一种发射模组及激光雷达
阅读说明：本技术 一种发射模组及激光雷达 (Transmitting module and laser radar ) 是由 罗珂珂 高子英 孙笑晨 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种发射模组,还公开一种包含所述发射模组的激光雷达,所述发射模组包括依次设置的光源件、光压缩件和光扩散件；所述光源件,用于发射第一光束；所述光压缩件,用于缩小所述第一光束在第一方向上的发散角,形成第二光束；所述光扩散件,用于扩散所述第二光束在第二方向上的发散角,形成出射光束,所述出射光束照射至所述目标物,所述第一方向为垂直方向或水平方向,第二方向为水平方向或垂直方向。本发明通过对光压缩件和光扩散件的设计,在第一方向上对发散角进行压缩,使得光能更集中,在第二方向上对发散角进行扩大,使得照亮范围更广,从而有效提高所在激光雷达的测距性能。(The invention discloses a transmitting module and also discloses a laser radar comprising the transmitting module, wherein the transmitting module comprises a light source part, a light compression part and a light diffusion part which are sequentially arranged; the light source component is used for emitting a first light beam; the light compression piece is used for reducing the divergence angle of the first light beam in the first direction to form a second light beam; the light diffusion piece is used for diffusing a divergence angle of the second light beam in a second direction to form an emergent light beam, the emergent light beam irradiates the target object, the first direction is a vertical direction or a horizontal direction, and the second direction is a horizontal direction or a vertical direction. According to the invention, through the design of the light compression piece and the light diffusion piece, the divergence angle is compressed in the first direction, so that the light energy is more concentrated, and the divergence angle is expanded in the second direction, so that the illumination range is wider, and the distance measurement performance of the laser radar is effectively improved.)
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种发射模组，及利用所述发射模组实现测距的激光雷达。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，现今激光雷达广泛用于汽车中，为自动驾驶提供硬件支持。
TOF(Time of flight)，飞行时间技术，现有TOF测距装置的测距范围小，不满足自动驾驶的场景应用。
发明内容
本发明针对现有激光雷达测距范围小的缺点，提供了具有较大视场范围的发射模组，以及应用所述发射模组的激光雷达。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种发射模组，用于照亮目标物，包括依次设置的光源件、光压缩件和光扩散件：
所述光源件，用于发射第一光束，所述第一光束依次通过所述光压缩件和所述光扩散件射向所述目标物；
其中：
所述光压缩件，用于缩小所述第一光束在第一方向上的发散角，形成第二光束，所述第二光束将形成第一线光斑；
所述光扩散件，用于扩散所述第二光束在第二方向上的发散角，形成出射光束，所述出射光束照射至所述目标物，所述出射光束将形成第二线光斑，其中第二线光斑与第一线光斑相较，第二线光斑的长度更长，照亮的范围更大。
当所述第一方向为垂直方向时，第二方向为水平方向，当所述第一方向为水平方向时，第二方向为垂直方向；
第二方向用于指示测距维度，发射模组与目标物位于同一平面，第一方向垂直于该平面；
以自动驾驶场景为例，发射模组位于车头时，第二方向为水平方向，第一光束通过光压缩件时，水平方向的发散角不变，垂直方向的发散角被压缩，形成第二光束；第二光束通过光扩散件时，垂直方向的发散角不变，水平方向的发散角被扩散，从而使出射光束垂直方向的发散角较小，水平方向的发散角较大，照射到目标物上时，形成长度较长的线光斑，所照亮的范围更广。
以自动洗车场景为例，发射模组所在测距传感器位于洗车装置顶部，用于测量车辆高度，此时第二方向为垂直方向，即，水平方向的发散角被压缩，垂直方向的发散角被扩散，在测量车辆高度的同时，便于测量测量的宽度或长度。
本方案使第一光束在两个维度上分别进行整形，通过对第一方向上发散角的压缩，使得光能更集中，增强测距距离，通过对第二方向上发散角的扩大，使得照亮范围更广，满足自动驾驶场景中对测距距离和测距宽度的需要。
作为一种可实施方式：
所述光压缩件包括若干个柱透镜，各柱透镜间隔设置，所述第一光束依次通过各柱透镜以形成所述第二光束，各柱透镜的光轴重合。
作为一种可实施方式：
相邻柱透镜之间的间隔小于等于0.1mm。
作为一种可实施方式：
光压缩件的等效焦距大于等于3mm且小于等于4mm，第二光束在第一方向上的发散角小于等于0.6°。
第二光束在第一方向上的发散角的大小取决于所在激光雷达的分辨率，即，本方案所提供的发射模组适用于分辨率在0.6°内的激光雷达，本领域技术人员可根据实际需要对光压缩件进行设计，使第二光束在第一方向上的发散角与所述分辨率相适配即可。
作为一种可实施方式：
所述光压缩件包括两个柱透镜，分别为第一柱透镜和第二柱透镜，第一光束依次通过所述第一柱透镜和所述第二柱透镜形成第二光束；
所述第一柱透镜和第二柱透镜的焦距均大于等于5mm且小于等于6mm。
作为一种可实施方式：
出射光束在第二方向上的发散角大于等于120°。
出射光束在第二方向上的发散角的大小取决于所在激光雷达的水平视场角，即，本方案所提供的发射模组适用于水平视场角大于等于120°的激光雷达，本领域技术人员可根据实际选用光扩散件，使出射光束在第二方向上的发散角与所述水平视场角相适配即可。
作为一种可实施方式：
光源件与光压缩件之间的距离大于等于250μm，且小于等于350μm。
作为一种可实施方式：
所述光源件为垂直腔面发射激光器阵列。
在实际使用中，各行发射激光器依次点亮，各行发射激光器发射的光束通过光压缩件和光扩散件，在目标物上形成一线光斑，且各线光斑的位置与各行发射激光器的位置相对应，从而实现对物方视场的分区照亮，即实现了对物方视场的光束扫描。
本发明还提出一种激光雷达，包括信号相连的发射模组和接收模组；
所述发射模组为上述任意一项所述的发射模组。
发射模组的出射光束出射至目标物，被目标物反射至接收模组，接收模组的分辨率决定出射光束在第一方向上的发散角的大小，接收模组的水平视场角决定出射光束在第二方向上的发散角的大小。
作为一种可实施方式：
所述接收模组包括滤光件、感光单元和测距单元，所述感光单元和所述测距单元信号相连，所述测距单元和所述发射模组信号相连：
目标物的反射光通过所述滤光件进入所述感光单元，所述感光单元生成反射光信号，并将所述反射光信号发送至所述测距单元；
所述测距单元接收所述反射光信号，获得所述目标物与所述激光雷达的距离信息。
滤光件的用于排除环境光和其他光源的干扰，仅令出射模组对应的反射光通过滤光件进入感光单元，从而保证空间成像及测距性能。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明通过对光压缩件和光扩散件的设计，在第一方向上对发散角进行压缩，使得光能更集中，在第二方向上对发散角进行扩大，使得照亮范围更广，从而有效提高所在激光雷达的测距性能。
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。
图1是本发明一种发射模组的结构示意图；
图2是实施例1中第一光束所形成的光斑示意图；
图3是实施例1中第二光束所形成的光斑示意图；
图4是实施例1中出射光束所形成的光斑示意图；
图5是出射模组形成40行线光源时对应的光斑示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1、一种发射模组，用于照亮目标物400，如图1所示，所述发射模组包括依次设置的光源件100、光压缩件200、光扩散件300：
光源件100，用于发射第一光束，本实施例中采用垂直腔面发射激光器阵列(VCSEL阵列光源)；本实施例中各发射激光器的发散角均25°，当所有发射激光器被点亮时，所形成圆形光斑如图2所示，图2中x表示在第二方向上的发散角度，y表示在第一方向上的发散角度。
在实际使用过程中，本领域技术人员可根据实际需要设置光源件100中发射激光器的行数、列数，亦可根据实际需要选用不同发散角的发射激光器。
光压缩件200，位于所述光源件100和所述目标物400之间，光源件100与光压缩件200之间的距离大于等于250μm，且小于等于350μm，所述光压缩件200用于缩小所述第一光束在第一方向上的发散角，形成第二光束；
光扩散件300，位于所述光压缩件200与所述目标物400之间，光压缩件200与光扩散件300之间的距离大于等于0.1mm，光扩散件300用于扩散所述第二光束在第二方向上的发散角，形成出射光束，所述出射光束照射至所述目标物400，第一方向为垂直方向或水平方向，第二方向为水平方向或垂直方向。
光源出射的第一光束具有一定的发散角度，光能存在浪费，且限制所在激光雷达的测距性能，现有技术为充分利用光能，往往通过凸透镜压缩光源发散角，以增强测距距离，但此方案将减少测距的广度。
自动驾驶场景中的激光雷达，所发射激光的第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向，不仅需要激光具有较长的照射距离，以便于及时检测到前方驾驶车辆，还需要具有较大的测距范围，以识别相邻车道上的车辆分布情况，本实施例通过对光压缩件200和光扩散件300的设计，在第一方向上对发散角进行压缩，使得光能更集中，在第二方向上对发散角进行扩大，使得照亮范围更广，从而有效提高所在激光雷达的测距性能。
本领域技术人员可根据实际需要自行设定第二光束在第一方向的发散角，例如本实施例中所公开的发射模组需与分辨率为0.6°的接收模组配合工作，故将第二光束在第一方向的发散角压缩至0.6°以内。
光压缩件200包括若干个柱透镜，各柱透镜间隔设置(相邻柱透镜之间的间隔小于等于0.1mm。)，所述第一光束依次通过各柱透镜以形成所述第二光束，各柱透镜的光轴重合；
本领域技术人员可根据实际需要，自行设定柱透镜的数量，使所得第二光束在第一方向的发散角满足需要即可；
本实施例中光压缩件200的等效焦距大于等于3mm且小于等于4mm，参照图1，本实施例中光压缩件200包括两个柱透镜，分别为第一柱透镜210和第二柱透镜220，所述第一柱透镜210和第二柱透镜220的焦距均大于等于5mm且小于等于6mm，第一光束依次通过所述第一柱透镜210和所述第二柱透镜220形成第二光束，如图3所示，第二光束所形成的光斑为线光斑，即，第一线光斑，所述第一线光斑与各行发射激光器一一对应。
本实施例中光扩散件300为光学扩散片，光学扩散片的基底刻蚀有不规则的微纳结构，其中基底为玻璃基底或塑料基底；光学扩散片基于光的漫反射原理，调节入射至该光学扩散片光束的发散角。
本领域技术人员可根据实际需要，自行设定出射光束在第二方向的发散角，在基于该发散角选用合适的光扩散片，例如本实施例中所公开的发射模组需与水平视场角为120°的接收模块配合工作，故所得出射光束在第二方向的发散角扩散至120°，本实施例中出射光束所形成的线光斑如图4所示。
综上，本实施例通过对光压缩件200和光扩散件300的设计，使得单行VCSEL光源由原来的25°×25°整形成120°x0.6°，如图5所示，当VCSEL阵列光源具有40行时，所有VCSEL光源将拼接成120°×45°的视场范围照亮目标物400，有效提高测距性能。
实施例2、一种激光雷达，包括信号相连的发射模组和接收模组；
所述发射模组为实施例1所述的发射模组。
所述接收模组包括滤光件、感光单元和测距单元，所述感光单元和所述测距单元信号相连，所述测距单元和所述发射模组信号相连：
目标物400的反射光通过所述滤光件进入所述感光单元，所述感光单元生成反射光信号，并将所述反射光信号发送至所述测距单元；
所述测距单元接收所述反射光信号，获得所述目标物400与所述激光雷达的距离信息。
基于上述激光雷达进行测距的工作流程如下：
1、出射：
发射模组的光源件100依次点亮各行发射激光器，当前行发射激光器点亮时：
当前行发射激光器产生第一光束，并将第一光束发射至光压缩件200，由光压缩件200将第一光束的垂直发散角压缩至0.6°，形成第二光束；
第二光束射入光扩散件300，被光扩散件300将第二光束的水平发散角扩散至120°，形成出射光束；
出射光束出射至目标物400，在目标物400上形成相应的线光斑。
2、反射：
出射光束入射至目标物400表面，被目标物400反射至接收模组，接收模组进行以下工作：
目标物400所形成的反射光射入滤光件，所述滤光件为滤光片，用于排除环境光和其他光源的干扰；
滤光后的反射光射入感光单元，被感光单元采集和处理，获得相应的反射光信号；
将反射光信号发送至所述测距单元，测距单元基于TOF测距原理，获得目标物400与所在激光雷达的距离信息。
本实施例所提供的激光雷达为基于固态光学扫描方案的激光雷达，与传统机械式激光雷达相比，具有尺寸小巧、成本低廉的优点，且本实施例所提供的激光雷达中所有部件均固定，可靠性和稳定性高，易于实现；与现有MEMS激光雷达相比，本实施例所提供的激光雷达不需要通过微镜来调节光源角度，可靠性和稳定性高；与现有OPA激光雷达相比，本实施例所提供的激光雷达的技术成熟度高，均采用现成可采购的部件组成，实现起来较容易，不需要耗费大量的时间成本和资金成本，具备量产可行性；与现有FLASH激光雷达相比，本实施例所提供的激光雷达的测距能力强，可达数百米的测距范围，更好的适应自动驾驶的场景应用。
需要说明的是：
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。