激光雷达光学装置及激光雷达系统的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学装置及激光雷达系统。

背景技术：

激光雷达是激光技术与大气光学、目标和环境特性、雷达技术、光机电一体化、计算机技术等相结合的产物。激光作为其光源，有着单色性好、准直性高、相干性强等优点，被广泛的用于距离测量，大气探测，道路监控等各个领域。

目前大多数激光雷达系统以固定的垂直视场和分辨率对预定范围内的目标进行检测，垂直视场角关于中轴线对称的结构比较常见也相对简单一些，如果要将垂直视场角变为非对称分布的形式，或者改变整个系统的垂直分辨率，需要对整个激光雷达的结构重新进行设计并重新进行调试。同时这种设计有一定的局限性，只能满足该垂直视场分布的需求，若需要得到其它垂直视场角或者垂直分辨率的激光雷达系统，还需要再次进行设计与调试，花费大量的人力和物力成本。

技术实现要素：

本实用新型提供一种激光雷达光学装置及激光雷达系统，以在不需要重新设计和调试激光发射器件的基础上，实现改变激光雷达系统的垂直视场分布，降低人力和物力成本，简化调试工艺，缩短制造周期，提高效率。

本实用新型的第一方面是提供一种激光雷达光学装置，包括：激光发射单元和激光接收单元；

其中，所述激光发射单元包括激光发射器件、第一楔形镜以及准直镜组，所述准直镜组用于对所述激光发射器件的出射激光进行准直，所述第一楔形镜用于改变所述激光发射器件的出射激光的光轴方向，进而改变激光雷达的垂直视场分布；

所述激光接收单元包括激光探测器件、第二楔形镜以及汇聚镜组，所述汇聚镜组用于对回波光束进行汇聚，所述第二楔形镜用于改变所述回波光束的光轴方向，并由所述激光探测器件接收。

进一步的，所述第一楔形镜位于所述激光发射器件和所述准直镜组之间；或者，所述第一楔形镜位于所述准直镜组背离所述激光发射器件的一侧；或者，所述第一楔形镜位于所述准直镜组中相邻两个镜片之间；

所述第二楔形镜位于所述汇聚镜组和所述激光探测器件之间；或者，所述第二楔形镜位于所述汇聚镜组背离所述激光探测器件的一侧；或者，所述第二楔形镜位于所述汇聚镜组中相邻两个镜片之间。

进一步的，所述第一楔形镜的折射率在垂直方向上具有梯度折射率。

进一步的，所述第一楔形镜的梯度折射率的梯度数量小于或等于所述激光发射器件的数量，且每一梯度上至少有一束出射激光通过。

进一步的，所述激光发射器件的数量不少于2个，且垂直方向上相邻两路出射激光的光轴的夹角不小于0.2°；和/或

所述第一楔形镜的楔角为大于0°、且小于或等于54°；和/或

所述第一楔形镜的梯度折射率的范围为1.3～2.45。

进一步的，所述第二楔形镜的折射率在垂直方向上具有梯度折射率。

进一步的，所述第二楔形镜的梯度设置率的梯度数量小于或等于所述激光探测器件的数量，且每一梯度上至少有一束回波光束通过。

进一步的，所述激光探测器件的数量不少于2个，且垂直方向上相邻两路激光探测器件的光轴的夹角不小于0.2°；和/或

所述第二楔形镜的楔角为大于0°、且小于或等于54°；和/或

所述第二楔形镜的梯度折射率的范围为1.3～2.45。

进一步的，所述准直镜组包括至少一片自由曲面透镜或球面镜；和/或

所述汇聚镜组包括至少一片自由曲面透镜或球面镜。

本实用新型的第二方面是提供一种激光雷达系统，包括：如第一方面所述的激光雷达光学装置、以及旋转支撑单元、电路控制单元和信号处理单元。

本实用新型提供的激光雷达光学装置及激光雷达系统，通过在激光发射单元增设第一楔形镜，由第一楔形镜改变激光发射器件的出射激光的光轴方向，由准直镜组对激光发射器件的出射激光进行准直，所得到的垂直视场分布则为所需的非对称视场分布，再通过在激光接收单元增设第二楔形镜，由第二楔形镜改变回波光束的光轴方向，由汇聚镜组对回波光束进行汇聚，从而实现激光探测器件对回波光束的接收。本实用新型可以在不改变激光发射器件和激光探测器件的角度的情况下，通过增设第一楔形镜实现改变垂直视场分布，并且采用不同的第一楔形镜可实现不同的垂直视场分布，不需要对其他器件的改变和调试，降低了设计难度，简化调试工艺，缩短制造周期，降低制造成本；并且在增设了第一楔形镜和第二楔形镜后可以减小边缘像差，显著改善边缘视场光束的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中对称视场的激光雷达系统光路的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光雷达光学装置的原理图；

图4为本实用新型另一实施例提供的激光雷达光学装置结构及光路的示意图。

附图标记：

100-激光发射单元；110-激光发射器件；

120-第一楔形镜；130-准直镜组；

200-激光接收单元；210-激光探测器件；

220-第二楔形镜；230-汇聚镜组；

300-电路控制单元；400-旋转支撑单元；

500-信号处理单元；600-被测物体。

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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、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，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

现有技术中的激光雷达通常采用对称视场的激光雷达系统，其光路示意图如图1所示，对称视场的激光雷达系统的垂直视场交的平分线为系统的中轴线，如图1中的激光雷达系统具有3个激光发射器件110，其中最上方的激光发射器件的出射激光与系统的中轴线的夹角为-8.5°，中间的激光发射器件的出射激光与系统的中轴线的夹角为0°，最下方的激光发射器件的出射激光与系统的中轴线的夹角为8.5°，因此该激光雷达系统的垂直视场角在正负8.5°之间，并且垂直分辨率也为均匀分布。现有技术中若需要将对称垂直视场角的激光雷达系统改变为非对称垂直视场分布，则需要重新设计激光发射器件110的角度，并需要重新进行调试，需要花费大量的人力和物力成本，并且效率较低。

图2为本实用新型实施例提供的激光雷达系统的结构示意图。其中本实施例提供了一种激光雷达光学装置，包括：激光发射单元100和激光接收单元200。

其中，所述激光发射单元100包括激光发射器件110、第一楔形镜120以及准直镜组130，所述准直镜组130用于对所述激光发射器件110的出射激光进行准直，所述第一楔形镜120用于改变所述激光发射器件110的出射激光的光轴方向，进而改变激光雷达的垂直视场分布。

在本实施例中，可以在激光发射器件110和准直镜组130之间增设第一楔形镜120，通过第一楔形镜120将激光发射器件110的出射激光进行一次折射，从而实现改变激光发射器件110的出射激光的光轴方向，再经过准直镜组130进行准直，所得到的垂直视场分布则为所需的非对称视场分布。当然，也可将第一楔形镜120设置在准直镜组130背离激光发射器件110的一侧，也即准直镜组130位于第一楔形镜120和激光发射器件110之间；或者第一楔形镜120也可设置在准直镜组130中相邻两个镜片之间(例如附图2中准直镜组130包括3片透镜，第一楔形镜120可设置在任意相邻两片透镜之间)。

例如图2中激光发射器件110设置有3个，其设置方式可同图1所示的对称设置，也即最上方的激光发射器件的出射激光与水平线的夹角为-8.5°，中间的激光发射器件的出射激光与水平线的夹角为0°，最下方的激光发射器件的出射激光与水平线的夹角为8.5°，上述三个激光发射器件110的出射激光经过第一楔形镜120后光轴方向发生改变，本实施例中的第一楔形镜120的楔角为14°，且第一楔形镜120的折射率为1.5，可则得到最上方的激光发射器件的出射激光经第一楔形镜120后光轴方向与水平线的夹角为-16.30°，中间的激光发射器件的出射激光经第一楔形镜120后光轴方向与水平线的夹角为-7.28°，最下方的激光发射器件的出射激光经第一楔形镜120后光轴方向与水平线的夹角为1.42°，再经过准直镜组130进行准直，所得到的垂直视场角为-16.30°到1.42°之间，也即垂直视场角为对称改变为非对称，而相邻光束间的夹角仍为8.5°(也即未改变垂直分辨率)。进一步的，由激光发射单元100出射的光束照射到前方被测物体600，其散射回来的回波光束由激光接收单元200接收，并转换为电信号，由后续的信号处理单元500进行处理。

需要说明的是，本实施例中第一楔形镜120的楔角朝上，若需要相反方向的垂直视场分布，也即-1.42°到16.30°，则可改变第一楔形镜120的方向，将楔角朝下设置。此外，若需要其他的垂直视场角的分布，则可改变第一楔形镜120的楔角和/或折射率，而不需要改变激光发射器件110的角度。

此外，如图1所示，本实施例中第一楔形镜120朝向激光发射器件110的表面为竖直方向设置，便于光路计算，当然不限于竖直方向设置，例如倾斜设置。本实施例中的第一楔形镜120的截面为直角三角形，当然第一楔形镜120的截面也可为其他的三角形或梯形等。

相应的，所述激光接收单元200包括激光探测器件210、第二楔形镜220以及汇聚镜组230，所述汇聚镜组230用于对回波光束进行汇聚，所述第二楔形镜220用于改变所述回波光束的光轴方向，并由所述激光探测器件210接收。

本实施例中，激光接收单元200也可采用增设第二楔形镜220的方式，具体的，第二楔形镜220可设置在汇聚镜组230和激光探测器件210之间，由被测物体600散射回来的回波光束首先经过汇聚镜组230进行汇聚，然后经过第二楔形镜220改变回波光束的光轴方向，然后由激光探测器件210接收。当然，也可将第二楔形镜220设置在汇聚镜组230背离激光探测器件210的一侧，也即汇聚镜组230位于第二楔形镜220和激光探测器件210之间；或者第二楔形镜220也可设置在汇聚镜组230中相邻两个镜片之间(例如附图2中汇聚镜组230包括3片透镜，第二楔形镜220可设置在任意相邻两片透镜之间)。

需要说明的是第二楔形镜220可以与第一楔形镜120相同，当然可以根据需要设计与第一楔形镜120不同的第二楔形镜。更具体的，对于激光发射器件和激光探测器件对称的激光雷达系统，第一楔形镜120和第二楔形镜220可以相同，而非对称的情况则第一楔形镜120和第二楔形镜220不相同。另外本实施例中增设第二楔形镜220，可避免在改变垂直视场分布后需要对激光探测器件的角度进行重新设计和调试。当然，也可仅仅在激光发射单元增设第一楔形镜，在激光接收单元不增设第二楔形镜，此时虽然可以改变垂直视场分布，但需要重新调试激光探测器件210。

本实施例提供的激光雷达光学装置，通过在激光发射单元增设第一楔形镜，由第一楔形镜改变激光发射器件的出射激光的光轴方向，由准直镜组对激光发射器件的出射激光进行准直，所得到的垂直视场分布则为所需的非对称视场分布，再通过在激光接收单元增设第二楔形镜，由第二楔形镜改变回波光束的光轴方向，由汇聚镜组对回波光束进行汇聚，从而实现激光探测器件对回波光束的接收。本实施例可以在不改变激光发射器件和激光探测器件的角度的情况下，通过增设第一楔形镜实现改变垂直视场分布，并且采用不同的第一楔形镜可实现不同的垂直视场分布，不需要对其他器件的改变和调试，降低了设计难度，简化调试工艺，缩短制造周期，降低制造成本；并且在增设了第一楔形镜和第二楔形镜后可以减小视场边缘像差，显著改善边缘视场光束的成像质量。

更具体的，如图3所示，本实施例中从原理上对楔形镜改变垂直视场分布进行说明。激光发射器件110所发出边缘光束与水平线分别为α和β，第一楔形镜120的楔角为θ，第一楔形镜120内部边缘光束与水平线的夹角分别为α1和β1，激光光束通过第一楔形镜120后边缘角度分别为α2和β2，空气的折射率为n空气，第一楔形镜120的折射率为n镜子，激光发射单元100发出的激光光束角度小于0时，经过靴形镜后与水平线的夹角可以根据下述公式确定：

n空气sin(-α)＝n镜子sinα1 公式一

n镜子sin(θ+α1)＝n空气sin(-α2+θ) 公式二

同理，激光发射单元100发出的激光光束角度大于0时，经过靴形镜后与中轴线的夹角可以根据下述公式确定：

n空气sinβ＝n镜子sinβ1 公式三

n镜子sin(θ-β1)＝n空气sin(θ-β2) 公式四

激光发射单元100发出的激光光束角度等于0时，公式简化为公式五

n镜子sin(θ)＝n空气sin(θ-β2) 公式五

在本实施例中，可根据上述公式一至公式五对指导楔形镜的选取或者对垂直视场角的计算。例如，在已知α和β、以及α2和β2的情况下，可通过计算选取合适的θ和/或n镜子，或者在已知α和β、以及θ和n镜子的情况下，可计算α2和β2。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述第一楔形镜120的折射率在垂直方向上具有梯度折射率。

如图3所示，本实施例中的第一楔形镜120的折射率可以为梯度折射率，也即在垂直方向上第一楔形镜120不同位置具有不同的折射率(图中将第一楔形镜120的截面图划分成三个区域以作示例)，通过第一楔形镜120的梯度折射率，可以改变垂直方向上相邻光束间的夹角，从而改变激光雷达系统的垂直分辨率。

进一步的，所述第二楔形镜220的折射率在垂直方向上具有梯度折射率。同样的，本实施例中的第二楔形镜220可实现对非对称垂直视场扫描物体时反射的回波光束的采集。

本实施例中，如图4所示，激光发射单元100可包括激光发射器件110、第一楔形镜120以及准直镜组130，激光发射器件110设置有3个，出射激光光轴与水平线的夹角分别为-8.5°、0°、+8.5°，激光接收单元200可包括激光探测器件210、第二楔形镜220以及汇聚镜组230，激光探测器件210设置有3个，第一楔形镜120的折射率在垂直方向上具有梯度折射率，由楔角至楔形底部方向上折射率分别为1.40、1.37、1.32，3个激光发射器件110的出射激光通过第一楔形镜120后光束与水平方向的夹角分别为-18°、-8°、+2°，相邻光束间的夹角为10°(若楔形镜不具有梯度折射率，则相邻光束间的夹角为8.5°，也即说明楔形镜的梯度折射率可以改变垂直分辨率)，同样的第二楔形镜220的折射率在垂直方向上也具有梯度折射率，由楔角至楔形底部方向上折射率分别为1.40、1.37、1.32，因此本实施例中实现了改变激光雷达系统的垂直视场角和垂直分辨率。

进一步的，所述第一楔形镜120的梯度折射率的梯度数量小于或等于所述激光发射器件110的数量，且每一梯度上至少有一束出射激光通过。

在本实施例中，第一楔形镜120的梯度折射率的梯度数量可根据对垂直分辨率的实际需求进行选择，例如垂直方向上存在三个激光发射器件110，第一楔形镜120的梯度折射率的梯度数量可设置三个，每一激光发射器件110的出射激光分别通过一个梯度区域，如图2所示，当然第一楔形镜120的梯度折射率的梯度数量也可设置两个，第一个激光发射器件110和第二个激光发射器件110的出射激光分别通过一个梯度区域，第三个激光发射器件110的出射激光分别通过另一个梯度区域。而第一楔形镜120的梯度折射率的梯度数量小于或等于激光发射器件110的数量，且每一梯度上至少有一束出射激光通过，是为了避免第一楔形镜120的某一梯度上没有光束通过，而造成资源、制造工序浪费。

进一步的，所述激光发射器件110的数量不少于2个，且垂直方向上相邻两路出射激光的光轴的夹角不小于0.2°；和/或

所述第一楔形镜120的楔角为大于0°、且小于或等于54°；和/或

所述第一楔形镜120的梯度折射率的范围为1.3～2.45。

在本实施例中，激光发射器件110的数量和设置角度可根据实际需要进行设置，以覆盖垂直扫描视场。第一楔形镜120的楔角可选取0°～54°，在本实施例中，对于通常的激光发射器件的角度通常为-20°～20°范围内，而若第一楔形镜120的楔角大于54°时则所得的垂直视场角将全部为负值，也即激光雷达系统只能扫描其中轴线以下的区域，对于应用于无人驾驶领域中的激光雷达系统并不适用，尤其是无人驾驶车辆可能需要扫描高于自身的物体，而若设置在车辆上的激光雷达垂直视场角全部为负，则不便于实现无人驾驶车辆扫描高于自身的物体，因此第一楔形镜120的楔角可选取0°～54°。当然对于设置于高处的激光雷达系统，例如设置在交通龙门架上的激光雷达系统，需要扫描下方通过的车辆，此时不需要扫描高于其中轴线以上的区域，则第一楔形镜120的楔角可不限于0°～54°。另外在本实施例中第一楔形镜120的梯度折射率选取1.3～2.45较容易实现，可采用常见的玻璃材质即可实现上述的梯度折射率范围，可降低第一楔形镜120的成本。

进一步的，所述第二楔形镜220的梯度设置率的梯度数量小于或等于所述激光探测器件210的数量，且每一梯度上至少有一束回波光束通过。

进一步的，所述激光探测器件210的数量不少于2个，且垂直方向上相邻两路激光探测器件210的光轴的夹角不小于0.2°；和/或

所述第二楔形镜220的楔角为大于0°、且小于或等于54°；和/或

所述第二楔形镜220的梯度折射率的范围为1.3～2.45。

本实施例中对于第二楔形镜220的各参数的设置原理可同第一楔形镜120，此处不再赘述。需要说明的是，第二楔形镜220的各参数可与第一楔形镜120相同，当然也可以不同，激光探测器件210的数量也不限于与激光发射器件110的数量相同。

进一步的，所述准直镜组130包括至少一片自由曲面透镜或球面镜；和/或

所述汇聚镜组230包括至少一片自由曲面透镜或球面镜。

在本实施例中，准直镜组130用于对通过其的每一束光束进行准直，而汇聚镜组230用于对回波光束进行汇聚，可分别采用现有技术中的任意形式的准直镜组130和汇聚镜组230，其中准直镜组130和汇聚镜组230中均可包括至少一片自由曲面透镜或球面镜，此处不再赘述。

本实用新型的另一实施例提供一种激光雷达系统，包括：如上述实施例所述的激光雷达光学装置、以及旋转支撑单元400、电路控制单元300和信号处理单元500。

其中，激光雷达光学装置设置于旋转支撑单元400上，从而实现激光雷达系统的旋转扫描；电路控制单元300用于控制旋转支撑单元400的旋转，当然也可控制激光雷达光学装置；信号处理单元500用于对激光接收单元200采集的信号进行处理。

本实施例中，激光雷达光学装置包括：激光发射单元100和激光接收单元200，其中，所述激光发射单元100包括激光发射器件110、第一楔形镜120以及准直镜组130，所述准直镜组130用于对所述激光发射器件110的出射激光进行准直，所述第一楔形镜120用于改变所述激光发射器件110的出射激光的光轴方向，进而改变激光雷达的垂直视场分布；

所述激光接收单元200包括激光探测器件210、第二楔形镜220以及汇聚镜组230，所述汇聚镜组230用于对回波光束进行汇聚，所述第二楔形镜220用于改变所述回波光束的光轴方向，并由所述激光探测器件210接收。

本实施例提供的激光雷达系统，通过在激光发射单元增设第一楔形镜，由第一楔形镜改变激光发射器件的出射激光的光轴方向，由准直镜组对激光发射器件的出射激光进行准直，所得到的垂直视场分布则为所需的非对称视场分布，再通过在激光接收单元增设第二楔形镜，由第二楔形镜改变回波光束的光轴方向，由汇聚镜组对回波光束进行汇聚，从而实现激光探测器件对回波光束的接收。本实施例可以在不改变激光发射器件和激光探测器件的角度的情况下，通过增设第一楔形镜实现改变垂直视场分布，并且采用不同的第一楔形镜可实现不同的垂直视场分布，不需要对其他器件的改变和调试，降低了设计难度，简化调试工艺，缩短制造周期，降低制造成本；并且在增设了第一楔形镜和第二楔形镜后可以减小边缘像差，显著改善边缘视场光束的成像质量。

本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。