一种激光雷达发射模块及激光雷达的制作方法

本申请涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学系统及激光雷达。

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系统。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,就可获得目标的距离、方位等有关信息。由于激光雷达具有解析度高，测量精度高，抗干扰能力强等优点，其被广泛应用在如无人驾驶、机器人等领域。激光雷达光学系统是激光雷达的“眼睛”，其好坏直接影响了激光的测量精度以及探测能力。

现有的激光雷达光学系统是由光学透镜、准直透镜以及激光源等光学零件组成的，在现有的激光雷达中，通常准直透镜、反射镜等光学元件作为独立元件进行安装定位，相互位置关系通过各自结构件保证，这种安装方式存在对过多的安装误差，需要耗费大量时间保证光轴。因此有必要设计一体化的结构保证光学镜片的共轴精度。但一体化的结构，其加工工艺上的难度较大，也会造成加工误差。

技术实现要素：

本申请实施例提出一种激光雷达光学系统，通过提供一种带孔反射镜与准直透镜一体化结构的装置，能够较为准确的实现光路同轴及保证反射镜的角度和位置，解决了现有技术存在的结构件过多，安装误差大的问题。

本申请其他实施例还提出一种激光雷达，通过采用所述激光雷达光学系统，使得激光雷达精度高、生产成本低，生产效率高。

本申请实施例采用以下技术方案：

第一方面，一种激光雷达发射模块，包括准直透镜、带孔反射镜，还包括一固定镜座，所述的固定镜座包括两个端面，第一端面上开设有安装孔，用于安装准直透镜，第二端面上设置有贯通孔，带孔反射镜设置在第二端面上，准直透镜、安装孔、贯通孔、带孔反射镜的小孔在发射光轴上，第二端面与发射光轴成45度角。

在一种可能的实现方式中，所述的激光雷达发射模块，还包括定位装置，所述的定位装置为定位销钉或定轴工装，用于使带孔反射镜的小孔与准直透镜同轴。

在一种可能的实现方式中，所述的定位销钉其直径与带孔反射镜的小孔、贯通孔直径一致，与带孔反射镜紧密滑动配合。

在一种可能的实现方式中，所述的定轴工装为一阶梯轴结构，其中一端的阶梯轴圆柱面的直径与带孔反射镜的小孔、贯通孔直径相同，且与带孔反射镜紧密滑动配合，定轴工装的另一端阶梯轴圆柱面的直径与准直透镜的直径相同，且与固定镜座的安装孔紧密滑动配合。

在一种可能的实现方式中，所述的第二端面上设置有一阶梯面，其与第二端面之间形成一凹台，贯通孔设置在凹台底部，带孔反射镜设置在凹台内，阶梯面、带孔反射镜与发射光轴的夹角为45度，贯通孔、带孔反射镜的小孔的轴线与发射光轴一致。

在一种可能的实现方式中，所述的带孔反射镜通过胶接或压簧片压制在阶梯面上。

在一种可能的实现方式中，所述的带孔反射镜通过压簧片压制在阶梯面与第二端面形成的凹台内时，在阶梯面以外的第二端面上设置多个螺孔，压簧片一端通过螺钉锁紧在螺孔上，压簧片的另一端压到带孔反射镜的反射面上，带孔反射镜厚度与凹台深度之差为簧片的变形量。

在一种可能的实现方式中，所述的准直透镜与安装孔之间设置有一锁紧环，所述的安装孔外侧设置有一螺纹面，与锁紧环配合。

在一种可能的实现方式中，所述的带孔反射镜与第二端面合为一体时，所述的第二端面表面上镀有反射膜，用于反射激光。

第二方面，一种激光雷达，包括上述的的激光雷达发射模块，还包括光源、光纤、光电电路板、主控板、接收模块，所述的光源、光纤、激光雷达发射模块设置在一光路上，光纤通过光纤插头与激光雷达发射模块连接，光电电路板与光源、主控板、接收模块连接。

本申请的一个实施例中，将带孔反射镜与准直透镜通过固定镜座连接在一起，带孔反射镜与准直透镜的光路对准、反射镜的角度和位置由固定镜座的加工精度决定，减少了安装误差，安装过程简单，使用过程中也不需要对光路同轴做过多调整。

本申请的另一个实施例中，准直镜与小孔反射镜一体化的结构减少了零件数量，结构简单，生产成本低，安装简单生产效率高，便于推广。

附图说明

图1是本申请实施例1激光雷达发射模块的分解示意图。

图2是本申请实施例1激光雷达发射模块固定镜座示意图。

图3是本申请实施例1使用定轴工装安装时的示意图。

图4是本申请实施例1激光雷达发射模块插入定轴工装时的截面图。

图5是本申请实施例1激光雷达发射模块安装好的截面图。

图6是本申请实施例1激光雷达模块连接示意图。

图7是本申请实施例2激光雷达发射模块分解示意图。

图8是本申请实施例3提供的激光雷达发射模块示意图。

图中：1、带孔反射镜；2、固定镜座；3、准直透镜；4、第一端面；5、安装孔；6、第二端面；7、贯通孔；8、光纤插头；9、锁紧环；10、压簧片；11、螺钉；12螺孔；13、定轴工装；14、阶梯面；15定位销钉；16、光源；17、光纤；18、光电电路板；19、主控板；20、接收模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

如图1、图2所示，一种激光雷达发射模块，包括准直透镜3、带孔反射镜1，还包括一固定镜座2，所述的固定镜座2包括两个端面，第一端面4上开设有安装孔5，用于安装准直透镜3，第二端面6上设置有贯通孔7，带孔反射镜1设置在第二端面6上，准直透镜3、安装孔5、贯通孔7、带孔反射镜1的小孔在发射光轴上，第二端面6与发射光轴的夹角为45度。入射激光经准追透镜3后发散角变小，基本成平行光，再经安装孔5、贯通孔7、带孔反射镜1的小孔出射。

在第二端面6上设置有一阶梯面14，其与第二端面6之间形成一凹台，贯通孔7设置在凹台底部，带孔反射镜1设置在凹台内，阶梯面14、带孔反射镜1与发射光轴的夹角为45度，贯通孔7、带孔反射镜1的小孔的轴线与发射光轴一致。

所述的带孔反射镜1通过压簧片10压制在阶梯面14与第二端面6形成的凹台内，在阶梯面14以外的第二端面6上设置多个螺孔12，压簧片10一端通过螺钉11锁紧在螺孔12上，压簧片10的另一端压到带孔反射镜1的反射面上，带孔反射镜1厚度与凹台深度之差为压簧片10的变形量，利用压簧片10的弹性形变将带孔反射镜1压制在凹台内。

所述的准直透镜3与安装孔5之间设置有一锁紧环9，所述的安装孔5外侧设置有一螺纹面，与锁紧环9配合。

现有技术中，激光雷达发射模块的准直透镜3、带孔反射镜1等光学元件通常是单独通过结构件固定在光电电路板上，以确定在光路中的相对位置，这种情况下每个结构件的安装都会存在安装误差，如准直透镜3、带孔反射镜1设置在光电电路板上时，由于光电电路板上对应准直透镜3、带孔反射镜1的插口具有较大的公差，难以保证准直透镜3的光轴与带孔反射镜1的光轴相一致。这种组装方式制作的产品，在调试过程中需耗费大量时间对光轴进行调整以保证光路的准直，产品一次成功率低，生产效率低下。

而本实施例中准直透镜3通过安装孔5与固定镜座2连接，带孔反射镜1通过压簧片10压制在固定镜座2的第二端面6与阶梯面14形成的凹台内，使准直透镜3、带孔反射镜1固定设置在固定镜座2上，只要安装过程中保证了准直透镜3与安装孔5中心对准，带孔反射镜1的小孔与贯通孔7中心对准，即可以使准直透镜3、安装孔5、贯通孔7、带孔反射镜1的小孔在同一光轴上，不需要再耗费大量时间对光轴进行调整，产品一次成功率高，生产效率高。

而为了方便安装准直透镜3、带孔反射镜1，使准直透镜3与安装孔5的中心对准，带孔反射镜1与贯通孔7中心对准，本实施例还提供了一种定位装置，如图3所示，所述的激光雷达发射模块，还包括定位装置，所述的定位装置为定轴工装13，用于使带孔反射镜1的小孔与准直透镜3同轴，所述的定轴工装13为一阶梯轴结构，其中一端的阶梯轴圆柱面的直径与带孔反射镜1的小孔、贯通孔直径相同，定轴工装13的另一端阶梯轴圆柱面的直径与准直透镜3的直径相同，且与固定镜座2的安装孔5紧密滑配。

如图4、图5所示，一种激光雷达发射模块的安装方法，包括如下步骤：

a、安装带孔反射镜1，先将定轴工装13插入到固定镜座2的安装孔5内，其一端的阶梯轴依次穿过贯通孔7、带孔反射镜1的小孔，然后将带孔反射镜1的端面与阶梯面14贴合，通过压簧片10将带孔反射镜1压制在阶梯面14与第二端面6形成的凹台内，将定轴工装13拔出，带孔反射镜1安装完成；

b、安装准直透镜3，将准直透镜穿前端放入安装孔5内，所述安装孔5内径与准直透镜3的外径相同且紧密滑动配合，再将锁紧环9套在准直透镜3后端，安装孔5外侧设置有一螺纹面，与锁紧环9配合,完成安装。

定轴工装13一端的阶梯轴圆柱面的直径与带孔反射镜1的小孔、贯通孔7直径相同，当这一端阶梯轴依次穿过贯通孔7、带孔反射镜1的小孔，并与带孔反射镜1紧密滑动配合时，则带孔反射镜1的小孔与贯通孔7的中心对准；定轴工装13的另一端阶梯轴圆柱面的直径与准直透镜3的直径相同，且与固定镜座2的安装孔5紧密滑配，定轴工装13相对于安装孔5不发生旋转，上下位移，定轴工装13的轴线依次贯穿安装孔5的中心、贯通孔7的中心、带孔反射镜1的小孔。拆下定轴工装13，安装准直透镜3时，准直透镜3外径与安装孔内径相同且紧密滑动配合，准直透镜3的中心与安装孔5的中心对准，这样就保证了带孔反射镜1的小孔与准直透镜3同轴，同时操作简单，减少了安装调试需要花费的时间。定轴工装13在带孔反射镜1的小孔较小，不易与准直透镜3的光轴对准时尤其适用。

如图6所示，一种激光雷达，包括所述的激光雷达发射模块，还包括光源16、光纤17、光电电路板18、主控板19、接收模块20，所述的光源16、光纤17、激光雷达发射模块设置在一光路上，光纤17通过光纤插头8与激光雷达发射模块连接，光电电路板18与光源16、主控板19、接收模块20连接。

光电电路板18上设置发射电路、接收电路，发射电路与光源16连通，接收电路与接收模块20连通，接收模块20包括接收透镜和光电传感器。光电电路板18与接收模块20的结构均为现有技术，发射电路、接收电路、接收透镜、光电传感器未画出。

激光雷达在工作过程中，主控板19发送调制信号至光电电路板18，控制发射电路驱动光源16发出探测光信号。其中，所述调制信号为方波信号或者为正弦波信号。光源16为LED光源或者为激光光源，光源16发出的探测信号光为红外探测信号光。所述探测信号光的中心波长，例如为850nm、905nm、950nm或1550nm等。

光源16发出的红外探测光通过光纤17进入激光雷达发射模块的准直透镜3，所述准直透镜3将光源16发出的探测光变成平行光经带孔反射镜1的小孔入射到激光雷达的外部环境中，遇到物体被反射。该被物体反射回的红外探测光信号，即回波信号。

接收模块20接收被物体发射回的回波信号。具体来说，该回波信号通过接收模块的接收透镜会聚到光电传感器上，光电传感器将光信号转换为电信号，并传入光电电路板18，光电电路板18的接收电路将光电传感器传出的电信号传送至主控板19。所述光电传感器为CMOS光电传感器或者CCD光电传感器。根据所要接收的回波信号的光的波长，光电传感器选取相应的硅基光电传感器或者为铟镓砷光电传感器。

主控板19基于飞行时间法计算激光雷达主模块与物体之间的距离。其中可选的飞行时间距离探测方法，为直接获得光源发出的探测光信号与光电传感器接收到的回波信号的时间差的脉冲飞行时间法；或者为间接获得光源发出的探测光信号与光电传感器接收到的回波信号的时间差，通过相位差来得到时间差的相位飞行时间法；上述距离探测方法为现有的公知技术。

实施例2

如图7所示，本实施例与实施例1主要结构相同，区别在于采用的定位装置为定位销钉15，用于使带孔反射镜1的小孔与准直透镜3同轴，所述的定位销钉15其直径与带孔反射镜1的小孔直径一致。

一种激光雷达发射模块的安装方法，包括如下步骤：

a、安装带孔反射镜1，先将定位销钉15穿过固定镜座2上的贯通孔7，然后将定位销钉15穿过带孔反射镜1的小孔，之后将带孔反射镜1的端面与阶梯面14贴合，通过压簧片10将带孔反射镜1压制在阶梯面14与第二端面6形成的凹台内，将定位销钉15拔出，带孔反射镜1安装完成；

b、安装准直透镜3，将准直透镜3前端放入安装孔5内，所述安装孔5内径与准直透镜3的外径相同且紧密滑动配合，再将锁紧环9套在准直透镜3后端，安装孔5外侧设置有一螺纹面，与锁紧环9配合,完成安装。

定位销钉15直径与带孔反射镜1的小孔、贯通孔7直径相同，定位销钉15穿过贯通孔7、带孔反射镜1的小孔，并与带孔反射镜1紧密滑动配合时，则带孔反射镜1的小孔与贯通孔7的中心对准；安装孔5的中心与贯通孔7的中心制造时即对准，这样安装准直透镜3时，安装孔5内径与准直透镜3的外径相同且紧密滑动配合，准直透镜3的中心与安装孔5中心对准，也就与贯通孔7的中心、带孔反射镜1的小孔对准，准直透镜3、安装孔5、贯通孔7、带孔反射镜1的小孔在一个光轴上。

用定位销钉15为带孔反射镜1定位，操作简单，定位销钉15适用于带孔反射镜1的小孔直径较大的情况。

实施例3

如图8所示，激光雷达发射模块，包括准直透镜3、固定镜座2，所述的固定镜座2包括两个端面，第一端面4上开设有安装孔5，用于安装准直透镜3，第二端面6上设置有贯通孔7，第二端面6表面上镀有反射膜，作为带孔反射镜1使用，即第二端面6与带孔反射镜1合为一体，准直透镜3、安装孔5、贯通孔7、带孔反射镜1的小孔在发射光轴上，第二端面6与发射光轴的夹角为45度。

所述的准直透镜3与安装孔5之间设置有一锁紧环9，所述的安装孔5外侧设置有一螺纹面，与锁紧环9配合。

激光雷达结构与实施例1相同。

本实施例第二端面6将带孔反射镜1合为一体，结构简单，加工简单，不需要对带孔反射镜1进行安装调试，贯通孔7也是带孔反射镜1的小孔。加工固定镜座2时，保证安装孔5、贯通孔7中心对准即可。光源16发射的光束直接经准直透镜3、贯通孔7入射目标物。本实施例准直透镜3与小孔反射镜1一体化的结构减少了零件数量，结构简单，生产成本低，安装简单生产效率高，便于推广。

以上结合具体实施例描述了本申请的技术原理。这些描述只是为了解释本申请的原理，而不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处的解释，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申请的其它具体实施方式，这些方式都将落入本申请的保护范围之内。