一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，所述激光发射装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。本发明专利技术提供的激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置以及激光雷达探测装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法
本专利技术涉及激光雷达
，更具体地，涉及一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法。
技术介绍
激光探测技术主要应用于三维测量，能直接获取目标对象的三维空间信息，进而实现目标对象的三维重建。激光探测技术在数米到数千米距离范围内，测量精度在数毫米至分米量级，可以应用于国民经济的很多领域。激光发射装置作为激光探测技术中极为重要的部分，对于目标对象的三维测量有着决定性的影响。激光雷达(LIDAR，LightDetectionAndRanging)作为激光探测技术的一种具体应用，可以利用激光发射装置，以激光脉冲作为探测信号，通过测量物体反射光信号时间，进而测量特定方位角的目标距离，以获取目标对象的三维图像。因此，激光雷达目前在自动驾驶、航拍、测绘等领域有非常广泛的应用前景。图1为现有技术中提供的一种激光雷达装置的结构示意图。如图1所示，激光雷达通常包括激光发射装置和回波接收处理装置。其中，激光发射装置包括激光器阵列101和发射光学系统102，回波接收处理装置包括接收光学系统103和阵列探测器104。其中，激光器101启动激光光源，产生特定方向的激光；发射光学系统102将其进行准直扩束处理，再发射出去；激光照射到目标对象后产生反射的回波信号；接收光学部件103接收反射的回波信号，由阵列探测器104对回波信号进行探测，从而生成目标对象的三维图像。对于激光发射装置，现有技术中通常使用多个激光器，即激光器阵列。激光器阵列沿不同角度发出多束光，照射到目标对象。这种方式可以增加激光点云密度，提高空间角分辨率。但是，激光器和探测器数目的增加，造成成本高、体积大的缺陷。并且，现有技术中的这种多激光束角度通常是固定的，只能对这些激光头照射到的空间位置进行探测，对两束光之间的空间无法扫描，得到的目标对象的三维图像不够精细。并且，现有技术中还提供有机械式扫描和相控阵扫描式的方式，以实现对目标对象更精细的扫描，可是这种方式所需的硬件成本较高且硬件结构复杂。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服现有技术中激光雷达成本高、体积大且得到的目标对象的三维图像不够精细的问题的激光发射装置、激光雷达探测装置及方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种激光发射装置，所述激光发射装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。优选地，所述相位预控制器为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵；通过所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描。优选地，所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描具体为：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度。优选地，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。优选地，所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大为T，其中，T为二维达曼光栅的周期。根据本专利技术的另一个方面，提供一种激光雷达探测装置，所述激光雷达探测装置包括：上述的激光发射装置、接收光学系统和阵列探测器；所述激光发射装置，用于向目标对象发射激光束阵；所述接收光学系统，用于接收由所述目标对象反射的回波信号；所述阵列探测器，用于根据所述接收光学系统接收的所述回波信号，获取所述目标对象的三维图像。优选地，所述阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器。根据本专利技术的再一个方面，提供一种基于上述的激光雷达探测装置的激光雷达探测方法，所述方法包括：S1，向目标对象发射多束激光束阵；S2，接收由所述目标对象反射的回波信号；S3，根据所述回波信号获取所述目标对象的三维图像。优选地，步骤S1进一步包括：S11，将激光进行准直扩束；S12，对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；S13，对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。优选地，步骤S12进一步包括：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。本专利技术提供的一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置以及激光雷达探测装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。附图说明图1为现有技术中提供的一种激光雷达装置的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例提供的一种激光发射装置的模块图；图3为根据本专利技术实施例提供的未进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图；图4为根据本专利技术实施例提供的一种相位预控制器的出射光到达二维达曼光栅分束器时在一维方向上的相位梯度示意图；图5为根据本专利技术实施例提供的已进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图；图6为根据本专利技术实施例提供的一种激光雷达探测装置的结构示意图；图7为根据本专利技术实施例提供的一种激光雷达探测方法的流程图；图8为根据本专利技术实施例提供的一种二维达曼光栅分束原理结构图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。激光探测技术主要应用于三维测量，能直接获取目标对象的三维空间信息，进而实现目标对象的三维重建。激光发射装置作为激光探测技术中极为重要的部分，对于目标对象的三维测量有着决定性的影响。为了提高对目标对象的扫描效率，现有技术中通常采用多个激光器以不同角度发射多束激光束的方式，照射到目标对象，但该种方式需采用多个激光器，极大地增加了硬件成本以及设备体积。并且，现有技术中多束激光束的角度通常是固定的，由此造成多束激光束之间的空隙部分未受到扫描，影响扫描精度。并且，现有技术中还提供有机械式扫描和相控阵扫描式的方式，以实现对目标对象更精细的扫描，可是这种方式所需的硬件成本较高且硬件结构复杂。基于上述现有技术中的不足，本专利技术实施例提出一种激光发射装置，所述装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光发射装置，其特征在于，包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。

【技术特征摘要】
1.一种激光发射装置，其特征在于，包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相位预控制器为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵；通过所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描具体为：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝智彪，刘雅琦，汪莱，熊兵，孙长征，王健，李洪涛，韩彦军，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11