棱镜模块、激光雷达光学系统及调频连续波激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种棱镜模块、激光雷达光学系统及调频连续波激光雷达。

背景技术

现有调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达在采用收发分置型方案中，需要设置自由空间光环形器，但该器件存在体积大、成本高、装调难、复杂环境下可靠性难以保障等缺点。除此之外，在探测距离远的目标物时，接收过程中扫描系统相对于发射系统会产生一定的偏转角，造成收发不同步效应(也称walk-off效应)，从而导致光信号在接收面产生了一定的位置偏移，进而使得光信号难以很好的耦合进入光纤或者波导等探测器。目前，为了缓解walk-off效应带来的能量损失导致远距离探测困难的方法是通过增加接收面的光纤或波导，形成光纤阵列或者波导阵列来提高整个探测器的等效接收面，从而使得探测器在光信号产生walk-off角偏移后仍能探测到信号。但是该方法不仅成倍的增加了成本，而且对后端的硬件信号的处理带来了极大的压力。因此，研制一种能够缓解walk-off效应带来的能量损失的棱镜模块、光学系统和调频连续波激光雷达是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种棱镜模块、激光雷达光学系统及调频连续波激光雷达，旨在缓解walk-off效应带来的能量损失。

本发明是这样实现的，第一方面，提供了一种棱镜模块，应用于激光雷达光学系统，所述棱镜模块具有第一导光区域和第二导光区域，所述第一导光区域用于供光线沿第一方向穿过，所述第二导光区域用于改变光线的传播角度，以使该光线朝向靠近或远离所述第一导光区域所在侧的方向偏转，所述第一方向为光线进入所述第一导光区域前的传播方向，或者与光线进入所述第一导光区域前的传播方向平行的方向。

在一个可选的实施例中，所述第一导光区域为沿厚度方向贯穿所述棱镜模块的通孔；

或者，所述第一导光区域包括两个相对平行的第一平面。

在一个可选的实施例中，所述第二导光区域包括至少一个与第二方向呈锐角或钝角设置的第二平面；

当所述第二导光区域的同一侧设有多个所述第二平面时，位于所述第二导光区域同一侧的多个所述第二平面依次连接，且所述第二平面与第二方向之间的夹角由靠近所述第一导光区域的一侧向远离所述第一导光区域的一侧逐渐减小或增大。

在一个可选的实施例中，所述第二导光区域包括分设于所述第一导光区域两侧的两部分，每部分设有至少一个所述第二平面。

第二方面，提供了一种激光雷达光学系统，包括透镜模块和上述各实施例提供的棱镜模块，所述透镜模块和所述棱镜模块用于相互配合以将出射激光准直输出，或者将回波信号分为多束、并将多束信号分别汇聚至间隔分布的多个接收区域内。

在一个可选的实施例中，所述透镜模块和所述棱镜模块为分立的两个器件，或者所述透镜模块和所述棱镜模块为一体成型结构。

第三方面，提供了一种调频连续波激光雷达，包括激光发生器、收发模块、光学系统和扫描模块，所述光学系统为上述各实施例提供的激光雷达光学系统，所述收发模块中设有发射介质和接收介质，所述发射介质用于接收并输出所述激光发生器发出的出射激光，所述接收介质用于接收所述第一导光区域和/或所述第二导光区域输出的至少部分回波光。

在一个可选的实施例中，所述发射介质还用于接收信号，此时所述发射介质为其中一个所述接收介质。

在一个可选的实施例中，所述扫描模块包括一维振镜和一维转镜，所述一维振镜用于控制所述出射激光沿Y方向扫描，所述一维转镜用于控制所述出射激光沿X方向扫描，除所述发射介质以外的所述接收介质位于所述发射介质的同一侧。

在一个可选的实施例中，所述扫描模块包括二维振镜，所述二维振镜用于控制所述出射激光沿X方向和Y方向进行二维扫描，所述接收介质设有至少两个，除所述发射介质以外的所述接收介质分设于所述发射介质的两侧。

在一个可选的实施例中，一个所述发射介质和相邻设置的至少一个所述接收介质形成一个收发模组，一个所述光学系统与一个所述收发模组或者多个所述收发模组相对应。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的棱镜模块、激光雷达光学系统及调频连续波激光雷达，具有第一导光区域和第二导光区域，其中第一导光区域用于供光线沿第一方向穿过，第二导光区域用于改变沿第二方向传播的光线的传播角度，以使该光线朝向靠近或远离第一导光区域所在侧的方向偏转。采用本实施例提供的棱镜模块，可以使在通过棱镜模块前的同一束回波能量在经过棱镜模块的不同导光区域后分为多束信号，这样可使得发生walk-off效应后，经过第一导光区域的回波能量偏移出位于中央的发射介质所在区域，到达位于发射波导侧部的接收介质内，与此同时，在上述回波能量未到达发射波导侧部的接收介质时，经过其他导光区域的回波能量能够被接收介质所接收，如此可以有效降低回波信号在walk-off效应的影响下落至相邻接收介质之间间隙内的风险，进而降低walk-off效应对激光雷达探测精度的不良影响，使得应用本实施例提供的棱镜模块的调频连续波激光雷达具有良好的信号收集能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明一实施例提供的棱镜模块和相应激光雷达光学系统的使用状态示意图一，图中箭头为回波信号的传输方向，图中回波信号未发生walk-off角度偏移；

图2是图1所示棱镜模块和相应激光雷达光学系统的使用状态示意图二，图中箭头为回波信号的传输方向，图中回波信号发生walk-off角度偏移；

图3是本发明另一实施例提供的棱镜模块和相应激光雷达光学系统的使用状态示意图，图中箭头为回波信号的传输方向，图中回波信号未发生walk-off角度偏移；

图4是图3中棱镜模块的结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的棱镜模块和相应激光雷达光学系统的使用状态示意图，图中箭头为回波信号的传输方向，图中回波信号未发生walk-off角度偏移；

图6是图5中棱镜模块的结构示意图；

图7是本发明一实施例所采用的棱镜模块的剖视结构示意图；

图8是本发明另一实施例所采用的棱镜模块的结构示意图；

图9是本发明另一实施例所采用的棱镜模块的结构示意图；

图10是本发明另一实施例所采用的棱镜模块的结构示意图；

图11是本发明另一实施例所采用的棱镜模块的结构示意图；

图12是本发明另一实施例所采用的棱镜模块的结构示意图；

图13是本发明另一实施例所采用的激光雷达光学系统的结构示意图；

图14是本发明另一实施例所采用的激光雷达光学系统的结构示意图；

图15是本发明另一实施例所采用的激光雷达光学系统的使用状态示意图，图中箭头为光束传播方向；

图16是本发明一实施例所采用的收发模组与光学系统的分布结构示意图；

图17是本发明另一实施例所采用的收发模组与光学系统的分布结构示意图。

附图标记说明：

100、激光雷达光学系统；110、棱镜模块；111、通孔；112、第一平面；113、第二平面；120、透镜模块；200、收发模块；210、发射介质；220、接收介质；300、扫描模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参照图1至图6所示，在本发明一实施例中，提供了一种棱镜模块110，应用于激光雷达光学系统100。棱镜模块110具有第一导光区域和第二导光区域。第一导光区域用于供光线沿第一方向A穿过。第二导光区域用于改变光线的传播角度，以使该光线朝向靠近或远离第一导光区域所在侧的方向偏转。上述第一方向A为光线进入第一导光区域前的传播方向，或者与光线进入第一导光区域前的传播方向平行的方向。

具体的，本实施例中的棱镜模块110可以一个楔形棱镜或多个楔形棱镜组合或其他形式棱镜组成，具体可以根据出光效果而定。本实施例中的第一导光区域可以为沿棱镜模块110厚度方向贯穿棱镜模块110的通孔、平面结构等，只要能实现上述功能即可，这里不做唯一限定。具体的，当第一导光区域为沿棱镜模块110厚度方向贯穿棱镜模块110的通孔时，第一方向A为光线进入第一导光区域前的传播方向。当第一导光区域为平面结构时，第一方向A为与光线进入第一导光区域前的传播方向平行的方向，但平面结构较薄时，第一方向A可视为与光线进入第一导光区域前的传播方向相同。本实施例中的第二导光区域包括至少一个倾斜设置的导光面。其中，导光面的倾斜角度可以根据出光效果要求进行设定。

为便于理解，现以应用本发明实施例提供的棱镜模块110的激光雷达为例，对本发明实施例提供的棱镜模块110的工作原理进行说明：

激光雷达包括依次设置的激光发生器、收发模块200、透镜模块120、棱镜模块110和扫描模块300。采用该激光雷达对目标物进行探测时，激光发生器发出出射激光，经收发模块200传导形成出射激光，照射至透镜模块120上，经透镜模块120准直后再依次经棱镜模块110和扫描模块300照射至目标物上，之后经目标物散射和反射形成回波信号；回波信号经扫描模块300照射至棱镜模块110所在位置，部分信号经第一导光区域沿第一方向A照射至透镜模块120，另一部分信号则经第二导光区域改变传播方向，以向经第一导光区域输出的信号汇聚或者发散的方式输出，之后上述各信号均经透镜模块120汇聚至收发模块200内，经收发模块200中的相应部件接收并处理得出相应电信号，以便后续处理。

在上述过程中，通过第一导光区域的信号一般为位于回波信号中央区域的信号，而通过第二导光区域的信号则为回波信号中的剩余信号。采用本实施例提供的棱镜模块110，可以使在通过棱镜模块110前的同一束回波能量在经过棱镜模块110的不同导光区域后分为多束信号，这样可使得发生walk-off效应后，经过第一导光区域的回波能量偏移出位于中央的发射介质所在区域，到达位于发射波导侧部的接收介质内，与此同时，在上述回波能量未到达发射波导侧部的接收介质(如接收波导、光纤等)时，经过其他导光区域的回波能量能够被接收介质所接收，如此可以有效降低回波信号在walk-off效应的影响下落至相邻接收介质220之间间隙内的风险，进而降低walk-off效应对激光雷达探测精度的不良影响。

本发明实施例提供的棱镜模块110，具有第一导光区域和第二导光区域，其中第一导光区域用于供光线沿第一方向穿过，第二导光区域用于改变沿第二方向传播的光线的传播角度，以使该光线朝向靠近或远离第一导光区域所在侧的方向偏转。采用本实施例提供的棱镜模块110，可以使在通过棱镜模块110前的同一束回波能量在经过棱镜模块110的不同导光区域后分为多束信号，这样可使得发生walk-off效应后，经过第一导光区域的回波能量偏移出位于中央的发射介质所在区域，到达位于发射波导侧部的接收介质内，与此同时，在上述回波能量未到达发射波导侧部的接收介质(如接收波导、光纤等)时，经过其他导光区域的回波能量能够被接收介质所接收，如此可以有效降低回波信号在walk-off效应的影响下落至相邻接收介质220之间间隙内的风险，进而降低walk-off效应对激光雷达探测精度的不良影响，使得应用本实施例提供的棱镜模块110的激光雷达具有良好的信号收集能力，进而提高测距能力。

请参照图8至图10所示，上述棱镜模块的形式有多种，可以是直角棱镜，可以是倾斜棱镜，可以是其他变形棱镜及各种组合等。为便于理解，现以上述棱镜模块110为单个楔形棱镜作为示意，对棱镜模块110的结构和工作原理进行说明：楔形棱镜的中心区域为非楔形的平行区域，可以采用挖孔的方式让光径直入射，或者该楔形棱镜的中心区域为平板玻璃或平板塑料等结构，该结构可以保证发射波导的光可以沿水平方向输出。

当该楔形棱镜应用于上述激光雷达时，在接收时，如图1所示，由于光路可逆，回波信号的中心区域没有walk-off角度时光信号会原路返回到收发模块200，此时收发模块200是没有光信号的，但是除中心区域之外的接收光信号，经过楔形棱镜后会产生一个偏移角度，该偏移后的光经过透镜组后相对收发模块200位置产生一个偏移距离，因此回波光信号(预偏移光路)可以被放置在该距离位置处的收发模块200耦合，完成了近距离情况下没有walk-off角或角度较小状态下整个系统的探测。如图2所示，随着产生walk-off角度偏移后，回波信号相对于棱镜模块110会产生一定的相对角度，导致在收发模块200端面预偏移光路和中心光路产生的光斑有一定的位移，该棱镜模块110和光学系统可以保障整个探测过程中，在整个存在变化的walk-off角度的情况下，收发模块200能够始终有预偏移光路或中心光路的光信号，从而完成整个系统的探测。

另外，棱镜模块的厚度和斜率的改变可以控制接收光斑在像面的位置；可以通过控制棱镜模块中心区域的大小来调节中心和预偏移光路的能量配比，即经过第一导光区域和第二导光区域的回波信号的配比，从而合理分配能量的接收。

假设接收系统对目标物所张的立体角Ω

其中d为光学系统的口径，D为接收系统距离目标物体的距离；需要说明的是，本领域技术人员应当理解的是这里所说的光学系统并非本文中的激光雷达光学系统。

接收系统的效率为η

从公式中可以看出，近距离的回波能量较大，可以通过适当的降低近距离的耦合效率，将较高的耦合效率预置于远距离低回波能量处，即预偏移光路的光斑初始位置可以不位于接收介质的中心区域，可以从边缘开始，随着探测距离的增加，渐渐偏移到收发模块中的接收介质的中心，再之后中心区域光路的回波能量也被接收介质耦合。需要说明的是，上述过程中所用收发模块中的发射介质若具有接收功能，则上述接收介质也可以为发射介质。

由此可见，采用本发明实施例提供的棱镜模块及激光雷达光学系统，可以通过预偏移光路聚焦的方式充分利用回波能量，一定程度可以降低发射功率，缓解发射端由于高功率带来的负面影响。

上述第一导光区域具有多种形式，在一个可选的实施例中，请参照图7所示，第一导光区域为沿厚度方向贯穿棱镜模块110的通孔111。该通孔111的横截面形状可以为圆形、矩形或者其他形状，具体可以根据使用需要灵活设置，这里不做唯一限定。第一导光区域采用这一结构，结构简单，便于加工。此实施例中第一方向A为光线进入第一导光区域前的传播方向。

请参照图8至图10所示，在另一可选的实施例中，第一导光区域包括两个相对平行的第一平面112。此时，第一导光结构为平面结构，光线通过该区域会在两个第一平面112处分别发生折射现象，最终以与光线进入第一导光区域前的传播方向平行的方向射出，即本实施例中第一方向A为与光线进入第一导光区域前的传播方向平行的方向。需要说明的是，当两个第一平面112之间间距较小，即棱镜模块的厚度较薄时，本实施例中的第一方向A可视为与光线进入第一导光区域前的传播方向相同。采用这一结构，既可保证光线可以沿第一方向由此处穿过，又可改善由于挖孔造成的内壁杂散光的影响，且便于加工。

请参照图7至图12所示，在一个可选的实施例中，第二导光区域包括至少一个与第二方向B呈锐角或钝角设置的第二平面113。这里所说的第二方向B一般为发射光线的传播方向，也可以为在未发生walk-off效应时回波光线的传播方向。应当理解的是，这里所说的第二平面113与第二方向B呈锐角或钝角是指第二平面与第二方向B的正方向呈锐角或钝角。具体如图7至图10所示，图7和图8中只有一个第二平面113，该平面与第二方向B呈钝角设置；图9中有两个第二平面113，位于左侧的第二平面113与第二方向B呈锐角设置，位于右侧的第二平面113与第二方向B呈钝角设置；图10中有两个第二平面113，两侧的第二平面113均与第二方向B呈锐角设置。具体的，当第一导光区域包括第一平面112时，第二平面113与第一平面112呈钝角设置。

请参照图11及图12所示，当第二导光区域的同一侧设有多个第二平面113时，位于第二导光区域同一侧的多个第二平面113依次连接，且第二平面113与第二方向之间的夹角由靠近第一导光区域的一侧向远离第一导光区域的一侧逐渐减小或增大。

具体的，当位于第二导光结构同一侧的第二平面113均与第二方向B呈锐角设置时，则第二平面113与第二方向之间的夹角由靠近第一导光区域的一侧向远离第一导光区域的一侧逐渐减小；当位于第二导光结构同一侧的第二平面113均与第二方向B呈钝角设置时，则第二平面113与第二方向之间的夹角由靠近第一导光区域的一侧向远离第一导光区域的一侧逐渐增大。

第二导光区域在光线传播方向上具有两个导光面，每个导光面可以分别由至少一个平面组成，上述各平面中至少有一个平面与第二方向呈锐角设置，这些倾斜设置的平面即为第二平面113。另外，上述两个导光面的结构可以相同或者不同，可以相互对称设置，也可以不对称设置，且单个导光面可以为轴对称结构，也可以为非轴对称结构，具体可以根据使用需要设定，这里不做唯一限定。棱镜模块110采用本实施例的结构，结构简单，便于制造。

请参照图7至图10所示，在一个可选的实施例中，棱镜模块110可以采用直角棱镜或者楔形棱镜，此时棱镜模块110的入光面和出光面均为平面结构，通过在棱镜模块110相对设置的两个侧面上制备第一平面112以形成第一导光区域，其余部分形成第二导光区域，或者在棱镜模块110的中部开设贯穿相对设置的两个侧面的通孔111，以形成第一导光区域，其余部分形成第二导光区域。

请参照图11及图12所示，在另一个可选的实施例中，棱镜模块110的入光面或者出光面为非平面结构，此时第二导光区域包括分设于第一导光区域两侧的两部分，每部分设有至少一个第二平面113。具体的，各部分中第二平面113的数量可以相同也可以不同，且两部分可以为对称结构、相同结构或者不同结构，具体可以根据使用需要设定。同时，当同一部分设有多个第二平面113时，多个第二平面113依次连接，且第二平面113与第二方向B之间的夹角由靠近第一导光区域的一侧向远离第一导光区域的一侧逐渐减小或增大。棱镜模块110采用这一结构可以根据使用需要将回波信号分隔为多个光束，并根据各光束特性，设计不同的偏转角度，进而使得更多的回波信号可以被收发模块200中的接收介质220接收到，以确保应用本实施例提供的棱镜模块110的激光雷达的探测精度较高。

请参照图1、图2、图3、图5、图13、图14及图15所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种激光雷达光学系统100，包括透镜模块120和上述各实施例提供的棱镜模块110，透镜模块120和棱镜模块110用于相互配合以将出射激光准直输出，或者将回波信号分为多束、并将多束信号分别汇聚至间隔分布的多个接收区域内。

本实施例中的透镜模块120可以包括一个凸透镜，或者多个凸透镜，或者透镜模块120由凸透镜、凹透镜、组合透镜或者其他透镜组合而成，具体可以根据使用需要灵活设置，这里不做唯一限定。透镜模块120可以主光轴平行于第二方向B放置，也可以主光轴与第二方向B呈夹角放置，即透镜模块120倾斜放置，具体可以根据出光效果要求灵活选择。

本发明实施例提供的激光雷达光学系统100的工作原理为：

当需要向目标物发射出射激光时，激光发生器发出出射激光，经收发模块200照射至透镜模块120，该光束经透镜模块120准直输出，之后准直光束通过第一导光区域保持第一方向进一步输出至扫描模块300，经扫描模块300改变传播方向对目标物进行二维扫描。

当经目标物散射或者反射的回波信号，经扫描模块300返回至棱镜模块110时，一部分信号经第一导光区域继续保持第一方向输出，另一部分经第二导光区域改变第一方向输出，以使得原回波信号分为至少多束信号，之后多束信号经透镜模块120分别汇聚至间隔分布的多个接收区域内。

需要说明的是，上述过程只阐述了一种光路传播方式，本实施例中的透镜模块120和棱镜模块110的位置可以互换，即出射激光可以先经过棱镜模块110再经过透镜模块120，回波信号可以先经过透镜再经过棱镜模块110。

上述过程中，由于棱镜模块110可以将回波信号分为多束传播方向不同的光束，如此多束光束可以分别经透镜模块120汇聚至收发模块200的不同区域，以被位于相应区域的不同接收介质220接收。具体的，当第二导光区域用于将接收到的回波信号朝向靠近第一导光区域所在侧的方向偏转时，经棱镜模块110分为的多束光束，可以被透镜模块120先汇聚至同一点，再继续分别传输至多个不同接收介质220中。当第二导光区域用于将接收到的回波信号朝向远离第一导光区域所在侧的方向偏转时，经棱镜模块110分为的多束光束，可以被透镜模块120以分散形式分别汇聚至多个接收介质220中。

另外，设计本发明实施例提供的激光雷达光学系统100的具体结构时，可以通过对棱镜模块110和透镜模块120中各导光面参数的调整，以改变其出光效果，进而使得激光雷达光学系统100可以适应不同的收发模块200内发射介质210和接收介质220的排布以及设计要求，使得采用本实施例提供的激光雷达光学系统100的激光雷达系统设计更加灵活。

本发明实施例提供的激光雷达光学系统100，采用了上述各实施例提供的棱镜模块110，同时设置了透镜模块120，使得经激光雷达光学系统100接收的回波信号，可以被分束并汇聚至间隔设置的多个接收介质220中，进而使得激光雷达可以通过设置多个接收介质220，而实现更大面积的接收面，以接收到更多的回波信号，保证了即使walk-off效应发生本发明实施例提供的调频连续波激光雷达依然具有良好的信号收集能力。

又由于当上述激光雷达光学系统100中各导光区域的参数设置合理时，多束信号之间的汇聚区域之间的间距可以降低至相邻两个接收介质220所能达到的最小间距，如此采用本实施例提供的激光雷达光学系统100在能够有效降低walk-off效应带来的不良影响的同时，相对通过在收发模块200中设置大面积的波导阵列而言，又可以有效降低收发模块200中接收通道数和信号处理复杂度，简化应用本发明实施例提供的激光雷达光学系统100的调频连续波激光雷达的硬件系统，减小其体积，提高其系统可靠性，且可有效降低调频连续波激光雷达中的光机系统的复杂度，减少不必要的光学器件的成本。

在一些实施例中，透镜模块120和棱镜模块110彼此独立设置，即两者为分立的两个器件，这样设置便于加工，以及透镜模块120和棱镜模块110单独更换或者移动。在另一些实施例中，透镜模块120和棱镜模块110为一体成型结构，如一片透镜的一面是棱镜一面是球面或非球面镜的特殊形式以及该特殊形式和透镜组的组合等。采用这一结构，使得透镜模块120和棱镜模块110之间的位置关系不会发生改变，光学性能稳定。

请参照图1、图2、图3及图5所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种调频连续波激光雷达，包括激光发生器、收发模块200、光学系统和扫描模块300，光学系统为上述各实施例提供的激光雷达光学系统100，收发模块200中设有发射介质210和接收介质220，发射介质210用于接收、传播以及输出激光发生器发出的出射激光，接收介质220用于接收第一导光区域和/或第二导光区域输出的至少部分回波光。

具体的，本实施例中激光发生器用于发出出射激光，扫描模块300用于将收发同置的光学系统输出的出射激光形成2维的空间扫描，并将目标物体散射和反射的激光进行收集并送回光学系统。Y本实施例中扫描模块300可以包括一维振镜和一维转镜，也可以包括二维振镜，具体可以根据扫描需要进行选择，这里不做唯一限定。

本实施例中的收发模块200可以包括PLC芯片、间隔布置的波导或光纤等，或者包括相干接收模块，该模块可以是硅光芯片。本实施例中的发射介质210和接收介质220可以分别为波导、光纤等，当发射介质210和/或接收介质220为波导时可以采用平面光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)，也可以采用矩形波导，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。本实施例中的发射介质210可以仅用于发射激光，也可以既用于发射激光，也用于接收回波信号。本实施例中的接收介质220用于接收光学系统输送的第一回波信号或者第二回波信号，然后耦合送到收发模块200中的探测器内进行后续的信号处理。

本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，采用了上述各实施例提供的激光雷达光学系统100，是将收发模块200中集成的波导阵列作为输入输出，经过收发同置的光学系统和扫描模块300实现激光雷达的测距测速，通过这一设置使得回波信号可以被分隔为多个部分，被位于不同区域的接收介质220或者接收介质220的不同区域所接收，以接收到更多的回波信号，保证了即使walk-off效应发生本发明实施例提供的调频连续波激光雷达依然具有良好的信号收集能力。又由于当上述激光雷达光学系统100中各导光区域的参数设置合理时，多束信号之间的汇聚区域之间的间距可以降低至相邻两个接收介质220所能达到的最小间距，如此采用本实施例提供的激光雷达光学系统100在能够有效降低walk-off效应带来的能量损失、测距能力下降等不良影响的同时，相对通过在收发模块200中的波导阵列提高整个探测器的等效接收面而言，又可以有效降低收发模块200中接收通道数和信号处理复杂度，简化本发明实施例提供的调频连续波激光雷达的硬件系统，减小体积，提高系统可靠性，且可有效降低激光雷达中的光机系统的复杂度，减少不必要的光学器件的成本。同时，本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，在保证激光发射端的性能不被牺牲的情况下，增加了旁边接收介质220收集回波信号的功能，并实现了在近-中-远距离下较好的耦合效率。

在一些实施例中，发射介质仅用于接收、传播以及输出激光发生器发出的出射激光。此时，近距离的回波能量需要控制好在收发模块的光斑大小，在没有walk-off情况下有光斑覆盖到旁边的接收波导，待产生一定的walk-off角时，非中心区域的光斑逐渐偏移出旁边的接收波导，中心区域的光斑逐渐靠近旁边的接收波导，从而实现探测的需求。该方案可以进一步降低硬件的开销。

请参照图1至图3所示，在另一些实施例中，发射介质210还用于接收信号，此时发射介质210为其中一个接收介质220。具体的，本实施例中的发射介质210用于将调频激光信号发射以及将回波信号接收。本实施例中除发射介质210以外的接收介质220与发射介质210可以是模场相同或者不同的单模平面波导、少模转单模平面波导或多模转单模平面波导。发射介质210既可以用做发射也可以用做接收，可以保证近距离接收。

在一个可选的实施例中，发射波导是单模波导，用于将激光发生器(也称调频光源)产生的激光信号发射，结合光学系统准直成平行光输出，经过外部的扫描模块发射到目标物上，再经过目标物反射、散射后原路返回。位于发射波导一侧或两侧的接收波导则用于将光学系统接收的回波信号耦合。

本实施例所提供的调频连续波激光雷达，是一种低成本改善walk-off效应的FMCW激光雷达系统，通过平面波导芯片中心将单模波导做为发射波导，一侧或两侧放置模场相同或者不同的单模平面波导、少模转单模平面波导或多模转单模平面波导用作接收波导，结合同一个光学系统形成收发同置型光路，再通过扫描模块形成整个激光雷达光学系统方案。

由于扫描模块根据使用需要存在多种选择，对应的接收介质的排布方式也可以有多种选择，现举例说明。

在一个可选的实施例中，扫描模块包括一维振镜和一维转镜，一维振镜用于控制出射激光沿Y方向扫描，一维转镜用于控制出射激光沿Y方向扫描，除发射介质以外的接收介质位于发射介质的同一侧。扫描模块采用本实施例提供的结构时，回波信号因扫描模块所产生的walk-off角偏移是单向的，除此之外还可以有效利用光能量、减少后端的硬件资源。

在另一个可选的实施例中，扫描模块包括二维振镜，二维振镜用于控制出射激光沿Y方向和Y方向进行二维扫描，接收介质设有至少两个，除发射介质以外的接收介质分设于发射介质的两侧。本实施例中的二维振镜可以为二维MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)振镜。

扫描模块采用本实施例提供的结构时，回波信号因扫描模块所产生的walk-off角偏移是双向的，因此发射介质的两侧均需放置接收介质，且发射介质的任一侧可以放置一个或者多个接收介质，即发射介质可以位于发射介质和接收介质组成的介质阵列的中心位置，也可以采用其他排布方式，具体可以根据使用需要设置。同时，位于发射介质一侧的接收介质的模场直径可以同发射介质一致或者是不同。另外，本实施例中的发射介质根据需求可以位于光学系统的主光轴上，可以与其他接收介质等间距或不等间距放置。采用本实施例提供的方案，可以保证接收能量始终满足系统最低要求，以确保调频连续波激光雷达的探测精度满足使用要求。

在上述各实施例的基础上，为保证调频连续波激光雷达使用的便捷性，在一个可选的实施例中，各波导之间的间距可调。如此，设计时，设计人员可以根据需要设计各波导之间的间距。

请参照图16及图17所示，在一个可选的实施例中，一个发射介质210和相邻设置的至少一个接收介质220形成一个收发模组，一个光学系统与一个收发模组或者多个收发模组相对应。

具体的，同一光学系统可以对应单组收发模组，也可以对应多组收发模组，其排列位置可以周期性的，也可以是任意周期或者间隔放置。这样可以根据需求动态调整每一路的收发视场和方向，以满足不同视场需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及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发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。