一种混合光学固态激光雷达的制作方法

1.本发明涉及固态激光雷达技术领域，特别是涉及一种混合光学固态激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达是以发射光束探测目标的空间三维位置等特征量的雷达系统。因其具有分辨率高，抗干扰能力强的优点，应用较为广泛。
3.激光雷达分为混合固态激光雷达以及固态激光雷达。混合固态激光雷达的体积大，分辨率较低，稳定性不足，无法满足更高的需求应用。固态激光雷达具有高分辨率，且体积较小，易生产、规模化低成本等优势，并且由于没有运动部件，因此质量更具可靠性，更易过车规，因此应用领域越来越广泛。
4.固态激光雷达包括发射端以及接收端，发射端的光源通常为高密度的led或者垂直腔面发射激光器(vcsel)阵列；接收端通常采用阵列式传感器，然后配合对应的发射端和接收端光学器件。激光雷达通过对光的飞行时间计算进而获得对应的测量物体距离信息。
5.现有的固态激光雷达当测量范围较远，测量角度较大时，为了达到所需要的测量范围及探测视场角度，往往会采用大功率、大角度的发射模块，进而会造整体激光雷达功耗、成本较高，并难以满足人眼安全的需求。


技术实现要素：

6.为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种混合光学固态激光雷达，有效的解决了存在人眼安全隐患、功耗热耗较高、成本较高以及体积较大等问题。
7.其解决技术问题的技术方案是：一种混合光学固态激光雷达，包括发射模块、发射光学装置、接收光学装置以及接收模块；
8.发射模块和发射光学装置设有至少两个，接收光学装置和接收模块设有至少一个，发射模块的发散角度为0-360
°
，接收模块的接收视场角为0-360
°
，两个或两个以上的发射模块在时间域上可以同时发射也可以分时发射光源，发射光源的时间间隔为1ns-20ms。
9.优选的，所述的发射光学装置对应设置一个或多个发射模块，发射模块之间的距离为0-30厘米。
10.优选的，所述的发射模块和发射光学装置组成发射模组，发射模组光学系统的混合组合覆盖整个接收模块。
11.优选的，所述的发射模块数量为1-32个，接收模块的数量为1-6个。
12.优选的，所述的发射模块为vcsel或led，并配合对应的diffuser或led cap，组成光学分布。
13.优选的，所述的接收模块为光电探测器。
14.优选的，还包括信号处理单元，信号处理单元用于完成信息的处理，同时控制发射模块的分时、分域或同时工作。
15.优选的，还包括外接的控制单元，控制单元用于控制发射模块的发射模块的分时、
分域或同时工作。
16.优选的，所述的发射模块与接收模块同步工作。
17.本发明在较大视场角的不同测距范围内，能够对不同的场景设置不同的发光效率和发光分布，进而最大程度上对发射光能量优化使用，既能提高测量角度又能提高测距范围，并采用灵活、稳定的不同光源组合，使得系统满足需求的同时成本非常低，同时发射光能量降低，避免对人眼造成损害。
附图说明
18.图1是现有技术的示意图。
19.图2是本发明实施例一的原理示意图。
20.图3是本发明实施例二的原理示意图。
21.图4是本发明实施例三的原理示意图。
22.图5是本发明实施例四的原理示意图。
23.图6是本发明实施例三的演示图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
25.由图1至图6可知，一种混合光学固态激光雷达，包括发射模块101、发射光学装置102、接收光学装置106以及接收模块107；
26.发射模块101和发射光学装置102设有至少两个，接收光学装置106和接收模块107设有至少一个，发射模块101的发散角度为0-360
°
，接收模块107的接收视场角为0-360
°
，两个或两个以上的发射模块101在时间域上可以同时发射也可以分时发射光源，发射光源的时间间隔为1ns-20ms。
27.如图2所示，本发明实施例一：
28.一种混合光学固态激光雷达，包括多个发射模块101和多个发射光学装置102，发射模块101发射不同的发射光形103，然后照射到不同角度、不同距离、不同形状的被测物104上，通过返回的光形信号，在接收光形105范围内进入接收光学装置106，然后进一步照射到接收模块107上，从而获取不同角度、不同距离的多个被测物104的深度、信号幅度及置信度等信息。
29.从图中可以看出，当被测物104出现在不同视场角、不同距离时，使用本发明的混合光学配合一个或者多个接收模块107的方案，可实现对大角度、不同距离区域物体进行同时探测，获得不同视场角、不同距离的被测物104的准确距离信息。相比于现有的固态激光雷达而言，目前均采用单一角度的光场分布，或使用单个或多个相同角度的发射光源来增加发光能量，进而覆盖整个测量的范围和角度，此类方案会造成潜在的人眼安全问题、功耗热耗非常高、并且物料成本和生产成本非常高，以及体积较大等问题，采用本发明的混合光学固态激光雷达，能够明显的解决人眼安全问题，降低功耗以及成本，且缩小雷达体积，便于进行安装固定。
30.在本实施例中，发射模块101之间的距离为0-30厘米，每个发射模块101的发散角度为0-360
°
，并且发射模块101相互之间的发散角度可以相同也可以不同，以便满足不同的
广场发布需求，发射模块101的数量为1-32个，接收模块107的数量为1-6个，对应的接收模块107的接收视场角为0-360
°
。
31.在本实施例中，发射模块101和发射光学装置102组成发射模组，发射模组光学系统的混合组合覆盖整个接收模块107；发射模组发出发射光形103的混合使用所组成的光形角度要大于接收光形105的角度，这样能够覆盖全部的所需要的测量角度，以免造成接收光形105有暗角或者无法测量某角度内的物体，进而造成整体测距数据的遗漏。
32.在本实施例中，激光雷达根据所需要的检测视场角或者对应的测距范围，各个发射模块101及其配合的发射光学装置102、发射波形可以针对所需要的角度和范围进行设计，实现混合光学对不同角度和不同距离上多个不同被测物104的同时、分时测量，实现大视场角、远距离的激光雷达系统。
33.在本实施例中，发射模块101的发光时间可以是1ns-20ms之间，并且不同的发射模块101可以同时发光亦可以异时发光，以便获得混合光学下的智能光学分布测距。
34.在本实施例中，发射模块101及其配合的发射光学装置102同接收光学装置106及其接收模块107之间的距离可以是0.1cm-30cm，并且相互之间可以是任意空间分布。不过分布距离较近会产生发生光源同接收光源直接的光串扰，距离较远会不利于各个光源发射之间的同步以及整体激光雷达产品的标定和补偿，因此最好两者之间的空间分布距离在0.1cm-30cm范围内。
35.发射模块101与接收模块107同步工作，使得所有发射模块101的光源通过被测物104反馈到接收模块107，进而获取对应的测距信息。
36.本发明的混合光学固态激光雷达的测量范围覆盖0.1-250米的范围。
37.如图3所示，本发明实施例二：
38.在实施例一的基础上，发射光学装置102对应设置一个或多个发射模块101，发射模块101可以是单个对应发射光学装置102，亦可以多个发射模块101对应发射光学装置102，多个数量可以是2-32个，发射模块101可以是vcsel、多节vcsel、vcsel阵列、可选地址vcsel、led或激光器，并配合对应的diffuser或led cap，组成光学分布，接收模块107为光电探测器。进而实现更大功率的发射模块101，使得不同的视场角和测距范围内，获得更多的信号，以及更广、更远的测量范围。
39.如图4所示，本发明实施例三：
40.在实施例一的基础上，激光雷达还包括信号处理单元108，信号处理单元108可以完成对激光雷达测距信息的处理，也可以同时控制发射模块101的分时、分域或同时工作。
41.如图5所示，本发明实施例四：
42.在实施例三的基础上，激光雷达还包括外接的控制单元109，信号处理单元108完成对激光雷达测距信息的处理，控制单元109用于控制发射模块101的发射模块101的分时、分域或同时工作。
43.如图6所示，为了简化便于学者理解和对比，该举例光形采用圆锥光源模型，并暂定光学发射模块101足够稳定、发射光学装置102无衰减、发射光形103光强分布均匀等理想条件，定义如下：
44.单个发射模块101光功率为a；
45.发散角度大小表示为θ；
46.三个物体离激光雷达距离分别为x；2x；3x；
47.若采用原有的单一角度光源照射三个物体：
48.此时根据发射光功率能量和发射角度及测距距离之间的关系，获得被测物104的表面光强度b的关系如下：
[0049][0050]
由此可见，当3个发射模块101角度完全一样时，在最远的被测物104.3获得的光能量为：
[0051][0052]
举例，角度θ若为40
°
，那么被测物104.3获得的光能量为：
[0053][0054]
依次类推得出：
[0055]
被测物104.1获得的光能量为：
[0056][0057]
被测物104.2获得的光能量为：
[0058][0059]
若采用本发明的混合光源照射三个物体：
[0060]
此时根据发射光功率能量和发射角度及测距距离之间的关系，获得被测物104的表面光强度b的关系如下：
[0061][0062]
由此可见，当3个发射模块101角度混合配合工作时，在最远的被测物104.3获得的光能量为：
[0063][0064]
同样举例角度θ若为40
°
，那么被测物104.3获得的光能量为：
[0065][0066]
依次得出：
[0067]
被测物104.1获得的光能量为：
[0068][0069]
被测物104.2获得的光能量为：
[0070][0071]
为了统一标准化处理对比，激光雷达要求获得的光照能量单位i，那么按照原有的单一光源角度模组，则需要27个发射光源光功率a才能使得最远测距范围的被测物104.3达到所需要的i，并对于被测物104.1和104.2的光照能量大于i，造成不必要的浪费；
[0072]
根据本发明的混合光学固态激光雷达设计，被测物104.1仅需要3个发射光源光功率a达到所需要的i，被测物104.2仅需要3个发射光源光功率a达到所需要的i，被测物104.3仅需要1个发射光源光功率a达到所需要的i，总共只需要7个发射光源功率a；
[0073]
对比原有的单一光源角度模组，节约了20个发射光源模组，大大的降低了功耗、节约了成本、减小了体积。
[0074]
如上描述，只是从某一角度、测量范围的距离，仅为了读者能够快速便捷的理解本发明所带来的效果。
[0075]
实际激光雷达的设计可以根据不同的光源数量、不同的发射角度、以及不同的测量范围进行丰富的组合，进一步优化整个激光雷达的效果。
[0076]
本发明有效的解决了固态激光雷达光场分布效率的问题。尤其涉及在大视场角、复杂的测试物体及不同的测距范围下，本技术采用两个或多个光学发射系统，配合一个或多个接收装置，将发射光源照射出去的光信号照射到被测物104上，然后被测物104通过反射回的光波进入到接收模块107。
[0077]
相比于现有的固态激光雷达而言，目前主要采用单一的光场分布或使用多个发射光源的叠加来增加发光能量的方法。此类方案会造成人眼安全、功耗热耗较高、成本较高以及体积较大等问题。
[0078]
本发明在较大视场角的不同测距范围内，能够对不同的场景设置不同的发光效率和发光分布，进而最大程度上对发射光能量优化使用，既能提高测量角度又能提高测距范
围，并采用灵活、稳定的不同光源组合，使得系统满足需求的同时成本非常低。