一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统及其镜头

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一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统及其镜头\n技术领域\n[0001] 本发明属于光学系统，具体涉及一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统及其镜头。\n背景技术\n[0002] 激光雷达是激光测距技术的扩展应用，通过与惯性测量系统、卫星定位系统等组合使用，不仅可获取目标地物的位置信息，还可获取目标反射波谱信息，可用于测距、测速和目标识别。激光雷达的基本工作原理是：在一定视场范围内向目标地物扫描发射激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，测定激光束从发射到接收的时差或相移，得到目标地物的距离，结合自身的姿态信息和位置信息即可计算出目标地物的位置。\n[0003] 直接探测激光雷达成像方式主要有两种：一是采用单元探测器，每次只探测一个像素，结合机械扫描方式来完成其他维度的探测；二是采用面阵探测器，每次探测所有像素，虽然这种方法结构简单，但是对激光器功率要求高，无法采用高灵敏度的APD探测器，所以目前激光雷达多采用面扫描体制。\n[0004] 发射和接收光学系统是激光雷达的重要组成部分，半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同、光斑形状不规则(如一般是椭圆型或长条型)、存在固有象散等缺点，因此在使用时必须对半导体激光器输出的光束进行准直以改善其输出光束质量。为了使激光雷达能够探测尽量远的距离，就需要高性能的聚焦接收光学系统。\n[0005] 针对目前面扫描体制的激光雷达，其发射与接收镜头大都只针对单光束进行准直与聚焦，通过振镜扫描结合旋转机构来实现3维成像，这种方式的局限是振镜扫描速率低，在需要高速实时成像的应用场合(如无人车壁障)受到限制，有必要涉及一种能满足多光束准直发射与接收镜头。同时由于现有激光雷达镜头发射光路和接收光路是分开的，这将导致视差问题，在接近和远离镜头的位置将会产生一个近盲区和远盲区，直接影响激光雷达探测效果。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统及其镜头。\n[0007] 本发明是这样实现的：一种准直发射镜头，其特征在于：包括在支架中顺次设置的镜筒、发射第一透镜、发射镜头隔环、发射第二透镜、发射收第三透镜，以及设置在支架外且与发射第三透镜在同一光路上的滤光片。\n[0008] 如上一种准直发射镜头，其中，所述发射第一透镜为双凸型透镜，其包括曲率半径设置不同的第一曲面及第二曲面，发射第二透镜和发射第三透镜分别为双凹和双凸透镜，发射第二透镜包括曲率半径设置不同第三曲面及第四曲面，发射第三透镜包括曲率半径设置不同的第五曲面及第六曲面，发射第二透镜和发射第三透镜形成胶合镜，第四曲面和第五曲面为胶合面。\n[0009] 所述发射第一透镜的材料为SF1，第一曲面的曲率半径R1＝46.3mm，第二曲面的曲率半径R2＝-329.6mm，第一曲面与第二曲面的面间隔即第一透镜的中心厚度d1＝5mm，第一曲面、第二曲面镀增透膜，反射率<5％，发射第二透镜的材料为SF1，第三曲面的曲率半径R3＝-45.08mm，第四曲面的曲率半径R4＝32.5mm，第三曲面与第四曲面的面间隔即第二透镜的中心厚度d2＝3mm，第三曲面镀增透膜，反射率<5％，发射第三透镜的材料为BK7，第五曲面的曲率半径R5＝32.5mm，第六曲面的曲率半径R6＝-32.4mm，第五曲面与第六曲面的面间隔即第三透镜的中心厚度d5＝8mm，第五曲面、第六曲面镀增透膜，反射率<5％。\n[0010] 一种聚焦接收镜头，其中，包括在支架中顺次设置的镜筒、接收第一透镜、接收镜头隔环、接收第二透镜、接收第三透镜。\n[0011] 如上所示一种聚焦接收镜头，其中，所述接收第一透镜为双凸型透镜，其包括曲率半径设置不同的第一曲面及第二曲面，接收第二透镜和接收第三透镜分别为双凹和双凸透镜，接收第二透镜包括曲率半径设置不同第三曲面及第四曲面，接收第三透镜包括曲率半径设置不同的第五曲面及第六曲面，接收第二透镜和接收第三透镜形成胶合镜，第四曲面和第五曲面为胶合面。\n[0012] 如上所示一种聚焦接收镜头，其中，所述接收第一透镜的材料为SF1，第一曲面的曲率半径R1＝46.3mm，第二曲面的曲率半径R2＝-329.6mm，第一曲面与第二曲面的面间隔即第一透镜的中心厚度d1＝5mm，第一曲面、第二曲面镀增透膜，反射率<5％，接收第二透镜的材料为SF1，第三曲面的曲率半径R3＝-45.08mm，第四曲面的曲率半径R4＝32.5mm，第三曲面与第四曲面的面间隔即第二透镜的中心厚度d2＝3mm，第三曲面镀增透膜，反射率<\n5％，接收第三透镜的材料为BK7，第五曲面的曲率半径R5＝32.5mm，第六曲面的曲率半径R6＝-32.4mm，第五曲面与第六曲面的面间隔即第三透镜的中心厚度d5＝8mm，第五曲面、第六曲面镀增透膜，反射率<5％。\n[0013] 一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统，其中，包括准直发射镜头和与之相匹配的聚焦接收镜头，准直发射镜头和聚焦接收镜头设置在支架中，在准直发射镜头镜筒一侧设置激光器，在聚焦接收镜头镜筒一侧设置探测器该支架可以保证准直发射镜头和聚焦接收镜头同步运动。\n[0014] 如上所述的一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统，其中，所述的激光雷达用多光束准直发射与接收系统包括多个准直发射镜头和多个聚焦接收镜头组成的阵列，所述多个准直发射镜头设置在弧形曲面上，弧形曲面的半径为109mm，多个聚焦接收镜头设置在弧形曲面上，弧形曲面的半径为88mm，准直发射镜头所构成的弧形与聚焦接收镜头所构成的弧形的圆心相同，且在圆心角40°以内的范围中可以任意布置准直发射镜头和聚焦接收镜头。\n[0015] 本发明的效果是：可以实现40°视场内激光束的准直发射与40°视场内平行光束的聚焦探测，准直后可以达到光束发散角<3mrad，聚焦后光斑尺寸<0.2mm；同时采用D型透镜联合阵列可以使得发射光路与接收光路接近平行，使盲区减小到接近为零，仿真结果如附图2和附图3所示；发射和接收采用相同的透镜结构与参数，结构简单，制造简便，成本低，可批量生产。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明提供激光雷达用多光束准直发射与接收系统的结构示意图；\n[0017] 图2是本发明的准直发射镜头光线追迹图；\n[0018] 图3是本发明的聚焦接收镜头光线追迹图。\n[0019] 图中：1.镜筒、2.接收第一透镜、3.接收镜头隔环、4.接收第二透镜、5.接收第三透镜、6.隔板、7.发射第一透镜、8.发射镜头隔环、9.发射第二透镜、10.发射第三透镜、11.探测器、12.激光器、13.目标物、14.滤光片。\n具体实施方式\n[0020] 如附图1所示，一种激光雷达用多光束准直发射与接收系统，包括准直发射镜头和与之相匹配的聚焦接收镜头，准直发射镜头和聚焦接收镜头设置在支架中，在准直发射镜头镜筒一侧设置激光器12，在聚焦接收镜头镜筒一侧设置探测器11该支架可以保证准直发射镜头和聚焦接收镜头同步运动。\n[0021] 所述的激光雷达用多光束准直发射与接收系统包括多个准直发射镜头和多个聚焦接收镜头组成的阵列，发射透镜阵列与接收透镜阵列“背靠背”通过隔板隔开。所述D型发射与接收透镜阵列为从边缘处把圆形透镜切开，厚度为0.25D，形成D型透镜阵列。\n[0022] 所述多个准直发射镜头设置在弧形曲面上，弧形曲面的半径为109mm，多个聚焦接收镜头设置在弧形曲面上，弧形曲面的半径为88mm，准直发射镜头所构成的弧形与聚焦接收镜头所构成的弧形的圆心相同，且在圆心角40°以内的范围中可以任意布置准直发射镜头和聚焦接收镜头。\n[0023] 一种准聚焦接收镜头包括在支架中顺次设置的镜筒1、接收第一透镜2、接收镜头隔环3、接收第二透镜4、接收第三透镜5，以及设置在支架外且与接收第三透镜5在同一光路上的滤光片14。\n[0024] 所述接收第一透镜2为双凸型透镜，其包括曲率半径设置不同的第一曲面及第二曲面。接收第二透镜4和接收第三透镜5分别为双凹和双凸透镜，接收第二透镜4包括曲率半径设置不同第三曲面及第四曲面，接收第三透镜5包括曲率半径设置不同的第五曲面及第六曲面，接收第二透镜4和接收第三透镜5形成胶合镜，第四曲面和第五曲面为胶合面。\n[0025] 所述接收第一透镜2的材料为SF1，第一曲面的曲率半径R1＝46.3mm，第二曲面的曲率半径R2＝-329.6mm，第一曲面与第二曲面的面间隔即第一透镜的中心厚度d1＝5mm，第一曲面、第二曲面镀增透膜，反射率<5％，接收第二透镜4的材料为SF1，第三曲面的曲率半径R3＝-45.08mm，第四曲面的曲率半径R4＝32.5mm，第三曲面与第四曲面的面间隔即第二透镜的中心厚度d2＝3mm，第三曲面镀增透膜，反射率<5％，接收第三透镜5的材料为BK7，第五曲面的曲率半径R5＝32.5mm，第六曲面的曲率半径R6＝-32.4mm，第五曲面与第六曲面的面间隔即第三透镜的中心厚度d5＝8mm，第五曲面、第六曲面镀增透膜，反射率<5％。\n[0026] 一种准直发射镜头包括在支架中顺次设置的镜筒1、发射第一透镜7、发射镜头隔环8、发射第二透镜9、发射第三透镜10。\n[0027] 所述发射第一透镜7为双凸型透镜，其包括曲率半径设置不同的第一曲面及第二曲面。发射第二透镜9和发射第三透镜10分别为双凹和双凸透镜，发射第二透镜9包括曲率半径设置不同第三曲面及第四曲面，发射第三透镜10包括曲率半径设置不同的第五曲面及第六曲面，发射第二透镜9和发射第三透镜10形成胶合镜，第四曲面和第五曲面为胶合面。\n[0028] 所述发射第一透镜7的材料为SF1，第一曲面的曲率半径R1＝46.3mm，第二曲面的曲率半径R2＝-329.6mm，第一曲面与第二曲面的面间隔即第一透镜的中心厚度d1＝5mm，第一曲面、第二曲面镀增透膜，反射率<5％，发射第二透镜9的材料为SF1，第三曲面的曲率半径R3＝-45.08mm，第四曲面的曲率半径R4＝32.5mm，第三曲面与第四曲面的面间隔即第二透镜的中心厚度d2＝3mm，第三曲面镀增透膜，反射率<5％，发射第三透镜10的材料为BK7，第五曲面的曲率半径R5＝32.5mm，第六曲面的曲率半径R6＝-32.4mm，第五曲面与第六曲面的面间隔即第三透镜的中心厚度d5＝8mm，第五曲面、第六曲面镀增透膜，反射率<5％。\n[0029] 本申请中使用透镜参数如下表所示\n[0030] 本发明的发射与接收镜头主要用于激光雷达的发射光束准直与目标反射回波信号的聚焦，由多个波长903nm的激光器发出多束角度不同激光，通过发射镜头准直后照射到目标物13，反射光经过滤光片14滤掉杂光和背景光后，通过接收镜头聚焦后，分别被对应角度的探测器所接收，实现激光雷达镜头准直与聚焦的功能，本申请中滤光片中心波长\n905nm，带宽20nm，探测器与激光器一一对应，互不干扰，一个探测器只接收相应的激光器发出的激光通过目标反射的回波信号。