一种激光雷达接收系统和激光雷达系统的制作方法

1.本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达接收系统和激光雷达系统。


背景技术：

2.目前，激光雷达在智能机器人，全自动驾驶，无人机等众多应用领域表现出极大的市场潜力。应用较多的激光雷达主要分为机械式激光雷达，全固态激光雷达和半固态激光雷达。对于所有的激光雷达，在使用过程中都无法避免环境光干扰的问题。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种激光雷达接收系统和激光雷达。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种激光雷达接收系统，包括：光电探测器阵列、超透镜分光元件、以及接收透镜；
5.所述光电探测器阵列，包括：多个并排设置的光电探测器；多个光电探测器中的各光电探测器能够分别将具有预设波长的光线光电转换为电信号；
6.具有不同波长的光线被所述接收透镜准直后入射到所述超透镜分光元件，所述超透镜分光元件对具有不同波长的光线分别进行相位调制，使得具有不同波长的光线在被相位调制后分别入射到所述光电探测器阵列中的各光电探测器中；
7.当各光电探测器中有光电传感器接收到波长与所述预设波长一致的光线时，接收到波长与所述预设波长一致的光线的光电探测器将接收到的光线光电转换为电信号。
8.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达系统，包括上述第一方面所述的激光雷达接收系统。
9.本实用新型实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过在激光雷达接收系统中设置超透镜分光元件和光电探测器阵列，超透镜分光元件对具有不同波长的光线分别进行相位调制，使得具有不同波长的光线在被相位调制后分别入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，当光电探测器接收到的光线的波长与光电探测器自身能够光电转换为电信号的光线的预设波长一致时，光电探测器将接收到的所述光线光电转换为电信号，与相关技术中激光雷达在使用过程中会被环境光干扰的方式相比，具有不同波长的光线分别经过超透镜分光元件的相位调制后，会入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，光电探测器将接收到的光线中具有预设波长的光线光电转换为电信号，从而在激光雷达的探测过程中使得激光雷达接收系统不会接收环境光等除激光雷达外所发出的光线，大大提高了激光雷达探测过程中对环境光的抗干扰能力，增加了激光雷达的探测距离和探测精度。
10.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
11.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
12.图1示出了本实用新型实施例1所提供的一种激光雷达接收系统的结构示意图；
13.图2示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收系统的另一种结构的结构示意图；
14.图3示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收系统中，接收透镜的结构示意图；
15.图4示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收系统中，超透镜中分别呈正六边形、正方形和扇形的纳米结构排布图；
16.图5示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收系统中，超透镜分光元件中纳米结构交错设置的超透镜的示意图；
17.图6示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达接收系统中，超透镜分光元件中划分分光区域后，按照划分后的分光区域设置纳米结构的超透镜的示意图；
18.图7示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达系统的结构示意图。
19.图标：100、光电探测器阵列；102、接收透镜；104、超透镜；106、超透镜阵列；300、超透镜；302、超透镜与凸透镜组成的透镜组；304、凸透镜组；700、激光雷达发射系统；702、激光雷达接收系统；704、处理系统；706、控制系统；708、目标物体。
具体实施方式
20.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.目前，激光雷达在智能机器人，全自动驾驶，无人机等众多应用领域表现出极大的市场潜力。应用较多的激光雷达主要分为机械式激光雷达，全固态激光雷达和半固态激光雷达。对于所有的激光雷达，在使用过程中都无法避免环境光干扰的问题。
24.基于此，本技术实施例提出一种激光雷达接收系统和激光雷达，通过在激光雷达接收系统中设置超透镜分光元件和光电探测器阵列，超透镜分光元件对具有不同波长的光线分别进行相位调制，使得具有不同波长的光线在被相位调制后分别入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，当光电探测器接收到的光线的波长与光电探测器自身能够光电转换为电信号的光线的预设波长一致时，光电探测器将接收到的所述光线光电转换为电信号，具有不同波长的光线分别经过超透镜分光元件的相位调制后，会入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，光电探测器将接收到的光线中具有预设波长的光线光电转换为电信号，从而在激光雷达的探测过程中使得激光雷达接收系统不会接收环境光等除激光雷达所发出光线，大大提高了激光雷达探测过程中对环境光的抗干扰能力。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术做进一步详细的说明。
26.实施例
27.参见图1所示的一种激光雷达接收系统的结构示意图和图2所示的激光雷达接收系统的另一种结构的结构示意图，本实施例提出一种激光雷达接收系统，包括：光电探测器阵列100、超透镜分光元件、以及接收透镜102。
28.所述光电探测器阵列，包括：多个并排设置的光电探测器；多个光电探测器中的各光电探测器能够分别将具有预设波长的光线光电转换为电信号。
29.具有不同波长的光线被所述接收透镜准直后入射到所述超透镜分光元件，所述超透镜分光元件对具有不同波长的光线分别进行相位调制，使得具有不同波长的光线在被相位调制后分别入射到所述光电探测器阵列中的各光电探测器中。
30.所述光电探测器将入射的光线光电转换为电信号的具体过程是光电探测器的硬件处理过程是现有技术，这里不再赘述。
31.当各光电探测器中有光电传感器接收到波长与所述预设波长一致的光线时，接收到波长与所述预设波长一致的光线的光电探测器将接收到的光线光电转换为电信号。
32.具体地，参见图3所示的接收透镜的结构示意图，本实施例提出的激光雷达接收系统中，所述接收透镜，采用超透镜300、超透镜与凸透镜组成的透镜组302、或者凸透镜组304。
33.所述超透镜分光元件，采用超透镜104或者超透镜阵列106。
34.所述超透镜阵列，包括：多个并排设置的超透镜。
35.其中，所述超透镜，包括：衬底和纳米结构。
36.所述纳米结构设置在所述衬底上。
37.这里，所述超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据衬底上的纳米结构来调制入射光的出射相位。所述纳米结构，包含全介质或等离子的纳米天线；所述纳米结构可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。所述纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。其中，所述纳米结构呈阵列排布，所述纳米结构的截面为正六边形和/或正方形和/或扇形。在每个超透镜周期的中心位置，或者每个超透镜的中心位置和顶点位置可分别设有一个纳米结构。参见图4所示的超透镜中分别呈正六边形、正方形和扇形的纳米结构排布图。超透镜的工作波段为红外波段。纳米结构之间可以用空气填充或者用透明的填
充材料填充，需要注意的是，填充在所述纳米结构之间的填充材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值需大于等于0.5。所述纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
38.具体的，分光超透镜对不同波长的光具有不同的处理功能，获取方式可以是交错拼接，分区设计，也可以是直接获取。分光超透镜通常需要同时对多个波长的光线(m≥2)进行处理。对于单个波长的光线，超透镜的调制相位满足以下公式1：
[0039][0040]
其中，λ表示入射光线的波长；f表示超透镜分光元件的焦距；(x，y)表示纳米结构在所述超透镜分光元件中的位置坐标；表示纳米结构对入射光线的调制相位。
[0041]
本实施例体提出的激光雷达接收系统中，对于具有不同波长的光线，所述超透镜分光元件中纳米结构的调制相位满足以下公式2：
[0042][0043]
其中，分别表示m种不同纳米结构的调制相位；λ1、λ2……
λm分别表示m种不同的光线的波长；f表示超透镜分光元件的焦距；(x，y)表示纳米结构在所述超透镜分光元件中的位置坐标。
[0044]
其中，所述超透镜分光元件的焦距，就是所述超透镜分光元件与光电探测器阵列之间的距离。
[0045]
为了设计满足上述公式1和公式2需求的超透镜分光元件，可以直接从纳米数据库中寻找同时满足各种波长光线调制相位的纳米结构设置在所述衬底上。
[0046]
可选地，为了设计满足需求的超透镜分光元件，参见图5所示的超透镜分光元件中纳米结构交错设置的超透镜的示意图，本实施例提出的激光雷达接收系统中，可以将形状、周期和/或者尺寸并不相同的纳米结构交错的设置在所述衬底上。
[0047]
可选地，为了设计满足需求的超透镜分光元件，参见图6所示的超透镜分光元件中划分分光区域后，按照划分后的分光区域设置纳米结构的超透镜的示意图，本实施例提出的激光雷达接收系统中，所述衬底被划分为多个分光区域。
[0048]
所述多个分光区域中各分光区域设置的纳米结构的形状、周期和/或者尺寸并不相同。
[0049]
在各所述分光区域中，位于同一分光区域内的纳米结构具有相同的形状、周期和尺寸。
[0050]
即在所述超透镜中，具有相同形状、周期和尺寸的纳米结构被设置在同一个分光区域内，使得所述超透镜在进行分光时，各分光区域内的纳米结构对同一波长光线的调制相位是相同的。
[0051]
图6所示的超透镜划分后得到的对具有不同波长λ1、λ2……
λm的光线进行相位调制
的分光区域的排列方式仅为示例，划分后的分光区域还可以是其他任何的排列方式，这里不再一一赘述。
[0052]
所述光电探测器，可以采用但不限于：雪崩二极管(avalanche photodiode，apd)或者单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，spad)。
[0053]
在完成对激光雷达系统接收系统的描述后，参见图7所示的一种激光雷达系统的结构示意图，本实施例还提出一种激光雷达系统，包括上述的激光雷达接收系统702。
[0054]
除此之外，本实施例提出的激光雷达系统还包括：激光雷达发射系统700、处理系统704和控制系统706。
[0055]
其中，所述控制系统分别与所述处理系统、所述激光雷达发射系统所包括的光源以及所述激光雷达接收系统中的所述光电探测器阵列连接。
[0056]
所述控制系统，能够控制光源发光，使得所述激光雷达发射系统发出的光线能够照射到目标物体708的探测区域；所述激光雷达接收系统中的接收透镜接收目标反射回的光线，所述激光雷达接收系统中的光电探测器阵列将接收到的光线光电转换为能够输出的探测值，并将探测值通过所述控制系统传输到所述处理系统；所述处理系统对探测值进行数据处理。
[0057]
所述控制系统，可以采用现有技术中任何能够对光源进行控制的控制器或者微控制器；这里不再一一赘述。
[0058]
所述处理系统，可以采用现有技术中任何能够对探测值进行数据处理的处理器，这里不再一一赘述。
[0059]
所述探测值就是上述的电信号。
[0060]
所述控制系统对光源进行控制的过程是现有技术，这里不再赘述。
[0061]
所述处理系统对探测值进行数据处理的过程是现有技术，这里不再赘述。
[0062]
所述激光雷达发射系统，可以是但不限于：泛光式激光雷达发射系统和光学相控阵式激光雷达发射系统。
[0063]
相比于传统透镜，本实施例提出的激光雷达接收系统和激光雷达系统中使用的超透镜具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势。
[0064]
采用超透镜分光元件的激光雷达接收系统，具有结构简单、整体规格较小、易于与现有的激光雷达发射系统进行集成或者封装的优点；使用激光雷达接收系统的激光雷达系统具有小型化的特点，可以与更多的应用场景兼容。
[0065]
由于采用超透镜分光元件过滤掉其他波段的环境光照射到光电探测器上的信号，大幅降低来自环境光的噪声，使激光雷达系统具有较高的测量精度。
[0066]
综上所述，本实施例提出一种激光雷达接收系统和激光雷达，通过在激光雷达接收系统中设置超透镜分光元件和光电探测器阵列，超透镜分光元件对具有不同波长的光线分别进行相位调制，使得具有不同波长的光线在被相位调制后分别入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，当光电探测器接收到的光线的波长与光电探测器自身能够光电转换为电信号的光线的预设波长一致时，光电探测器将接收到的所述光线光电转换为电信号，与相关技术中激光雷达在使用过程中会被环境光干扰的方式相比，具有不同波长的光线分别经过超透镜分光元件的相位调制后，会入射到光电探测器阵列中的各光电探测器中，光电探测器将接收到的光线中具有预设波长的光线光电转换为电信号，从而在激光雷达的探
测过程中使得激光雷达接收系统不会接收环境光等除激光雷达外所发出的光线，大大提高了激光雷达探测过程中对环境光的抗干扰能力，增加了激光雷达的探测距离和探测精度。
[0067]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。