一种光路结构及混合固态激光雷达的制作方法

1.本实用新型属于激光测量领域，尤其涉及一种光路结构及混合固态激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达是一种利用激光完成三维探测的遥感技术。其中距离的探测通常使用时间飞行法(time of flight，tof)，即利用脉冲激光，通过记录发射脉冲和接收脉冲的时间差，来计算物体的纵向距离。在激光雷达系统中，通常利用两个旋转的多面反射棱镜(以下简称“转镜”)，使得激光雷达系统可以在横向和纵向分别进行扫描。由于其中的收发模块固定不动，由电机带动转镜旋转，因此这种方式属于混合固态激光雷达。
3.激光雷达在使用过程中，为了使激光雷达在横向和纵向两个方向分别进行扫描，通常使用两个转镜的旋转轴相互垂直，如图5所示，第一转镜使光在横向进行扫描，第二转镜使光在纵向进行扫描；可以看出，为了防止两个转镜旋转时发生碰撞，转镜不能密接放置，因此第一转镜出射的光在第二转镜上经过的距离较长；为了保证激光雷达在横向扫描时的视场尽量大，要求第二转镜需要具有一定的高度，使得经由第一转镜出射的光都能够照射在第二转镜上。由此限制了转镜的尺寸无法做到太小，影响激光雷达的小尺寸设计。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的在于提供一种光路结构，旨在解决现有使用两个转镜的激光雷达，要求第二转镜需要具有一定的高度，使得经由第一转镜出射的光都能够照射在第二转镜上，而导致转镜的尺寸无法做到太小的问题。
5.本实用新型实施例是这样实现的，一种光路结构，所述光路结构包括两个转镜元件，每个转镜元件包括：旋转轴和反射面，所述旋转轴设置于所述转镜元件的中轴线上，用于所述转镜元件围绕所述旋转轴进行转动；多个所述反射面环设于所述转镜元件的外周面，两个所述转镜元件的旋转轴相互垂直设置；所述光路结构还包括调节元件，所述调节元件设置有凹反射面，所述调节元件沿所述调节元件的中轴线上形成有第一像位和第二像位；
6.其中，两个所述转镜元件按预设方式排布，使得一个所述转镜元件转动时带动其反射面经过所述第一像位，经过所述第一像位的反射面将射向该反射面的探测激光反射至所述凹反射面，同时另一个所述转镜元件转动时带动其反射面经过所述第二像位，经过所述第二像位的反射面将所述凹反射面的反射光反射向待测目标进行探测，并且所述待测目标反射的目标光依次反射向所述第二像位的反射面、所述凹反射面以及所述第一像位的反射面。
7.本实用新型实施例的另一目的在于提供一种混合固态激光雷达，所述混合固态激光雷达包括：激光光源、接收系统以及如上所述的光路结构；
8.所述激光光源，用于发射探测激光；
9.所述光路结构设置在所述激光光源的出射光光路上，用于接收和传输所述探测激
光至待测目标进行探测；
10.并且所述光路结构还用于接收所述探测激光探测所述待测目标后形成的目标光，并将接收的所述目标光传输至所述接收系统；
11.所述接收系统，用于接收所述光路结构传输的目标光，并探测所述目标光的功率；
12.本实用新型实施例提供的一种光路结构，设置有两个转镜元件和一个调节元件，两个转镜元件可以旋转，通过利用两个转镜元件旋转过程中的反射，使得激光雷达的探测激光可在横向和纵向分别进行扫描，并利用调节元件的凹反射面将一个转镜元件出射的光会聚到另一个转镜元件上，减小了一个转镜元件的出射光在另一个转镜元件上扫描的距离，可以在增加扫描视场的同时减小另一个转镜元件的设置高度，便于激光雷达的小型化设计。
附图说明
13.图1为本实用新型实施例提供的一种光路结构的结构示意图；
14.图2为本实用新型实施例提供的一种混合固态激光雷达的结构示意图；
15.图3为本实用新型实施例提供的一种球面反射镜的反射原理示意图；
16.图4为本实用新型实施例提供的一种非球面反射镜的反射原理示意图；
17.图5为本实用新型实施例提供的一种双转镜的反射原理示意图；
18.图6为本实用新型实施例提供的一种转镜的反射原理示意图；
19.图7为本实用新型实施例提供的一种反射镜的反射原理示意图。
20.附图中：101-第二转镜；102-第一转镜；200-调节元件；201-球面反射镜；202-非球面反射镜；203-反射镜；204-第一像位；205-第二像位；210-凹反射面；300-激光光源；400-反射元件；500-接收系统；501-接收组件；502-探测器。
具体实施方式
21.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
22.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
23.以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述。
24.如图1所示，为本实用新型实施例提供的一种光路结构的结构图，所述光路结构包括两个转镜元件，每个转镜元件包括：旋转轴和反射面，所述旋转轴设置于所述转镜元件的中轴线上，用于所述转镜元件围绕所述旋转轴进行转动；多个所述反射面环设于所述转镜元件的外周面，两个所述转镜元件的旋转轴相互垂直设置；所述光路结构还包括调节元件200，所述调节元件200设置有凹反射面210，所述调节元件200沿所述调节元件200的中轴线上形成有第一像位204和第二像位205；其中，两个所述转镜元件按预设方式排布，使得一个所述转镜元件转动时带动其反射面经过所述第一像位204，经过所述第一像位204的反射面将射向该反射面的探测激光反射至所述凹反射面210，同时另一个所述转镜元件转动时带
动其反射面经过所述第二像位205，经过所述第二像位205的反射面将所述凹反射面210的反射光反射向待测目标进行探测，并且所述待测目标反射的目标光依次反射向所述第二像位205的反射面、所述凹反射面210以及所述第一像位204的反射面。
25.在本实用新型实施例中，利用了凹面反射镜对光进行会聚的原理，以及利用了常规的双转镜(如图5所示)调节的探测激光可在横向和纵向分别进行扫描，即在两个方向上进行扫描的原理，但是并未利用常规的双转镜直接进行光的传输，而是结合设置的调节元件200，利用调节元件200的凹反射面210将一个转镜元件出射的光会聚到另一个转镜元件上，减小了一个转镜元件的出射光在另一个转镜元件上扫描的距离，可以在增加扫描视场的同时减小另一个转镜元件的设置高度，进而相同扫描视场条件下的转镜的尺寸可以做到更小、重量做到更轻，便于激光雷达的小型化设计。
26.在本实用新型的一个实例中，所述转镜元件多个所述反射面可以是偶数个，也可以是奇数个，为了后续角度的计算或转换的方便，优选设置为偶数个，例如：10个，12个或8个，当所述反射面的个数为12个时，环设于所述转镜元件的外周面的反射面；具体的，反射面的个数为n，如图5-图6所示，转镜元件绕其中心轴旋转，其中的每个反射面都会对入射光产生反射；对于一个转镜元件，每旋转360
°
/n的角度，光照射到下一个相邻的反射面上，此时反射光偏转的角度为2*360
°
/n，也即为基于转镜元件的激光雷达的最大视场。转镜元件的扫描基于光的反射原理，即反射角等于入射角，如图7所示，光入射到反射镜203上，当反射镜203旋转角度θ时，反射光会偏转2θ。
27.两个转镜元件可以分别是第一转镜102和第二转镜101，所述调节元件200沿所述调节元件200的中轴线上形成有第一像位204和第二像位205，所述第一像位204和第二像位205并非是具体的实体结构，而是为了更好地说明转镜元件的排布方式，以及与调节元件200之间的关系，所引入的特征，在某些情况下，例如调节元件200配置为椭圆凹面镜时，第一像位204和第二像位205是椭圆凹面镜所对应的两个焦点f、f’；又如调节元件200配置为球面反射镜时，第一转镜102转动时带动其反射面经过所述球面反射镜的中轴线，探测激光照射向该反射面的位置即是所述的第一像位204，经过所述第一像位204的反射面将射向该反射面的探测激光反射至所述凹反射面210，同时第二转镜101转动时带动其反射面经过所述球面反射镜的中轴线，凹反射面210的反射光照射向该反射面的位置即是第二像位205。待测目标也可称为待测物体；所述待测目标反射的目标光依次反射向所述第二像位205的反射面、所述凹反射面210以及所述第一像位204的反射面，是基于光路可逆原理，在此不作限制。
28.其中，两个所述转镜元件按预设方式排布，该预设方式仅需要保持探测激光在所述第一像位204、凹反射面210、第二像位205、待测目标之间传输的实现即可；在本实施例的一种场景中，如图1所示，两个所述转镜元件可以分别是第一转镜102和第二转镜101，第一转镜102和第二转镜101的旋转轴相互垂直设置，第一转镜102的旋转轴位于所述调节元件200的中轴线以下一段距离，所述第二转镜101的旋转轴与所述调节元件200的中轴线具有一定夹角，调节元件200，该距离和该夹角可以是固定的，也可以是可调的，即根据待测目标的空间位置和探测激光的入射角度可以进行灵活的调节，本实施例不限制于此。
29.在一个实施例中，所述凹面反射镜对光进行会聚的原理，以球面反射镜为例，具体如下：
30.由光轴上距球面反射镜s处发出的光，经球面反射镜201反射后，将会聚在距球面反射镜s’的位置，满足如下式(1)：
[0031][0032]
其中r为球面反射镜的曲率半径；因此，在由双转镜构成的结构中，可以通过球面反射镜将第一转镜出射的光进行会聚到一个位置上，在这个位置附近放置第二转镜，缩短第一转镜的出射光在第二转镜上扫描的距离；需要注意的是，并不是将两个转镜中心放置在s和s’的位置，而是光照射在两个转镜的反射面的位置，如图3所示。
[0033]
同理，非球面反射镜也可以起到会聚光线的作用；以椭面反射镜为例，由椭圆的物理性质，当光由椭面反射镜的一个焦点f出射，经反射后，必定会经过另一个焦点f’；因此，也可以将第一转镜102放置在椭面反射镜的一个焦点f附近，并使第一转镜102转动后的反射面经过第一像位；将第二转镜101放置在另一个焦点f’附近，并使第二转镜101转动后的反射面经过第二像位；由此缩短第一转镜102的出射光在第二转镜101上扫描的距离，如图4所示。
[0034]
如图1、图3所示，作为本实用新型的一种优选实施例，所述调节元件配置为：具有第一焦点和第二焦点的球面反射镜，所述第一焦点位于所述第一像位，所述第二焦点位于所述第二像位。
[0035]
本实施例中，通过设置的所述球面反射镜201，在所述第一转镜102、第二转镜101之间传递光，取代通过两个转镜构成的双转镜结构，利用调节元件200的凹反射面210将一个转镜元件出射的光会聚到另一个转镜元件上，减小了一个转镜元件的出射光在另一个转镜元件上扫描的距离，可以在增加扫描视场的同时减小另一个转镜元件的设置高度，进而相同扫描视场条件下的转镜的尺寸可以做到更小、重量做到更轻，便于激光雷达的小型化设计。
[0036]
在本实施例的一个示例中，所述第一焦点可以是球面反射镜201中轴线上的一个位置，该位置到球面反射镜201的距离为s，该位置处发出的探测激光经过所述球面反射镜201的凹反射面反射后会聚在中轴线上距球面反射镜s’的位置；所述的中轴线上距球面反射镜s’的位置即为第二焦点，其中s、s’是常数，并且满足上述式(1)。
[0037]
如图1、图4所示，作为本实用新型的一种优选实施例，所述调节元件配置为：具有第三焦点和第四焦点的非球面反射镜202，所述第三焦点位于所述第一像位204，所述第四焦点位于所述第二像位205。
[0038]
在本实施例的一个示例中，非球面反射镜202可以采用椭圆凹面镜，当然也可以是其他具有凹反射面的凹面镜；优选为椭圆凹面镜，所述第三焦点和第四焦点即分别为椭圆凹面镜的两个焦点f、f’。
[0039]
在一个实施例中，所述光路结构可以用于激光雷达，通过所述光路结构对激光雷达的探测激光进行传递，以对待测目标进行探测，待测目标反射的目标光同样经过所述光路结构进行接收和传递，最后，通过激光雷达进行目标光的接收和处理，实现待测目标的探测。其中利用凹面反射镜除了可以将第一转镜102的出射光进行会聚，还可以通过设计光路，增大横向扫描视场。在图1所示的光路中，球面反射镜的出射光的张角小于入射光的张角，即光经过球面反射镜后，激光雷达在横向扫描的范围减小了；由于光路的可逆性，若将
第一转镜102放置在球面反射镜的中轴线上距球面反射镜s’处，第二转镜101放置在球面反射镜的中轴线上距球面反射镜s处，则球面反射镜出射光的张角大于入射光的张角，即提高了激光雷达在横向扫描的范围。
[0040]
如图2所示，本实用新型实施例还提供的一种混合固态激光雷达，所述混合固态激光雷达包括：激光光源300、接收系统500以及如上任一所述的光路结构；
[0041]
所述激光光源300，用于发射探测激光；
[0042]
所述光路结构设置在所述激光光源300的出射光光路上，用于接收和传输所述探测激光至待测目标进行探测；
[0043]
并且所述光路结构还用于接收所述探测激光探测所述待测目标后形成的目标光，并将接收的所述目标光传输至所述接收系统500；
[0044]
所述接收系统500，用于接收所述光路结构传输的目标光，并探测所述目标光的功率。
[0045]
在本实施例中，光路结构的两个转镜元件可旋转，利用了两个转镜元件旋转过程中的反射，使得激光雷达的探测激光可在横向和纵向分别进行扫描，并在此基础上，利用调节元件200的凹反射面将一个转镜元件出射的光会聚到另一个转镜元件上，减小了一个转镜元件的出射光在另一个转镜元件上扫描的距离，可以在增加扫描视场的同时减小另一个转镜元件的设置高度，便于激光雷达的小型化设计。
[0046]
在本实施例的一个示例中，如图1所示，所述光路结构包括两个转镜元件和一个调节元件200，每个转镜元件包括：旋转轴和反射面，所述旋转轴设置于所述转镜元件的中轴线上，用于所述转镜元件围绕所述旋转轴进行转动；多个所述反射面环设于所述转镜元件的外周面，两个所述转镜元件可以是第一转镜102和第二转镜101，第一转镜102和第二转镜101的旋转轴相互垂直设置；所述光路结构所述调节元件200设置有凹反射面210，所述调节元件200沿所述调节元件200的中轴线上形成有第一像位204和第二像位205；其中，第一转镜102和第二转镜101按预设方式排布，使得第一转镜102转动时带动其反射面经过所述第一像位204，经过所述第一像位204的反射面将射向该反射面的探测激光反射至所述凹反射面210，同时第二转镜101转动时带动其反射面经过所述第二像位205，经过所述第二像位205的反射面将所述凹反射面210的反射光反射向待测目标(也可称为待测物体)进行探测。如图2所示，其中实线表示发射光(即探测激光)，虚线表示接收光(即目标光)；所述光路结构对光的传输有两个阶段；
[0047]
第一个阶段为探测激光在光路结构中的传输，具体是由激光光源300发射探测激光，探测激光直接或间接射向第一像位204(如图1所示)，第一转镜102的转动带动其反射面经过第一像位204，将探测激光反射向调节元件200，调节元件200的反射光射向第二像位205，第二转镜101的转动带动其反射面经过第二像位205，并通过该反射面将探测激光射向待测物体进行探测，待测物体会将照射向其表面的探测激光进行反射形成目标光，进入第二阶段。
[0048]
第二个阶段为目标光在光路结构中的传输，具体是由待测物体反射的目标光射向经过第二像位205的反射面并被反射向调节元件200，调节元件200的反射光射向经过第一像位204的反射面并被反射向所述接收系统，所述接收系统接收所述目标光，并探测所述目标光的功率。
[0049]
如图2所示，作为本实用新型的一种优选实施例，所述激光光源300包括：
[0050]
激光器，所述激光器用于发射探测激光；或者
[0051]
激光光纤，所述激光光纤用于发射探测激光；
[0052]
以及准直器，所述准直器用于对所述激光器或所述激光光纤发射的探测激光进行准直。
[0053]
本实施例中，所述激光器可以是脉冲激光器，用于发射脉冲激光作为探测激光，进行待测物体的探测；在一些实施例场景中，所述激光器还可以配设准直器，或者扩束镜，用于对激光器的出射光进行准直；提高出射光的光利用率。
[0054]
在本实施例的一个示例中，所述激光光源300包括激光光纤和准直器，所述激光光纤固定设置，用于发射探测激光；所述准直器设置在所述激光光纤的出光口；对所述激光光纤发射的探测激光进行准直，准直后的探测激光射向光路结构。
[0055]
如图2所示，在一个实施例中，所述激光器的出射光光路上设置有反射元件400，
[0056]
所述反射元件400配置为：所述反射元件400的反射光与所述接收系统500接收的目标光平行。
[0057]
本实施例中，所述的混合固态激光雷达通过反射元件400使得激光器的发射光与接收系统的接收光同轴，构成一种收发同轴结构；第一转镜102进行旋转，将发射光及接收视场在横向进行扫描，照射在凹反射面上，经凹反射面的反射，会聚到同一个位置，照射在第二转镜101上，由第二转镜101将发射光及接收视场在纵向进行扫描；由此出射光和接收视场在二维平面进行扫描，实现探测；在增加扫描视场的同时减小第二转镜101的高度，降低第二转镜101的重量，从而提高混合固态激光雷达的稳定性和寿命。
[0058]
在本实施例的一个示例中，所述收发同轴结构可以应用在基于双转镜的发射系统，使得发射光在二维平面进行扫描中，减小第二转镜的高度；或用于基于双转镜的接收系统，使得接收视场在二维平面进行扫描中，减小第二转镜的高度，实现激光雷达同等扫描视场下的小型化设计。
[0059]
在本实施例的另一个示例中，所述反射元件400可以采用一种小反射镜，该小反射镜的反射光与所述接收系统500接收的目标光平行，是指通过小反射镜反射向光路结构的探测激光与光路结构射向接收系统的目标光平行，具体的，可以将所述小反射镜斜向设置在所述激光器的出射光光路上，同时，所述小反射镜也位于所述目标光的光路之间，这样的话，可以使得混合固态雷达的整体结构更加紧凑，利于小型化设计；同时，也便于对探测激光和目标光的传输路线进行防护，避免受外界环境的影响，提高所述混合固态雷达的探测精度。
[0060]
在一个实施例中，所述接收系统至少包括探测器502，所述探测器502用于对目标光的功率进行探测。
[0061]
具体地，所述探测器502为光电二极管、光电倍增管或雪崩光电二极管中的一种，优选雪崩光电二极管，但并不限于此，也可以采用与上述光电二极管、光电倍增管或雪崩光电二极管功能相同的其他光学部件，例如激光探测器或在单像素探测器等等。
[0062]
本实施例的一个示例中，所述接收系统500还包括接收组件501，所述接收组件501用于接收所述光路结构传输的目标光，并传输给所述探测器502进行探测。
[0063]
其中，所述接收组件501为单透镜、镜头组、菲涅尔透镜中的一个或多个组合而成，
便于小型化设计；也便于与反射元件400进行调制。
[0064]
本实施例的一个示例中，所述接收组件501包括单透镜，通过该单透镜对目标光进行会聚或扩束，之后传输至探测器，被探测器接收和处理，输出电信号，实现目标光功率的探测，在一些情况中，所述接收组件501也可以由镜头组构成，也可以由单透镜、菲涅尔透镜构成，用于实现对目标光进行会聚或扩束。
[0065]
在另一个实施例中，所述混合固态激光雷达还包括支撑装置(图中未示出)，所述支撑装置用于设置所述激光光源300、接收系统500以及光路结构；其中所述支撑装置可以是一壳体结构，也可以是由多个框架构成的支撑结构，还可以是由多个筒体构成的一体式结构，优选为壳体结构；且所述壳体结构或一体式结构可以是密封的，也可以是非密封的；激光光源300固定设置在所述壳体结构内，所述光路结构包括的第一转镜102和第二转镜101可转动的设置在所述壳体结构内，并且，所述第二转镜101的反射光光路可通过所述壳体结构，不被阻挡，使得第二转镜101的反射光能够形成扫描视场，或目标光能够形成接收视场；所述调节元件也设置在所述壳体结构内，并且调节元件200沿所述调节元件200的中轴线上形成有第一像位204和第二像位205；优选的，所述调节元件200是可调节位姿的设置在壳体结构内，这样的话，更加方面所述第一像位204和第二像位205的形成。使得一个所述转镜元件转动时带动其反射面经过所述第一像位204，经过所述第一像位204的反射面将射向该反射面的探测激光反射至所述凹反射面210，同时另一个所述转镜元件转动时带动其反射面经过所述第二像位205，经过所述第二像位205的反射面将所述凹反射面210的反射光反射向待测目标进行探测。
[0066]
本实用新型上述实施例中提供了一种光路结构，并基于该光路结构提供了一种混合固态激光雷达，所述的光路结构，通过设置的调节元件，结合两个可转动设置的转镜元件，利用调节元件200的凹反射面210将一个转镜元件出射的光会聚到另一个转镜元件上，减小了一个转镜元件的出射光在另一个转镜元件上扫描的距离，可以在增加扫描视场的同时减小另一个转镜元件的设置高度，进而相同扫描视场条件下的转镜的尺寸可以做到更小、重量做到更轻，便于激光雷达的小型化设计。
[0067]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。