一种三维成像激光雷达装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三维成像激光雷达装置，属于激光雷达技术领域。它包含面阵光源、取样探测器、面阵探测器，所述取样探测器设在面阵光源处，取样探测器接收面阵光源投射光的起始信号，面阵光源的投射光被待测目标反射或者散射后被面阵探测器所接收，所述面阵光源由一个或者多个独立的单元光源布局组成，面阵探测器由一个或者多个独立的的单元探测器组成，在面阵光源与面阵探测器光路之间设有可寻址通断的镜头组件，可寻址通断的镜头组件控制面阵光源和面阵探测器之间光路的通断。减少无效的泛光照射，提高光照效率，增加测距距离；多个单元光源同时照射，多个对应的单元探测器同时接收，并行处理信号，减少了帧的获取时间，增加了图像的帧频。

A 3D imaging lidar device

【技术实现步骤摘要】
一种三维成像激光雷达装置
本专利技术涉及一种三维成像激光雷达装置，属于激光雷达

技术介绍
自动驾驶对于100米之外的远距离精准快速测距的要求，促进了三维成像激光测距仪的发展。目前，已经提出的和实现的三维成像激光雷达系统，按成像的方式基本分为两类，激光光束扫描方案和焦平面阵列探测的凝视方案。扫描方案采用时间延迟积分(TDI)技术，通过串行方式对电信号进行读取；而凝视型方案则直接形成一张二维图像，采用并行方式对电信号进行读取构成第三维的距离。在确定了全视场角(TFOV)之后，对于成像系统的选择，有以下要求：(1)光源的全照明角(TFOL)要能覆盖TFOV；(2)单元光源的的照明角(FOL)最好是接近单元接收器的视场角(FOV)，以提高光源的利用效率，但是若FOV太大于FOL，容易混入杂散光，降低信噪比；(3)一帧点云图的获得需要在合理的时间范围，这与点云的数量有关，与扫描还是凝视方案有关，与阵列的驱动方式有关。扫描方案中的机械式的逐点逐线的运动扫描的方法正在被放弃，基于可靠性、寿命和速度等考虑，而取代的是接近固态式的微电机械(MEMS)的微镜振动。一般地，采用二维转动的单个振镜，以反射一束准直窄光束,其具有尽可能小FOL，使得照射到局部目标的光束集中，光照强度(亦称光照)较高，有利于较远距离的测距。单个探测器的视场角FOV与FOL基本一致。但是这种逐点扫描的方案，需要较长的时间才能遍历全视场角(TFOV)的测量，导致帧频偏低。假定一帧点云采样为480x80＝38.4K点，TOF方法中400米之间的间隔时间为2.4微秒，即便每一空间点只用一个脉冲，需要约0.12秒完成一帧，设置振镜的周期0.25秒，只能有4帧/秒的帧频。在已有的方案中，如2017年英飞凌公司主导的LiDcAR(High-definitionlong-rangeLiDARforautonomousdriving)项目中，若干个光源的准直光束同时交汇于单个振镜上，照射到不同的目标区间，也对应地采用多个探测器并行处理信号，可以提高帧频若干倍。凝视型方案中免去了机械或者微电机械扫描部件，而采用了全固态的发射器和接收器，其中至少接收器含有电路的扫描驱动机制的。理想中，最好同时采用可寻址的面阵准直光源和可寻址的面阵接收器，并且关联两者的相应点阵，并使得相应的点阵光源的FOL与点阵接收器的FOA相同。目前已有的一种Flash的凝视型方法，用一个调幅连续波的单个光源对目标的快闪泛光照射和一个常用的CMOS/CCD图像接收器，之间有投影和成像的光学部件。这样的系统稳定性好，造价低，但是由于单个光源的FOL被扩束到了目标的整体视场角TFOV，在目标上的光照强度降低了，同时单光子计数也不能应用于该图像接收器，难以实现远距离的测距。授权号为US10429496的美国专利以及申请号为201711082437.4的中国专利都提出过对Flash的改进方法，用一组点阵光源的代替Flash方法中的单点光源。这组点阵光源对应于一个面阵接收器，这样单个点阵光源的FOL比起TFOL或者TFOV，就会小若干倍。使多个或者所有点阵光源的同时投射，并使面阵接收器上各个相应部分的时分复用电信号平行输出处理，这样得到的点云数据速度就会快若干倍。但是这个方案是基于有一个可分区可寻址的有足够点阵数目的面阵探测器。对于单光子计数的测距要求，这样的面阵探测器目前还不存在。授权号为2010105990033的中国专利提出过一种稀疏多颗探测器阵列的方法，用一个二维的压电陶瓷振镜扫描，将源于目标各处的光线一一反射到某一颗探测器上获得时分复用电信号。但是由于压电陶瓷振镜扫描的时间缓慢，导致点云图获得的时间太长。追究其瓶颈，并没有利用多颗探测器的优势以平行地输出信号，而是在一一等待振镜扫描角的到达，才轮流串行输出。因此，现有的上述凝视方案相关的技术中，存在着以下几个缺点和不足：(1)Flash方法中的单颗光源，虽可采用较大功率的，但是因为其作为泛光照射，FOL远大于面阵探测器中一个点阵单元的FOV，光照效率低下；(2)面阵光源中若所有阵列点同时发射光，功率就会太大，散热存在问题，特别是面阵光源采用了如miniLED或者VCSEL激光阵列；(3)若限制了面阵光源的面积，即便只是单个阵列点发光，该阵列点的发光投射面积和功率也是受限的；(4)Flash方法中的面阵探测器的点阵数目需要满足图像分辨率，即点云数。目前的面阵探测器多是CMOS/CCD图像接收器，其技术相对成熟，阵列点也较多，但是弱光接收差，只能采用调幅连续波等方式，不能采用更为灵敏的单光子计数器(TCSPC)方式；(5)缺少对于车载激光测距有优势的1550nm波段的凝视方案，目前虽有低点阵密度的InGaAs图像接收器，但是还不能满足点云的数目的要求，能够适用于单光子计数测距的InGaAs的SPAD阵列器件，尚未问世。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提供一种三维成像激光雷达装置，它解决了目前激光雷达凝视型方案中采用泛光照射的光路结构存在弊端，如探测距离近，光效率低，灵敏度低和无法使用1550nm波段的问题。本专利技术所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：一种三维成像激光雷达装置，它包含面阵光源、取样探测器、面阵探测器，所述取样探测器设在面阵光源处，取样探测器接收面阵光源投射光的起始信号，面阵光源的投射光被待测目标反射或者散射后被面阵探测器所接收，所述面阵光源由一个或者多个独立的单元光源布局组成，面阵探测器由一个或者多个独立的的单元探测器布局组成，在面阵光源与面阵探测器光路之间设有可寻址通断的镜头组件，可寻址通断的镜头组件控制面阵光源和面阵探测器之间光路的通断；所述可寻址通断的镜头组件包括面阵准直透镜、投影透镜、望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜，沿光线投射方向，面阵光源前设有一个相应布局的面阵准直透镜，面阵准直透镜与待测目标之间设有一个投影透镜，从待测目标到面阵探测器之间依次设有望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜。作为优选实例，所述面阵光源由一个或者多个独立的单元光源布局组成，面阵准直透镜由与单元光源相同数目的单元准直透镜以相同的布局组成，面阵探测器由与单元光源相同数目的单元探测器以相同的布局组成，单元光源、单元准直透镜与单元探测器三者相对应。作为优选实例，所述单元光源采用单个或阵列式的发光二极管，或者激光器。作为优选实例，所述单元探测器采用雪崩式光电二极管探测器或硅光电倍增管。作为优选实例，所述面阵光源的每个单元光源分别通过一根光纤连接到取样探测器，取样探测器采用雪崩式光电二极管探测器。本专利技术的有益效果是：(1)本激光雷达光路结构中，单元光源的FOL小于面阵光源的TFOL，单元探测器的FOV也小于面阵探测器的TFOV，这样减少无效的泛光照射，提高光照效率，增加测距距离；(2)当单元光源与单元探测器一一对应时，多个单元光源同时照射待测目标的不同局部，多个对应的单元探测器同时接收，并行处理信号，减少了帧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维成像激光雷达装置，它包含面阵光源、取样探测器、面阵探测器，所述取样探测器设在面阵光源处，取样探测器接收面阵光源投射光的起始信号，面阵光源的投射光被待测目标反射或者散射后被面阵探测器所接收，其特征在于：所述面阵光源由一个或者多个独立的单元光源布局组成，面阵探测器由一个或者多个独立的的单元探测器布局组成，在面阵光源与面阵探测器光路之间设有可寻址通断的镜头组件，可寻址通断的镜头组件控制面阵光源和面阵探测器之间光路的通断；所述可寻址通断的镜头组件包括面阵准直透镜、投影透镜、望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜，沿光线投射方向，面阵光源前设有一个相应布局的面阵准直透镜，面阵准直透镜与待测目标之间设有一个投影透镜，从待测目标到面阵探测器之间依次设有望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维成像激光雷达装置，它包含面阵光源、取样探测器、面阵探测器，所述取样探测器设在面阵光源处，取样探测器接收面阵光源投射光的起始信号，面阵光源的投射光被待测目标反射或者散射后被面阵探测器所接收，其特征在于：所述面阵光源由一个或者多个独立的单元光源布局组成，面阵探测器由一个或者多个独立的的单元探测器布局组成，在面阵光源与面阵探测器光路之间设有可寻址通断的镜头组件，可寻址通断的镜头组件控制面阵光源和面阵探测器之间光路的通断；所述可寻址通断的镜头组件包括面阵准直透镜、投影透镜、望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜，沿光线投射方向，面阵光源前设有一个相应布局的面阵准直透镜，面阵准直透镜与待测目标之间设有一个投影透镜，从待测目标到面阵探测器之间依次设有望远物镜、准直微透镜阵列、数字微镜阵列、聚焦透镜。


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【专利技术属性】
技术研发人员：郑小鹿，
申请(专利权)人：上海蕴能光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31