分光装置及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种分光装置及激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束来探测目标位置的雷达系统。激光雷达探测距离远、精度高、抗干扰能力强的特点使其被广泛运用。根据发射光路与接收光路的布局方式的不同，可将激光雷达分为非同轴收发和同轴收发，非同轴收发的发射光路和接收光路相互独立，通常采用不同的镜组实现，分别承担激光的发射和接收功能，而同轴收发的发射光路和接收光路共光轴，往往共用一个收发镜组，通过分光元件(如分光镜等)来实现发射光束和接收光束的分离和交合。

由于分光元件位于光轴上，由近距离的目标物体反馈的回波信号会被分光装置遮挡，导致激光雷达近场探测能力较弱，存在较大的近场盲区。

发明内容

本发明实施例提供了一种分光装置及激光雷达，用于解决现有的同轴光路激光雷达近场探测能力较弱，存在较大近场盲区的技术问题。

为此，根据本发明的一个方面，提供了一种分光装置，用于同轴收发的激光雷达，所述激光雷达的发射光经目标物反射后形成回波光，该分光装置包括第一区域、包围所述第一区域的第二区域以及包围所述第二区域的第三区域；

所述第二区域反射所述发射光至所述目标物时，所述第一区域和所述第三区域透射所述回波光；或

所述第二区域透射所述发射光至所述目标物时，所述第一区域和所述第三区域反射所述回波光。

可选地，所述第一区域和所述第三区域透射所述回波光时，所述第一区域为透光孔。

可选地，所述第一区域和所述第三区域透射所述回波光时，所述第一区域和所述第三区域为透光体。

可选地，所述透光体为高透镜；或

所述透光体为透过率大于反射率的透射反射镜。

可选地，所述第二区域反射所述发射光至所述目标物时，所述第二区域为高反镜；或

所述第二区域为反射率大于透过率的透射反射镜。

可选地，所述第一区域和所述第三区域反射所述回波光时，所述第一区域和所述第三区域为高反镜；或

所述第一区域和所述第三区域为反射率大于透过率的透射反射镜。

可选地，所述第二区域透射所述发射光至所述目标物时，所述第二区域为环状透光孔；或

所述第二区域为环状透光体。

可选地，所述第二区域呈椭圆环状。

可选地，所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域为一体式结构。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激光雷达，该激光雷达包括：

激光发射装置，用于产生所述发射光；

激光接收装置，用于接收所述回波光；以及

如上所述的分光装置，经所述分光装置作用的所述发射光与所述回波光同轴。

本发明提供的分光装置及激光雷达的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的分光装置，第二区域反射发射光至目标物时，第一区域和第三区域透射回波光；或者，第二区域透射发射光至目标物时，第一区域和第三区域反射回波光。利用第一区域减小了同轴光路激光雷达在近距离探测时分光装置对回波光的遮挡，减小了激光雷达的近距离盲区，提高了激光雷达的近距离探测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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。

其中：

图1是本发明一实施例示出的一种分光装置的主视图；

图2是本发明一实施例示出的采用图1所示分光装置的激光雷达的光路示意图；

图3是图1所示的分光装置的一种立体结构示意图；

图4是图3所示的分光装置的剖视结构示意图；

图5是具有角度选择透射膜的分光装置的剖视结构示意图；

图6是本发明一实施例示出的另一种分光装置的主视图；

图7是本发明一实施例示出的采用图6所示分光装置的激光雷达的光路示意图；

图8是图6所示的分光装置的一种立体结构示意图；

图9是图8所示的分光装置的剖视结构示意图；

图10是具有角度选择反射膜的分光装置的剖视结构示意图；

图11是一种现有的激光雷达的光路结构示意图；

图12是图11所示激光雷达探测近距离目标和远距离目标的光路示意图；

图13是图11所示激光雷达在接收装置一侧同轴收发中回波光的光斑形状示意图；

图14是同轴收发在接收装置一侧所形成光斑与接收装置采集光束范围的比较示意图。

主要元件符号说明：

1、目标物；

100、分光装置；

101、第一区域；102、第二区域；103、第三区域；

110、透光载体；111、透光孔；

120、环形高反膜；

130、圆形高反膜；

140、环状高反膜；

150、角度选择透射膜；

160、角度选择反射膜；

200、激光发射装置；

300、激光接收装置；

400、转镜。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以通过许多其他不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

还需说明的是，本申请实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本申请实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。

正如背景技术中所记载的，现有的同轴光路激光雷达中，由于分光元件位于光轴上，由近距离的目标物体反馈的回波信号会被分光装置遮挡，导致激光雷达近场探测能力较弱，存在较大的近场盲区。

现结合一种激光雷达的光路结构具体分析其近场探测能力较弱的原因：

如图11所示，示出了一种激光雷达的光路结构示意图。该激光雷达为采用同轴收发的激光雷达。激光雷达所采用的同轴收发包括中心反射的分光方式，图11中以中心反射的分光方式为例进行说明。

如图11所示，发射模块11所产生的光束经分光装置12反射后形成朝向三维空间出射的发射光，所述发射光经目标物10反射后形成投射至接收模块13的回波光。中心反射的同轴收发方案都会存在近距离回波信号弱的问题。其主要原因是近距离目标的回波光的遮挡问题。

如图12所示，示出了图11所示激光雷达探测近距离目标和远距离目标的光路示意图。对于激光雷达而言，特别是车载激光雷达而言，测远距离是非常重要的指标。因此激光雷达光学系统(主要有透镜或透镜组等光学元器件构成)的光路主要是针对远距离目标21而设计的，光学系统的焦距也是针对远距离目标21而设置的；而在探测近距离目标22的时候，激光雷达的光学系统往往处于离焦状态，而且目标距离越近，回波光被遮挡的占比越大；回波光光强越弱、目标探测概率越低。

如图12所示，图11中采用中心反射方式的同轴收发中，区域24(即图12中椭圆虚线区域)的发射光被反射，近距离目标22反射发射光形成回波光的光斑23，回波光只有在区域24以外的区域能够被接收装置采集。具体地，如图13所示，在接收装置一侧，同轴收发光路中，回波光的光斑为同心圆环，其中心的空白区对应于发射光反射的位置(图13中区域31所示位置)。

如图14所示，其中图14是同轴收发在接收装置一侧所形成光斑与接收装置采集光束范围的比较。回波光的光斑51为仅能够覆盖部分接收装置采集光束范围(图中区域52所示)的同心圆环，其中接收装置的采集光束范围为图中虚线圆内的区域，即图中区域52所示。

在接收装置采集光束范围面积保持不变的时候，由于近距离目标的回波信号集中于中心区域，回波光在同轴收发系统中被分光装置所遮挡，例如在中心反射的方案中，被分光装置所遮挡。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，如图1-图2和图6-图7所示，本发明的实施例提供了一种分光装置100，用于同轴收发的激光雷达，激光雷达的发射光经目标物1反射后形成回波光，该分光装置100包括第一区域101、包围第一区域101的第二区域102以及包围第二区域102的第三区域103；

第二区域102反射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103透射回波光；或

第二区域102透射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103反射回波光。

在本发明实施例中，该分光装置100的第二区域102反射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103透射回波光，利用第一区域101透射的回波光减小了同轴光路激光雷达的近距离盲区，提高激光雷达近距离探测能力；或者，该分光装置100的第二区域102透射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103反射回波光，利用第一区域101反射的回波光减小了同轴光路激光雷达的近距离盲区，提高了激光雷达的近距离探测能力。

可以理解的是，当第二区域102反射发射光至目标物1，且第一区域101和第三区域103透射回波光时，该分光装置100适用于中心反射式的同轴收发激光雷达中，如图2所示；当第二区域102透射发射光至目标物1，且第一区域101和第三区域103反射回波光时，该分光装置100适用于中心透射式的同轴收发激光雷达中，如图7所示。

在一种实施例中，如图3-图4所示，第一区域101和第三区域103透射回波光时，第一区域101为透光孔111。

通过挖孔的方式形成用来透光的第一区域101，使得第一区域101具有全透光的能力，提高所采集回波信号强度，进一步提高激光雷达的近距离探测能力。

在另一种实施例中(图中未示出)，第一区域101和第三区域103透射回波光时，第一区域101和第三区域103为透光体。

通过如上设计，相比于上一实施例中采用打孔的方式形成第一区域101，减少一道打孔工序，方便加工制造。

在一种具体的实施例中，透光体为高透镜或透光体为透过率大于反射率的透射反射镜。

当透光体采用高透镜时，有利于回波光的透过，提高所采集回波信号强度。优选地，高透镜的透过率大于99.5％。

具体来说，该分光装置100可在一块矩形光学玻璃的一面镀制环形的高反膜制成，环形的高反膜和光学玻璃上与该高反膜对应的环形部分共同构成该分光装置100的第二区域102，用于反射发射光至目标物1；光学玻璃对应环形的高反膜内侧区域的部分形成上述的第一区域101；光学玻璃对应环形的高反膜的外侧区域的部分形成上述的第三区域103。

当透光体采用透过率大于反射率的透射反射镜时，透光体此时既能实现回波光的透过，又能起到一定的反射发射光至目标物1的作用，提高发射信号强度。

具体来说，透射反射镜可通过在上述分光装置100的光学玻璃上除环形的高反膜以外的区域镀制反射透射膜制成。

在一些实施例中，第二区域102反射发射光至目标物1时，第二区域102为高反镜；或，第二区域102为反射率大于透过率的透射反射镜。

当第二区域102采用高反镜时，有利于发射光的反射，提高发射信号强度。优选地，高反镜的反射率大于99.5％。

具体来说，如图3-图4所示，该分光装置100可在一块透光载体110(可采用光学玻璃或透光塑料等制成)的一面镀制环形高反膜120制成，环形高反膜120和透光载体110上与该高反膜对应的环形部分共同构成该分光装置100的第二区域102，用于反射发射光至目标物1。

当第二区域102采用反射率大于透过率的透射反射镜(具体来说，该透射反射镜可通过将上述分光装置100中的环形高反膜120替换为反射透射膜制成)时，第二区域102此时既能实现发射光的反射，又能起到一定的透射回波光的作用，提高回波信号强度。

在一种实施例中，如图3-图4所示，分光装置100在一块透光载体110(可采用光学玻璃或透光塑料等制成)的一面镀制环形高反膜120制成。透光载体110对应环形高反膜120内侧区域的部分打孔以形成透光孔111，透光孔111为第一区域101；环形高反膜120和透光载体110上与该高反膜对应的环形部分共同构成第二区域102；透光载体110对应环形高反膜120的外侧区域的部分形成第三区域103。

在一种实施例中，如图1和图5所示，分光装置100还具有角度选择透射膜150，第二区域102反射发射光至目标物1，第一区域101和第三区域透103射回波光，且角度选择透射膜150设置于第一区域101和第三区域103上，角度选择透射膜150用于透射入射角在回波光的发散角范围内的光线，并用于阻挡入射角在回波光的发散角范围外的光线。

需要说明的是，在图2所示激光雷达中，外部的环境光经过滤光罩(图中未示出)后，经分光装置100进入激光接收装置300中，即产生杂散光。杂散光通常以不同于回波光的入射角度射入分光装置100。

在本实施例中，通过管控分光装置100相应区域的角度镀膜透射率，在第一区域101和第三区域103透射回波光时，通过角度选择透射膜150透射入射角在回波光的发散角范围内的光线，并阻挡入射角在回波光的发散角范围外的光线，可有效地减少进入激光接收装置300中的杂散光。同时，由于角度选择透射膜150或设置在分光装置100上，有利于激光雷达的小型化和装配。

具体来说，角度选择透射膜150可通过镀膜工艺直接镀设在分光装置100上。

此外，需要说明的是，可通过对角度选择透射膜150的材质进行选择，来对角度选择透射膜150的透过率进行调整。

在具体设置角度选择透射膜150时，角度选择透射膜150的厚度也是光线透过的重要影响因素，其可根据需要阻挡的杂散光以及入射角进行选择。

在一种具体实施例中，角度选择透射膜150具有多层结构。角度选择透射膜150可通过多层结构被实现。具体地，角度选择透射膜150具有TiO2层和MgF2层交替层压而形成的多层结构。当利用具有多层结构的角度选择透射膜150时，可通过构成角度选择透射膜150的材料(折射率)和层的厚度的设置，来调整成为可透射和不可透射之间的边界的角度。

在一种实施例中，第一区域101和第三区域103反射回波光时，第一区域101和第三区域103为高反镜；或，第一区域101和第三区域103为反射率大于透过率的透射反射镜。

当第一区域101和第三区域103采用高反镜时，有利于回波光的反射，提高回波信号强度。优选地，高反镜的反射率大于99.5％。

具体来说，如图8-图9所示，该分光装置100可在一块透光载体110(可采用光学玻璃或透光塑料等制成)的一面由中部至外缘间隔镀制圆形高反膜130和环状高反膜140制成。圆形高反膜130和与其对应的透光载体110共同形成上述的第一区域101；圆形高反膜130和环状高反膜140之间的透光载体110形成第二区域102，用于透射发射光至目标物1；环状高反膜140和与其对应的透光载体110共同构成上述的第三区域103。

当第一区域101和第三区域103采用反射率大于透过率的透射反射镜(具体来说，该透射反射镜可通过将上述分光装置100中的圆形高反膜130和环状高反膜140替换为反射透射膜制成)时，第一区域101和第三区域103此时既能实现回波光的反射，又能起到一定的透射发射光的作用，提高发射信号强度。

在一些实施例中，第二区域102透射发射光至目标物1时，第二区域102为环状透光孔；或，第二区域102为环状透光体。

在一种实施例中，如图6和图10所示，分光装置100还具有角度选择反射膜160，第二区域102透射发射光至目标物1，第一区域101和第三区域103反射回波光，角度选择反射膜160设置于第一区域101和第三区域103上，角度选择反射膜160用于反射入射角在回波光的发散角范围内的光线，并用于透射或吸收入射角在回波光的发散角范围外的光线。

在本实施例中，通过管控分光装置100相应区域的角度镀膜透射率，在第一区域101和第三区域103反射回波光时，通过角度选择反射膜160反射入射角在回波光的发散角范围内的光线，并用于透射或吸收入射角在回波光的发散角范围外的光线，可有效地减少进入激光接收装置300中的杂散光。由于角度选择反射膜160设置在分光装置100上，有利于激光雷达的小型化和装配。

具体来说，角度选择反射膜160可通过镀膜工艺直接镀设在分光装置100上。

此外，需要说明的是，角度选择反射膜160的原理与上述角度选择透射膜150的原理类似，在此不再赘述。

在一种实施例中，如图1-图3和图6-图8所示，第二区域102呈椭圆环状。

如图2和图7所示，由于分光装置100应用于同轴收发的激光雷达时，发射光投射至分光装置100上的入射角呈锐角(通常为45°)设置，将第二区域102设计为椭圆环状，以便于更好地与发射光横截面内的圆形光斑的形状适配。

在一种实施例中，第一区域101、第二区域102和第三区域103为一体式结构。

通过如上设置，便于分光装置100在激光雷达中的安装固定。

根据本发明的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种激光雷达，如图2和图7所示，该激光雷达包括用于产生发射光的激光发射装置200、用于接收回波光的激光接收装置300以及上述任一实施例中的分光装置100，经分光装置100作用的发射光与回波光同轴。

由于该激光雷达采用了上述实施例中的分光装置100，相应地，也具有上述分光装置100所带来的优点和好处，减小了激光雷达的近距离盲区，提高了激光雷达的近场探测能力。

在本实施例中，该激光雷达还包括转镜400，经分光装置100作用的发射光经转镜400反射后向三维空间出射，经转镜400反射后，回波光经分光装置100作用后被激光接收装置300接收。具体地，转镜400位于分光装置100和激光雷达的出光口之间，用于实现对三维空间中的目标物1的扫描。

在一种实施例中，转镜400的表面设置有角度选择性反射膜(图中未示出)，角度选择性反射膜用于反射入射角在回波光的发散角范围内的光线，并用于透射或吸收入射角在回波光的发散角范围外的光线。

通过角度选择性反射膜对不同入射角度的光线进行选择，以使满足入射角度要求的光线能够反射，而透射或吸收不满足入射要求的光线，进一步减少进入激光接收装置300中的杂散光。

需要说明的是，角度选择性反射膜的原理与上述角度选择反射膜160相同，在此不再赘述。

综上，实施本实施例提供的分光装置100及激光雷达，至少具有以下有益技术效果：

该分光装置100中，第二区域102反射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103透射回波光；或者，第二区域102透射发射光至目标物1时，第一区域101和第三区域103反射回波光。利用第一区域101减小了同轴光路激光雷达在近距离探测时分光装置100对回波光的遮挡，减小了激光雷达的近距离盲区，提高了激光雷达的近距离探测能力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。