激光雷达的制作方法

1.本发明涉及雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达作为自动驾驶领域的关键器件，随着近几年自动驾驶的日益发展和普及，也对激光雷达提出了更高的技术要求，如在汽车上方或前端使用需要更小体积的激光雷达，为了获取更大的探测视场需要更大的视场角和量程等。
3.目前现有的激光雷达为了提高探测视场一般会采用的技术方案是，直接使用多个发射阵列，即使用多达至少几十个发射通道，以保证垂直视场的探测范围，但该方案会使激光雷达整体尺寸增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的包括，例如，提供了一种激光雷达，其能够增大激光雷达的视场角的量程，同时也能够让激光雷达的整体尺寸相对较小。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.第一方面，本发明提供一种激光雷达，包括发射模块、反射镜组、接收模块、第一扫描模块和第二扫描模块；
7.所述发射模块、所述反射镜组、所述第一扫描模块和所述第二扫描模块依次设置形成激光发射光路，可将所述发射模块形成的发射激光投射至被测目标物；
8.所述第二扫描模块、所述第一扫描模块、所述反射镜组和所述接收模块依次设置形成激光接收光路，可将所述被测目标物依据所述发射激光所产生的反射激光投射至所述接收模块；
9.所述发射模块、所述反射镜组、所述接收模块和所述第一扫描模块在所述激光雷达的高度方向上分布；
10.所述第一扫描模块和所述第二扫描模块可在不同的方向上转动扫描，以改变所述发射激光和所述反射激光的出射方向。
11.在可选的实施方式中，所述发射模块和所述接收模块中的一个设置在另一个的上方。
12.在可选的实施方式中，所述发射模块包括多个激光发射单元，多个所述激光发射单元在所述激光雷达的高度方向上呈阵列设置，所述激光发射单元用于形成所述发射激光。
13.在可选的实施方式中，所述反射镜组包括反射镜和透射反射器件；
14.所述反射镜设置在所述激光发射光路中，且所述反射镜的中心与所述发射模块的中心位于同一高度；
15.所述透射反射器件设置在所述激光发射光路和所述激光接收光路中，且所述透射反射器件的中心与所述接收模块的中心在同一高度；
16.在所述激光发射光路中，所述反射镜可将多个所述激光发射单元发射的所述发射激光反射给所述透射反射器件，再通过所述透射反射器件反射给所述第一扫描模块；
17.在所述激光接收光路中，所述透射反射器件可使所述第一扫描模块投射的所述反射激光透过而投射给所述接收模块。
18.在可选的实施方式中，所述第一扫描模块、所述透射反射器件和所述接收模块三者的中心均位于同一高度，所述反射镜和所述发射模块的中心位于同一高度。
19.在可选的实施方式中，所述发射模块包括多个激光发射单元，多个所述激光发射单元在垂直于所述激光雷达高度的方向上呈阵列设置，所述激光发射单元用于形成所述发射激光。
20.在可选的实施方式中，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和反射透射器件；
21.所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述反射透射器件均设置在所述激光发射光路中，且所述第一反射镜和所述第二反射镜的中心与所述发射模块的中心位于同一高度；
22.所述反射透射器件还设置在所述激光接收光路中，且所述反射透射器件的中心与所述接收模块的中心在同一高度；
23.在激光发射光路中，所述第一反射镜可将可使多个所述激光发射单元发射的所述发射激光反射给所述第二反射镜，再由第二反射镜反射给所述反射透射器件，经所述反射透射器件反射给所述第一扫描模块，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述发射透射器件配合可使多个所述激光发射单元发射的水平方向的所述发射激光旋转，以竖直方向投射给所述第一扫描模块；
24.在激光接收光路中，所述反射透射器件可使所述第一扫描模块投射的所述反射激光透过而投射至所述接收模块。
25.在可选的实施方式中，所述激光雷达具有与所述激光雷达高度方向垂直的第一平面和与所述激光雷达高度方向及所述激光发射单元发射的所述发射激光均平行的第二平面，
26.所述第一反射镜相对于所述第一平面垂直设置，且相对于与所述第二平面倾斜设置；
27.所述第二反射镜相对于与所述激光发射单元发射的所述发射激光平行设置，且相对于所述第一平面倾斜设置；
28.所述反射透射器件设置于所述第二反射镜的上方，且向着所述第一扫描模块的方向倾斜。
29.在可选的实施方式中，所述激光雷达还包括发射透镜和接收透镜；
30.所述发射透镜设置于所述激光发射光路，且所述发射透镜位于所述发射模块的所述发射激光出射的一侧；
31.所述接收透镜设置于所述激光接收光路，且所述接收透镜位于所述接收模块光线的所述反射激光入射的一侧。
32.在可选的实施方式中，所述第一扫描模块可在所述激光雷达的高度方向上转动，所述第二扫描模块可在垂直于所述激光雷达高度方向的方向上转动。
33.本发明实施例提供的激光雷达的有益效果包括，例如：
34.本技术通过在激光发射光路中和激光接收光路中设置第一扫描模块和第二扫描模块，并让第一扫描模块和第二扫描模块在两个不同的转动，并利用激光在第一扫描模块与第二扫描模块之间的反射，从而可以使得激光雷达的视场角和量程增大，也可减小发射模块的体积和减少通道数量。在减少发射模块的体积和减少通道数量后将元器件排布在高度方向上可让激光雷达的布局更加合理，从而可以让激光雷达的体积变小。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为本发明实施例提供的激光雷达的排布结构示意图；
37.图2为本发明实施例提供的激光雷达的隐藏第二扫描模块的侧视排布结构示意图；
38.图3为本发明实施例提供的激光雷达的发射侧的光学量的关系图；
39.图4为本发明实施例提供的激光雷达的接收侧的光学量的关系图；
40.图5为本发明另外一些实施例提供的激光雷达的排布结构示意图；
41.图6为本发明另外一些实施例提供的激光雷达的发射镜组排布结构示意图。
42.图标：100-激光雷达；110-发射模块；120-发射透镜；130-反射镜组；131-反射镜；133-透射反射器件；135-第一反射镜；137-第二反射镜；139-反射投射器件；140-接收透镜；150-接收模块；170-第一扫描模块；190-第二扫描模块。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
44.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
48.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
49.目前现有的激光雷达为了提高探测视场一般会采用的技术方案是，直接使用多个发射阵列，即使用多达至少几十个发射通道，以保证垂直视场的探测范围，但该方案会使激光雷达整体尺寸增加。
50.请参照图1，本实施例提供一种激光雷达100，该激光雷达100可用于汽车探测障碍物，以实现汽车的自驾驶功能。
51.请参照图1和图2，在本实施例中，激光雷达100包括发射模块110、反射镜组130、接收模块150、第一扫描模块170和第二扫描模块190。发射模块110、反射镜组130、第一扫描模块170和第二扫描模块190依次设置形成激光发射光路，可将发射模块110形成的发射激光投射至被测目标物。第二扫描模块190、第一扫描模块170、反射镜组130和接收模块150依次设置形成激光接收光路，可将被测目标物依据发射激光所产生的反射激光投射至接收模块150。在激光发射光路中，发射模组用于发射激光，发射镜组用于将发射模组发射的发射激光投射给第一扫描模块170，第一扫描模块170可将接收到的发射激光投射至第二扫描模块190，第二扫描模块190可将接收到的发射激光投射至被测目标物；在激光接收光路中，第二扫描模块190用于接收被测目标物的反射激光，并将反射激光投射至第一扫描模块170，第一扫描模块170可将接收到的反射激光投射给反射镜组130，反射镜组130可将接收到的反射激光投射给接收模块150。发射模块110、反射镜组130、接收模块和第一扫描模块170在激光雷达100的高度方向上分布。第一扫描模块170和第二扫描模块190可在不同的方向上转动扫描，以改变发射激光和反射激光的出射方向。
52.本实施例通过在光发射光路中和激光接收光路中设置第一扫描模块170和第二扫描模块190，并让第一扫描模块170和第二扫描模块190在两个不同的转动，并利用激光在第一扫描模块170与第二扫描模块190之间的反射，从而可以使得激光雷达100的视场角和量程增大，也可减小发射模块110的体积和减少通道数量。在减少发射模块110的体积和减少通道数量后将元器件排布在高度方向上可让激光雷达100的布局更加合理，从而可以让激光雷达100的体积变小。
53.在本实施例中，发射模块110设置于接收模块150的上方。发射模块110包括多个激光发射单元，多个激光发射单元在激光雷达100的高度方向上呈阵列设置，激光发射单元用于形成发射激光。
54.本实施将多个激光发射单元沿着激光雷达100的高度方向上呈阵列设置，从而可以让激光雷达100在高度方向视场角更广。
55.需要说明的是，图3展示了激光雷达100发射侧光学量的关系图。其中发射模块110可是多个激光发射单元组成的激光发射模块110，也可以是一个激光发射单元。a为发射模块110的感光区域大小，特指高度方向的大小，发射阵列数量越多，高度越高。发射透镜120，可以为单透镜也可以为透镜组，f1为发射透镜120的焦距大小，fov为整个发射端的视场角大小。其中，发射端视场角大小fov与发射单元感光区域大小a、发射透镜120焦距f1有如下关系：
56.a/2＝f1*tan(fov/2)
57.图4为激光雷达100接收测几个重要光学量的关系图。其中，接收透镜140可以为单透镜也可以为透镜组，f2为接收透镜140的焦距大小；接收模块150可以为接收单元阵列也
可以为单个接收单元，b为4接收模块150的感光区域大小，特指高度方向的大小。fov为整个接收端的视场角大小。同理接收端视场角大小fov与接收单元感光区域大小b、接收透镜140焦距f2有如下关系：
58.b/2＝f2*tan(fov/2)
59.此外，发射侧视场角fov与接收侧视场角fov为相等关系；发射透镜120焦距f1与接收透镜140焦距f2可以相等也可以不相等，主要由发射单元的感光区域大小a和接收单元的感光区域大小b来决定。同样激光发射单元的数量可以与接收模块150的激光接收单元的数量一一对应，也可以多对一或一对多，这只影响发射单元的感光区域大小a对应的接收单元的感光区域b的大小，因此可通过调节f2就可以实现一对一或一对多，在减少发射模块110的激光发射单元时，f1为固定的，fov也是固定的，因此只可以调整f2的大小来调整b和a的比例，在确定激光发射单元的芯片参数，根据a的初始值，fov就可以确定接收模块150的参数，b的初始值就确定下来了。接收模块150可以为雪崩光电二极管(apd)、硅光电倍增管(sipm)或单光子雪崩二极管(spads)，用于探测返回光斑的能量等信息。
60.请继续参照图1和图2，在本实施例中，反射镜组130包括反射镜131和透射反射器件133，反射镜131设置在激光发射光路中，且反射镜131的中心与发射模块110的中心位于同一高度。透射反射器件133设置在激光发射光路和激光接收光路中，且透射反射器件133的中心与接收模块150的中心在同一高度。在激光发射光路中，反射镜131可将多个激光发射单元发射的发射激光反射给透射反射器件133，再通过透射反射器件133反射给第一扫描模块170。在激光接收光路中，透射反射器件133可使第一扫描模块170投射的反射激光透过而投射给接收模块150。反射镜131和透射发射器件平行设置，且呈45
°
角倾斜。
61.需要说明的是，由于发射模块110与发射透镜120的间距与透镜组焦距有关，反射镜131的大小应能够完全覆盖发射透镜120的准直光斑大小，假设发射透镜120的准直光斑大小为x(一般常见的光斑有圆形和矩形两种，而在光斑为圆形时光斑的大小为圆形光斑的直径，在光斑为矩形时光斑的大小为矩形光斑的横向边长)，反射镜131与水平面的倾斜角度为a，则反射镜131的长度最小为x/cosa，在本发明中a为45
°
，即发射镜1的长度至少为发射光斑大小的倍；原则上发射透镜120与反射镜131的距离应该越近越好，但在实际布局设计应考虑透镜模组大小，在与反射镜131不干涉的前提下，尽量减小间距。反射透射器件的中心与反射镜131的中心在同一竖直方向上重合。在确定反射镜131中心的基础上，由于第一扫描模块170、接收透镜140、接收模块150的中心应在同一高度，因此这三个器件的大致位置便能确定。同发射侧一样，接收模块150与接收透镜140的间距与透镜组焦距有关，接收透镜140与反射透射器件的距离应在保证不与反射透射镜和发射透镜120干涉的基础上保证足够小。反射透射器件的倾斜角度应与反射镜131一致，即两者平行，靠近反射镜131的一面应包含反射面，反射面大小与反射镜131大小一致，其余部分为透射面。靠近接收透镜140一面为透射面，大小应能够完全覆盖接收透镜140的有效口径大小。在本发明中为接收透镜140有效口径的倍。第一扫描模块170需满足大小匹配接收透镜140有效口径的投影面积。第二扫描模块190与第一扫描模块170应在结构件不干涉的情况下尽可能缩小距离。(转镜的大小/棱镜与转镜的距离 接收系统有效口径)＝tan(第一扫描模块170的转动角度)，第一扫描模块170的转动角度一般要固定且尽量大以满足垂直视场要求。因此，为了减
小第二扫描模块190与激光雷达100的高度。第一扫描模块170的中心可以与第二扫描模块190的中心重合，也可以不重合，这主要取决于系统整体视场角，若垂直视场角对称则两者重合，若视场非对称，则中心应不重合。
62.本技术通过设置反射镜131和透射反射器件，从而可以共用第一扫描模块170和第二扫描模块190实现发射激光和接收激光。
63.在本实施例中，第一扫描模块170、透射反射器件133和接收模块150三者的中心均位于同一高度，反射镜131和发射模块110的中心位于同一高度。
64.请继续参照图1和图2，在本实施例中，激光雷达100还包括发射透镜120和接收透镜140。发射透镜120设置于激光发射光路，且发射透镜120位于发射模块110的发射激光出射的一侧。接收透镜140设置于激光接收光路，且接收透镜140位于接收模块150光线的反射激光入射的一侧。
65.在本实施例中，反射透射器件用于经发射透镜120处理的准直的发射激光完成光路转折及透过反射激光。因此，反射透射器件可以使用一块反射镜131中间部分镀反射膜旁边区域镀透射膜，也可以只使用一块面积较小的反射镜131。
66.在本实施例中，第一扫描模块170可在激光雷达100的高度方向上转动，第二扫描模块190可在垂直于激光雷达100高度方向的方向上转动。
67.在本实施例中，第一扫描模块170用于转动扫描接收反射透射器件反射的发射激光，以让发射激光达到垂直视场角的要求，第一扫描模块170可以有由电机或电磁装置带动反光的镜片做俯仰运动。第二扫描模块190用于在水平面内转动扫描使接收到第一扫描模块170的发射激光达到水平视场角的要求。第二扫描模块190可以为双面、三面或四面等多面棱镜。在本实施例中第二扫描模块190为三棱镜。接收透镜140，可以为单透镜或透镜组，用于对发射激光进行汇聚。
68.请参照图5和图6，在本技术的另外一些实施例中，多个激光发射单元在垂直于激光雷达100高度的方向上呈阵列设置，激光发射单元用于形成发射激光。反射镜组130包括第一反射镜135、第二反射镜137和反射透射器件；第一反射镜135、第二反射镜137和反射透射器件均设置在激光发射光路中，且第一反射镜135和第二反射镜137的中心与发射模块110的中心位于同一高度。反射透射器件还设置在激光接收光路中，且反射透射器件的中心与接收模块150的中心在同一高度。在激光发射光路中，第一反射镜135可将可使多个激光发射单元发射的发射激光反射给第二反射镜137，再由第二反射镜137反射给反射透射器件，经反射透射器件反射给第一扫描模块170，第一反射镜135、第二反射镜137和发射透射器件配合可使多个激光发射单元发射的水平方向的发射激光旋转，以竖直方向投射给第一扫描模块170。在激光接收光路中，反射透射器件可使第一扫描模块170投射的反射激光透过而投射至接收模块150。激光雷达100具有与激光雷达100高度方向垂直的第一平面和与激光雷达100高度方向及激光发射单元发射的发射激光均平行的第二平面，第一反射镜135相对于第一平面垂直设置，且相对于与第二平面倾斜设置；第二反射镜137相对于与激光发射单元发射的发射激光平行设置，且相对于第一平面倾斜设置；反射透射器件设置于第二反射镜137的上方，且向着第一扫描模块的方向倾斜。
69.本实施例可以让激光雷达100在高度方向的高度更低，并且通过第一反射镜135、第二反射镜137和反射投射器件139的配合可以让长度方向在水平方向发射激光的光斑以
长度方向在竖直方向透出。
70.需要说明的是，发射模块110和接收模块150也沿激光雷达100的高度方向堆叠排布，但是发射模块110的多个激光发射单元为水平阵列排布，即垂直于激光雷达100高度方向设置，那么发射单元水平排布，发射光束水平出射。第一反射镜135随发射模块110一同旋转为水平放置，经过第一反射镜135、第二反射镜137和反射投射器件139的三次反射后，最终的出射光线由水平转折为垂直出射。其中第一反射镜135、第二反射镜137为普通的反射镜131，只起发射光束转折光路的作用，反射投射器件139除转折发射光路外，还对接收光线起透过作用，因此可以使用一块反射镜131中间部分镀反射膜旁边区域镀透射膜，也可以使用一块面积较小的反射镜131。
71.综上，本实施例通过在光发射光路中和激光接收光路中设置第一扫描模块170和第二扫描模块190，并让第一扫描模块170和第二扫描模块190在两个不同的转动，并利用激光在第一扫描模块170与第二扫描模块190之间的反射，从而可以使得激光雷达100的视场角和量程增大，也可减小发射模块110的体积和减少通道数量。在减少发射模块110的体积和减少通道数量后将元器件排布在高度方向上可让激光雷达100的布局更加合理，从而可以让激光雷达100的体积变小。
72.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。