的布局更加紧凑，同时雷达高度方面相比较与平行轴***会大幅度减小。

参见图1，根据本实用新型的一个实施例，接收***400包括沿第三光路依次布置的光学汇聚器401和滤光片402。

本实用新型实施例提供的激光雷达***的具体操作原理为：

首先将发射***200调试成线偏振光，阵列光源模块100发出的光斑经过准直***后，光斑直径较小且呈圆形规则，操作拨杆来转动第一旋转安装件206和第二旋转安装件207，进而使偏振片205和1/4λ波片204做圆周运动。

旋转偏振片205时，观察功率计上的功率大小。由马勒思定律可知，将会出现两个明亮方位和两个暗方位，且暗光强为零，因此可以通过观察功率计的变化判断是否出现两次为0，两次幅值最大的情况为线偏振光，由此出射光调制成线偏振光，具体来说，从偏振片205的基准标记角度(0°)开始，明亮方位出现在90°、270°位置，暗方位出现在0°和180°位置。

根据线偏振光的传播特性，具体来说，水平方向的光束进入偏振分光棱镜300后，会转变成反射的S光和透射的P光，通过拨棒旋转调节偏振片205和1/4λ波片204的角度，将S光方向的功率调节至最大即可。

在本实施例激光雷达***形成的偏振同轴光路***中，偏振光P1经过了消光结构3进行消除，避免产生内部杂散光，对探测器造成串扰影响；偏振光S1经过反射镜1的反射作用，对雷达视场内的目标进行识别检测，同时目标反射回来的回波光束经过反射镜1进入偏振分光棱镜，此时回波光束被分成S2光、P2光。

需要补充说明的是，定义激光光源的光线为S线偏振光，根据激光偏振棱镜300的特性，S光/P光消光比为1:1000，因此发射光垂直入射偏振分光棱镜300时，S光完全通过，但实际应用中，发射光不是严格垂直入射到偏振分光棱镜300中，因此产生了P光分量(雷达近端内部杂散光的主要来源)，其回波信号中的S2光能量级很小，可忽略不计，基本上回波能量以P光的形式进入接收***400。

综上，本实用新型在激光雷达的同轴光学***中，使用光纤耦合手段后的激光出射光斑比较锐利，光晕小，能量分布较为集中，从而减少拖点现象；同时远场光斑形状呈圆形规则状，能够提高远场目标的探测分辨能力；采用激光偏振的调整手段，能够有效的抑制杂散光的串扰影响，提高测距能力，两种手段结合在结构上能够便于优化光路设计，减小准直***和接收***400的体积，从而达到激光雷达的小型化和轻量化的目的。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达***，其特征在于，包括：

沿第一光路依次布置的阵列光源模块、发射***和偏振分光棱镜，所述发射***包括安装基体、沿所述第一光路依次布置的1/4λ波片和偏振片，所述安装基体的轴线沿所述第一光路延伸，所述偏振片和1/4λ波片安装于所述安装基体，且各自至少在所述激光雷达***的调试状态下能够绕所述轴线转动。

2.根据权利要求1所述的激光雷达***，其特征在于，所述安装基体为发射镜筒，所述发射镜筒沿所述轴线的两端分别具有入光口和出光口，所述入光口朝向所述阵列光源模块，所述出光口朝向所述偏振分光棱镜，所述偏振片和1/4λ波片均安装于所述发射镜筒的内部。

3.根据权利要求2所述的激光雷达***，其特征在于，所述发射***还包括绕所述轴线可转动地安装于所述发射镜筒的内部的第一旋转安装件和第二旋转安装件，所述第一旋转安装件具有沿所述轴线贯通的第一安装通孔，所述1/4λ波片设置在所述第一安装通孔中，所述第二旋转安装件具有沿所述轴线贯通的第二安装通孔，所述偏振片设置在所述第二安装通孔中。

4.根据权利要求3所述的激光雷达***，其特征在于，所述发射镜筒的侧壁上设置有沿所述发射镜筒的圆周方向延伸的第一通槽和第二通槽，所述发射***包括设置于所述第一旋转安装件的第一拨动件和设置于所述第二旋转安装件的第二拨动件，所述第一拨动件凸出于所述第一通槽的外部，所述第二拨动件凸出于所述第二通槽的外部。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的激光雷达***，其特征在于，所述激光雷达***还包括：

反射镜，所述偏振分光棱镜与所述反射镜沿第二光路依次布置；

接收***和阵列探测器，所述偏振分光棱镜、接收***和阵列探测器沿第三光路依次布置；

所述偏振分光棱镜包括依次连接的第一表面、第二表面、第三表面和第四表面，所述发射***位于所述第一表面一侧，所述反射镜位于所述第二表面一侧，所述接收***位于所述第四表面一侧。

6.根据权利要求5所述的激光雷达***，其特征在于，所述激光雷达***包括设置在所述第三表面的消光结构。

7.根据权利要求6所述的激光雷达***，其特征在于，所述消光结构为消光涂层。

8.根据权利要求6所述的激光雷达***，其特征在于，所述消光结构为多级消光结构。

9.根据权利要求5所述的激光雷达***，其特征在于，所述发射***的光轴与所述接收***的光轴彼此垂直且处于同一平面。

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