基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法。准直单元和光栅布置在激光输出单元发射的激光光路上，激光输出单元依次发射不同波长的激光，经过准直单元后准直入射到光栅中发生衍射，衍射的激光经聚焦单元聚焦后入射到发射单元上，再经发射单元发射为不同方向的准直光束进而照射至扫描方向进行大范围扫描。本发明专利技术通过采用激光输出单元结合光学系统及光栅实现全固态无运动部件的激光雷达大范围扫描装置，具有稳定性高、尺寸小、质量轻、损耗小、扫描范围大、扫描速率快等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种雷达扫描装置，特别是涉及了一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法。

技术介绍

[0002]激光雷达相对微波雷达具有分辨率高、体积小、质量轻等许多优点，目前种类包括大气激光雷达、海洋激光雷达、车载激光雷达等，应用范围十分广泛、被称为机器人的眼睛，市场前途广阔，因而作为激光雷达的核心技术——激光光束扫描技术成为该领域的研究热点。
[0003]国内外现有的激光雷达的扫描技术主要存在三种形式，分别是MEMS振镜扫描、光学相控阵扫描以及传统的机械式扫描结构。MEMS振镜扫描和机械式扫描技术都不属于全固态的扫描方式，不可避免的使这种方式的稳定性降低，且MEMS振镜扫描速度受限；光学相控阵扫描目前还不成熟，主要是因为损耗太高、光束具有旁瓣导致扫描精度受限以及需要大量的相位控制器使加工工艺复杂；传统的机械式扫描除了不稳定还存在体积大、成本高等缺点。除了以上三种，还有利用开关阵列结合光栅或透镜的扫描方式，这种方式造成的损耗也普遍较高，且扫描点数取决于开关阵列的数目，一般扫描点数比较少。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一、一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置：
[0007]全固态激光雷达扫描装置包括激光输出单元、准直单元、光栅、聚焦单元和发射单元，所述的准直单元和光栅布置在激光输出单元发射的激光光路上，激光输出单元依次发射不同波长的激光，经过准直单元后准直入射到光栅中发生衍射，衍射的激光经聚焦单元聚焦后入射到发射单元上，再经发射单元发射为不同方向的准直光束进而照射至扫描方向进行大范围扫描。
[0008]所述的激光输出单元为不连续调谐或连续调谐的可调谐半导体激光器，可调谐半导体激光器发射的激光光束的波长调谐范围Δλ和发射单元发射的不同方向的准直光束的扫描范围呈正相关。
[0009]所述的全固态激光雷达扫描装置还包括反射单元，反射单元包括若干非球面、球面或平面反射镜，反射单元布置在聚焦单元聚焦后、发射单元之前的光束光路上，聚焦单元聚焦后的光束经反射单元的若干次反射后照射至发射单元上；多次反射后的光路的直径逐渐缩小，可根据需求调整反射镜的数量。
[0010]所述的准直单元/聚焦单元/发射单元可以由若干非球面或球面透镜构成。
[0011]具体实施中，所述的准直单元包括若干非球面或球面准直透镜；聚焦单元包括若
干非球面或球面聚焦透镜；发射单元包括若干非球面或球面发射透镜。
[0012]所述的光栅为闪耀光栅或透射衍射型光栅。
[0013]二、一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描方法：
[0014]方法步骤如下：
[0015]1)预先设置全固态激光雷达扫描装置中激光输出单元输出激光的波长调谐范围；
[0016]2)开启全固态激光雷达扫描装置，自激光输出单元依次中发射波长调谐范围内的不同波长的激光，激光经过准直单元后准直为准直激光，准直激光入射到光栅后衍射为衍射激光，衍射激光经光栅入射到聚焦单元后聚焦为聚焦激光，聚焦激光入射到发射单元上，最终经发射单元朝扫描方向发射出不同方向的准直光束进行大范围扫描；发射单元发射出的准直光束照射到扫描方向上的目标物体后反射，反射的光束被外部的接收装置接收。
[0017]所述步骤2)中，激光输出单元在扫描过程中自动进行连续的波长调谐或不连续的波长调谐，并连续发射出不同波长的激光，同种波长的激光最终经发射单元发射为同一方向上的准直光束，不同波长的激光最终经发射单元发射为不同方向上的准直光束。
[0018]所述步骤2)中，发射单元发射的不同方向的准直光束在扫描方向上连续形成的扫描范围角Δθ的公式如下：
[0019][0020]其中，s为聚焦激光入射到发射单元时，在发射单元上的最大波长聚焦激光的聚焦点和最小波长聚焦激光的聚焦点之间的距离，f2为发射单元的焦距；
[0021]聚焦激光入射到发射单元时，在发射单元上的最大波长聚焦激光的聚焦点和最小波长聚焦激光的聚焦点之间的距离s的公式如下：
[0022][0023]其中，f1为聚焦单元的焦距，γ为衍射激光的衍射角，Δγ为衍射激光的衍射角范围；
[0024]衍射激光的衍射角范围Δγ约为其中，为衍射激光的角色散，λ为激光输出单元发射激光的波长，Δλ为激光输出单元发射激光的波长调谐范围；
[0025]光栅采用闪耀光栅，衍射激光的衍射角γ和角色散公式如下：
[0026]a(sini+sinγ)＝mλ
[0027][0028]其中，a为光栅的光栅周期，i为准直激光入射至光栅的入射角，m为光栅的衍射级次。
[0029]由上述公式可知，全固态激光雷达扫描装置的扫描范围角Δθ和衍射角范围Δγ呈正相关。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术采用无运动部件的结构实现激光束的大范围扫描，提高了系统的稳定性。
[0032]本专利技术采用波长调谐的方式来控制激光束的不同方向的扫描，扫描速率与波长调谐速率相等，使得扫描速率大大提高。
[0033]本专利技术采用多透镜、反射镜与光栅结合的方式实现大范围的扫描效果，使得激光雷达的发射装置成本低、质量轻且尺寸小。
附图说明
[0034]图1是本专利技术架构及激光示意图；
[0035]图2是本专利技术实施例示意图；
[0036]图3是闪耀光栅的衍射原理图；
[0037]图4是本专利技术的拓展架构示意图；
[0038]图中：1、激光输出单元，2、准直单元，3、光栅，4、聚焦单元，5、发射单元，6、反射单元。
具体实施方式
[0039]下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0040]如图1所示，全固态激光雷达扫描装置包括激光输出单元1、准直单元2、光栅3、聚焦单元4和发射单元5；激光输出单元1为不连续调谐或连续调谐的可调谐半导体激光器，可调谐半导体激光器发射的激光光束的波长调谐范围Δ和发射单元5发射的不同方向的准直光束的扫描范围呈正相关；准直单元2/聚焦单元4/发射单元5可以由若干非球面或球面透镜构成，具体实施中，所述的准直单元2包括若干非球面或球面准直透镜，聚焦单元4包括若干非球面或球面聚焦透镜，发射单元5包括若干非球面或球面发射透镜；光栅3为闪耀光栅或透射衍射型光栅。
[0041]准直单元2和光栅3布置在激光输出单元1发射的激光光路上，激光输出单元1依次发射不同波长的激光，经过准直单元2后准直入射到光栅3中发生衍射，衍射的激光经聚焦单元4聚焦后入射到发射单元5上，再经发射单元5发射为不同方向的准直光束进而照射至扫描方向进行大范围扫描。
[0042]如图2所示，全固态激光雷达扫描装置还包括反射单元6，反射单元6包括若干非球面、球面或平面反射镜，反射单元6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置，其特征在于：全固态激光雷达扫描装置包括激光输出单元(1)、准直单元(2)、光栅(3)、聚焦单元(4)和发射单元(5)，所述的准直单元(2)和光栅(3)布置在激光输出单元(1)发射的激光光路上，激光输出单元(1)依次发射不同波长的激光，经过准直单元(2)后准直入射到光栅(3)中发生衍射，衍射的激光经聚焦单元(4)聚焦后入射到发射单元(5)上，再经发射单元(5)发射为不同方向的准直光束进而照射至扫描方向进行扫描。2.根据权利要求1所述的一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置，其特征在于：所述的激光输出单元(1)为不连续调谐或连续调谐的可调谐半导体激光器。3.根据权利要求1所述的一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置，其特征在于：所述的全固态激光雷达扫描装置还包括反射单元(6)，反射单元(6)包括若干非球面、球面或平面反射镜，反射单元(6)布置在聚焦单元(4)聚焦后、发射单元(5)之前的光束光路上，聚焦单元(4)聚焦后的光束经反射单元(6)的若干次反射后照射至发射单元(5)上。4.根据权利要求1所述的一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置，其特征在于：所述的准直单元(2)/聚焦单元(4)/发射单元(5)由若干非球面或球面透镜构成。5.根据权利要求1所述的一种基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置，其特征在于：所述的光栅(3)为闪耀光栅或透射衍射型光栅。6.根据权利要求1
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5任一所述全固态激光雷达扫描装置的一种扫描方法，其特征在于：方法步骤如下：1)预先设置所述全固态激光雷达扫描装置中激光输出单元(1)输出激光的波长调谐范围；2)开启所述全固态激光雷...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建军，常锴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：