CN109917348B - 一种激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光雷达系统，包括发射模块和扫描模块，所述发射模块和所述扫描模块沿第一光路依次设置；所述发射模块包括激光发射单元和远心透镜组；所述激光发射单元具有多个光源，用于发射多束激光束；所述远心透镜组用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使多束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块；所述扫描模块用于将会聚的所述平行光束反射至三维空间，及接收并反射经待测目标反射后的回波光束。该发明激光雷达系统能够确保不同角度出射的激光束有效的准直出射，最大限度的保证激光的出射效率，且能够避免激光雷达系统工作过程中多个光源发射的激光束部分散落到扫描模块以外，形成杂光。
Description
技术领域
本发明涉及环境感知技术领域，特别涉及一种激光雷达系统。
背景技术
在自动驾驶技术中，环境感知系统是基础且至关重要的一环，是自动驾驶汽车安全性和智能性的保障。车载激光雷达作为感知周围信息的重要传感器，分辨率是其重要的参数之一。激光雷达的分辨率越高，信息越丰富，越有利于自动驾驶决策。
采用扫描镜等扫描方式的激光雷达，其分辨率往往受限于扫描器件的扫描频率。为进一步增加分辨率，可通过对应增加激光器和探测器的个数来实现。目前常用的技术方案有采用发射准直透镜，准直透镜本身直接作为孔径光阑，不同位置的激光器经准直透镜后，成一定夹角出射，从而实现对不同角度位置的扫描。
但本申请发明人在实现本申请中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
由于扫描镜距离准直透镜有一定距离，将导致不同出射激光束落在扫描镜的不同位置，当扫描镜的尺寸较小时，会有部分激光束落在扫描镜外，一方面影响出光效率，影响测距性能；另一方面会形成内部杂光，导致近处盲区。
发明内容
本发明解决的是现有技术中激光雷达存在的受扫描镜尺寸的限制，部分激光束会落在扫描镜的以外的区域形成杂光等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明第一方面公开了一种激光雷达系统，包括发射模块和扫描模块，所述发射模块和所述扫描模块沿第一光路依次设置；
所述发射模块包括激光发射单元和远心透镜组；
所述激光发射单元具有多个光源，用于发射多束激光束；
所述远心透镜组用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使各束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块；
所述扫描模块用于将会聚的所述平行光束反射至三维空间，及接收并反射经待测目标反射后的回波光束。
可选地，所述扫描模块包括可动部，所述可动部具有第一反射面；
多束所述平行光束经所述远心透镜组会聚后入射至所述扫描模块从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
可选地，多个所述光斑至少部分重合。
可选地，所述扫描模块的可动部被设置为由所述远心透镜组所构成的光学系统的孔径光阑。
可选地，所述远心透镜组包括第一子透镜组和第二子透镜组，所述第一子透镜组和所述第二子透镜组沿所述第一光路依次设置；
可选地，所述第一子透镜组具有正的光焦度，其贴近所述激光发射单元设置；
所述第二子透镜组具有正的光焦度，其沿所述第一光路与所述第一子透镜组间隔第一预设距离设置。
可选地，所述第一子透镜组由一片透镜组成，该透镜为半球形透镜或弯月形透镜。
可选地，所述第二子透镜组至少包括一片具有正光焦度的透镜，该透镜为平凸透镜或双凸透镜。
可选地，所述激光雷达系统还包括分光模块和接收模块，所述分光模块沿所述第一光路设置于所述发射模块和所述扫描模块之间，所述扫描模块、所述分光模块和所述接收模块沿第二光路依次设置；
所述分光模块用于透射所述平行光束，及反射经所述扫描模块反射的回波光束；
所述扫描模块用于将透过所述分光模块的所述平行光束反射至三维空间，及用于将待测目标反射后的回波光束反射至所述分光模块；
所述接收模块用于接收所述分光模块反射的所述回波光束。
可选地，所述激光雷达系统还包括偏折模块，所述偏折模块位于所述分光模块与所述扫描模块之间；
所述偏折模块用于偏折透射过所述分光模块的所述平行光束，及用于接收并偏折所述扫描模块反射的所述回波光束。
本发明第二方面公开了一种激光雷达系统，包括扫描模块、多个发射模块和多个接收模块，所述多个发射模块和所述多个接收模块一一对应；
每个所述发射模块均包括激光发射单元和远心透镜组；
所述激光发射单元具有多个光源，用于发射多束激光束；
所述远心透镜组用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使多束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块；
所述扫描模块用于将所述多个发射模块的所述多束激光束反射至三维空间，及用于接收并反射所述多束激光束经三维空间中的待测目标反射后的多束回波光束；
所述多个接收模块用于接收并处理所述多束回波光束。
可选的，所述扫描模块包括可动部，所述可动部具有第一反射面；
多束所述平行光束经所述远心透镜组会聚后入射至所述扫描模块从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述多个光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
采用上述技术方案，本发明所述的激光雷达系统具有如下有益效果：
本发明激光雷达系统通过远心透镜组对激光发射单元的多束激光束分别进行准直并沿第一光路会聚至扫描模块，保证不同角度出射的激光束都能有效的准直并经扫描模块反射至三维空间，最大限度的保证激光的出射效率，且能够避免激光雷达系统工作过程中多个光源发射的激光束部分散落到扫描模块以外，形成杂光导致近处盲区，影响测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明一个实施例的激光雷达系统结构框图；
图2为本发明实施例的一种激光雷达系统的光路图；
图3为本发明另一个实施例的激光雷达系统的光路图；
图4为本发明另一个实施例的激光雷达系统结构框图。
以下对附图作补充说明：
1-发射模块；11-激光发射单元；12-远心透镜组；121-第一子透镜组；122-第二子透镜组；
2-扫描模块；
3-接收模块；31-探测单元；32-会聚单元；
4-分光模块；
5-偏折模块；
6-控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
为解决现有技术中激光雷达受扫描镜尺寸的限制，部分激光束会落在扫描镜的以外的区域形成杂光等技术问题，图1示出了本发明一个实施例的激光雷达系统结构框图，下面参考图1对本发明的技术方案进行介绍。如图1所示，本发明提供一种激光雷达系统，可以包括发射模块1和扫描模块2，所述发射模块1和所述扫描模块2沿第一光路依次设置；
所述发射模块1包括激光发射单元11和远心透镜组12，所述激光发射单元11具有多个光源，用于发射多束激光束；所述远心透镜组12用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使多束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块2；所述扫描模块2用于将会聚的所述平行光束反射至三维空间，及接收并反射经待测目标反射后的回波光束。
具体地，激光雷达系统处于工作状态时，所述激光发射单元11的多个光源会发射形成多束激光束，并分别入射至所述远心透镜组12，所述远心透镜组12将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使各束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块2，所述扫描模块2将接收到的各束经远心透镜组12会聚的所述平行光束反射至三维空间进行探测，三维空间中的待测目标会发生反射形成回波光束，所述扫描模块2接收所述回波光束并反射给激光雷达系统的接收模块。其中，第一光路可以理解为发射光路，即多束所述激光束从发射到入射至三维空间的光路。应用上述方案，通过远心透镜组12对每束激光束进行准直并沿第一光路会聚至扫描模块2，保证不同角度出射的激光束都能有效的准直并打到扫描模块2最终出射，最大限度的保证了激光的出射效率；且避免激光雷达系统工作过程中多个光源发射的激光束部分散落到扫描模块2以外，形成杂光导致近处盲区，影响测量精度。
需要说明的是，所述激光发射单元的多个光源可以同时发射激光束，也可以不同时发射激光束，如多个光源按照预设的时序进行发射激光束。
在一些实施例中，所述扫描模块2可以为静电式振镜、电磁式振镜、压电式振镜、或电热式振镜等。所述扫描模块2还能够通过旋转和/或摆动改变其反射至三维空间的激光束的方向，从而对三维空间中的目标进行扫描。
在一些实施例中，所述扫描模块2包括可动部，所述可动部具有第一反射面；多束所述平行光束经所述远心透镜组12会聚后入射至所述扫描模块2从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
具体的，经所述远心透镜组12会聚后的各束所述平行光束入射至所述可动部，并在所述第一反射面上形成多个光斑，多个光斑的均处在所述第一反射面的反射区域内，避免落在反射区域外形成杂光造成干扰。
在一些实施例中，多个所述光斑可以至少部分重合。具体的，多个光斑也可以完全重叠。如图2所示，第一光源对应形成的光斑完全落在第二光源对应形成的光斑范围内。
在一些实施例中，所述扫描模块的可动部被设置为由远心透镜组12所构成的光学系统的孔径光阑。需要说明的是，孔径光阑也称有效光阑，在光学系统中对光束起着限制作用，由所述远心透镜组12所构成的光学系统的孔径光阑可以理解为所述扫描模块的可动部的边缘对光束的限制。该孔径光阑限制了光束的有效孔径。所述远心透镜组12的设计要满足两方面作用，一个是准直，另一个是满足孔径光阑的位置要求，即所述孔径光阑被设置于远心透镜组12所构成的光学系统的特定位置形成远心光路。
在一些实施例中，如图2所示，所述远心透镜组12包括第一子透镜组121和第二子透镜组122，所述第一子透镜组121和所述第二子透镜组122沿所述第一光路依次设置；
所述第一子透镜组121具有正的光焦度，其贴近所述激光发射单元11设置；
所述第二子透镜组122具有正的光焦度，其沿所述第一光路与所述第一子透镜组121间隔第一预设距离设置。
其中，所述第一子透镜组121贴近所述激光发射单元11设置，可以理解为：
所述第一子透镜组121贴合于所述激光发射单元11的发射侧，或者所述第一子透镜组121罩设在所述多个光源的外侧，或者所述第一子透镜组121与所述激光发射单元11之间有一定的间距，优选的该间距可以尽量小。
所述第二子透镜组122与所述第一子透镜组121之间的所述第一预设距离可以根据整个激光雷达系统的尺寸要求灵活设置，只要满足经第二透镜组和第一透镜组会聚后的激光束落在所述扫描模块2的反射区域内即可。
在一些实施例中，所述第一子透镜组121由一片透镜组成，该透镜为半球形透镜或弯月形透镜。如图2所示，第一子透镜组121为弯月形透镜，所述弯月形透镜的光焦度大于零，所述弯月形透镜的凹面(入射面)朝向所述激光发射单元11。可能的实施方式中，所述弯月形透镜的入射面和出射面还可以镀有高透射率消偏振介质膜。
在其他可能的实施方式中，所述第一子透镜组121还可以包括多片透镜。
在一些实施例中，所述第二子透镜组122至少包括一片具有正光焦度的透镜，该透镜为平凸透镜或双凸透镜。在其他可能的实施方式中，所述第二子透镜组122还可以包括多片具有正光焦度的透镜。
在一些实施例中，如图1和图2所示，所述激光雷达系统还包括接收模块3和分光模块4，所述分光模块4沿所述第一光路设置于所述发射模块1和所述扫描模块2之间，所述扫描模块2、所述分光模块4和所述接收模块3沿第二光路依次设置；
所述分光模块4用于透射所述平行光束，及反射经所述扫描模块2反射的回波光束；
所述扫描模块2用于将透过所述分光模块4的所述平行光束反射至三维空间，及用于将待测目标反射后的回波光束反射至所述分光模块4；
所述接收模块3用于接收所述分光模块4反射的所述回波光束。
具体地，经所述远心透镜组12会聚的各束所述平行光束穿透过所述分光模块4并入射至所述扫描模块2，所述扫描模块2将接收到的各束所述平行光束反射至三维空间进行探测，三维空间中的待测目标会发生反射形成回波光束，所述扫描模块2接收所述回波光束经所述分光模块4反射并最终入射至所述接收模块3。其中，第二光路可以理解为接收光路，即待测目标反射的多束所述回波光束至最终被接收模块3接收的光路。所述第二光路和所述第一光路部分共轴，即所述第一光路和所述第二光路分别位于所述扫描模块2和所述分光模块4之间的部分共轴。
图3示出了本发明另一个实施例的激光雷达系统的光路图，与图2对应的上述实施例的区别为增加了偏折模块。具体的，如图3所示，所述激光雷达系统还可以包括偏折模块5，所述偏折模块5位于所述分光模块4与所述扫描模块2之间；
所述偏折模块5用于偏折透射过所述分光模块4的所述平行光束，及用于接收并偏折所述扫描模块2反射的所述回波光束。
具体地，所述偏折模块5可以为棱镜或具有高反射比的反射镜等。激光雷达系统包括偏折模块5能够使得发射模块1的光束最终入射到扫描模块2的反射区域即可，如图3所示，所述偏折模块5的增设可以相对灵活的布置扫描模块2与分光模块4和发射模块1的相对位置，更好的适应激光雷达系统的尺寸和外观调整需求。
在一些实施例中，如图1所示，激光雷达还包括控制模块6，所述控制模块6分别与所述发射模块1、所述扫描模块2和所述接收模块3相连，所述控制模块6用于分别控制所述激光发射单元11发射所述激光束、控制所述扫描模块2的所述可动部的旋转和/或摆动、及控制所述接收模块3接收并处理所述回波光束。
在一些实施例中，如图1所示，所述接收模块3包括探测单元31，用于接收并处理所述回波光束。
在一些实施例中，如图1所示，所述接收模块3还可以包括会聚单元32，所述会聚单元32沿所述第二光路设置于所述探测单元31之前，用于会聚所述分光模块4反射的所述回波光束，以供所述探测单元31接收。
图4示出了本发明实施例的另一种激光雷达系统结构框图。下面参考图4对本发明的另一种技术方案进行介绍。该方案与图1所示的方案的区别在于多个发射模块1和多个接收模块3共用一个扫描模块2。本发明提供另一种激光雷达系统，包括扫描模块2、多个发射模块1和多个接收模块3，所述多个发射模块1和所述多个接收模块3一一对应；
多个所述发射模块1的出射面均朝向所述扫描模块2，每个所述发射模块1均包括激光发射单元11和远心透镜组12；
所述激光发射单元11具有多个光源，用于发射多束激光束；
所述远心透镜组12用于将所述多个发射模块1的每束所述激光束分别准直为平行光束，且使多束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块2；
所述扫描模块2用于将所述多个发射模块1的所述多束激光束反射至三维空间，及用于接收并反射所述多束激光束经三维空间中的待测目标反射后的多束回波光束；
所述多个接收模块3用于接收并处理所述多束回波光束。
本实施例中，如图4所示，所述多个发射模块1可以并排设置，相邻所述发射模块1之间间隔第二预设距离，所述扫描模块2位于所述多个发射模块1的一侧。激光雷达系统在工作状态下，多个所述发射模块1和一个所述扫描模块2之间对应会多个第一光路，多个接收模块3和一个扫描模块2之间对应形成多个第二光路。其中，所述第一光路为发射光路，所述第二光路为接收光路。
在一些实施例中，如图4所示，所述激光雷达系统还包括多个分光模块4，所述多个分光模块4和所述多个发射模块1一一对应，每个所述偏折模块5分别沿一个所述第一光路设置于所述扫描模块2和所述偏折模块5对应的所述发射模块1之间；
所述分光模块4用于透射所述平行光束，及反射经所述扫描模块2反射的回波光束；
所述多个分光模块4和所述多个接收模块3也一一对应，所述扫描模块2、所述多个分光模块4和所述多个接收模块3对应形成多个所述第二光路；
所述扫描模块2用于将透过所述分光模块4的所述平行光束反射至三维空间，及用于将待测目标反射后的回波光束反射至所述分光模块4；
所述接收模块3用于接收对应的所述分光模块4反射的所述回波光束。
在一些实施例中，如图4所示，所述激光雷达系统还包括多个偏折模块5，所述多个偏折模块5和所述多个分光模块4一一对应，每个所述偏折模块5位于所述扫描模块2与所述偏折模块5对应的所述分光模块4之间；
所述偏折模块5用于偏折透射过所述分光模块4的所述平行光束，及用于接收并偏折所述扫描模块2反射的所述回波光束。
在一些实施例中，所述扫描模块2包括可动部，所述可动部具有第一反射面；多束所述平行光束经所述远心透镜组12会聚后入射至所述扫描模块2从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述多个光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括发射模块和扫描模块，所述发射模块和所述扫描模块沿第一光路依次设置；
所述发射模块包括激光发射单元和远心透镜组；
所述激光发射单元具有多个光源，用于发射多束激光束；
所述远心透镜组用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使各束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块；
所述扫描模块用于将会聚的所述平行光束反射至三维空间，及接收并反射经待测目标反射后的回波光束；
其中，所述扫描模块包括可动部，所述扫描模块的可动部被设置为由所述远心透镜组所构成的光学系统的孔径光阑。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述可动部具有第一反射面；
多束所述平行光束经所述远心透镜组会聚后入射至所述扫描模块从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，多个所述光斑至少部分重合。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述远心透镜组包括第一子透镜组和第二子透镜组，所述第一子透镜组和所述第二子透镜组沿所述第一光路依次设置；
所述第一子透镜组具有正的光焦度，其贴近所述激光发射单元设置；
所述第二子透镜组具有正的光焦度，其沿所述第一光路与所述第一子透镜组间隔第一预设距离设置。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一子透镜组由一片透镜组成，该透镜为半球形透镜或弯月形透镜。
6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第二子透镜组至少包括一片具有正光焦度的透镜，该透镜为平凸透镜或双凸透镜。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括分光模块和接收模块，所述分光模块沿所述第一光路设置于所述发射模块和所述扫描模块之间，所述扫描模块、所述分光模块和所述接收模块沿第二光路依次设置；
所述分光模块用于透射所述平行光束，及反射经所述扫描模块反射的回波光束；
所述扫描模块用于将透过所述分光模块的所述平行光束反射至三维空间，及用于将待测目标反射后的回波光束反射至所述分光模块；
所述接收模块用于接收所述分光模块反射的所述回波光束。
8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括偏折模块，所述偏折模块位于所述分光模块与所述扫描模块之间；
所述偏折模块用于偏折透射过所述分光模块的所述平行光束，及用于接收并偏折所述扫描模块反射的所述回波光束。
9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括扫描模块、多个发射模块和多个接收模块，所述多个发射模块和所述多个接收模块一一对应；
每个所述发射模块均包括激光发射单元和远心透镜组；
所述激光发射单元具有多个光源，用于发射多束激光束；
所述远心透镜组用于将每束所述激光束分别准直为平行光束，且使多束所述平行光束沿第一光路会聚并入射至所述扫描模块；
所述扫描模块用于将所述多个发射模块的所述多束激光束反射至三维空间，及用于接收并反射所述多束激光束经三维空间中的待测目标反射后的多束回波光束；
所述多个接收模块用于接收并处理所述多束回波光束；
其中，所述扫描模块包括可动部，所述扫描模块的可动部被设置为由所述远心透镜组所构成的光学系统的孔径光阑。
10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扫描模块包括可动部，所述可动部具有第一反射面；
多束所述平行光束经所述远心透镜组会聚后入射至所述扫描模块从而在所述可动部上形成多个光斑，多个所述光斑均处于所述第一反射面的反射区域内。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201821 Building 2, park 468, xinlai Road, Jiading District, Shanghai Applicant after: Shanghai Hesai Technology Co., Ltd Address before: 200000 J385 room 6, 1288 Yecheng Road, Jiading District, Shanghai. Applicant before: HESAI PHOTONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: No.2 building, no.468 xinlai Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee after: Shanghai Hesai Technology Co.,Ltd. Address before: No.2 building, no.468 xinlai Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee before: Shanghai Hesai Technology Co., Ltd |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |