一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统的制作方法

本实用新型属于激光雷达领域，尤其涉及一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统。

背景技术：

激光雷达作为一种测距设备，具有精度高、抗干扰能力强，反应速度快等优点，适用于多种使用环境。

在实际应用中，激光测距主要包括飞行时间测距以及三角测距两种，其中，飞行时间测距是通过激光雷达内部的光学结构，将激光投射到特定方向上的物体，当激光接触到物体上时，会反射回部分光线，激光雷达接收该反射回的光线以后，可以通过计算激光在发射到接收到反射光这个过程中的飞行时间，来计算出雷达到所照射物体之间的距离。而当需要通过单一光路获取多个角度范围的物体的距离时，只能使用滑环将整个激光雷达进行转动，来实现对转动范围内所照射到的物体进行测距。

但是，为了对多个角度范围内所照射到的物体进行测距，采用滑环的方式对雷达进行转动会产生雷达转动部分使用寿命短的问题，且现有可转动激光雷达的光路设计较为复杂，成本较高。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，旨在解决现有技术中，通过对多个角度范围内所照射到的物体进行测距，采用滑环的方式对雷达进行转动会产生雷达转动部分使用寿命短的问题，且现有可转动激光雷达的光路设计较为复杂，成本较高的问题。

本实用新型实施例是这样实现的，一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，包括：

激光器；

光路扫描装置，对所述激光器发射的激光光路进行偏转，使其射向目标物体；

聚光组件，将所述光路扫描装置反射的目标物体反射光进行会聚；以及

光电探测器，接收所述聚光组件会聚的目标物体反射光，并输出电信号；

其中，所述聚光组件及光电探测器均与所述激光器发射光轴位于同一轴线。

优选的，所述激光器包括：

激光产生元件；以及

设于所述激光产生元件发射光路上的准直镜组；

所述准直镜组包括至少两个用于对所述激光进行准直的柱面镜。

优选的，所述光路扫描装置包括：

偏转镜；以及

与所述偏转镜连接，用于对所述偏转镜进行转动控制的转动机构。

优选的，所述偏转镜包括反射镜或棱镜。

优选的，所述准直镜组包括一个用于准直激光慢轴的慢轴柱面镜，以及两个用于准直激光快轴的快轴柱面镜。

优选的，所述聚光组件包括一聚光透镜，所述聚光透镜在轴心处设有一容纳所述激光器的通孔。

优选的，所述聚光透镜为非球面透镜。

优选的，所述聚光透镜的焦距与口径的比值小于1。

优选的，所述光学结构还包括一沿所述激光发射光轴设置，用于遮挡所述偏转镜杂散光的遮光部件。

优选的，所述遮光部件的内径略大于所述激光的发射光斑直径。

本实用新型实施例提供了一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，通过激光器发射激光，通过光路扫描装置对所述激光器发射的激光光路进行偏转，使其射向目标物体，并通过聚光组件，将所述光路扫描装置反射的目标物体反射光进行会聚，然后，通过光电探测器接收所述聚光组件会聚的目标物体反射光，并输出电信号，实现多角度的激光扫描，使用方便，本实用新型有效的解决了现有技术中采用滑环的方式对雷达进行转动，导致雷达转动部分使用寿命短的问题，还可以简化可转动激光雷达的光路设计，降低激光雷达的设计及制造成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种聚光组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，通过激光器发射激光，通过光路扫描装置对所述激光器发射的激光光路进行偏转，使其射向目标物体，并通过聚光组件，将所述光路扫描装置反射的目标物体反射光进行会聚，然后，通过光电探测器接收所述聚光组件会聚的目标物体反射光，并输出电信号，实现多角度的激光扫描，使用方便，本实用新型有效的解决了现有技术中采用滑环的方式对雷达进行转动，导致雷达转动部分使用寿命短的问题，还可以简化可转动激光雷达的光路设计，降低激光雷达的设计及制造成本。

以下结合实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述。

参见图1、图2，本实用新型实施例提供了一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，包括：激光器10，光路扫描装置20，对激光器10发射的激光光路进行偏转，使其射向目标物体，聚光组件30，将光路扫描装置20反射的目标物体反射光进行会聚，以及光电探测器40，接收聚光组件30会聚的目标物体反射光，并输出电信号，本实用新型通过光路扫描装置20，对激光器10发射的激光光路进行偏转，实现多角度的激光扫描，使用方便，有效的解决了现有技术中采用滑环的方式对雷达进行转动，导致雷达转动部分使用寿命短的问题，还可以简化可转动激光雷达的光路设计，降低激光雷达的设计及制造成本。

其中，聚光组件30及光电探测器40均与激光器10发射光轴位于同一轴线，可以实现无盲区探测，使得激光探测的更为全面，得到的探测结果更为准确。

在本实用新型实施例中，激光雷达用于通过测量发射激光以及接收到目标物体反射回的回波激光信号之间的时间差来计算出激光雷达与目标物体的距离信息。而本实用新型实施例中的基于时间飞行法的激光雷达光学系统设置于与激光雷达设备上，用于形成激光发射光路及接收光路，以支持激光雷达设备的正常工作。

在本实用新型的实施例中，激光雷达设备可为飞行激光雷达、基于三角测距原理的激光雷达、结构光激光雷达、或者其他类型激光雷达的任意替换组合，以实现同样的作用效果，在本实施例中较佳选择为飞行激光雷达。

在本实用新型的实施例中，上述飞行激光雷达光结构通过光路扫描装置20 可实现270度、360度或其他预设角度的多角度扫描探测，能够测量100米范围内的目标物体的距离和方位信息，测量频率高，且结构简单，使用方便。

其中，飞行激光雷达可以通过单线或者多线的方式进行扫描探测，本实用新型具体不做限制。

在本实用新型的一个实施例中，该激光器10为可发射准直激光的激光器，包括但不限于为光纤激光器，气体激光器，固体激光器，该激光器可以为单个或者多个激光器的任一组合，具体根据实际情况设定，本实用新型不做限定。

在本实用新型的另一个实施例中，参见图1、图2、该激光器10包括激光产生元件11，以及设于激光产生元件11发射光路上的准直镜组12，其中，该激光产生元件11可为激光二极管，由于激光二极管发射角比同类产品更小，在通过准直镜组12进行准直后，可以使得激光二极管发射的激光能量更集中，使得发射出的激光在100米处的光斑直径小于200mm，从而可以实现远距离的激光扫描，使用方便，且成本不高。

在本实用新型实施例中，该激光二极管的波长可为635nm、650nm、670nm、 860nm、980nm等等，本实用新型优选的，该激光二极管可为红外波段的高功率纳秒级脉冲激光二极管。

在本实用新型实施例中，参见图1、图2，准直镜组12包括至少两个用于对所述激光进行准直的柱面镜。通过采用至少两个柱面镜对激光二极管发射的激光进行准直，可以使激光二极管的快轴和慢轴都能很好的被准直，准直后的激光发射角较小，激光的能量更加集中，能够实现更远距离的探测。

在本实用新型实施例中，准直镜组12包括一个用于准直激光慢轴的慢轴柱面镜1211，以及两个用于准直激光快轴的快轴柱面镜1212。由于快轴发散角比较大，单个柱面镜准直效果会比较差，因此通过慢轴柱面镜1211以及快轴柱面镜1212配合使用，分别准直激光的快轴和慢轴，使得准直后的激光发射角小，激光能量更集中，实现更远距离的探测。

进一步，该准直镜组12还可以为圆透镜或者圆透镜组，但是由于使用单个的园透镜进行激光准直时，会产生像差难以消除，发散角很大的情况，当使用使用圆透镜组进行激光准直时，会产生无法消除激光二极管的像散，发散角也比柱面镜准直差的情况，因此，本实用新型中，优选的准直镜组12包括至少两个用于对所述激光进行准直的柱面镜。

在本实用新型实施例中，激光准直镜组12准直后的激光的发散角优选为小于10mrd(毫弧度)，可使激光器10所发射出的激光能量更集中，实现更远距离的探测。

参见图3、在本实用新型实施例中，光路扫描装置20包括偏转镜21以及与偏转镜21连接，用于对偏转镜21进行转动控制的转动机构22。

在本实用新型实施例中，偏转镜优选为具有平面反射结构的反射镜，实际应用中也可以是棱镜等可对光路进行偏转以导向目标物体的光路偏转结构，通过偏转镜21对激光器10发射的激光光路进行偏转，进一步，通过转动机构22 带动偏转镜21进行转动，可实现270度、360度或其他预设角度的扫描探测，且转动机构22只对偏转镜21进行转动，而无需如现有技术通过使用滑环将整个激光雷达进行转动实现对转动范围内所照射到的物体进行测距，可有效提高激光雷达的稳定性和使用寿命。

进一步，该转动机构22可通过电机的方式进行驱动，当进行激光扫描时，通过电机运行时产生动力，控制转动机构22进行转动，进而可实现270度、360 度或其他预设角度的多角度扫描探测，整体结构简单，操作方便。

在本实用新型实施例中，偏转镜21包括但不限于反射镜或棱镜。

在本实用新型实施例中，参见图2，聚光组件30包括一聚光透镜31，聚光透镜31在轴心处设有一容纳激光器10的通孔311。通过在聚光透镜31的中心通孔311放置激光器10，当激光器10发射激光后，通过光路扫描装置20将激光器发射的激光发射到目标物体上，目标物体将照射在其上的激光折射返回，通过聚光透镜31接收目标物体返回的回波激光信号，使得激光发射系统和回波激光接收系统共轴，可实现半径为0-100m范围的探测，减少光路系统的占用体积，节省成本，同时保证测距的准确性。

其中，聚光透镜31为非球面透镜，接收口径大，可以接收到的信号能量高，焦距短，装置的体积小，非球面透镜的汇聚光斑小，让进入透镜的信号能量更好的被光电探测原件接收到，探测灵敏度更高。降低系统体积。非球面透镜汇聚光斑小，让进入透镜的回波激光更好的被光电探测器40接收到，使得光电探测器40的探测灵敏度更高。能够接收到100米以外的目标返回信号。

在本实用新型实施例中，非球面透镜可为塑料透镜，该塑料透镜可以直接开模加工，成本远低于玻璃透镜，并且不易破碎。

在本实用新型实施例中，聚光透镜31的焦距与口径的比值优选为小于1，在保证接收系统口径的前提下尽可能地减小基于时间飞行法的激光雷达光学系统的整体体积，且可以降低激光雷达的设计及制造成本，提高企业效益。

在本实用新型实施中，基于时间飞行法的激光雷达光学系统还包括一沿激光发射光轴设置，用于遮挡偏转镜21杂散光的遮光部件50。该遮光部件50与偏转镜21连接，可根据转动机构22的带动下，和偏转镜21一体转动。进一步，该遮光部件50为一L型圆筒，其内径略大于所述激光的发射光斑直径。

在本实用新型实施例中，遮光部件50的一端抵近激光器10的激光发射口。当激光雷达在激光发射光路上设有透光壳体时，遮光部件50相对激光发射口的另一端抵近激光雷达的壳体，以阻挡激光射在透光壳体上产生的散杂光，避免散杂光对激光雷达的光电探测器40的干扰，提高激光雷达探测反射光时的准确度。

本实用新型实施例提供了一种基于时间飞行法的激光雷达光学系统，通过激光器发射激光，通过可转动的光路扫描装置对所述激光器发射的激光光路进行偏转，使其射向多个角度的目标物体，并通过聚光组件，将所述光路扫描装置反射的目标物体反射光进行会聚，然后，通过光电探测器接收所述聚光组件会聚的目标物体反射光，并输出电信号，实现多角度的激光扫描。本实用新型实施例有效的解决了现有技术中采用滑环的方式对雷达进行转动，导致雷达转动部分使用寿命短的问题，还可以简化可转动激光雷达的光路设计，降低激光雷达的设计及制造成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。