一种用于激光雷达降噪的光学系统及激光雷达的制作方法

本实用新型涉及激光雷达领域，具体而言，涉及一种用于激光雷达降噪的光学系统及激光雷达。

背景技术：

目前，随着科学技术的不断进步，激光雷达探测技术也得到快速发展，在现有的技术中，单线激光雷达所使用的激光发射器通常是半导体激光器，该种半导体激光器具有体积小、寿命长等优势。但是，在实践中发现，该种半导体激光器由于其本身的工作特性，其光谱会随温度有0.3nm/℃的变化，从而使得在存在较大温差的环境中，会使得对背景光的抑制带宽变宽，进而使得激光器受环境噪声的影响较大，影响激光器在强光下的工作，甚至使得激光器无法在晴朗的室外环境工作。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型提供了一种用于激光雷达降噪的光学系统及激光雷达，能够通过多种元件的组合形成噪声抑制结构，从而降低激光器受环境噪声的影响，进而使得激光器可以在任意环境下正常工作。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种用于激光雷达降噪的光学系统，包括激光器、扫描镜、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器，其中，

所述激光器用于产生激光并将所述激光发射至所述扫描镜；

所述扫描镜设置于所述激光器发射的所述激光的光路上，用于使所述激光发生衍射而得到第一衍射光和第二衍射光，将所述第一衍射光反射至所述激光器，将所述第二衍射光反射至待探测物体，并且接收所述待探测物体反馈的第二反馈光；所述第二反馈光与所述第二衍射光相对应；

所述激光器还用于接收所述第一衍射光，并基于所述第一衍射光形成外腔锁模结构；

所述第一透镜设置于所述激光器的输出端的后方，用于接收并汇聚所述第二反馈光，以得到汇聚光；

所述滤光器设置于所述第一透镜的后方，用于接收所述汇聚光，并对所述汇聚光进行噪声滤除而得到处理光；

所述第二透镜设置于所述滤光器的后方，并且设置于所述第一透镜的主光轴上，用于接收并汇聚所述处理光而得到探测光；

所述探测器用于接收所述探测光，所述探测器设置于所述激光雷达中，是所述激光雷达的一种激光采集装置。

作为一种可选的实施方式，所述扫描镜的中心位于所述激光的光路上，并且所述扫描镜与所述激光的光路之间夹角的角度范围为30°～60°。

作为一种可选的实施方式，所述扫描镜包括扫描反射式光栅。

作为一种可选的实施方式，所述第一衍射光为所述激光的零级衍射光，所述第二衍射光为所述激光的一级衍射光。

作为一种可选的实施方式，所述激光器包括半导体激光器、红宝石激光器以及氦氖激光器中的一种或多种。

作为一种可选的实施方式，所述半导体激光器包括激光发射器和准直器；

所述激光发射器用于将原始光发射至所述准直器；

所述准直器用于对所述原始光进行准直处理而产生所述激光。

作为一种可选的实施方式，所述滤光器包括共轴的滤光片和滤波狭缝；

所述滤光片设置于所述第一透镜的出射光路上，用于接收所述汇聚光并对所述汇聚光进行滤光处理得到过滤光，并将所述过滤光发射至所述滤波狭缝；

所述滤波狭缝设置于所述滤光片的出射光路上，用于接收所述过滤光并对所述过滤光进行二次滤光处理，得到所述处理光。

作为一种可选的实施方式，所述滤光片包括带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片以及窄带滤光片中的一种或多种。

作为一种可选的实施方式，所述滤波狭缝的形状与所述汇聚光形成的光斑形状相同。

第二方面，本实用新型提供了一种激光雷达，包括相互通信连接的信息处理系统和第一方面所述的光学系统，其中，

所述信息处理系统用于对所述探测光进行信息处理，得到与所述探测光相应的探测结果。

根据本实用新型提供的用于激光雷达降噪的光学系统及激光雷达，可知，该系统中的激光器在输出激光之后，通过扫描镜可以对激光做出衍射与反射的调整，从而使得在待检测物体反馈回反馈光时，扫描镜可以将零级衍射光反馈给激光器，以使激光器形成外腔锁模结构，从而使得激光器能够在设计波长内工作，并且不随温度变化而变化，还能够使得激光器输出激光的光谱带宽变窄；同时，通过第一透镜、滤光器和第二透镜的组合可以对反馈光进行噪声处理，从而得到无干扰(或基本无干扰)的探测光。可见，用于激光雷达降噪的光学系统能够通过多种元件的组合形成噪声抑制结构，从而降低激光器受环境噪声的影响，进而使得激光器可以在任意环境下正常工作。

为使本实用新型的上述目的、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实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对本实用新型范围的限定。

图1是本实用新型第一实施例提供的一种用于激光雷达降噪的光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例提供的一种用于激光雷达降噪的光学系统的结构示意图；

图3是本实用新型第三实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。

主要元件符号说明：

10-激光器；20-扫描镜；30-第一透镜；40-滤光器；41-滤光片；42-滤波狭缝；50-第二透镜；60-探测器；70-信息处理系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常情况下，附图中所示出和描述的本实用新型实施例所包括的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中所提供的本实用新型实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以使固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以使直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有技术中的问题，本实用新型提供了一种用于激光雷达降噪的光学系统及激光雷达，可知，该系统中的激光器在输出激光之后，通过扫描镜可以对激光做出衍射与反射的调整，从而使得在待检测物体反馈回反馈光时，扫描镜可以将零级衍射光反馈给激光器，以使激光器形成外腔锁模结构，从而使得激光器能够在设计波长内工作，并且不随温度变化而变化，还能够使得激光器输出激光的光谱带宽变窄；同时，通过第一透镜、滤光器和第二透镜的组合可以对反馈光进行噪声处理，从而得到无干扰(或基本无干扰)的探测光。可见，用于激光雷达降噪的光学系统能够通过多种元件的组合形成噪声抑制结构，从而降低激光器受环境噪声的影响，进而使得激光器可以在任意环境下正常工作。下面通过实施例进行描述。

为使本实用新型的上述目的、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。

实施例1

请参阅图1，是本实施例提供的一种用于激光雷达降噪的光学系统的结构示意图，该光学系统包括激光器10、扫描镜20、第一透镜30、滤光器 40、第二透镜50以及探测器60，其中，

激光器10用于产生激光并将激光发射至扫描镜20；

扫描镜20设置于激光器10发射的激光的光路上，用于使激光发生衍射而得到第一衍射光和第二衍射光，将第一衍射光反射至激光器10，将第二衍射光反射至待探测物体，并且接收待探测物体反馈的第二反馈光；第二反馈光与第二衍射光相对应；

激光器10还用于接收第一衍射光，并基于第一衍射光形成外腔锁模结构；

第一透镜30设置于激光器10的输出端的后方，用于接收并汇聚第二反馈光，以得到汇聚光；

滤光器40设置于第一透镜30的后方，用于接收汇聚光，并对汇聚光进行噪声滤除而得到处理光；

第二透镜50设置于滤光器40的后方，并且设置于第一透镜30的主光轴上，用于接收并汇聚处理光而得到探测光；

探测器60用于接收探测光，探测器60设置于激光雷达中，是激光雷达的一种激光采集装置。

本实施例中，激光器10用于输出激光至扫描镜20。

本实施例中，第一透镜30设置于激光器10的输出端的后方，并且第一透镜30的主光轴与激光的光路重合，用于接收并汇聚第二反馈光，得到汇聚光。

本实施例中，滤光器40设置于第一透镜30的后方，并且滤光器40设置于与第一透镜30的主光轴上，用于接收汇聚光，并对汇聚光进行噪声滤除得到处理光。

本实施例中，探测器60设置于第二透镜50的后方，并且设置于第一透镜30的主光轴上，用于接收探测光。

本实施例中，激光器10为输出激光的器件，对于激光器10输出的激光种类、波长，以及激光器的型号，本实施例中不作任何限定。

本实施例中，激光器10可以为二氧化碳激光器或者氦氖激光器等激光器10中的一种，本实施例中不作任何限定。

本实施例中，扫描镜20具有反射与衍射的功能，其中，扫描镜20优先对激光器10发出的激光进行衍射，得到多束衍射激光，多束衍射激光再被输出至带探测目标中，以使待探测目标反射会反馈光。

在本实施例中，第二反馈光是由第二衍射光反射得到的，因此，第二反馈光与第二衍射光相对应；其中第一衍射光是零级衍射光，在激光器10 接收到该第一衍射光时，可以使激光器10形成外腔锁模结构，使得激光器 10在设计波长内工作，并且不会随温度变化而变化，同时该激光器10的光谱带宽还会相应变窄。

本实施例中，激光器10、扫描镜20、第一透镜30、滤光器40、第二透镜50以及探测器60均设置于同一轴线上，该轴线可以为第一透镜30和第二透镜50的主光轴。

本实施例中，第一透镜30和第二透镜50为凸透镜，具体的，第一透镜30可以和第二透镜50相同，也可以与第二透镜50不同。

本实施例中，滤光器40为光学滤光片41。

本实施例中，探测器60连接于光缆或者电子设备，当探测器60连接于电子设备时，电子设备可以根据获取到的探测光进行分析，得到相应的分析结果。

可见，实施图1所示的用于激光雷达降噪的光学系统，可以在输出激光之后，通过扫描镜20可以对激光做出衍射与反射的调整，从而使得在待检测物体反馈回反馈光时，扫描镜20可以将零级衍射光反馈给激光器10，以使激光器10形成外腔锁模结构，从而使得激光器10能够在设计波长内工作，并且不随温度变化而变化，还能够使得激光器10输出激光的光谱带宽变窄；同时，通过第一透镜30、滤光器40和第二透镜50的组合可以对反馈光进行噪声处理，从而得到无干扰(或基本无干扰)的探测光。可见，用于激光雷达降噪的光学系统能够通过多种元件的组合形成噪声抑制结构，从而降低激光器10受环境噪声的影响，进而使得激光器10可以在任意环境下正常工作。

实施例2

请参阅图2，是本实用新型第二实施例提供的一种用于激光雷达降噪的光学系统的结构示意图。其中，图2所示的用于激光雷达降噪的光学系统是由图1所示的用于激光雷达降噪的光学系统优化得到的。

如图2所示，扫描镜20的中心位于激光的光路上，并且扫描镜20与激光的光路之间夹角的角度范围为30°～60°。

本实施例中，扫描镜20可以为电子扫描镜。

本实施例中，扫描镜20可以设置于转机上，并随着转机的转动而转动。

本实施例中，扫描镜20与激光光路之间的夹角优选为45°。

作为一种可选的实施方式，扫描镜20包括扫描反射式光栅。

本实施例中，在高反射率的金属上镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽、等距的刻线，这种使白光反射，又能使光色散的光栅，称为反射光栅。

实施这种实施方式，反射式光栅作为扫描镜20可以实现二极管激光器的波长锁定和扫描镜20的功能，从而简化器件的复杂程度。

作为一种可选的实施方式，第一衍射光为激光的零级衍射光，第二衍射光为激光的一级衍射光。

本实施例中，衍射光谱中，中央零级明条纹为零级衍射光。并且，根据光栅方程可知，不同波长由短到长的次序自中央向外侧依次分开排列，其中衍射光的等级便是由此划分得到的。

作为一种可选的实施方式，激光器10包括半导体激光器、红宝石激光器以及氦氖激光器中的一种或多种。

本实施例中，对于激光器10的种类本实施例中不作任何限定。

作为一种可选的实施方式，半导体激光器包括激光发射器和准直器；

激光发射器用于将原始光发射至准直器；

准直器用于对原始光进行准直处理而产生激光。

本实施例中，准直器为凸透镜。

在本实施例中，准直器可以与第一透镜30是相同的透镜。

本实施例中，准直的过程是缩小激光发散角的过程。

作为一种可选的实施方式，滤光器40包括共轴的滤光片41和滤波狭缝42；

滤光片41设置于第一透镜30的出射光路上，用于接收汇聚光并对汇聚光进行滤光处理得到过滤光，并将过滤光发射至滤波狭缝42；

滤波狭缝42设置于滤光片41的出射光路上，用于接收过滤光并对过滤光进行二次滤光处理，得到处理光。

作为一种可选的实施方式，滤光片41包括带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片以及窄带滤光片中的一种或多种。

作为一种优选的实施方式，滤光片41为窄带滤光片。

作为一种可选的实施方式，滤波狭缝42的形状与汇聚光形成的光斑形状相同。

实施这种实施方式，可以通过采用与光斑形状相似的狭缝进行滤波处理，实现滤波的最优化。

举例来说，本实施例中激光器10可以采用经过准直的二极管激光模块，该二极管激光模块用于发射脉冲激光，以使脉冲激光经过反射式光栅，反射式光栅将入射的脉冲激光分束成0级衍射光和1级衍射光，其中，0级衍射光返回二极管激光器内，形成外腔锁模结构，使得二极管激光器工作在设计波长内且不随温度变化而变化(同时该二极管激光器的光谱带宽变窄)。1级衍射光出射至目标物上，经过目标物反射的回波信号经过反射式光栅和聚焦镜后，形成汇聚光束，汇聚光束经过窄带滤光片时滤除背景噪声，再通过与光斑形状相似的狭缝滤波器以使汇聚光束进一步滤除背景光，最后通过二次聚焦镜将回波信号汇聚到探测器60上。

可见，实施图2所示的用于激光雷达降噪的光学系统，可以在输出激光之后，通过扫描镜20可以对激光做出衍射与反射的调整，从而使得在待检测物体反馈回反馈光时，扫描镜20可以将零级衍射光反馈给激光器10，以使激光器10形成外腔锁模结构，从而使得激光器10能够在设计波长内工作，并且不随温度变化而变化，还能够使得激光器10输出激光的光谱带宽变窄；同时，通过第一透镜30、滤光片41、滤波狭缝42和第二透镜50 的组合可以对反馈光进行噪声处理，从而得到无干扰(或基本无干扰)的探测光。可见，用于激光雷达降噪的光学系统能够通过多种元件的组合形成噪声抑制结构，从而降低激光器10受环境噪声的影响，进而使得激光器 10可以在任意环境下正常工作。

实施例3

请参阅图3，是本实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。

如图3所示，该激光雷达包括相互通信连接的信息处理系统70和实施例一或实施例二中所描述的光学系统，其中，

信息处理系统70用于对探测光进行信息处理，得到与探测光相应的探测结果。

可见，实施图3所示的激光雷达，可以通过用于激光雷达降噪的光学系统来抑制噪声，降低激光器10受环境噪声的影响，从而使得激光器10 可以在任意环境下正常工作；同时，信息处理系统70可以与上述光学系统相连接，从而实现探测光的后续处理，从而形成完成的光学探测系统，进而实现了激光雷达的多场景使用，提高了激光雷达的使用通用性。

应理解，说明书通篇中提到的“本实施例中”、“本实用新型实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的多个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“本实施例中”、“本实用新型实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本实用新型所必须的。

在本实用新型的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本实用新型实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应与权利要求的保护范围为准。