CN108415002A - 激光雷达光学系统及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光雷达光学系统及激光雷达，涉及激光测量技术领域，该激光雷达光学系统包括发射系统、反射系统和接收系统；发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴；激光光源发出的激光光束经准直镜组准直后变为平行光束射入反射系统；反射系统将平行光束反射至激光雷达方位轴方向进行扫描，并将方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至接收系统；接收系统将反射回光汇聚到激光雷达的光探测器。这样既减小了发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，从而减小了系统总长及体积，同时避免了传统非同轴系统引起的测量盲区。
Description
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，尤其是涉及一种激光雷达光学系统及激光雷达。
背景技术
随着工业的快速发展，现代工业对机器智能的需求日益增多，各种自动化产品向方便、安全、高效、高精度、小型化的方向发展。激光雷达产品作为一种可靠的光电传感器在蔽障、测量、航空航天等诸多领域得到广泛应用。
激光雷达包括发射系统和接收系统，接收系统通常包括用于检测被测物体散射回光(反射回光)的APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)。激光雷达的工作原理如下：通过发射系统发射激光束至被测物体，通过接收系统接收被测物体散射回光，通过计算发射与接收之间的时间差得到被测物体距雷达的距离。目前现有的激光雷达光学系统采用同轴或非同轴系统：同轴系统的发射系统位于其接收系统中心，透射式接收系统多采用此种形式；非同轴系统的发射系统与其接收系统平行或垂直设置。
然而同轴系统的总长较大，且由于其接收系统中心有发射系统遮挡，因此接收系统不能采用小口径透镜，导致同轴系统的体积较大。对于非同轴系统，由于其接收系统具有视场角，在距非同轴系统较近范围内，被测物体回光经过接收系统汇聚偏离APD，因此非同轴系统存在测量盲区。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光雷达光学系统及激光雷达，以减小系统总长及体积，避免传统非同轴系统引起的测量盲区。
第一方面，本发明实施例提供了一种激光雷达光学系统，包括发射系统、反射系统和接收系统；
所述发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；所述反射系统将所述发射系统的光轴反射至与所述接收系统的光轴同轴；
所述激光光源发出的激光光束经所述准直镜组准直后变为平行光束射入所述反射系统；所述反射系统将所述平行光束反射至所述激光雷达方位轴方向进行扫描，并将所述方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至所述接收系统；所述接收系统将所述反射回光汇聚到所述激光雷达的光探测器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述发射系统的光轴与所述接收系统的光轴平行设置；所述反射系统包括第一反射镜、第二反射镜和扫描反射镜；
所述第一反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°，且所述发射系统的光轴通过所述第一反射镜的中心；所述第二反射镜和所述第一反射镜的镜面平行；所述第二反射镜的镜面、所述扫描反射镜的镜面均与所述接收系统的光轴成45°，且所述接收系统的光轴通过所述第二反射镜的中心和所述扫描反射镜的中心。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述发射系统的光轴与所述接收系统的光轴垂直设置；所述反射系统包括平面反射镜和扫描反射镜；
所述平面反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°，且所述发射系统的光轴通过所述平面反射镜的中心；所述平面反射镜的镜面、所述扫描反射镜的镜面均与所述接收系统的光轴成45°，且所述接收系统的光轴通过所述平面反射镜的中心和所述扫描反射镜的中心。
结合第一方面的第一种或第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述接收系统包括：沿着所述反射回光的传播方向依次同轴设置的滤光片、接收主镜和接收次镜；所述滤光片的透光波段与所述激光光源的波长一致，所述接收主镜的中心设置有通孔；
所述反射回光穿过所述滤光片后，经所述接收主镜反射汇聚至所述接收次镜，再经所述接收次镜反射汇聚后穿过所述通孔到所述光探测器。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述接收主镜和所述接收次镜均为曼金反射镜。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述接收次镜与所述通孔之间还设置有聚光透镜。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述激光光源包括激光二极管。
第二方面，本发明实施例还提供一种激光雷达，包括如上述第一方面或其任一种可能的实施方式所述的激光雷达光学系统，还包括电机、光探测器和信息处理系统；
所述电机与所述反射系统连接，用于带动所述反射系统进行扫描；
所述光探测器设置在所述激光雷达光学系统的出光汇聚点，且与所述信息处理系统连接；所述光探测器用于接收所述激光雷达光学系统汇聚的反射回光，并发送回光信号至所述信息处理系统；
所述信息处理系统接收所述回光信号，并输出与所述回光信号对应的被测物体距所述激光雷达的距离。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述光探测器包括雪崩光电二极管。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述电机包括步进电机或直流无刷电机。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例中，激光雷达光学系统包括发射系统、反射系统和接收系统；发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴；激光光源发出的激光光束经准直镜组准直后变为平行光束射入反射系统；反射系统将平行光束反射至激光雷达方位轴方向进行扫描，并将方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至接收系统；接收系统将反射回光汇聚到激光雷达的光探测器。该激光雷达光学系统属于非同轴系统，因此与透射式结构相比，减小了系统总长；通过反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴，既减小了发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，从而减小了系统体积，同时避免了传统非同轴系统引起的测量盲区。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种接收系统的工作原理图；
图4为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。
图标：
111-激光光源；112-准直镜组；121-第一反射镜；122-第二反射镜；123-扫描反射镜；124-平面反射镜；130-接收系统；131-滤光片；132-接收主镜；133-接收次镜；134-聚光透镜；100-激光雷达光学系统；200-电机；300-光探测器；400-信息处理系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
目前激光雷达光学系统采用同轴或非同轴系统，同轴系统的总长及体积较大，非同轴系统存在测量盲区。基于此，本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统及激光雷达，可以减小系统总长及体积，避免传统非同轴系统引起的测量盲区。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种激光雷达光学系统进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供了一种激光雷达光学系统，该激光雷达光学系统包括发射系统、反射系统和接收系统。发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴。激光光源发出的激光光束经准直镜组准直后变为平行光束射入反射系统；反射系统将平行光束反射至激光雷达方位轴方向进行扫描，并将方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至接收系统；接收系统将反射回光汇聚到激光雷达的光探测器。
具体地，激光光源可以但不限于为激光二极管，激光光源的波长也可以根据需求选择，例如激光光源选择波长为905nm的激光二极管。准直镜组可以由多个透镜组成，用于将激光二极管等激光光源发出的发散角较大的类高斯光束进行准直，例如，准直镜组采用望远镜结构，包括一个弯月镜和一个凸透镜，沿输入光的传播方向，依次为弯月镜、凸透镜，这样设置能较好地矫正像差，得到准直光束(平行光束)。反射系统可以用于将准直后的平行光束偏转至激光雷达方位轴方向进行190°扫描。光探测器可以但不限于为APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)。APD能够在低光强度下实现对光的探测。
以光探测器为APD为例，该激光雷达光学系统的工作原理如下：激光光源发出激光光束，经过准直镜组进行准直，经由反射系统反射至激光雷达方位轴方向上的物体，物体散射回光再经过反射系统至接收系统，汇聚到APD，通过计算发出激光光束与APD接收到回光的时间差得到被测物体距雷达的距离。
本实施例提供了两种激光雷达光学系统的具体实现方式，下面分别参照图1和图2进行详细介绍。
图1为本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统的结构示意图，其发射系统的光轴与接收系统的光轴平行设置。如图1所示，反射系统包括第一反射镜121、第二反射镜122和扫描反射镜123。
具体地，如图1所示，第一反射镜121的镜面与发射系统的光轴成45°，且发射系统的光轴通过第一反射镜121的中心；第二反射镜122和第一反射镜121的镜面平行(如图1中二者处于同一高度)；第二反射镜122的镜面、扫描反射镜123的镜面均与接收系统130的光轴成45°，且接收系统130的光轴通过第二反射镜122的中心和扫描反射镜123的中心。第一反射镜121、第二反射镜122和扫描反射镜123均可以为平面反射镜。
激光光源111发出激光光束，经准直镜组112准直，经第一反射镜121反射，经第二反射镜122反射，经扫描反射镜123反射至激光雷达方位轴方向，方位轴向上物体反射回光至扫描反射镜123，经扫描反射镜123反射至接收系统130，经接收系统130汇聚至光探测器300(如APD)。
上述光路系统(图1的激光雷达光学系统)具有以下优点：发射系统与接收系统平行设置，通过反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴，这样既可以减小发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，同时可以避免非同轴系统引起的盲区。
图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学系统的结构示意图，其发射系统的光轴与接收系统的光轴垂直设置。如图2所示，反射系统包括平面反射镜124和扫描反射镜123。
具体地，如图2所示，平面反射镜124的镜面与发射系统的光轴成45°，且发射系统的光轴通过平面反射镜124的中心；平面反射镜124的镜面、扫描反射镜123的镜面均与接收系统130的光轴成45°，且接收系统130的光轴通过平面反射镜124的中心和扫描反射镜123的中心。
激光光源111发出激光光束，经准直镜组112准直，经平面反射镜124反射，经扫描反射镜123反射至激光雷达方位轴方向，方位轴向上物体反射回光至扫描反射镜123，经扫描反射镜123反射至接收系统130，经接收系统130汇聚至光探测器300(如APD)。
同样的，图2的垂直式结构的反射系统也是将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴，这样既可以减小发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，同时可以避免非同轴系统引起的盲区。另外，与图1的光路系统相比，图2的垂直式结构减少了一个反射镜。
图3为本发明实施例提供的一种接收系统的工作原理图。考虑到环境光会对光探测器的探测产生干扰，如图3所示，上述接收系统130包括：沿着反射回光的传播方向依次同轴设置的滤光片131、接收主镜132和接收次镜133。
具体地，滤光片131的透光波段与激光光源111的波长一致，接收主镜132的中心设置有通孔。如图3所示，反射回光穿过滤光片131后，经接收主镜132反射汇聚至接收次镜133，再经接收次镜133反射汇聚后穿过通孔到光探测器300。接收系统130采用卡塞格林结构，因此具有轴向尺寸小、结构紧凑的优点；接收次镜133的焦点位于接收主镜132后面，便于放置光探测器。通过滤光片131可以将环境中的杂散光滤除，这样可以有效防止环境光对光探测器300探测的干扰，从而使得激光雷达对距离的检测结果更加准确、可靠。
考虑到以普通的凹面反射镜作为接收主镜132和接收次镜133，优化像差能力不足，在一些可能的实施例中，接收主镜132和接收次镜133均为曼金反射镜。曼金反射镜由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射透镜组成，通过两层结构可以对像差进行矫正，从而解决优化像差能力不足的问题。另外，曼金反射镜都是球面镜，造价低，加工、安装容易。
考虑到接收次镜133的焦距较大时会增大整个激光雷达的体积，在一些可能的实施例中，如图3所示，接收次镜133与接收主镜132的通孔之间还设置有聚光透镜134。聚光透镜134可以较好地将光束聚焦到接收系统130外部距接收主镜132较近的位置，从而减小激光雷达的体积。
本发明实施例中，激光雷达光学系统包括发射系统、反射系统和接收系统；发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴；激光光源发出的激光光束经准直镜组准直后变为平行光束射入反射系统；反射系统将平行光束反射至激光雷达方位轴方向进行扫描，并将方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至接收系统；接收系统将反射回光汇聚到激光雷达的光探测器。该激光雷达光学系统属于非同轴系统，因此与透射式结构相比，减小了系统总长；通过反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴，既减小了发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，从而减小了系统体积，同时避免了传统非同轴系统引起的测量盲区。
实施例二：
图4为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，如图4所示，该激光雷达包括如上述实施例一的激光雷达光学系统100，还包括电机200、光探测器300和信息处理系统400。
电机200与激光雷达光学系统100的反射系统中的扫描反射镜123连接，用于带动扫描反射镜123进行扫描；光探测器300设置在激光雷达光学系统100的出光汇聚点，且与信息处理系统400连接。如图4所示，光探测器300用于接收激光雷达光学系统100汇聚的反射回光，并发送回光信号至信息处理系统400；信息处理系统400接收回光信号，并输出与该回光信号对应的被测物体距激光雷达的距离。
具体地，在一些可能的实施例中，光探测器300包括雪崩光电二极管APD。信息处理系统400可以为计算机。电机200包括步进电机或直流无刷电机。电机200与扫描反射镜123连接，带动扫描反射镜123转动扫描。扫描反射镜123扫描的角分辨率由电机200控制，如控制电机200将360°分成1000份来转，则扫描反射镜123扫描形成角分辨率为0.36°的激光区域。
本发明实施例中，激光雷达光学系统包括发射系统、反射系统和接收系统；发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴；激光光源发出的激光光束经准直镜组准直后变为平行光束射入反射系统；反射系统将平行光束反射至激光雷达方位轴方向进行扫描，并将方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至接收系统；接收系统将反射回光汇聚到激光雷达的光探测器。该激光雷达光学系统属于非同轴系统，因此与透射式结构相比，减小了系统总长；通过反射系统将发射系统的光轴反射至与接收系统的光轴同轴，既减小了发射系统位于接收系统中心造成的口径遮挡，从而减小了系统体积，同时避免了传统非同轴系统引起的测量盲区。
本发明实施例提供的激光雷达，与上述实施例提供的激光雷达光学系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的激光雷达的具体工作过程，可以参考前述激光雷达光学系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光雷达光学系统，其特征在于，包括发射系统、反射系统和接收系统；
所述发射系统包括同轴设置的激光光源和准直镜组；所述反射系统将所述发射系统的光轴反射至与所述接收系统的光轴同轴；
所述激光光源发出的激光光束经所述准直镜组准直后变为平行光束射入所述反射系统；所述反射系统将所述平行光束反射至所述激光雷达方位轴方向进行扫描，并将所述方位轴方向上被测物体返回的反射回光反射至所述接收系统；所述接收系统将所述反射回光汇聚到所述激光雷达的光探测器。
2.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述发射系统的光轴与所述接收系统的光轴平行设置；所述反射系统包括第一反射镜、第二反射镜和扫描反射镜；
所述第一反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°，且所述发射系统的光轴通过所述第一反射镜的中心；所述第二反射镜和所述第一反射镜的镜面平行；所述第二反射镜的镜面、所述扫描反射镜的镜面均与所述接收系统的光轴成45°，且所述接收系统的光轴通过所述第二反射镜的中心和所述扫描反射镜的中心。
3.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述发射系统的光轴与所述接收系统的光轴垂直设置；所述反射系统包括平面反射镜和扫描反射镜；
所述平面反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°，且所述发射系统的光轴通过所述平面反射镜的中心；所述平面反射镜的镜面、所述扫描反射镜的镜面均与所述接收系统的光轴成45°，且所述接收系统的光轴通过所述平面反射镜的中心和所述扫描反射镜的中心。
4.根据权利要求2或3所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述接收系统包括：沿着所述反射回光的传播方向依次同轴设置的滤光片、接收主镜和接收次镜；所述滤光片的透光波段与所述激光光源的波长一致，所述接收主镜的中心设置有通孔；
所述反射回光穿过所述滤光片后，经所述接收主镜反射汇聚至所述接收次镜，再经所述接收次镜反射汇聚后穿过所述通孔到所述光探测器。
5.根据权利要求4所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述接收主镜和所述接收次镜均为曼金反射镜。
6.根据权利要求4所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述接收次镜与所述通孔之间还设置有聚光透镜。
7.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光光源包括激光二极管。
8.一种激光雷达，其特征在于，包括如上述权利要求1-7中任一项所述的激光雷达光学系统，还包括电机、光探测器和信息处理系统；
所述电机与所述反射系统连接，用于带动所述反射系统进行扫描；
所述光探测器设置在所述激光雷达光学系统的出光汇聚点，且与所述信息处理系统连接；所述光探测器用于接收所述激光雷达光学系统汇聚的反射回光，并发送回光信号至所述信息处理系统；
所述信息处理系统接收所述回光信号，并输出与所述回光信号对应的被测物体距所述激光雷达的距离。
9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述光探测器包括雪崩光电二极管。
10.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述电机包括步进电机或直流无刷电机。
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