CN102121985A - 激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，它包括一次聚焦光学模块和光电探测模块，它还包括设于一次聚焦光学模块的聚焦处的一次聚焦光阑调节模块及设于一次聚焦光阑调节模块和光电探测模块之间的二次聚焦光学模块；一次聚焦光阑调节模块包括光阑和用来对光阑在垂直光轴和平行光轴的XYZ三向位置进行调节并能将光阑固定在调节好的位置的三维调整固定机构；二次聚焦光学模块包括用来将一次聚焦光学模块聚焦后的光准直成平行或近似平行光的准直透镜组、用来将准直透镜组准直的平行或近似平行光汇聚到光电探测模块的汇聚透镜组及用来安装准直透镜组和汇聚透镜组的安装支架。本发明不仅易于加工，而且调节简单方便。

Description

激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构

技术领域

本发明涉及激光雷达系统，尤其涉及一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构。

背景技术

目前，激光雷达测距系统的工作原理是发射模块对目标物发射一激光信号，再由接收模块接收由目标物漫反射回来的光信号，处理该反射信号计算出目标物的距离。接收模块包括聚焦光学模块、光电探测模块。通过聚焦光学模块把光信号聚焦到光电探测模块的光传感器上，由于加工精度和装配误差，造成发射模块光轴和接收模块的光学系统光轴不共轴，光焦点在光传感器上的位置变化，超出其有效感应区，导致无法探测到光信号，雷达测距失败。这就需要改变传感器的位置，在原先Z向（光轴）线性调节的基础上再加上X向和Y向（垂直光轴的平面）线性调节，虽然理论上能达到测量目标，但是在实际操作中，调节装配非常困难。同时系统中没有光阑，信号干扰大，稳定性较差。此外，普通只一次聚焦的系统中，不用滤光片，信号干扰大，测量不稳定。如果要加滤光片，由于要考虑光路对滤光片的入射角要求，镀膜难度大，成本非常高，没有竞争力。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，它不仅易于加工，而且调节简单方便。

本发明的技术方案是这样构成的：一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，它包括一次聚焦光学模块和光电探测模块，其特征在于：它还包括设于一次聚焦光学模块的聚焦处的一次聚焦光阑调节模块以及设于一次聚焦光阑调节模块和光电探测模块之间的二次聚焦光学模块；所述一次聚焦光阑调节模块包括光阑和用来对光阑在垂直光轴和平行光轴的XYZ三向位置进行调节并能将光阑固定在调节好的位置的三维调整固定机构；所述二次聚焦光学模块包括用来将一次聚焦光学模块聚焦后的光准直成平行或近似平行光的准直透镜组、与准直透镜组位于同一光轴上且用来将准直透镜组准直的平行或近似平行光汇聚到光电探测模块的汇聚透镜组以及用来安装准直透镜组和汇聚透镜组的安装支架。

本发明的工作原理说明如下：本发明改变现有接收模块只对光路进行一次聚焦为对光路进行二次聚焦，从而可将原先需要对光电探测模块的CCD感应模块进行的三维（X向、Y向、Z向）复杂调节，分离到多处进行单维精密调节，从而不仅使调节工作简单易行，而且减少了各部件的加工难度。具体来说，本发明在通过一次聚焦光学模块对光路进行一次聚焦后，首先，在一次聚焦光学模块的聚焦处放置一次聚焦光阑调节模块，预先通过Z向调节使一次聚焦光学模块的聚焦点位置与光阑的位置重合，再对光阑进行二维位置（X向、Y向）调节，使一次聚焦光学模块的聚焦点位于光阑中心位置，从而可接收所需视场内的光信号，屏蔽视场外的杂散光，同时消除发射模块光轴和接收模块光轴不共轴造成的影响，降低了现有技术中的加工调节问题；其次，本发明利用增设的二次聚焦光学模块再次收集经过光阑处的光信号，先将一次聚焦后的光先进行准直，将光准直成平行或近似平行光后，再将准直的平行或近似平行光进行二次聚焦，使光汇聚到光电探测模块的CCD感应区上，这样就只需对二次聚焦光学模块进行Z向（光轴）光学对焦调节即可达到测量目标。由于二次聚焦是对平行光或近似平行光聚焦，因此不仅可使二次聚焦光学模块的透镜组设计简化，而且当在准直透镜组和汇聚透镜组之间设置滤光片，还可消除光路对滤光片的入射角要求，降低了滤光片的镀膜技术要求。

本发明上述技术方案中，为了消除透镜系统设计和加工的误差，所述准直透镜组和汇聚透镜组的光学参数相同或相近，且光学结构对称或近似对称。

为了便于对二次聚焦光学模块进行Z向（光轴）光学对焦调节，所述固定镜架由套置于准直透镜组外周的固定套筒构成；所述活动镜架由活动套置于固定套筒体内且套置于汇聚透镜组外周的活动套筒构成，活动套筒的外筒壁固定连接有径向向外延伸的导向凸块，所述固定套筒的筒壁上开设有供导向凸块径向向外伸出且沿平行光轴方向移动的滑槽；所述一维调节装置包括套置于固定套筒外的调节环、套置于调节环外的推环以及用来将调节环和推环固定连接在一起的螺钉，所述调节环的内周壁与固定套筒的外周壁以螺纹方式连接，所述导向凸块伸出滑槽的外端部夹持于推环的端部内凸缘和调节环的端面之间；所述锁紧装置由开设于固定套筒筒壁上的径向螺纹通孔和连接于该径向螺纹通孔内的紧定螺钉构成。

所述准直透镜组的物焦面位置与一次聚焦光学模块的后焦面位置重合。

所述三维调整固定机构包括与一次聚焦光学模块固定连接的外固定套、设于外固定套体内且能相对外固定套沿平行光轴方向进行Z向调节固定的中间连接套、设于中间连接套体内且能相对中间连接套在垂直光轴的平面内进行X向和Y向移动的内活动套以及用来对内活动套的X向和Y向位置进行调节和固定的二维调节锁紧装置；所述光阑固定安装于内活动套体内。

所述二维调节锁紧装置包括分别顶压于内活动套的X向和Y向一侧侧壁上的调节螺杆以及分别顶压于内活动套的X向和Y向另一侧侧壁上的弹性压力组件和止动螺钉，所述弹性压力组件由顶杆和连接于顶杆与中间连接套之间的弹簧组成，所述中间连接套的体内开设有便于调节螺杆、止动螺钉和弹性压力组件各自移动调节的多个通道。

在准直透镜组和汇聚透镜组之间的光路上还可设有滤光片。由于滤光片放置在准直的平行或近似平行光路上，在滤光片上的光入射角基本上是以0度入射的，因此可降低滤光片的镀膜难度。

较之现有技术而言，本发明的有益效果如下：本发明通过改变现有的光路系统，消除了发射模块光轴和接收模块光轴不共轴造成的影响，解决了信号聚焦点位置难以调节、视场内信号阻挡而造成雷达测距失败、滤光片的镀膜难度大等诸多问题，从而克服了现有技术中存在的加工和调节困难，使得系统的实现更加容易。本发明不仅结构紧凑，调节简便，而且性能优越。

附图说明

图1是本发明提供的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构实施例示意图。

图2是图1中的一次聚焦光阑调节模块的结构放大示意图。

图3是图2的A-A剖视图，图中省略外固定套23。

图4是图1中的二次聚焦光学模块的结构放大示意图，图4是图5的B-B剖视图。

图5是图4的侧视图。

图中标号说明：1、一次聚焦光学模块，2、一次聚焦光阑调节模块，3、二次聚焦光学模块，4、光电检测模块，5、中间连接套，6、内活动套，7、光阑，8、压圈，9、调节螺杆，10、顶杆，11、弹簧，12、止动螺钉，13、紧定螺钉， 14、固定套筒，15、推环，16、螺钉，17、调节环，18-1、准直透镜组，18-2、汇聚透镜组，19、压圈，20、活动套筒，21、紧定螺钉，22、滤光片，23、外固定套，24、导向凸块。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明内容进行详细说明：

如图1-图5所示为本发明提供的一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，它包括一次聚焦光学模块1和光电探测模块4，其特征在于：它还包括设于一次聚焦光学模块1的聚焦处的一次聚焦光阑调节模块2以及设于一次聚焦光阑调节模块2和光电探测模块4之间的二次聚焦光学模块3；所述一次聚焦光阑调节模块2包括光阑7和用来对光阑7在垂直光轴和平行光轴的XYZ三向位置进行调节并能将光阑7固定在调节好的位置的三维调整固定机构；所述二次聚焦光学模块3包括用来将一次聚焦光学模块1聚焦后的光准直成平行或近似平行光的准直透镜组18-1、与准直透镜组18-1位于同一光轴上且用来将准直透镜组18-1准直的平行或近似平行光汇聚到光电探测模块4的汇聚透镜组18-2以及用来安装准直透镜组18-1和汇聚透镜组18-2的安装支架。

所述准直透镜组18-1和汇聚透镜组18-2的光学参数相同或相近，且光学结构对称或近似对称。

所述安装支架包括用来安装准直透镜组18-1的固定镜架、用来安装汇聚透镜组18-2且能带动汇聚透镜组18-2相对固定镜架沿光轴方向移动的活动镜架、连接于固定镜架和活动镜架之间且用来带动活动镜架沿光轴方向移动调节的一维调节装置以及连接于固定镜架和活动镜架之间且用来将活动镜架固定在调节好的位置的锁紧装置。

所述固定镜架由套置于准直透镜组18-1外周的固定套筒14构成；所述活动镜架由活动套置于固定套筒14体内且套置于汇聚透镜组18-2外周的活动套筒20构成，活动套筒20的外筒壁固定连接有径向向外延伸的导向凸块24，所述固定套筒14的筒壁上开设有供导向凸块24径向向外伸出且沿平行光轴方向移动的滑槽；所述一维调节装置包括套置于固定套筒14外的调节环17、套置于调节环17外的推环15以及用来将调节环17和推环15固定连接在一起的螺钉16，所述调节环17的内周壁与固定套筒14的外周壁以螺纹方式连接，所述导向凸块24伸出滑槽的外端部夹持于推环15的端部内凸缘和调节环17的端面之间；所述锁紧装置由开设于固定套筒14筒壁上的径向螺纹通孔和连接于该径向螺纹通孔内的紧定螺钉21构成。

所述准直透镜组18-1的物焦面位置与一次聚焦光学模块1的后焦面位置重合。

所述三维调整固定机构包括与一次聚焦光学模块1固定连接的外固定套23、设于外固定套23体内且能相对外固定套23沿平行光轴方向进行Z向调节固定的中间连接套5、设于中间连接套5体内且能相对中间连接套5在垂直光轴的平面内进行X向和Y向移动的内活动套6以及用来对内活动套6的X向和Y向位置进行调节和固定的二维调节锁紧装置；所述光阑7固定安装于内活动套6体内。

所述二维调节锁紧装置包括分别顶压于内活动套6的X向和Y向一侧侧壁上的调节螺杆9以及分别顶压于内活动套6的X向和Y向另一侧侧壁上的弹性压力组件和止动螺钉12，所述弹性压力组件由顶杆10和连接于顶杆10与中间连接套5之间的弹簧11组成（弹簧11的一端作用于顶杆10上，另一端作用于固定连接在中间连接套5上的紧定螺钉13上），所述中间连接套5的体内开设有便于调节螺杆9、止动螺钉12和弹性压力组件各自移动调节的多个通道。

在准直透镜组18-1和汇聚透镜组18-2之间的光路上设有滤光片22。

本发明上述实施例的调节方法说明如下：

（1）如图2和图3所示，一次聚焦光阑调节模块2的调节方法如下：

Z向上的调节：由中间连接套5相对外固定套23进行移动，使光阑7在光轴上的位置正好与一次聚焦光学模块1的聚焦点位置重合后，便可将中间连接套5和外固定套23固定紧。

X向和Y向上的调节：松开X向上的止动螺钉12，旋转X向上的调节螺杆9，使光阑7和内活动套6作为一体相对中间连接套5做X向运动，弹簧7施加弹力进行平衡，调好位置后，旋紧X向的止动螺钉12；同理进行Y向上的位置调节，最后旋紧压圈8，为了防止在运输,使用等过程中的振动影响,一般要将以上所有可动的调节机构用胶固定,粘牢。

（2）如图4和图5所示，二次聚焦光学模块3的调节方法如下：松开紧定螺钉21，调节环17和固定套筒14靠螺纹连接，推环15和调节环17通过螺钉16连接在一起，汇聚透镜组18-2被压圈19固定在活动套筒20内，旋转推环15，推动活动套筒20在固定套筒14的滑槽内做直线运动，从而使两组透镜组的相对轴向距离发生变化，改变二次聚焦光学模块3的像焦面到光电检测模块4的CCD感应芯片的位置，从而实现光学对焦的目的，最后旋紧紧定螺钉21。为了防止在运输，使用等过程中的振动影响，一般要将以上所有可动的调节机构用胶固定，粘牢。

上述实施例仅是为了说明方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，它包括一次聚焦光学模块（1）和光电探测模块（4），其特征在于：它还包括设于一次聚焦光学模块（1）的聚焦处的一次聚焦光阑调节模块（2）以及设于一次聚焦光阑调节模块（2）和光电探测模块（4）之间的二次聚焦光学模块（3）；所述一次聚焦光阑调节模块（2）包括光阑（7）和用来对光阑（7）在垂直光轴和平行光轴的XYZ三向位置进行调节并能将光阑（7）固定在调节好的位置的三维调整固定机构；所述二次聚焦光学模块（3）包括用来将一次聚焦光学模块（1）聚焦后的光准直成平行或近似平行光的准直透镜组（18-1）、与准直透镜组（18-1）位于同一光轴上且用来将准直透镜组（18-1）准直的平行或近似平行光汇聚到光电探测模块（4）的汇聚透镜组（18-2）以及用来安装准直透镜组（18-1）和汇聚透镜组（18-2）的安装支架。

2.根据权利要求1所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述准直透镜组（18-1）和汇聚透镜组（18-2）的光学参数相同或相近，且光学结构对称或近似对称。

3.根据权利要求1所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述安装支架包括用来安装准直透镜组（18-1）的固定镜架、用来安装汇聚透镜组（18-2）且能带动汇聚透镜组（18-2）相对固定镜架沿光轴方向移动的活动镜架、连接于固定镜架和活动镜架之间且用来带动活动镜架沿光轴方向移动调节的一维调节装置以及连接于固定镜架和活动镜架之间且用来将活动镜架固定在调节好的位置的锁紧装置。

4.根据权利要求3所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述固定镜架由套置于准直透镜组（18-1）外周的固定套筒（14）构成；所述活动镜架由活动套置于固定套筒（14）体内且套置于汇聚透镜组（18-2）外周的活动套筒（20）构成，活动套筒（20）的外筒壁固定连接有径向向外延伸的导向凸块（24），所述固定套筒（14）的筒壁上开设有供导向凸块（24）径向向外伸出且沿平行光轴方向移动的滑槽；所述一维调节装置包括套置于固定套筒（14）外的调节环（17）、套置于调节环（17）外的推环（15）以及用来将调节环（17）和推环（15）固定连接在一起的螺钉（16），所述调节环（17）的内周壁与固定套筒（14）的外周壁以螺纹方式连接，所述导向凸块（24）伸出滑槽的外端部夹持于推环（15）的端部内凸缘和调节环（17）的端面之间；所述锁紧装置由开设于固定套筒（14）筒壁上的径向螺纹通孔和连接于该径向螺纹通孔内的紧定螺钉（21）构成。

5.根据权利要求3所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述准直透镜组（18-1）的物焦面位置与一次聚焦光学模块（1）的后焦面位置重合。

6.根据权利要求1所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述三维调整固定机构包括与一次聚焦光学模块（1）固定连接的外固定套（23）、设于外固定套（23）体内且能相对外固定套（23）沿平行光轴方向进行Z向调节固定的中间连接套（5）、设于中间连接套（5）体内且能相对中间连接套（5）在垂直光轴的平面内进行X向和Y向移动的内活动套（6）以及用来对内活动套（6）的X向和Y向位置进行调节和固定的二维调节锁紧装置；所述光阑（7）固定安装于内活动套（6）体内。

7.根据权利要求6所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：所述二维调节锁紧装置包括分别顶压于内活动套（6）的X向和Y向一侧侧壁上的调节螺杆（9）以及分别顶压于内活动套（6）的X向和Y向另一侧侧壁上的弹性压力组件和止动螺钉（12），所述弹性压力组件由顶杆（10）和连接于顶杆（10）与中间连接套（5）之间的弹簧（11）组成，所述中间连接套（5）的体内开设有便于调节螺杆（9）、止动螺钉（12）和弹性压力组件各自移动调节的多个通道。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的激光雷达测距系统接收模块中的二次光路聚焦结构，其特征在于：在准直透镜组（18-1）和汇聚透镜组（18-2）之间的光路上设有滤光片（22）。

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