激光雷达光学系统的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是涉及一种激光雷达光学系统。

背景技术：

随着科技的进步，人们对车辆安全有了更高的要求，激光雷达技术得到了广泛的应用。激光雷达发射系统向目标投射激光光束，目标面散射回一束激光光束被激光雷达接收系统接收，通过激光光束从发射到接收之间的时间差计算出激光雷达与目标之间的距离。

现有公知的激光雷达系统以固定的视场和分辨率对预定范围内的目标进行检测。由于激光雷达系统的视场和分辨率固定，因此近场扫描和远场扫描之间存在矛盾。如果激光雷达系统视场和分辨率满足远场范围对目标的观测，近场范围内的激光雷达系统的扫描线视场变窄，只能覆盖目标的一部分，不能对探测器前方近场范围内的物空间进行有效的探测。如果激光雷达系统视场和分辨率满足近场范围内对目标的观测，远场范围内的激光雷达系统的扫描线视场将会比待测目标大很多，一部分视场将会高于待测目标，这部分视场内的空间信息对于车辆没有用处，激光雷达的视场不能充分利用。同时，在近场满足探测要求的情况下，远场激光雷达的分辨率变低，相邻扫描路径之间存在很大的盲区，这样造成激光雷达系统对指定范围内目标的检测不充分，不能给出待测目标准确信息。

举例来说，图1为现有激光雷达在近场和远场的竖直方向视场和分辨率的示意图。激光雷达在竖直方向上的扫描线数为N，激光雷达的近场扫描视场为α，近场扫描分辨率为α/(N-1)，激光雷达的近场范围为0～L1，激光雷达在L1处竖直方向的扫描线视场大致为H1＝L1×tanα，物方竖直方向扫描分辨率为h1＝H1/(N-1)。此时在车辆前方近场的范围内，激光雷达满足了合适的扫描范围，同时也保证了近场扫描的精细度。在这种近场模式的情况下，远场L2处激光雷达的扫描线视场大致为H2＝L2×tanα，物方扫面分辨率为h2＝H2/(N-1)。由于L2是L1的3～5倍，甚至10倍，因此H2比H1大的多，此时激光雷达的上方扫描视场其实已经位于前方车辆的上方，激光雷达的探测视场超出了实际可用的范围，造成很大部分视场的浪费。同时，h2相比h1也会大很多，h2是h1的3～5倍，甚至10倍。由于激光雷达没有充足的竖直方向扫描分辨率，相邻两路扫描之间存在很大的盲区。

激光雷达的远场范围为L1～L2，当激光雷达处于远场模式的情况下，激光雷达远场的竖直方向扫描视场为β，扫描分辨率为β/(N-1)，激光雷达在L2处扫描的线视场为H3＝L2×tanβ，物方扫面分辨率为h3＝H3/(N-1)。激光雷达对车辆前方远场目标进行探测，满足激光雷达远场扫描的精细度，同时也保证了足够的竖直方向扫描视场。但是在远场模式的情况下，近场L1处激光雷达的扫描线视场为H4＝L1×tanβ，物方扫面分辨率为h4＝H4/(N-1)，由于L2是L1的3～5倍，甚至10倍，因此H4比H3小很多，在H3满足扫描视场的情况下，H4比实际需要的扫描范围小很多，仅能探测到探测器前方车辆的一小部分，不能给出足够的物空间信息，不能满足近场情况下视场的需求。

可见，满足近视场要求的激光雷达不适用于进行远视场扫描，满足远视场要求的激光雷达不适用于进行近视场扫描，因此需要一种可切换视场的激光雷达光学系统，以满足对不同视场和分辨率的要求。

技术实现要素：

针对以上缺陷，本发明提供一种激光雷达光学系统，可以实现近视场和远视场之间的切换，以满足对不同视场和分辨率的要求。

本发明提供的激光雷达光学系统包括激光发射装置、激光接收装置和调节单元，其中：

所述激光发射装置包括第一激光光源、第二激光光源、第一分光器件和变焦准直镜组，所述第一分光器件的设置位置适于使所述第一激光光源发出的激光在所述第一分光器件上反射后进入所述变焦准直镜组及使所述第二激光光源发出的激光在所述第一分光器件上透射后进入所述变焦准直镜组，所述变焦准直镜组用于对接收到的激光进行准直后投射至所述变焦准直镜组的当前焦长所对应的视场范围内；

所述激光接收装置包括第一探测器、第二探测器、第二分光器件和变焦汇聚镜组，所述变焦汇聚镜组用于对所述变焦汇聚镜组的当前焦长所对应的视场范围内散射回的激光进行汇聚，所述第二分光器件的设置位置适于使所述变焦汇聚镜组汇聚的激光在所述第二分光器件上反射后进入所述第一探测器及使所述变焦汇聚镜组汇聚的激光在所述第二分光器件上透射后进入所述第二探测器；

所述调节单元用于调节所述变焦准直镜组和所述变焦汇聚镜组的焦长。

可选的，所述系统还包括：

第一滤光片，设置在所述第一探测器和所述第二分光器件之间，用于抑制外部杂散光对所述第一探测器的干扰；和/或

第二滤光片，设置在所述第二探测器和所述第二分光器件之间，用于抑制外部杂散光对所述第二探测器的干扰。

可选的，所述第一激光器和所述第二激光器适于发出相同波长的激光，所述第一分光器件和所述第二分光器件为中性分光镜。

可选的，所述中心分光镜的分光比为0.5～0.9。

可选的，所述第一激光器和所述第二激光器适于发出不同波长的激光，所述第一分光器件和所述第二分光器件为双色分光镜。

可选的，所述变焦准直镜组和/或所述变焦汇聚镜组包括液态透镜、正透镜和负透镜。

可选的，所述第一激光光源和/或所述第二激光光源包括呈阵列式排布的多个半导体激光器或者一个阵列式激光器。

可选的，所述第一探测器和/或所述第二探测器包括呈阵列式排布的多个雪崩二极管或者一个阵列式雪崩二极管。

可选的，所述第一激光光源的发光面与所述第一探测器的光敏接收面的大小相匹配，和/或，所述第二激光光源的发光面与所述第二探测器的光敏接收面的大小相匹配。

可选的，所述激光发射装置、和所述激光接收装置分布在所述光学系统的中轴线两侧。

本发明提供的光学系统通过控制第一激光光源和第二激光光源的切换，第一探测器和第二探测器的切换，以及变焦准直镜组和变焦汇聚镜组的焦长变换，便可以实现近视场和远视场之间的切换，使光学系统在需要进行近视场扫描时切换至近视场模式，在需要进行远视场扫描时切换至远视场模式，以满足对不同视场和分辨率的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1示出了现有激光雷达在竖直方向的远近视场示意图；

图2示出了本发明一实施例中激光雷达光学系统的结构示意图；

图3示出了本发明一实施例中激光发射装置处于近视场模式下的示意图；

图4示出了本发明一实施例中激光接收装置处于近视场模式下的示意图；

图5示出了本发明一实施例中激光雷达光学系统在近视场模式下的示意图；

图6示出了本发明一实施例中激光雷达光学系统在远视场模式下的示意图；

附图标记说明：

100-激光发射装置；110-第一激光光源；120-第二激光光源；130-第一分光器件；140-变焦准直镜组；141-变焦准直镜组的液态透镜；142-负透镜；143-正透镜；

200-激光接收装置；210-第一探测器；220-第二探测器；230-第二分光器件；240-变焦汇聚镜组；241-变焦汇聚镜组的液态透镜；242-变焦汇聚镜组的负透镜；243-变焦汇聚镜组的正透镜；251-第一滤光片；252-第二滤光片；

300-激光雷达光学系统的中轴线；301-激光发射装置的中轴线；302-激光接收装置的中轴线。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

本发明提供一种激光雷达光学系统，如图2所示，该系统包括激光发射装置100、激光接收装置200和调节单元，其中：

所述激光发射装置100包括第一激光光源110、第二激光光源120、第一分光器件130和变焦准直镜组140，所述第一分光器件130的设置位置适于使所述第一激光光源110发出的激光在所述第一分光器件130上反射后进入所述变焦准直镜组140及使所述第二激光光源120发出的激光在所述第一分光器件130上透射后进入所述变焦准直镜组140，所述变焦准直镜组140用于对接收到的激光进行准直后投射至所述变焦准直镜组140的当前焦长所对应的视场范围内；

所述激光接收装置200包括第一探测器210、第二探测器220、第二分光器件230和变焦汇聚镜组240，所述变焦汇聚镜组240用于对所述变焦汇聚镜组240的当前焦长所对应的视场范围内散射回的激光进行汇聚，所述第二分光器件230的设置位置适于使所述变焦汇聚镜组240汇聚的激光在所述第二分光器件230上反射后进入所述第一探测器210及使所述变焦汇聚镜组240汇聚的激光在所述第二分光器件230上透射后进入所述第二探测器220；

所述调节单元用于调节所述变焦准直镜组140和所述变焦汇聚镜组240的焦长。

可理解的是，本发明提供的光学系统中的激光发射装置100向车辆前方发射经过准直的激光光束，激光光束照射在车辆前方一定范围内的物体或者路面上，然后被物体表面或者路面散射回的激光光束被激光接收装置200接收，通过计算激光光束从发射到接收的时间得到车辆前方指定范围内的空间信息。

可理解的是，发射装置的发射视场大小决定于激光光源的整体尺寸和变焦准直镜组140的焦长，分辨率大小决定于激光光源的中相邻激光器的距离和变焦准直镜组140的焦长。类似的，接收装置的接收视场决定于探测器的整体尺寸和变焦汇聚镜组240的焦长，分辨率的大小决定于探测器内相邻探测单元的间距和变焦汇聚镜组240的焦长。因此，在激光光源的整体尺寸和其内部相邻激光器之间间距不变的情况下，可以通过控制变焦准直镜组140的焦长，控制发射视场的大小和分辨率。同样的，在探测器的整体尺寸和内部探测单元之间的间距不变的情况下，可以通过控制变焦汇聚镜组240的焦长，控制接收视场的大小和分辨率。

假设在变焦准直镜组140的焦长为第一焦长、第一激光光源110的当前整体尺寸和第一激光光源110内部的激光器之间的当前间距对应的发射视场为近视场，在变焦准直镜组140的焦长为第二焦长、第一激光光源110的当前整体尺寸和第一激光光源110内部的激光器之间的当前间距对应的发射视场为远视场，在变焦汇聚镜组240的焦长为第三焦长、第二探测器220的当前整体尺寸和第二探测器220内的探测单元之间的当前间距对应的接收视场为近视场，在变焦汇聚镜组240的焦长为第四焦长、第二探测器220的当前整体尺寸和第二探测器220内的探测单元之间的当前间距对应的接收视场为远视场的情况下，对本发明提供的光学系统进行说明：

(1)控制第一激光光源110和第一探测器210工作，第二激光光源120和第二探测器220不工作，将变焦准直镜组140的焦长调节为第一焦长，将变焦汇聚镜组240的焦长调节为第三焦长。此时，第一激光光源110发出激光，该激光在第一分光器件130的反射部分进入变焦准直镜组140，经变焦准直镜组140准直后投射出去。此时的激光发射装置100对应近视场，因此变焦准直镜组140会将激光透射至近视场。同时，此时的激光接收装置200对应近视场，因此变焦准直镜组140投射出去的激光在目标面上散射后会被变焦汇聚镜组240接收，接收到的激光被变焦汇聚镜组240汇聚后发送至第二分光器件230，第二分光器件230对激光的反射部分投射至第一探测器210上，从而完成近视场的激光发射和接收。

也就是说，当调节单元将变焦准直镜组140的焦长调节至第一焦长并将所述变焦汇聚镜组240的焦长调节至第三焦长时，第一焦长的变焦准直镜组140用于对接收到的激光投射到近视场内，第三焦长的变焦汇聚镜组240用于对近视场内散射回的激光进行汇聚后发射至所述第二分光器件230，可以实现近视场的目标测距。

(2)控制第一激光光源110和第一探测器210不工作，第二激光光源120和第二探测器220工作，将变焦准直镜组140的焦长调节为第二焦长，将变焦汇聚镜组240的焦长调节为第四焦长。此时，第二激光光源120发出激光，该激光在第一分光器件130的透射部分进入变焦准直镜组140，经变焦准直镜组140准直后投射出去。此时的激光发射装置100对应远视场，因此变焦准直镜组140会将激光透射至远视场。同时，此时的激光接收装置200对应远视场，因此变焦准直镜组140投射出去的激光在目标面上散射后会被变焦汇聚镜组240接收，接收到的激光被变焦汇聚镜组240汇聚后发送至第二分光器件230，第二分光器件230对激光的透射部分投射至第二探测器220上，从而完成远视场的激光发射和接收。

也就是说，当调节单元将所述变焦准直镜组140的焦长调节至第二焦长并将所述变焦汇聚镜组240的焦长调节至第四焦长，第二焦长的变焦准直镜组140用于对接收到的激光投射到远视场内，第四焦长的变焦汇聚镜组240用于对远视场内散射回的激光进行汇聚后发射至所述第二分光器件230，可以实现远视场的目标测距。

由上可知，本发明提供的光学系统通过控制第一激光光源110和第二激光光源120的切换，第一探测器210和第二探测器220的切换，以及变焦准直镜组140和变焦汇聚镜组240的焦长变换，便可以实现近视场和远视场之间的切换，使光学系统在需要进行近视场扫描时切换至近视场模式，在需要进行远视场扫描时切换至远视场模式，以满足对不同视场和分辨率的要求。

在具体实施时，如图2所示，可以将激光发射装置100和激光接收装置200设置在系统的中轴线300两侧。为保证发射与接收的匹配，不论是在近视场场景下还是远视场场景下，尽量使发射装置的视场与接收装置的视场相同，发射装置的分辨率与接收装置的分辨率相同。另外，为保证发射与接收的匹配，还可尽量使所述第一激光光源110的发光面与所述第一探测器210的光敏接收面的大小相匹配，和/或，所述第二激光光源120的发光面与所述第二探测器220的光敏接收面的大小相匹配。

在具体实施时，所述第一激光光源110和/或所述第二激光光源120可以包括呈阵列式排布的多个半导体激光器。由于发射视场大小由激光光源的整体尺寸和变焦准直镜组140的焦长决定，发射装置的分辨率大小由激光光源内相邻激光器之间的间距和变焦准直镜组140的焦长决定，因此为便于仅根据变焦准直镜组140的焦长控制视场大小和分辨率大小，第一激光光源110和第二激光光源120可以采用相同型号且排布方式相同的激光光源。当然，在其他实施例中，第一激光光源110和第二激光光源120也可以采用不同型号、排布方式不同的激光光源。当然，在其他实施例中，第一激光光源110和/或第二激光光源120还可以采用一个阵列式激光器，利用一个激光器同时实现多路激光的发射。

在具体实施时，第一激光光源110和第二激光光源120可以发出相同的激光，此时第一探测器210和第二探测器220的响应范围包括激光光源发出的激光对应的中心波长，而且此时可以采用中性分光镜作为第一分光器件130，中性分光镜可以对一部分的入射光进行反射，对一部分的入射光进行透射。同样的，此时第二分光器件230也可以采用中性分光镜。其中，中性分光镜的分光比可以为0.5～0.9，例如0.7，当然还可以是其他值。

在具体实施时，第一激光光源110和第二激光光源120可以发出不同波长的激光，例如第一激光光源110发出波长为λ₁的激光，第二激光光源120发出波长为λ₂的激光，此时第一探测器210的响应范围与第一激光光源110的中心波长匹配，第二探测器220的响应范围与第二激光光源120的中心波长匹配。而且此时还可以采用双色分光镜作为第一分光器件130，双色分光镜对第一激光光源110发出的波长为λ₁的激光进行反射，而对第二激光光源120发出的波长为λ₂的激光进行透射。同样的，此时第二分光器件230也可以采用双色分光镜。

在具体实施时，可将第二激光光源设置在变焦准直镜组的中轴线301上，同样的，可将第二探测器设置在变焦汇聚镜组的中轴线302上。

在具体实施时，变焦准直镜组140可以包括液态透镜141、正透镜143和负透镜142，其中正透镜143和负透镜142为常规透镜，其焦距不会发生变化。而液态透镜141可以通过施加在前后两种液体之间的电压来改变中间界面的曲率，准直液体透镜141的屈光度随之发射变化，进而改变整个变焦准直镜组140的焦长。实际应用中，液体透镜、常规透镜的数量可以根据需要选择，对此本发明不做限定。

在具体实施时，所述第一探测器210和/或所述第二探测器220包括呈阵列式排布的多个雪崩二极管。由于接收视场大小由探测器的整体尺寸和变焦汇聚镜组240的焦长决定，接收装置的分辨率大小由探测器内相邻探测单元之间的间距和变焦汇聚镜组240的焦长决定，因此为便于仅根据变焦汇聚镜组240的焦长控制视场大小和分辨率大小，可以采用相同型号且排布方式相同的雪崩二极管。当然，在其他实施例中，第一探测器210和第二探测器220也可以不同型号、不同排布方式的雪崩二极管。当然，在其他实施例中，还可以采用一个阵列式雪崩二极管，利用一个阵列式雪崩二极管同时实现多路激光的接收。

在具体实施时，变焦汇聚镜组240可以包括液态透镜241、正透镜242和负透镜243，其中正透镜242和负透镜243为常规透镜，其焦距不会发生变化。而液态透镜241可以通过施加在前后两种液体之间的电压来改变中间界面的曲率，液体透镜的屈光度随之发射变化，进而改变整个变焦汇聚镜组240的焦长。实际应用中，液体透镜、常规透镜的数量可以根据需要选择，对此本发明不做限定。

在具体实施时，变焦准直镜组140和变焦汇聚镜组240可以采用相同形式的镜组，也可以采用不同形式的镜组。

在具体实施时，本发明提供的系统还可以包括第一滤光片251和第二滤光片252，其中：第一滤光片251设置在所述第一探测器210和所述第二分光器件230之间，用于抑制外部杂散光对所述第一探测器210的干扰；和/或，第二滤光片252设置在所述第二探测器220和所述第二分光器件230之间，用于抑制外部杂散光对所述第二探测器220的干扰。

这里，利用第一滤光片251和/或第二滤光片252对杂散光进行抑制，提高测量精确度。实际应用时，为保证滤光片的抑制效果，尽量使第一滤光片251的中心波长与第一激光光源110、第一探测器210的中心波长一致，使第二滤光片252的中心波长与第二激光光源120、第二探测器220的中心波长一致。

如图3所示，当第一激光光源110工作时，第二激光光源120不工作，经调节单元调节使变焦准直镜组140的焦长为第一焦长f1，第一激光光源110发出的激光进第一分光器件130反射后进入变焦准直镜组140，经过变焦准直镜组140准直后出射。此时，第一激光光源110的尺寸、相邻激光器之间的间距和变焦准直镜组140的焦长决定了近发射视场和在竖直方向上的分辨率。如图4所示，当第一激光光源110不工作时，第二激光光源120工作，经调节单元调节使变焦准直镜组140的焦长为第二焦长f2，第二激光光源120发出的激光进第一分光器件130反射后进入变焦准直镜组140，经过变焦准直镜组140准直后出射。此时，第二激光光源120的尺寸、相邻激光器之间的间距和变焦准直镜组140的焦长决定了远发射视场和在竖直方向上的分辨率。为了满足远、近发射视场和对应的分辨率，变焦准直镜组140的焦长f1小于变焦准直镜组140的焦长f2。

如图5所示，在第一探测器210工作，第二探测器220不工作时，经调节单元调节使变焦汇聚镜组240的焦长为第三焦长f3，在第一探测器210对应的接收视场内反射回来的激光经变焦汇聚镜组240汇聚后再经第二分光器件230反射后进入第一探测器210内，第一探测器210的整体尺寸、第一探测器210内部探测单元之间的间距和变焦汇聚镜组240的焦长决定此时的近接收视场和在竖直方向上的分辨率。如图6所示，在第一探测器210不工作，而第二探测器220工作时，经调节单元调节使变焦汇聚镜组240的焦长为第四焦长f4，在第二探测器220对应的接收视场内反射回来的激光经变焦汇聚镜组240汇聚后再经第二分光器件230透射后进入第二探测器220内，第二探测器220的整体尺寸、第二探测器220内部探测单元之间的间距和变焦汇聚镜组240的焦长决定此时远接收视场和在竖直方向上的分辨率。为了满足在近、远接收视场和对应的分辨率，变焦汇聚镜组240的焦长f3小于变焦汇聚镜组240的焦长f4。

在图5中还可以看出，在激光雷达对近视场内的目标进行观测时，激光发射装置100和激光接收装置200均处于近视场模式，此时变焦准直镜组140中的液态透镜和变焦汇聚镜组240中的液态透镜的屈光度分别为Q1和Q3，变焦准直镜组140和变焦汇聚镜组240的焦长分别为f1和f3，第一激光光源110发出N路激光，经过第一分光器件130，然后被变焦准直镜组140准直后出射，此时N路激光光束的扫描视场为α，竖直方向相邻两路之间的扫描分辨率为α/(N-1)。近场模式下，激光接收装置200与激光接收装置200的视场和分辨率分别对应一致，近视场内目标物反射回来的激光光束被变焦汇聚镜组240接收、汇聚后经第二分光器件230反射，最后被第一探测器210接收。

在图6中还可以看出，在激光雷达对远视场内的目标进行观测时，激光发射装置100和激光接收装置200均处于远视场模式，此时变焦准直镜组140中的液态透镜和变焦汇聚镜组240中的液态透镜的屈光度分别为Q2和Q4，变焦准直镜组140和变焦汇聚镜组240的焦长分别为f2和f4，第二激光光源120发出N路激光，经过第二分光器件230，然后被变焦准直镜组140准直后出射，此时N路激光光束的扫描视场为β，竖直方向相邻两路之间的扫描分辨率为β/(N-1)。近场模式下，激光接收装置200与激光接收装置200的视场和分辨率分别对应一致，远视场内目标物反射回来的激光光束被变焦汇聚镜组240接收、汇聚后经第二分光器件230反射，最后被第二探测器220接收。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。