CN111381246A - 激光雷达接收组件及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的激光雷达接收组件及激光雷达系统，通过在激光雷达接收组件中设置接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器；其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。通过采用设置多个透镜的方式，以使不同透镜可接收来自不同视场方向上的激光回波光束，并经视场光阑和场镜成像在光电探测器，从而有效提高了光电探测器的可探测视场，进而提高激光雷达接收组件和激光雷达系统的探测性能。

Description

激光雷达接收组件及激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光应用技术，具体涉及一种激光雷达接收组件及激光雷达系统。

背景技术

激光雷达系统是无人驾驶设备的关键传感器之一，它相当于汽车的眼睛，能够精确的识别障碍物的位置、大小等信息。一般的，激光雷达系统通过激光雷达发射组件向目标区域发射激光光束，然后再通过激光雷达接收组件接收由目标区域反射回来的激光回波信号，从而通过分析激光的飞行时间来获取待测空间的三维信息。

在现有技术中，激光雷达接收组件包括有透镜以及接收探测器，其中，受限于半导体工艺水平，接收探测器的尺寸是有限的。而该接收探测器的尺寸也大大制约了激光雷达接收组件的视场大小，进而影响了激光雷达系统的探测性能。

因此，在不改变现有接收探测器尺寸的情况下，如何提高激光雷达接收组件的视场大小，以提高激光雷达接收组件和激光雷达系统的性能成为难点。

发明内容

为了解决现有技术中的激光雷达接收组件的视场受限的问题，本发明提供了一种激光雷达接收组件及激光雷达系统。

本发明提供了一种激光雷达接收组件，包括：接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器；

其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。

在其中一种可选的实施方式中，所述接收透镜组中的各透镜的焦点重合设置。

其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。

在其中一种可选的实施方式中，所述接收透镜组中的各透镜的焦点重合设置。

在其中一种可选的实施方式中，所述各透镜的焦点位于所述视场光阑的孔径所在平面上。

在其中一种可选的实施方式中，所述接收透镜组中的各透镜为汇聚透镜，用于将各激光回波光束汇聚在所述视场光阑内。

在其中一种可选的实施方式中，所述场镜用于将透过所述视场光阑的各激光回波光束进行压缩汇聚，以使压缩汇聚后的回波光束成像在所述光电探测器的探测区域内。

在其中一种可选的实施方式中，相邻的两个透镜的主光轴之间的预设夹角小于等于该两个透镜的视场角之和的二分之一。

在其中一种可选的实施方式中，所述视场光阑的孔径大小等于任一透镜的上视场角的正切值与下视场角的正切值之和，乘以该任一透镜的焦距；

其中，所述上视场角为该透镜所接收的上视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角；所述下视场角为该透镜所接收的下视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角。

在其中一种可选的实施方式中，所述相邻的两个透镜的上、下视场角之间满足如下公式1：

其中，所述f₁为相邻的两个透镜中其中一个透镜的焦距，

为该透镜的通光口径，ω₁₁和ω₁₂分别为该透镜的上、下视场角；所述f₂为相邻的两个透镜中另一个透镜的焦距，

为该另一个透镜的通光口径，ω₂₁和ω₂₂分别为该另一个透镜的上、下视场角。

另一方面，本发明提供了一种激光雷达系统，包括前述任一项所述的激光雷达接收组件以及激光雷达发射组件。

在其中一种可选的实施方式中，所述激光雷达发射组件包括激光发射器；

所述激光发射器用于发射激光发射光束至被测目标，并经由所述被测目标反射形成射入所述激光雷达接收组件的激光回波光束。

所述各透镜的焦点位于所述视场光阑的孔径所在平面上。

本发明提供的激光雷达接收组件及激光雷达系统，通过在激光雷达接收组件中设置接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器；其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。通过采用设置多个透镜的方式，以使不同透镜可接收来自不同视场方向上的激光回波光束，并经视场光阑和场镜成像在光电探测器，从而有效提高了光电探测器的可探测视场，进而提高激光雷达接收组件和激光雷达系统的探测性能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明实施例一提供的一种激光雷达接收组件的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的激光雷达接收组件中的主透镜的路示意图；

图3为本发明实施例一提供的激光雷达接收组件中主透镜的工作原理示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种激光雷达接收组件的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种激光雷达接收组件的主透镜的工作原理示意图；

图6为本发明实施例三提供的一种激光雷达系统的结构示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

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。

在现有技术中，激光雷达接收组件包括有透镜以及接收探测器，其中，受限于半导体工艺水平，接收探测器的尺寸是有限的。而该接收探测器的尺寸也大大制约了激光雷达接收组件的视场大小，进而影响了激光雷达系统的探测性能。

因此，在不改变现有接收探测器尺寸的情况下，如何提高激光雷达接收组件的视场大小，以提高激光雷达接收组件和激光雷达系统的性能成为难点。

需要说明的是，这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

为了解决上述问题，本发明提供了一种激光雷达接收组件，该激光雷达接收组件可适配于激光雷达系统，为激光雷达系统提供激光回波光束的探测和接收功能。

其中，为了在不改变光电探测器的尺寸的情况下，提高激光雷达接收组件所能提供的视场大小，在本发明提供的激光雷达接收组件中设置有接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器。其中，接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。

图1为本发明实施例一提供的一种激光雷达接收组件的结构示意图。

如图1所示，该激光雷达接收组件包括：接收透镜组、视场光阑141、场镜142以及光电探测器143；

其中，接收透镜组包括多个透镜，为了便于说明，如图1所示，本实施例中将以透镜的数量为3个进行说明，即接收透镜组包括第一透镜111，第二透镜121，第三透镜131。

所述第一透镜111的光轴为112，所述第二透镜121的光轴为122，所述第三透镜131的光轴为132，而不同透镜的主光轴之间成预设角度，不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑141和所述场镜142并成像在所述光电探测器143上。

具体的，所述的第一透镜111，第二透镜121，第三透镜131的焦长分别为f₁、f₂、f₃。所述的视场光阑141的尺寸为D。所述第一透镜111用于接收来自中间视场方向的激光回波光束，且所述第一透镜111的视场大小ω₁；所述的第二透镜121可用于接收来自上方视场方向的激光回波光束，且所述第二透镜121视场大小ω₂；所述的第三透镜131用于接收来自下方视场方向的激光回波光束，且第三透镜131的视场大小ω₃。

而所述的第一透镜光轴112与所述的第二透镜光轴122之间的夹角表示为α₁，所述的第一透镜光轴112与所述的第三透镜光轴132之间的夹角表示为α₂。优选的，相邻的两个透镜的主光轴之间的预设夹角小于等于该两个透镜的视场角之和的二分之一。

具体的，各夹角与各透镜视场大小之间的关系需满足如下公式a和公式b：

a₁≤(ω₁+ω₂)/2 公式a

a₃≤(ω₁+ω₃)/2 公式b。

而在各透镜接收有其相应视场方向上的激光回波光束之后，各透镜将分别引导激光回波光束穿过视场光阑141的孔径，并经过场镜142的汇聚作用，最终成像在光电探测器143上。

此时，整个激光雷达接收组件的整体视场ω将满足公式c：

ω≤α₁+α₂+(ω₄+ω₃)/2 公式c

在上述实施方式的基础上，优选的，接收透镜组中的各透镜的焦点重合设置。通过采用该焦点重合的透镜设置方式，能够便于进一步缩小视场光阑的孔径尺寸，降低整个组件的尺寸。

而更优的所述各透镜的焦点位于所述视场光阑的孔径所在平面上。也就是说，所述的第一透镜111、所述的第二透镜121以及所述的第三透镜131的像方焦点重合，并且所述的像方焦点位于所述的视场光阑141的中心。如前所述的，当各透镜的焦点均位于所述视场光阑141的孔径所在平面上，此时的视场光阑141的孔径尺寸将达到最小值。

此外，在上述实施方式的基础上，接收透镜组中的各透镜为汇聚透镜，用于将各激光回波光束汇聚在所述视场光阑141内。由于采用分别汇聚的方式，视场光阑141是传统的接收系统光电探测器的1/3，有效的减少了探测器的尺寸。

此外，可选的，所述场镜142用于将透过所述视场光阑141的各激光回波光束进行压缩汇聚，以使压缩汇聚后的回波光束成像在所述光电探测器143的探测区域内。通过设置用于近一步缩小成像尺寸的场镜142，第一透镜111、第二透镜121和第三透镜131对应的视场内的回波光束均汇聚到视场光阑141内，并由场镜142将汇聚后的光线进行进一步压缩，汇聚到所述的光电探测器143上，实现最终成像。

图2为本发明实施例一提供的激光雷达接收组件中的主透镜的路示意图，所述第一透镜111所能接收的视场为-ω₁₁～ω₁₂，ω₁₁+ω₁₂＝ω₁。对于第一透镜111，其接收视场外的光线将被所述的视场光阑141遮挡，不能够进入所述的场镜142以及后方的所述的探测器143上。其中的下视场的激光回波光束113与所述的第一透镜光轴112之间的夹角为-ω₁₁，经过所述的第一透镜111后汇聚到所述的视场光阑141的上部。所述的场镜142位于所述的视场光阑141的后方附近。汇聚后的光线经过所述的场镜142后，光线高度被压缩，最终成像在所述的探测器143上。所述的上视场激光回波光束114与所述的第一透镜光轴112之间的夹角为ω₁₂，经过所述的第一透镜111后汇聚到所述的视场光阑141的下部。汇聚后的光线经过所述的场镜142后，光线高度被压缩，最终成像在所述的探测器143上。使用所述的场镜141，入射光线的高度被压缩，像面尺寸被进一步的缩小，可以有效的缩小所述的探测器143的尺寸，降低成本。

优选的，在本实施方式中，视场光阑141的孔径大小等于任一透镜的上视场角的正切值与下视场角的正切值之和，乘以该任一透镜的焦距；其中，所述上视场角为该透镜所接收的上视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角；所述下视场角为该透镜所接收的下视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角。

而相应的，所述相邻的两个透镜的上、下视场角之间满足如下公式1：

其中，所述f₁为相邻的两个透镜中其中一个透镜的焦距，

为该透镜的通光口径，ω₁₁和ω₁₂分别为该透镜的上、下视场角；所述f₂为相邻的两个透镜中另一个透镜的焦距，

为该另一个透镜的通光口径，ω₂₁和ω₂₂分别为该另一个透镜的上、下视场角。

具体的，图3为本发明实施例一提供的激光雷达接收组件中主透镜的工作原理示意图。

所述的第一接收透镜111负责正前方视场，因此，将所述的第一透镜111的高斯像面与所述的视场光阑141重合。所述的第一透镜的下视场激光回波光束113经过所述的第一透镜111后汇聚点的高度D₁₁＝f₁×tanω₁₁。第一透镜的上视场激光回波光束114经过所述的第一透镜111后汇聚点的高度D₁₂＝f₁×tanω₁₂。所述的视场光阑141的整体高度D＝D₁₁+D₁₂。

所述的第二透镜的下视场激光回波光束123与所述的第二透镜光轴112之间的夹角为ω₂₁，经过所述的第二透镜121后汇聚到所述的第二透镜122的高斯像面145的高度D₂₁＝f₂×tanω₂₁。为了保证所述的第二透镜的下视场激光回波光束123的所有光线都能够透过所述的视场光阑141，因此必须保证汇聚光束的最上端通过所述的视场光阑141。所述的第二接收透镜121的口径为

通过计算可知，所述的第二透镜的下视场激光回波光束123经过所述的第二透镜121后汇聚到所述的第二透镜122的高斯像面145的高度D21应满足公式c：

因此，所述的第二透镜122的下视场角应满足公式d：

所述的第二上视场激光回波信号124与所述的第二透镜光轴112之间的夹角为ω₂₂，经过所述的第二透镜121后汇聚到所述的第二透镜121的高斯像面145的高度D₂₂＝f₂×tanω₂₂。其中ω₂＝ω₂₁+ω₂₂。为了保证所述的第二透镜的上视场激光回波光束123的所有光线都能够透过所述的视场光阑141，因此必须保证汇聚光束的最下端通过所述的视场光阑141。通过计算可知，所述的第二透镜的上视场激光回波光束123经过所述的第二透镜

121后汇聚到所述的第二透镜122的高斯像面145的高度应满足公式e

因此，所述的第二透镜的上视场角应满足公式f：

本发明的激光雷达接收组件，通过在接收透镜组中设置多个可用于接收不同视场方向上激光回波光束，并利用视场光阑和场镜将激光回波光束进行汇聚成像在光电探测器上，以使激光雷达接收组件的整体视场在不改变光电探测器尺寸的情况下得到有效扩展，也有效的减小探测器的尺寸，突破现有半导体制备工艺水平的限制，降低激光雷达成本。此外，在本实施方式中，由于多个透镜共用一个视场光阑、场镜以及光电探测器，也避免采用多个视场光阑、场镜以及光电探测器进行视场拼接时所造成的成本升高的问题。

为了进一步提高激光雷达接收组件的器件性能，接收透镜组中的多个透镜可采用不同的排布方式，以接收不同视场方向的激光回波光束。

具体来说，图4为本发明实施例二提供的一种激光雷达接收组件的结构示意图。

在本发明中，接收透镜组中各透镜的排布可如图1所示，多个透镜沿同一弯曲方向依次排布，其还可采用如图4所示的排布方式，即多个透镜沿不同的弯曲方向依次排布。

在图4所示结构中，激光雷达接收组件包括第一透镜211，第二透镜221，第三透镜231，第四透镜241，视场光阑251，场镜252以及光电探测器253。

其中所述第一透镜211的光轴为212，所述第二透镜221的光轴为222，所述第三透镜231的光轴为232，所述第四透镜211的光轴为212。其中，水平基准面为201，与所述的视场光阑251的D_x方向一致，竖直基准面为202，与所述的视场光阑251的D_y方向一致。

所述的第一透镜211，第二透镜221，第三透镜231，第四透镜241的焦长分别为f₁、f₂、f₃、f₄。所述的视场光阑251的尺寸为D_x×D_y。所述的第一透镜211的视场大小：ω_1x，ω_1y；第二透镜221的视场大小ω_2x，ω_2y；所述的第三透镜231视场大小ω_3x，ω_3y；所述的第四透镜241的视场大小ω_4x，ω_4y。

其中，所述的第一透镜111、所述的第二透镜121、所述的第三透镜131以及所述的第四透镜141的像方焦点重合，并且所述的像方焦点位于所述的视场光阑251的中心。所述的第一透镜光轴212与所述的竖直基准202之间的夹角为α₁，所述的第一透镜光轴212与所述的水平基准201之间的夹角为β₁，且

所述的第二透镜光轴222与所述的竖直基准202之间的夹角为α₂，所述的第二透镜光轴222与所述的水平基准201之间的夹角为β₂，且

所述的第三透镜光轴232与所述的竖直基准202之间的夹角为α₃，所述的第三透镜光轴232与所述的水平基准201之间的夹角为β₃，且

所述的第四透镜光轴242与所述的竖直基准202之间的夹角为α₄，所述的第四透镜光轴242与所述的水平基准201之间的夹角为β₄，且

进一步来说，图5为本发明实施例二提供的一种激光雷达接收组件的主透镜的工作原理示意图。图5为相邻两个接收透镜在所述的水平基准面201上的投影。所述的第一透镜的下视场激光回波光束113与所述的第一透镜光轴112之间的夹角为ω_1x1，经过所述的第一透镜211后汇聚到所述的第一透镜211的高斯像面245的高度D₁₁＝f₁×tanω_1x1。为了保证所述的第一透镜的下视场激光回波光束213的所有光线都能够透过所述的视场光阑241，因此必须保证汇聚光束的最上端通过所述的视场光阑241。所述的第一接收透镜211的口径为

通过计算可知，所述的第一透镜的下视场激光回波光束213经过所述的第一透镜211后汇聚到所述的第一透镜211的高斯像面245的高度

因此，所述的第一透镜的下视场角为

所述的第一透镜的上视场激光回波光束214与所述的第一透镜光轴211之间的夹角为ω_1x2，经过所述的第一透镜121后汇聚到所述的第一透镜211的高斯像面145的高度D₁₂＝f₂×tanω_1x2。为了保证所述的第一透镜的上视场激光回波光束214的所有光线都能够透过所述的视场光阑241，因此必须保证汇聚光束的最下端通过所述的视场光阑241。通过计算可知，所述的第一透镜的下视场激光回波光束213经过所述的第一透镜211后汇聚到所述的第一透镜211的高斯像面145的高度为

因此，所述的第二透镜的上视场角为

同理，第二透镜对应的上下视场角ω₂₁、ω₂₂，满足公式g：

其中ω_2x＝ω_2x1+ω_2x2。

同理，还可获得在所述的竖直平面202上，相邻两路视场ω_1y1、ω_1y2、ω_2y2、ω_2y2需要满足公式h：

本发明实施例二提供的激光雷达组件，通过多个透镜可采用不同的排布方式，以接收不同视场方向的激光回波光束，以进一步提高激光雷达接收组件的性能。

在上述实施例的基础上，图6为本发明实施例三提供的一种激光雷达系统的结构示意图。

如图6所示，该激光雷达系统包括上述任一项所述的激光雷达接收组件1以及激光雷达发射组件2。

其中，所述激光雷达发射组件2包括激光发射器21；所述激光发射器21用于发射激光发射光束至被测目标3，并经由所述被测目标反射形成射入所述激光雷达接收组件1的激光回波光束。

本发明实施例三提供的激光雷达系统，通过在激光雷达接收组件中设置接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器；其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。通过采用设置多个透镜的方式，以使不同透镜可接收来自不同视场方向上的激光回波光束，并经视场光阑和场镜成像在光电探测器，从而有效提高了光电探测器的可探测视场，进而提高激光雷达接收组件和激光雷达系统的探测性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达接收组件，其特征在于，包括：接收透镜组、视场光阑、场镜以及光电探测器；

其中，所述接收透镜组包括多个透镜；不同透镜的主光轴之间成预设角度；不同透镜用于接收不同视场方向上的激光回波光束，以使接收到的各所述激光回波光束依次通过所述视场光阑和所述场镜并成像在所述光电探测器上。

2.根据权利要求1所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述接收透镜组中的各透镜的焦点重合设置。

3.根据权利要求2所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述各透镜的焦点位于所述视场光阑的孔径所在平面上。

4.根据权利要求1所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述接收透镜组中的各透镜为汇聚透镜，用于将各激光回波光束汇聚在所述视场光阑内。

5.根据权利要求1所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述场镜用于将透过所述视场光阑的各激光回波光束进行压缩汇聚，以使压缩汇聚后的回波光束成像在所述光电探测器的探测区域内。

6.根据权利要求1所述的激光雷达接收组件，其特征在于，相邻的两个透镜的主光轴之间的预设夹角小于等于该两个透镜的视场角之和的二分之一。

7.根据权利要求1所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述视场光阑的孔径大小等于任一透镜的上视场角的正切值与下视场角的正切值之和，乘以该任一透镜的焦距；

其中，所述上视场角为该透镜所接收的上视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角；所述下视场角为该透镜所接收的下视场激光回波光束的传播方向与该透镜主光轴之间的夹角。

8.根据权利要求7项所述的激光雷达接收组件，其特征在于，所述相邻的两个透镜的上、下视场角之间满足如下公式1：

其中，所述f₁为相邻的两个透镜中其中一个透镜的焦距，

为该透镜的通光口径，ω₁₁和ω₁₂分别为该透镜的上、下视场角；所述f₂为相邻的两个透镜中另一个透镜的焦距，

为该另一个透镜的通光口径，ω₂₁和ω₂₂分别为该另一个透镜的上、下视场角。

9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的激光雷达接收组件以及激光雷达发射组件。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达发射组件包括激光发射器；

所述激光发射器用于发射激光发射光束至被测目标，并经由所述被测目标反射形成射入所述激光雷达接收组件的激光回波光束。

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