一种发射镜头、面阵激光雷达及移动平台的制作方法

本实用新型涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种发射镜头、面阵激光雷达及移动平台。

背景技术：

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是光探测及测距系统的简称，激光雷达是采用激光器或者LED作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动距离探测设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。主要由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统包括各种形式的激光器或者LED；接收系统采用接收透镜和各种形式的光电探测器。

机械旋转式激光雷达中常用的发射模块都是线光束，再经过机械旋转实现面阵扫描。这对扫描机构的设计和光机装配的精度提出了很高的要求，进而导致量产环节的生产效率偏低，成本居高不下。固态激光雷达相对于传统的机械旋转式激光雷达，减少了机械旋转功能部件和编码设备，结构精简，降低组装难度，性能稳定，测距频率高。

面阵激光雷达作为固态激光雷达的一种，有利于高效率的量产，并大幅降低了制造成本。现有的面阵激光雷达，其发射器很难实现大探测区域的光束均匀发射。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提出一种发射镜头，通过柱状透镜的结构设置，解决了机械式激光雷达的光线扫描结构复杂，刷新频率低的问题，以及普通面阵激光雷达的发射系统发射光束不均匀的问题。

本实用新型实施例的目的还在于提出一种面阵激光雷达，通过发射镜头和面阵光电芯片的配合设置，解决了现有技术发射光源发出的光束经过发射镜头后与面阵光电芯片不匹配，不能均匀覆盖测量区域的问题。

本实用新型实施例的目的还提供了一种移动的平台，其通过所述发射镜头或者具有发射镜头的面阵激光雷达，使得面阵激光雷达对测量区域中的障碍物定位更为准确，提高了移动的平台的运行的安全性和准确性。

为达此目的，本实用新型实施例采用以下技术方案：

一种发射镜头，包括：沿发射光源的光线发射方向设置的光学整形结构，所述光学整形结构包括至少一个柱状透镜，所述柱状透镜上靠近发射光源的一侧设置的柱状凸起的长度方向与发射光束的发散方向垂直，所述柱状透镜上靠近发射光源的一侧上每相邻两个柱状凸起之间平滑连接有连接槽，所述发射光束经光学整形结构后呈设定发散角和形状的均匀光束。

作为本技术方案的优选方案之一，所述发射光束的发散角为P°，所述发射光束经光学整形结构后呈水平发散角M°，垂直发散角N°的均匀光束，其中，0＜M＜180，0＜N＜180，0＜P＜180；

当P＞M或者P＞N时，所述发射光源和柱状透镜之间还设置有会聚透镜。

作为本技术方案的优选方案之一，所述柱状凸起的表面为偶次非球面，所述偶次非球面的表面方程为

，

其中R为偶次非球面的顶点的曲率半径，所述Y为连续的取值变量，所述k为圆锥系数，其中，R的取值为正常数，k的取值为常数，A2、A4、A6、A8的取值为正常数。

作为本技术方案的优选方案之一，所述R的取值范围为：0＜R≤4；所述k的取值范围为：-2≤k≤-0.5，所述A2、A4、A6和A8的取值范围是：0≤A2≤7，0≤A4≤7，0≤A6≤7，0≤A8≤7。

作为本技术方案的优选方案之一，所述R=1.5，所述k=-0.7，所述A2=0.323，所述A4=0.103，所述A6=0.085，所述A8=0。

作为本技术方案的优选方案之一，所述光学整形结构包括沿光线发射方向设置的一个柱状透镜，当P=M时，所述发射光源的发射光束经过柱状透镜后成为水平发散角为P°、竖直发散角为N°的矩形光束；

当P=N时，所述发射光源的发射光束经过柱状透镜后成为水平发散角为M°、竖直发散角为P°的矩形光束。

作为本技术方案的优选方案之一，所述光学整形结构包括沿光线发射方向设置的两个柱状透镜，当P＜M，P＜N时，所述发射光源的发射光束经过第一柱状透镜后成为水平发散角为P°、竖直发散角为N°的矩形光束，经过第二柱状透镜后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的矩形光束；

或者，所述发射光源的发射光束经过第一柱状透镜后成为水平发散角为M°、竖直发散角为P°的矩形光束，经过第二柱状透镜后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的矩形光束。

作为本技术方案的优选方案之一，当P＞M＞N，或者，M＜P＜N时，所述光学整形结构包括沿光线发射方向设置的会聚透镜和一个柱状透镜，所述发射光源的发射光束经会聚透镜后成为发散角为N°的光束，经过柱状透镜后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的光束。

作为本技术方案的优选方案之一，所述发射光束经会聚透镜后会聚为水平发散角s°、垂直发散角s°的光束。

一种面阵激光雷达，包括面阵光线发射机构，面阵光线接收机构，主控板，所述面阵光线发射机构包括发射光源、驱动发射电路和上述的发射镜头，所述面阵光线接收机构包括面阵光电芯片和接收镜头，所述主控板连接面阵光电芯片，所述面阵光电芯片连接驱动发射电路。

本实用新型还提供了一种可移动的平台，所述可移动平台包括述的发射镜头，和/或所述的面阵激光雷达。

有益效果：本实用新型实施例通过柱状透镜的设置，实现了对于发射光束光强均匀处理，并进行可靠的准直和扩散，对光束的形状进行了适应性的整合，充分的利用了发射光束的光能，解决了机械式激光雷达的光线扫描结构复杂，刷新频率低的问题，以及普通面阵激光雷达的发射系统发射光束不均匀的问题，提高了产品的测量准度和测量效率，提高了产品的稳定性，降低了组装难度，便于产品大规模量产。

本实用新型实施例通过发射镜头和面阵光电芯片的配合设置，使得发射光源发出的光束经过发射镜头后成为与面阵光电芯片相匹配的均匀发散光束，均匀覆盖测量区域，经过测量区域内的障碍物反射后对应均匀进入面阵光电芯片，使得面阵光电芯片输出的光电信号更为清晰准确，使得面阵激光雷达对测量区域中的障碍物定位更为准确，提高了激光雷达的测距稳定性，降低了产品组装难度，适宜量产。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的发射镜头的水平方向俯视图。

图2是本实用新型实施例1提供的发射镜头的竖直方向侧视图。

图3是本实用新型实施例1提供的柱状透镜的结构图。

图4是本实用新型实施例1提供的柱状透镜中柱状凸起和连接槽结构示意图。

图5是本实用新型实施例1提供的面阵激光雷达的结构示意图。

图6是本实用新型实施例1供的面阵激光雷达的爆炸图。

图7是本实用新型实施例1供的面阵激光雷达的剖视图。

图中：

1、发射镜头；2、发射电路板；3、发射光源；4、主控板；5、面阵光电芯片；6、接收镜头；7、航插板；8、前盖；9、后盖；11、柱状透镜；12、会聚透镜；21、安装通孔；22、散热片；61、镜筒；62、接收透镜；63、接收光阑；81、接收面板；82、压合框；101、上散热鳍片；102、下散热鳍片；111、柱状凸起；112、连接槽。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型实施例提供了一种发射镜头，如图1所示，包括：沿发射光源3的光线发射方向设置的光学整形结构，所述光学整形结构包括至少一个柱状透镜11，如图4所示，所述柱状透镜11上靠近发射光源3的一侧设置的柱状凸起111的长度方向与发射光束的发散方向垂直，所述柱状透镜11上靠近准直透镜12的一侧上每相邻两个柱状凸起111之间平滑连接有连接槽112，所述发射光束经光学整形结构后呈设定发散角和形状的均匀光束。

通过柱状透镜11的设置，实现了将发射光源发出的发射光束光强度均匀，可靠的准直和扩散，并对光束的形状进行了适应性的整合，充分的利用了发射光束的光能，解决了机械式激光雷达的光线扫描结构复杂，刷新频率低的问题，以及普通面阵激光雷达的发射光束光强不均匀，不能达到设定发散角和设定发射光斑形状的问题，提高了产品的测量准度和测量效率，提高了产品的稳定性，降低了组装难度，便于产品大规模量产。

所述发射光束的发散角为P°，所述发射光源3的发射光束经光学整形结构后呈水平发散角M°，垂直发散角N°的均匀光束。其中，0＜M＜180，0＜N＜180，0＜P＜180。如图2-3所示，当P＞M或者P＞N时，所述发射光源3和柱状透镜11之间还设置有会聚透镜12。当P＜M或P＜N时，所述光学整形结构包括1个或者2个发散整形方向不同的柱状透镜11。

为了保证发射光源发出的发射光束在经过柱状透镜11后实现光强均匀，且按照设定的角度进进行扩散，所述柱状凸起111的表面为偶次非球面，所述偶次非球面的表面方程为

，

其中R为偶次非球面的顶点的曲率半径，所述Y为连续的取值变量，所述k为圆锥系数，其中，R的取值为正常数，k的取值为常数，A2、A4、A6、A8的取值为正常数。偶次非球面的柱状凸起111的结构设置，使得发射光束的光强在经过柱状透镜11后均匀分布，且圆锥形的发射光束在整形后成为矩形光束，与面阵光电芯片5更为适配。

为了使得经过柱状透镜11后的光束发散更为均匀，且光强的分布更为均匀，优选的，所述R的取值范围为：0＜R≤4；所述k的取值范围为：-2≤k≤-0.5，所述A2、A4、A6和A8的取值范围是：0≤A2≤7，0≤A4≤7，0≤A6≤7，0≤A8≤7。作为最优选项之一的，所述R=1.5，所述k=-0.7，所述A2=0.323，所述A4=0.103，所述A6=0.085，所述A8=0。

为了得到经过所述发射镜头1呈水平发散角M°，垂直发散角N°的均匀光束，根据M、N和P的数值不同，所述发射镜头1所采用的柱状透镜11的数量和设置方式也不同。在选择发射光源时，为了减小激光雷达的空间占用，优选发散角略小或较为接近设定发散角且光强较为均匀的发射光源，因此，在进行面阵激光雷达的测量过程中，发射光源3的发射光束的发散角等于设定的整形后的发射光束的水平发散角或者垂直发散角时，如图1所示，所述光学整形结构包括沿光线发射设置的一个柱状透镜11，当P=M时，所述发射光源3的发射光束经过柱状透镜11后成为水平发散角为P°、竖直发散角为N°的矩形光束；当P=N时，所述发射光源3的发射光束经过柱状透镜11后成为水平发散角为M°、竖直发散角为P°的矩形光束。

发射光源3的发射光束的发散角小于设定的整形后的发射光束的水平发散角或者垂直发散角时，所述光学整形结构包括沿光线发射方向设置的两个柱状透镜，当P＜M，P＜N时，所述发射光源3的发射光束经过第一柱状透镜11后成为水平发散角为P°、竖直发散角为N°的矩形光束，经过第二柱状透镜11后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的矩形光束；

或者，所述发射光3源的发射光束经过第一柱状透镜11后成为水平发散角为M°、竖直发散角为P°的矩形光束，经过第二柱状透镜11后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的矩形光束。

发射光源3的发射光束的发散角大于设定的整形后的发射光束的水平发散角或者垂直发散角时，需要在整形前，对发射光源3的发射光束进行发散角调整，因此，所述发射光源3和柱状透镜11之间还设置有会聚透镜12。当P＞M≥N，或者，M＜P＜N时，如图2-3所示，所述光学整形结构包括沿光线发射方向设置的会聚透镜12和一个柱状透镜11，所述发射光源3的发射光束经会聚透镜12后成为发散角为N°的光束，经过柱状透镜11后成为水平发散角为M°、竖直发散角为N°的矩形光束。

当然，在具体实施时，即使发射光源3的发射光束的发散角小于设定的整形后的发射光束的水平发散角或者垂直发散角，依然可以通过会聚透镜12进行会聚后经由柱状透镜11对发射光束进行光学整形并使其光强均匀分布。

具体实施时，所述发射光源3优选VCSEL激光发射器，所述VCSEL激光发射器的发射光束的发散角为25°，基于适用场景的需要和光电芯片的配合，优选的，所述M为60，所述N为4，所述发射镜头1包括沿光线发射方向依次设置的会聚透镜12和一个柱状透镜11，所述发射光源3的发射光束经会聚透镜12后会聚为水平发散角和竖直发散角均为4°的圆锥形光束，在经过柱状透镜11后成为水平发散角为60°，竖直发散角为4°的均匀光强的矩形光束。所述柱状透镜11的柱状凸起111的长度方向与水平方向垂直。

本实用新型还提供了一种面阵激光雷达，如图5-7所示，包括面阵光线发射机构，面阵光线接收机构，主控板4，所述面阵光线发射机构包括发射光源3、驱动发射电路和所述发射镜头1，所述面阵光线接收机构包括面阵光电芯片5和接收镜头6，所述主控板4连接面阵光电芯片5，所述面阵光电芯片5连接驱动发射电路。所述面阵光电芯片5可以通过其测试区域的选择调整驱动发射电路的发射功率，发射频率和发射时间等参数。所述驱动发射电路在面阵光电芯片的指令下按照设定的频率发射设定波段的红外光线，优选的，所述红外光线为850nm波长的红外线，所述发射光源3优选为VCSEL垂直腔面发射激光器，相对于LED光源具有体积小，能源效率高的优势。所述发射光源3的数量至少为一个，根据不同的量程和发射光源3的功率选择，发射光源3的数量可以进行相应的调整，优选的，所述发射光源3为八个，以面阵光电芯片5为中心，左右各4个。

通过发射镜头1和面阵光电芯片5的配合设置，使得发射光源3发出的光束经过发射镜头1后成为与面阵光电芯片5接收视场角相匹配的均匀矩形光束，均匀覆盖测量区域，经过测量区域内的障碍物反射后对应均匀进入面阵光电芯片5，使得面阵光电芯片5输出的光电信号更为清晰准确，使得面阵激光雷达对测量区域中的障碍物定位更为准确，提高了激光雷达的测距稳定性，降低了产品组装难度，适宜量产。

所述发射光源3的发射光束发出后经测试区域内的障碍物反射后，部分反射光束入射到面阵光电芯片5，为了更好的过滤入射到面阵光电芯片5的杂散光束，使得入射到面阵光电芯片5上的反射光束中未被准直的杂散光经过多次反射后被损耗掉，减少杂散光的干扰，提高接收光束的利用效率，降低运算负荷，所述接收镜头6包括镜筒61和设置在镜筒61上的接收透镜62，所述接收透镜62的外部还密封连接有接收光阑63，所述接收光阑63抵接在接收面板81上。所述接收光阑63包括沿自接收透镜62到面阵光电芯片5方向上依次收缩的光阑本体，所述光阑本体内部排列有消杂散光结构，所述消杂散光结构为光学台阶或漫反射面。进一步的，所述光学台阶的表面设置有漫反射表层。

为了消除与发射光源3不同波段的入射光线，降低面阵光电芯片5的噪声，所述镜筒61底部密封连接有第一滤光片，所述第一滤光片为带通滤波片，所述带通滤光片仅容许波长在850±30nm的光通过；所述接收面板81上连接有第二滤光片或者镀有滤光膜，所述第二滤光片或者滤光膜仅容许主波长站在700nm以上的光通过，或者，所述第二滤光片或者滤光膜仅容许主波长站在900nm以下的光通过。

为了便于面阵光线接收机构和面阵光线发射机构的组装和减小结构空间占用，所述发射驱动电路设置在发射电路板2上，所述发射电路板2上开设有安装通孔21，所述发射电路板2上还连接有发射光源3，所述面阵光电芯片5连接在主控板4上，所述面阵光电芯片5密封连接接收镜头6，所述接收镜头6从安装通孔21穿过并抵接在接收面板81上。所述接收镜头6从发射电路板2穿过的结构，既保证了面阵光电芯片5和发射光源3在同一平面上，同时又合理的利用了发射电路板2和面阵光电芯片5以及主控板4的空间叠加，同时各个电路板之间还间隔有散热空间，提高了散热效率。优选的，至少一个所述发射光源3与所述面阵光电芯片5在同一条水平直线上，以提高发射光源3发出的发射光束经测量区域内的障碍物的反射后入射到面阵光电芯片5的几率。

为了保证面阵光电芯片5在恒温状态下保持一个良好的运行状态，所述发射电路板2上还连接有散热片22，且所述散热片22上分别开设有光源通孔，所述发射光源3固定在发射电路板2上，且自光源通孔伸出。优选的，所述散热片22为石墨片或石墨烯，且所述散热片22整体覆盖在发射电路板2上靠近前盖8的一侧，以利于发射光源3所产生的热量及时快速的导出，防止因面阵激光雷达内部升温过快，引起面阵光电芯片5的光电转换效率下降，导致测量数据因此而产生误差。

为了进一步提高面阵激光雷达的散热效率，所述面阵激光雷达还包括前盖8和与前盖8密封连接的后盖9，所述前盖8和后盖9通过密封条密封连接在一起。所述前盖8和后盖9的上部设置有上散热鳍片101，所述上散热鳍片101沿所述面阵激光雷达的前后方向贯通，优选的，且所述上散热鳍片101沿所述面阵激光雷达的前后方向呈波浪状贯通。上散热鳍片101呈波浪状的结构，符合热力学，提高了前盖8和后盖9的散热效率。

所述前盖8和后盖9的下部设置有下散热鳍片102，所述下散热鳍片102沿所述面阵激光雷达的前后方向贯通，优选的，所述下散热鳍片102沿所述面阵激光雷达的前后方向呈直线形贯通，利于底部的快速散热。上散热鳍片101和下散热鳍片102相配合的结构，使得面阵激光雷达产生的热量可以快速而均匀导出，尤其是下散热鳍片102的结构，解决了面阵激光雷达在安装时与上位机贴合而导致底部的热量无法快速散出，使得面阵激光雷达的整体散热不均匀，影响了面阵光电芯片5的工作稳定性。为了适应多种测量环境，保护面阵激光雷达的安全性和稳定性，所述面阵激光雷达具有IP65、IP67的防护标准。

所述接收面板81和柱状透镜11密封连接在前盖8上。为了面阵激光雷达和上位机即插即用，操作和使用更为便利，所述主控板4上还连接有航插板7，所述航插板7通过设置在后盖9上的航插接口连接上位机。

为了进一步提高面阵激光雷达的散热效率，所述主控板4上还设置有散热块，所述航插板7上开设有散热通孔，所述散热块穿过散热通孔抵接在后盖9上。连接在主控板4、航插板7和后盖9上的散热块，将主控板4和航插板7上产生的热量，快速高效的传导至后盖9的外侧，并导热至空气或其他散热机构中。

本实用新型还提供了一种可移动的平台，所述可移动平台包括所述的发射镜头。

本实用新型还提供了一种可移动的平台，所述可移动平台包括所述的面阵激光雷达。所述可移动的平台可以是无人驾驶汽车、机器人、无人机等智能装置。

综上所述，通过柱状透镜的结构设置，实现了对于发射光束光强均匀，并进行可靠的准直和扩散，对光束的形状进行了适应性的整合，充分的利用了发射光束的光能，解决了机械式激光雷达的光线扫描结构复杂，刷新频率低的问题，以及普通面阵激光雷达的发射系统发射光束光强均匀的问题，提高了产品的测量准度和测量效率，提高了产品的稳定性，降低了组装难度，便于产品大规模量产。

通过发射镜头和面阵光电芯片的配合设置，使得发射光源发出的光束经过发射镜头后成为与面阵光电芯片相匹配的均匀发散光束，均匀覆盖测量区域，经过测量区域内的障碍物反射后对应均匀进入面阵光电芯片，使得面阵光电芯片输出的光电信号更为清晰准确，使得面阵激光雷达对测量区域中的障碍物定位更为准确，提高了激光雷达的测距稳定性，降低了产品组装难度，适宜量产。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。