一种光路系统及激光雷达的制作方法

[0001]
本实用新型涉及检测领域，特别是涉及一种光路系统及激光雷达。


背景技术：

[0002]
在自动驾驶等领域中，激光雷达的水平分辨率、垂直分辨率和刷新率越高，对自动驾驶的安全性就越好。现有技术中的激光雷达，主要分为两大类，第一类为旋转式多线激光雷达，第二类为非旋转式激光雷达即固态激光雷达。
[0003]
第一类采用机械旋转方式实现三维扫描可以满足无人驾驶对0.1
°
水平分辨率(360
°
)、0.2-0.3
°
垂直分辨率(上下15
°
)及10-20帧刷新频率的技术要求，但在垂直方向上分辨率和激光发射器和接收器数量成正比，例如在垂直方向上30
°
视场内要细分128份，则需要128个激光发射器和128个接收器，且量产过程中必须对每个发射器和接收器进行标定，人力投入大，产品良率低。因此现有技术中的使用多个激光器的机械旋转式激光雷达成本很高。
[0004]
第二类固态激光雷达有三种，第一种为mems(微机电系统)方案，采用微型mems扫描镜来控制激光束；另一种采用称为光学相控阵的技术来控制激光束，而无需任何运动部件；第三种则被称为泛光(flash)成像lidar，无需光束转向，只需一次闪光即可照明整个场景，再通过类似于数码相机的二维阵列图像传感器探测反射回来的光线。但第二类固态激光雷达只能扫描一个方向，无法360
°
扫描，必须多个这样的固态雷达配合才能达到第一类激光雷达的效果，且只有第一类技术比较成熟，所以成本也无法大幅下降及量产。
[0005]
发明专利cn107153185a公开了一种激光雷达及激光雷达控制方法，采用垂直振镜和水平旋转结构配合完成三维扫描，采用一个发射器通过振镜实现垂直方向扫描，代替多个发射器以求降低成本及结构的复杂性，但由于无人驾驶对激光雷达水平分辨率要求0.1
°
及刷新频率10帧或以上，并且测量距离要达到200m，根据这技术要求水平方向每扫过0.1
°
的时间为27μs，而每一次测量时间至少2μs，在垂直方向上只能测量13次，即垂直分辨率只能做到2.2
°
，所以达不到第一种多发射器/接收器激光雷达的技术参数要求，无法完全替代上述的第一类激光雷达。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型的目的在于提供一种提高垂直方向分辨率的光路系统。
[0007]
本实用新型还提供一种包含此光路系统的激光雷达。
[0008]
本实用新型所采取的技术方案是：
[0009]
根据本实用新型第一方面实施例的光路系统，其包括n个以圆周等分方式同步发光光源、旋转多面体棱镜和固定多面体棱镜，光线射入旋转多面体棱镜，经过所述旋转多面体棱镜反射或折射后形成扫描光，所述扫描光经所述固定多面体棱镜反射形成n个同步从圆心向外方向射出的垂直方向扫描光。
[0010]
本实用新型的有益效果：此光路系统，n个同步光线射入旋转多面体棱镜，经过旋
转多面体棱镜形成n个扫描光，扫描光经固定多面体棱镜反射后形成n个同步从圆心向外方向射出的垂直方向扫描光，相对于一个光源时的刷新率将提高n倍刷新率，在保持1/n的刷新率时则相应增加每个水平角度扫描时长，提高水平扫描角内的垂直方向扫描时间，倍数级提高垂直方向上的分辨率。
[0011]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述旋转多面体棱镜为圆形，所述旋转多面体棱镜由n个第一反射面组成，各所述第一反射面与水平方向成45
°
夹角设置，所述固定多面体棱镜由第二反射面和第三反射面组成，所述第二反射面与水平方向成45
°
夹角并与第一反射面按水平方向旋转90
°
设置，所述第三反射面垂直设置并与经第二反射面反射出的光路成45
°
角设置，光线经所述旋转多面体棱镜反射后形成n个同步、扫描角为360
°
/n的扫描光。
[0012]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述旋转多面体棱镜由n个楔形棱镜阵列成圆形，所述固定多面体棱镜的每一面与旋转多面体棱镜的各楔形棱镜面对应设置，光线经所述旋转多面体棱镜折射形成n个同步、扫描角为360
°
/n的扫描光。
[0013]
一种激光雷达，其包括至少两个用于发射探测激光的激光发射器、如前面所述的光路系统、水平旋转结构、电机控制模组，所述光路系统用于将至少两个点光源形成以圆周等分方式从圆心向外射出的垂直方向扫描光，所述旋转多面体棱镜、固定多面体棱镜以及激光发射器均安装在所述水平旋转结构上，所述电机控制模组包括一号电机控制模组和二号电机控制模组，所述一号电机控制模组驱动旋转多面体棱镜旋转，所述二号电机控制模组驱动水平旋转结构运动。
[0014]
此激光雷达，包括n个激光发射器、光路系统、水平旋转结构、电机控制模组，通过n个激光发射器发出的激光经光路系统发出垂直方向扫描光，在刷新率为1/n的情况下可以减低旋转速度，增加每个水平角度扫描时长，从而提高该水平扫描角内的垂直方向扫描时间，倍数级的提高垂直方向上分辨率，降低激光雷达的成本以及标定工作，提高激光雷达的垂直分辨率，达到多路发射器的多线激光雷达的技术参数要求，通过电机控制模组带动水平旋转结构旋转，从而带动激光发射器、旋转多面体棱镜同步旋转，从而实现360
°
的三维扫描。
[0015]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述激光发射器以圆周等分方式设置。
[0016]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述一号电机控制模组和二号电机控制模组上均安装有用于确定激光在水平及垂直方向上的发射角度的码盘。
[0017]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，还包括接收器，所述接收器与激光发射器数量相等，所述接收器等间隔安装在一壳体内。
[0018]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，还包括聚焦单元，所述聚焦单元设置在接收器之前，所述聚焦单元聚焦反射激光到接收器。
[0019]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述接收器为apd或sipm传感器。
[0020]
进一步作为本实用新型技术方案的改进，还包括准直单元，所述准直单元设置在所述激光发射器和旋转多面体棱镜之间，所述准直单元用于准直所述激光发射器发射的出射激光。
附图说明
[0021]
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0022]
图1为本实用新型光路系统实施例2示意图；
[0023]
图2为本实用新型含有光路系统实施例2的激光雷达俯视图；
[0024]
图3为本实用新型含有光路系统实施例2的激光雷达主视图；
[0025]
图4为本实用新型光路系统实施例1示意图；
[0026]
图5为本实用新型含有光路系统实施例1的激光雷达俯视图
[0027]
图6为本实用新型含有光路系统实施例1的激光雷达俯视图。
具体实施方式
[0028]
本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0029]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
[0030]
在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0031]
本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
[0032]
参照图4，一种光路系统，其包括n个以圆周等分方式同步发光光源、旋转多面体棱镜300、固定多面体棱镜400。光线射入旋转多面体棱镜300，经过旋转多面体棱镜300后反射或折射形成扫描光，扫描光经固定多面体棱镜400反射形成n个同步从圆心向外方向射出的垂直方向扫描光。参照图4，在实施例1中，旋转多面体棱镜300为圆形，旋转多面体棱镜300由若干第一反射面310组成，各第一反射面310与水平方向成45
°
夹角设置，固定多面体棱镜400由第二反射面410和第三反射面420组成，第二反射面410与水平方向45
°
夹角并与第一反射面310按水平方向旋转90
°
设置，第三反射面420垂直设置并与经第二反射面410反射出的光路成45
°
角设置。光线射入旋转中的第一反射面310反射后形成有一定夹角的、向上方向的扫描光，通过第二反射面410改变90
°
方向射到第三反射面420，通过第三反射面420形成圆心向外方向射出的垂直方向扫描光。
[0033]
参照图1，在实施例2中，旋转多面体棱镜300包括n个面，旋转多面体棱镜300有圆形楔形棱镜按角度均分切割为1/n份并取其中一份阵列成圆形组成，固定多面体棱镜400的每一面以一个固定的夹角对应旋转多面体棱镜300的每一个1/n份楔形棱镜面。光线射入旋转多面体棱镜300，每经过1/n分楔形棱镜面后出射光形成一定扫描角、向上的扫描光，经固
定多面体棱镜400反射形成从圆心向外方向射出的垂直方向的扫描光，对被测物体进行扫描，有效地提高垂直分辨率以及刷新率。
[0034]
参照图2和图3以及图5和图6，一种激光雷达，其包括至少两个用于发射探测激光的激光发射器100、如前面所述的光路系统、水平旋转结构200、电机控制模组500。光路系统用于将至少两个点光源形成以圆周等分方式从圆心向外射出的垂直方向扫描光，旋转多面体棱镜300、固定多面体棱镜400以及激光发射器100均安装在水平旋转结构200上，电机控制模组500包括一号电机控制模组510和二号电机控制模组520，一号电机控制模组510驱动旋转多面体棱镜300旋转，使光源形成一个方向的扫描光，再通过固定多面体棱镜400将该方向的扫描光转为从圆心向外方向射出的垂直方向扫描光，二号电机控制模组520驱动水平旋转结构200运动。一号电机控制模组510设置在旋转多面体棱镜300的下方，二号电机控制模组520设置在水平旋转结构200的下方。
[0035]
光路系统嵌入水平旋转结构200上，水平旋转结构200带动n个方向的垂直扫描光束旋转，实现对环境目标进行连续多点的三维空间扫描，通过此光路系统与水平旋转结构200结合，可以满足0.1
°
水平分辨率(360
°
)、0.1-0.2
°
垂直分辨率(上下15
°
)以及10帧刷新频率的技术要求。
[0036]
在本实施例中，激光发射器100以圆周等分方式设置。在刷新率不变的情况下，可以减低旋转速度，增加每个水平角度的扫描时长，从而提高该水平扫描角内的垂直方向扫描时间，倍数级的提高垂直方向上分辨率，可以有效地降低激光雷达的成本，提高激光雷达的垂直分辨率。
[0037]
其中，一号电机控制模组510和二号电机控制模组520上均安装有用于确定激光在水平及垂直方向上的发射角度的码盘530。
[0038]
在一个实施例中，还包括接收器600，接收器600与激光发射器100数量相等，接收器600等间隔安装在一壳体内。为了更好地接收信号，在接收器600之前设置有聚焦单元，聚焦单元聚焦反射激光到接收器600。其中，接收器600为apd或sipm传感器。在本实施例中，在壳体内侧以圆周等距离均匀设置有8个接收器600.
[0039]
进一步地，在激光发射器100和旋转多面体棱镜300之间设置有准直单元，准直单元用于准直激光发射器100发射的出射激光。
[0040]
此激光雷达包括n个(至少两个)激光发射器100、光路系统、水平旋转结构200、电机控制模组，通过n个激光发射器100发出的激光经光路系统后发出垂直方向的扫描光，在刷新率为1/n的情况下可以减低旋转速度，增加每个水平角度扫描时长，从而提高水平扫描角内垂直方向的扫描时间，倍数级的提高垂直方向上分辨率，降低激光雷达的成本以及标定工作量，提高激光雷达的垂直分辨率，达到多路发射器的多线激光雷达的技术要求，通过电机控制模组带动水平旋转结构旋转，从而带动激光发射器、旋转多面体棱镜以及固定多面体棱镜同步旋转，从而实现360
°
的三维扫描。
[0041]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。