基于Light Tools的车载激光雷达光学系统及其工作方法

摘要

基于Light？Tools的车载激光雷达光学系统及其工作方法，包括：脉冲激光器,用于出射激光束；扩束镜，置于脉冲激光器前方，激光束经过扩束镜，实现光束的准直和压缩，减小激光发散角，照射到摆镜表面；摆镜，相对于扩束镜倾斜设置，激光束经摆镜反射后，通过发射窗口照射到目标表面；可变透镜光阑，设置在扩束镜两侧，部分激光束经过摆镜反射进入可变透镜光阑；聚焦透镜，设置在扩束镜两侧，部分激光束经过聚焦透镜，被聚焦照射到光电探测器；光电探测器，设置在聚焦透镜后面，部分激光束照射到光电探测器光敏面中心。本发明增加光电探测器所能接收到的光能量，提高激光雷达系统的探测距离，简化了传统激光雷达的光学系统，降低研制成本。

说明书

技术领域

本发明属于车载激光雷达领域，具体说是一种基于LightTools 的车载激光雷达光学系统及其工作方法。

背景技术

激光雷达应用于汽车防撞自适应巡航控制(ACC)系统、高级驾 驶辅助系统(ADAS)以及无人驾驶系统是近几年所兴起。汽车智能驾 驶所需车载激光雷达系统：不需要像测绘型激光雷达的海量数据去获 取高精度环境信息，又不满足于工业安防型系统的低点云密度。需根 据车辆道路应用环境设计具体高效的专用系统，在能够有效探测路面 障碍物的点云密度前提下，做到实时目标识别。

车载激光雷达，顾名思义需要把激光雷达安装于车体上，这便意 味车载激光雷达在设计方面应该有别于机载、舰载激光雷达及陆基激 光雷达。车载激光雷达光学系统设计是激光雷达系统中最重要的子系 统之一，光学系统设计的优劣直接关乎激光雷达整个系统的性能好 坏。现有技术中光电探测器最终只能接收到较少部分的激光出射激光 能量；摆镜在摆动过程中，很多光线不能被半透半反镜反射进入聚焦 透镜中，从而被光电探测器所接收。系统光路中增加了一面半透半反 镜，使得较多的光能量被反射或者透射到空间中，增加了光能量的衰 减。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点，本发明提供了一种基于Light Tools的车载激光雷达光学系统及其工作方法,增加光电探测器所能 接收到的光能量，提高激光雷达系统的探测距离，简化了传统激光雷 达的光学系统，减少了所用的元件个数，降低研制成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，基于LightTools的车 载激光雷达光学系统，包括：

脉冲激光器,用于出射激光束；

扩束镜，置于脉冲激光器前方，激光束经过扩束镜，实现光束的 准直和压缩，减小激光发散角，照射到摆镜表面；

摆镜，相对于扩束镜倾斜设置，激光束经摆镜反射后，通过发射 窗口照射到目标表面；

发射窗口，位于摆镜下方，允许工作波长的激光束传输，将其他 波长的激光束进行衰减；

探测目标，放置在发射窗口下方，激光束照射到目标表面，部分 激光束被目标散射进入发射窗口照射到摆镜上；

可变透镜光阑，设置在扩束镜两侧，部分激光束经过摆镜反射进 入可变透镜光阑；

聚焦透镜，设置在扩束镜两侧，部分激光束经过聚焦透镜，照射 到光电探测器；

光电探测器，设置在聚焦透镜像焦平面内，部分激光束经聚焦透 镜后聚焦照射到光电探测器光敏面中心。

进一步的，所述的扩束镜为准直扩束镜。

进一步的，所述的探测目标表面设定为朗伯体漫反射表面，散射 光线各向同性。

进一步的，上述车载激光雷达光学系统是LightTools光学设计 软件设计的。

进一步的，上述车载激光雷达光学系统采用光学发射和光学接收 共光路的结构。

进一步的，摆镜被光照射的表面涂有增透膜。

基于LightTools的车载激光雷达光学系统的工作方法，是在上 述系统实现，具体步骤如下：

脉冲激光器出射激光束，经过准直扩束镜，实现激光束的准直及 压缩，减小激光发散角，照射到摆镜表面，摆镜由步进电机带动，实 现其偏转，从而引起激光束的偏转，经过发射窗口照射到探测目标表 面；

部分激光束通过发射窗口反射到摆镜上，进入可变透镜光阑，再 通过聚焦透镜，聚焦到光电探测器光敏面中心，被光电探测器接收。

作为更进一步的，摆镜被光照射的表面涂有增透膜。

作为更进一步的，探测目标表面设定为朗伯体漫反射表面，散射 光线各向同性。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：摆镜 被光照射的表面涂有增透膜，基本可以实现100％的反射率，该新型 激光雷达光学系统结构采用光学发射和接收的共光路，增加进入光电 探测器的光能量；该系统结构简单，提高了接受光功率，降低了发射 功率；

本发明增加了激光雷达系统的探测距离；减少部分光学元件，降 低了系统的研制成本；同时简化了系统结构，减小了系统的体积，使 得该新型激光雷达系统更适合搭载于汽车平台，符合车载激光雷达的 设计理念。

附图说明

本发明共有附图1幅：

图1为未加光线追迹的结构示意图；

图2为带有光线追迹的主视图；

图3为带有光线追迹的侧视图；

图4为现有技术中车载激光雷达系统接收光能量示意图；

图5为本实施例中接收光能量示意图。

图中序号说明：1、脉冲激光器，2、扩束镜，3、摆镜，4、发射 窗口，5、探测目标，6、可变透镜光阑，7、聚焦透镜，8、光电探测 器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的 具体说明。

实施例1

基于LightTools的车载激光雷达光学系统，包括：

脉冲激光器1,用于出射激光束；

准直扩束镜，置于脉冲激光器1前方，激光束经过扩束镜2，实 现光束的准直和压缩，减小激光发散角，照射到摆镜3表面；

摆镜3，相对于扩束镜2倾斜设置，激光束经摆镜3反射后，通 过发射窗口4照射到目标表面；摆镜3被光照射的表面涂有增透膜。

发射窗口4，位于摆镜3下方，允许工作波长的激光束传输，将 其他波长的激光束进行衰减；

探测目标5，放置在发射窗口4下方，激光束照射到目标表面， 部分激光束被目标散射进入发射窗口4照射到摆镜3上；；探测目标 5表面设定为朗伯体漫反射表面，散射光线各向同性；

可变透镜光阑6，设置在扩束镜2两侧，部分激光束经过摆镜3 反射进入可变透镜光阑6；

聚焦透镜7，设置在扩束镜2两侧，部分激光束经过聚焦透镜7， 照射到光电探测器8；

光电探测器8，设置在聚焦透镜7像焦平面位置，部分激光束被 聚焦照射到光电探测器8光敏面中心。。

上述车载激光雷达光学系统是LightTools光学设计软件设计 的；上述车载激光雷达光学系统采用光学发射和光学接收共光路的结 构。LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模 软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、 反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光 路。由于LightTools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理， 并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，使 它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、 照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或 产品推广等各环节中均可发挥重要的作用，成为人们理想的工具。基 于LightTools光学设计软件设计的车载激光雷达将更加直观、可靠。

基于LightTools的车载激光雷达光学系统的工作方法，是在上 述系统实现，具体步骤如下：

脉冲激光器1出射激光束，经过准直扩束镜2，实现激光束的准 直及压缩，减小激光发散角，照射到摆镜3表面，其中摆镜3被光照 射的表面涂有增透膜，基本可以实现100％的反射率，摆镜3由步进 电机带动，实现其偏转，从而引起激光束的偏转，经过发射窗口4照 射到探测目标5表面；探测目标5表面设定为朗伯体漫反射表面，散 射光线各向同性；部分激光束通过发射窗口4反射到摆镜3上，进入 可变透镜光阑6，再通过聚焦透镜7，聚焦到光电探测器8光敏面中 心，被光电探测器8接收。

附加光线追迹的激光雷达光学系统结构图可以清楚显示光线在 各个元件间的传输路线，同时可以分析计算出最后被光电探测器接收 到的光能量。如图5所示为该结构系统所能接收到的光能量，该新型 车载激光雷达光学系统中光电探测器8所能接收的光能量为激光器 出射光能量的3.59％，大大高于现有技术中的0.92％。可见该新型车 载激光雷达系统相较于之前的设计，性能有所提高。

本申请增加光电探测器8所能接收到的光能量，提高激光雷达系 统的探测距离。简化激光雷达的光学系统，尽量减少所用的元件个数， 降低研制成本。使用激光发射和激光接收共光路，使得摆镜3在摆动 过程中，也能有较多的光能量被光电探测器8所接收。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。