CN109164431A - 激光雷达收发共轴光学引擎结构 - Google Patents

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张哨峰
黄兴瑞
胡豪成
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Abstract

本发明公开了一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其通过将激光光源、探测器、3端口环行器、准直器、扩束透镜组几个核心部件与接插件集成的思路，利用环行器单纤双向传输的功能，使得激光雷达的发射与接收采用同一组扩束透镜，实现收发一体化，同时利用扩束透镜组将输出的光斑放大减小发散角，增大传播与探测距离，利用扩束透镜组将返回的光斑缩小，使得入射到探测的光斑减小，可以减小探测器的接收面积，且通过光纤线连接激光光源、探测器、环行器等可实现灵活布线，以满足不同的规格需求。

Description

激光雷达收发共轴光学引擎结构
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是激光雷达收发共轴光学引擎结构。
背景技术
目前常见的激光雷达发射天线与接收天线时分立的，这样会使得整个激光雷达系统体积增大并且增加了成本。此外大部分使用共轴系统的激光雷达设备，为了保证返回光尽量多的被探测到，都需要增加其接收镜组的尺寸进而光探测的尺寸也需要相应的增大；同时为了保证返回光对激光光源的影响，在共轴系统中需要增加光隔离器，这些都增加了设备的体检以及成本。
发明内容
基于现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低且实施可靠的激光雷达收发共轴光学引擎结构。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其包括激光光源、第一准直器、三端口光环行器，扩束透镜组和光探测器机构，所述的三端口光环行器包括端口Port1、端口Port2和端口Port3，所述激光光源的发射端与第一准直器的输入端光路连接，第一准直器的输出端与三端口光环行器的端口Port1光路连接，端口Port2与扩束透镜组光路连接，端口Port3与光探测器机构光路连接；
当激光光源发出的光信号通过第一准直器输入到三端口环行器的端口Port1后，从端口Port2输出并进入扩束透镜组，由扩束透镜组将光信号发射至待测物，然后经待测物反射回的反馈光沿光路返回到扩束透镜组并输入到端口Port2，再由端口Port3输出至光探测器机构且被接收。
其中，激光光源用于产生激光；
准直器通过光纤线与激光光源连接，将激光光源准直输出并耦合到环行器Port1端口；
三端口光环行器用于共轴引擎实现单端双向传输，使得发射天线和接收天线能够共用一个透镜组；同时利用环行器的方向性传输，可以隔离返回光避免返回光入射到光源，对激光光源输出造成影响；
光探测器机构用于检测所述激光在外部空间反射而返回的反射光；
扩束透镜组用于增大激光光源经由环行器端口Port2端输出光斑尺寸，减小发散角增大传播距离，同时将反射回来的光缩束，使得反射光经由环行器端口Port2到端口Port3的光斑尺寸变小，可减小后端光探测器的接收面积。
作为光探测器机构的其中一种实施方式，所述的光探测器机构包括光探测器和聚焦透镜，所述的聚焦透镜和光探测器依序设于端口Port3输出的光路上，其中，聚集透镜用于将经由环行器端口Port3传输回来的反射光汇聚到光探测器上。
作为光探测器机构的另一种实施方式，所述的光探测器机构包括光探测器和第二准直器，所述第二准直器的输入端设于端口Port3输出的光路上，第二准直器的输出端与光探测器光路连接。
优选的，所述第二准直器的输出端与光探测器光纤连接。
更为优选的，所述第二准直器的输出端还光纤连接有第三准直器，所述第三准直器的输出端与光探测器光路连接。
进一步，所述激光光源的发射端与第一准直器的输入端通过光纤连接。
进一步，所述的扩束透镜组为伽利略扩束镜组。
一种激光雷达收发共轴系统，其应用有上述的激光雷达收发共轴光学引擎结构，还可以通过与光学扫描系统结合工作，就可以实现激光扫描功能。例如将光学引擎的光扫描到MEMS反射镜，通过MEMS反射镜的角度转动就可以实现多角度维度的激光扫描探测。
采用上述的技术方案，本发明相较于现有技术，其具有的有益效果为：本发明利用环行器单纤双向传输的功能，使得激光雷达的发射与接收采用同一组扩束透镜，实现收发一体化，同时利用扩束透镜组将输出的光斑放大减小发散角，增大传播与探测距离，利用扩束透镜组将返回的光斑缩小，使得入射到探测的光斑减小，可以减小探测器的接收面积，该方案不仅结构紧凑，实施可靠且成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述:
图1为本发明实施例1的简要实施结构示意图；
图2为本发明扩束透镜组的其中一种实施结构示意图；
图3为本发明实施例2的简要实施结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明包括激光光源1、第一准直器2、三端口光环行器3，扩束透镜组4和光探测器机构，所述的三端口光环行器3包括端口Port1、端口Port2和端口Port3，所述激光光源1的发射端与第一准直器2的输入端通过光纤进行光路连接，第一准直器2的输出端与三端口光环行器3的端口Port1光路连接，端口Port2与扩束透镜组4光路连接，端口Port3与光探测器机构光路连接。
所述的光探测器机构包括光探测器6和聚焦透镜5，所述的聚焦透镜5和光探测器6依序设于端口Port3输出的光路上。
所述的扩束透镜组4为伽利略扩束镜组，其结构结合图2简要所示。
本实施例的运行机理大致为：激光光源1输出的光经由光纤线输出到第一准直器2的输入端，通过第一准直器2将激光光源1发出的光准直并输出的光耦合到三端口环行器3的端口Port1，根据环行器的定向传输特性，激光光源1输出的光将进一步传输到三端口环行器3的端口Port2，端口Port2输出的光经过扩束透镜组4后，利用扩束透镜组4的正向扩束的功能，令光斑将进一步增大，减小准直光的发射角，增大探测面积以及探测距离，实现发射功能。此时，如果一些目标位于测量范围内，那经由扩束透镜组4输出的光会从目标表面发生反射，返回光中与出射角度方向一致的光会返回到扩束透镜组4；返回的光经过扩束透镜组4，利用扩束透镜组4反向缩束的功能，返回的光斑经过扩束透镜组4后光斑将缩小，然后传输到三端口环行器3端口Port2，根据环行器的定向传输特性，返回光将进一步传输到三端口环行器3的端口Port3，然后利用聚焦透镜5将光斑缩小的返回光汇聚到光探测器6，实现接收功能。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，其不同之处在于：所述的光探测器机构包括光探测器6和第二准直器5，所述第二准直器5的输入端设于三端口环行器3的端口Port3输出的光路上，第二准直器5的输出端与光探测器6光路连接。
其中，所述第二准直器5的输出端与光探测器6光纤连接，作为一种更为优选的方式，所述第二准直器5的输出端还可以通过光纤连接有第三准直器7，所述第三准直器7的输出端与光探测器6光路连接。
本实施例的运行机理大致为：激光光源1输出的光经由光纤线输出到第一准直器2，第一准直器2将激光光源1发出的光准直并输出的光耦合到三端口环行器3的端口Port1，根据环行器的定向传输特性，激光光源1输出的光将进一步传输到三端口环行器3的端口Port2，三端口环行器3的端口Port2端输出的光经过扩束透镜组4后，利用扩束透镜组4正向扩束的功能，光斑将进一步增大，减小准直光的发射角，增大探测面积以及探测距离，实现发射功能。此时，如果一些目标位于测量范围内，那经由扩束透镜组4输出的光会从目标表面发生反射，返回光中与出射角度方向一致的光会返回到扩束透镜组4。返回的光经过扩束透镜组4，利用扩束透镜组4反向缩束的功能，返回的光斑经过扩束透镜组4后光斑将缩小，然后传输到三端口环行器3的端口Port2，根据环行器的定向传输特性，返回光将进一步传输到三端口环行器3的端口Port3，然后利用第二准直器5将光斑缩小的返回光汇聚到光纤线上，然后传输到第三准直器7后输入光探测器6上或直接输入到光探测器6上，实现接收功能。
以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对此实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：其包括激光光源、第一准直器、三端口光环行器，扩束透镜组和光探测器机构，所述的三端口光环行器包括端口Port1、端口Port2和端口Port3，所述激光光源的发射端与第一准直器的输入端光路连接，第一准直器的输出端与三端口光环行器的端口Port1光路连接，端口Port2与扩束透镜组光路连接，端口Port3与光探测器机构光路连接；
当激光光源发出的光信号通过第一准直器输入到三端口环行器的端口Port1后，从端口Port2输出并进入扩束透镜组，由扩束透镜组将光信号发射至待测物，然后经待测物反射回的反馈光沿光路返回到扩束透镜组并输入到端口Port2，再由端口Port3输出至光探测器机构且被接收。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述的光探测器机构包括光探测器和聚焦透镜，所述的聚焦透镜和光探测器依序设于端口Port3输出的光路上。
3.根据权利要求1所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述的光探测器机构包括光探测器和第二准直器，所述第二准直器的输入端设于端口Port3输出的光路上，第二准直器的输出端与光探测器光路连接。
4.根据权利要求3所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述第二准直器的输出端与光探测器光纤连接。
5.根据权利要求4所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述第二准直器的输出端还光纤连接有第三准直器，所述第三准直器的输出端与光探测器光路连接。
6.根据权利要求1所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述激光光源的发射端与第一准直器的输入端通过光纤连接。
7.根据权利要求1所述的一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，其特征在于：所述的扩束透镜组为伽利略扩束镜组。
8.一种激光雷达收发共轴系统，其特征在于：其包括权利要求1至7之一所述的激光雷达收发共轴光学引擎结构。
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