激光雷达制造技术

本实用新型专利技术提供一种激光雷达，包括：光发射单元，用于发射探测光信号；光接收单元，用于接收由探测光信号产生的回波光信号；主光学系统，配置在光发射单元和光接收单元之间，用于接收探测光信号并向外传输；以及，用于接收回波光信号并向光接收单元传输；扩束单元，设于主光学系统和光接收单元之间，用于接收经过主光学系统的回波光信号并经扩束后向光接收单元传输；其中，主光学系统与扩束单元组合的等效焦距大于主光学系统的焦距，以压缩光接收单元的视场角。本实用新型专利技术的激光雷达通过光学系统使得接收端延长焦距以压缩接收端的视场角，无需光阑等器件，并且还配合收发同轴的光学系统使得结构更紧凑。统使得结构更紧凑。统使得结构更紧凑。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达


[0001]本技术涉及光学测距领域，尤其涉及激光雷达。

技术介绍

[0002]激光雷达是通过发射激光，并探测激光到达物体表面后反射的回波信号来计算物体距离的探测设备。测距性能是激光雷达的一项重要技术指标，其主要取决于激光雷达系统的信噪比水平，而环境光是影响激光雷达信噪比水平的一个重要噪声来源，因此减小环境光一直是激光雷达的光学系统设计中的重要环节。
[0003]目前的激光雷达的光学系统的抑制环境光的方式主要有两个方面：
[0004]一方面，需要设置合适的接收端(即探测器一侧)的光学系统焦距。具体是因为接收端光学系统焦距需要与发射焦距、激光器、光探测器有效尺寸相匹配。此外，光学系统焦距的长短会对激光雷达的总体积有较大影响。因此，无论是机械式雷达还是固态式雷达，目前大部分接收端光学系统焦距多在100mm以内。
[0005]比如，硅光电倍增管(SiPM)在强环境光条件下容易饱和。通常需要限制SiPM的视场角，以避免接收到更多的环境光。但是，这会产生矛盾。比如在接收端光学系统中，使用大尺寸的探测器且又要压缩到小视场角，则需要长焦距的光学系统；然而，采用长焦距的光学系统又不利于实现结构紧凑、体积小的激光雷达。
[0006]根据图1进行说明，图1中所展示探测器101的高度为L，f为接收透镜102(等效示意为凸透镜)焦距，θ为视场角。需说明的是，此处的视场角为瞬时视场角(Instantaneous FieldOfView，IFOV)，是指单个光探测器的受光角度或观测视野。可以得到视场角的计算公式为从该公式可见，如果采用大感光面的探测器101(比如采用SiPM时)，高度L会较大，而为了限制探测器101的视场角θ，以避免接收到更多环境光而使探测器101 饱和，那就需要增大接收端光学系统的焦距f。
[0007]为解决这一问题，如图2所示，现有技术中有通过在接收端光学系统中增加孔径光阑203 来抑制环境光。具体可如图中所示，通过在接收透镜202与探测器201之间设置孔径光阑203，孔径光阑203位于接收透镜202的焦点位置，并且使经过孔径光阑203的光覆盖探测器201 的全部有效区域(图中以覆盖高度L为示例)。从图中可见，通过孔径光阑203使与其所对应的视场角θ
’
内对应的光通过，而使其它视场角的光被阻挡，使得探测器201实际的视场角从θ压缩到θ
’
，且孔径光阑203使得经过的光覆盖探测器201全部有效区域，以达到长焦距光学系统的效果。
[0008]但是，对于激光雷达而言，孔径光阑属于需要额外增加的光学部件，一方面增加了额外的成本，另一方面也增加了安装与调试工作。
[0009]另一方面，有采用与激光波长对应的滤光片，以通过压缩滤光片带宽来对激光波长以外的环境光进行过滤。但滤光片的带宽受到激光器带宽、工作环境温度等因素影响。对于当前大部分选用半导体激光器作为光源的激光雷达来说，其滤光片带宽进一步压缩的空间较为有限，环境光仍无法控制到理想水平。

技术实现思路

[0010]鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术提供一种激光雷达，抑制环境光对探测器的影响、提高激光雷达探测时的动态范围，提高激光雷达的测距能力。
[0011]为实现上述目标及其他相关目标，本技术第一方面提供一种激光雷达，包括：光发射单元，用于发射探测光信号；光接收单元，用于接收由所述探测光信号产生的回波光信号；主光学系统，配置在光发射单元和光接收单元之间，用于接收所述探测光信号并向外传输；以及，用于接收所述回波光信号并向所述光接收单元传输；扩束单元，设于所述主光学系统和光接收单元之间，用于接收经过主光学系统的回波光信号并经扩束后向所述光接收单元传输；其中，所述主光学系统与扩束单元组合的等效焦距大于所述主光学系统的焦距，以压缩所述光接收单元的视场角。
[0012]在第一方面的实施例中，在激光雷达中所述探测光信号的传输路径与所述回波光信号的传输路径部分相同。
[0013]在第一方面的实施例中，所述主光学系统包括：正透镜单元及分光单元；所述正透镜单元，用于从分光单元接收所述探测光信号并向外传输；以及用于接收所述回波光信号并向所述分光单元传输；所述分光单元，用于接收所述探测光信号并向所述正透镜单元传输；以及，用于从正透镜单元接收所述回波光信号并向所述光接收单元传输。
[0014]在第一方面的实施例中，所述扩束单元与正透镜单元之间的距离小于正透镜单元的焦距。
[0015]在第一方面的实施例中，所述光接收单元的感光面位于主光学系统与扩束单元组合的焦平面处。
[0016]在第一方面的实施例中，所述等效焦距还大于所述主光学系统的主平面与所述光接收单元的感光面之间的距离。
[0017]在第一方面的实施例中，所述分光单元包括：反射单元，包括反射部，用于反射回波光信号及探测光信号中的一者；所述反射单元还包括透射部或者所述反射单元配合有外部的空隙，以用于使所述探测光信号和回波光信号中的另一者通过。
[0018]在第一方面的实施例中，所述主光学系统还包括：偏振单元，设于所述正透镜单元背向分光单元的一侧，用于改变所述探测光信号和所述回波光信号的偏振态，以使输出的探测光信号处于第一偏振态，并使输出的回波光信号处于第二偏振态，所述第一偏振态不同于所述第二偏振态；所述分光单元，设于所述正透镜单元和所述扩束单元之间，配置成允许第二偏振态的回波光信号通过。
[0019]在第一方面的实施例中，所述的激光雷达，还包括：扫描单元，可一维或二维转动地设置，用于转动至预定姿态使所述探测光信号以对应的扫描角度向外传输，以及用于对应所述探测光信号的所述回波光信号向所述主光学系统传输。
[0020]在第一方面的实施例中，所述光接收单元包括：光探测器阵列；所述扩束单元包括子扩束单元阵列，其中每个子扩束单元对应于一个或多个光探测器设置。
[0021]在第一方面的实施例中，所述子扩束单元阵列的中部区域的各第一子扩束单元所对应的光探测器对应于激光雷达的视场的中心视场角度，各所述第一子扩束单元包括非偏心透镜；所述子扩束单元阵列的中部区域以外的周边区域的各第二子扩束单元所对应的光探测器对应于激光雷达的中心视场角度以外的边缘视场角度，各所述第二子扩束单元包括
偏心透镜。
[0022]在第一方面的实施例中，所述子扩束单元阵列为用于封装光探测器阵列的微透镜阵列。
[0023]在第一方面的实施例中，所述光探测器阵列包括：电路基板，具有设置所述光探测器阵列的第一表面；光学载件，具有设置所述微透镜阵列的第二表面，与所述电路基板封装为一体且使所述第二表面与第一表面相对，以使各所述微透镜对应于各所述光探测器设置。
[0024]在第一方面的实施例中，所述光接收单元包括：所述光接收单元包括：多个光探测器阵列，各所述光探测器阵列呈线阵排列；所述扩束单元包括至少一个柱面负透镜，所述柱面负透镜对应所述光接收单元中部分或全部所述光探测器阵列设置，所述柱面负透镜的延伸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达，其特征在于，包括：光发射单元，用于发射探测光信号；光接收单元，用于接收由所述探测光信号产生的回波光信号；主光学系统，配置在光发射单元和光接收单元之间，用于接收所述探测光信号并向外传输；以及，用于接收所述回波光信号并向所述光接收单元传输；扩束单元，设于所述主光学系统和光接收单元之间，用于接收经过主光学系统的回波光信号并经扩束后向所述光接收单元传输；其中，所述主光学系统与扩束单元组合的等效焦距大于所述主光学系统的焦距，以压缩所述光接收单元的视场角。2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，在激光雷达中所述探测光信号的传输路径与所述回波光信号的传输路径部分相同。3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述主光学系统包括：正透镜单元及分光单元；所述正透镜单元，用于从分光单元接收所述探测光信号并向外传输；以及用于接收所述回波光信号并向所述分光单元传输；所述分光单元，用于接收所述探测光信号并向所述正透镜单元传输；以及，用于从正透镜单元接收所述回波光信号并向所述光接收单元传输。4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述扩束单元与正透镜单元之间的距离小于正透镜单元的焦距。5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光接收单元的感光面位于主光学系统与扩束单元组合的焦平面处。6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述等效焦距还大于所述主光学系统的主平面与所述光接收单元的感光面之间的距离。7.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述分光单元包括：反射单元，包括反射部，用于反射回波光信号及探测光信号中的一者；所述反射单元还包括透射部或者所述反射单元配合有外部的空隙，以用于使所述探测光信号和回波光信号中的另一者通过。8.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述主光学系统还包括：偏振单元，设于所述正透镜单元背向分光单元的一侧，用于改变所述探测光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世祥，向少卿，
申请(专利权)人：上海禾赛科技有限公司，
类型：新型
国别省市：