CN109946678A - 激光雷达发射系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光雷达发射系统和方法，该系统包括：半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合，其中，半导体激光器，用于发射激光光束；渐变折射率透镜，用于调节半导体激光器发射的激光光束，使得激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；球面镜准直透镜组合用于对渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。该发射系统能够简化装配的过程，在保证最终得到发散角较小的出射光束的同时，节约了激光雷达发射系统的空间，还大大降低了激光雷达发射系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种激光雷达发射系统和方法。
背景技术
随着激光雷达的发展，对激光雷达发射系统的要求越来越高，在要求提高激光雷达发射系统的能效同时，也要求降低其生产的成本。传统的激光雷达发射系统中，有的是使用光纤耦合激光器，有的是直接使用半导体激光器。
半导体激光器的出射光斑为一个存在快慢轴的椭圆光斑，可以直接使用端面光束，但同时需要对快慢轴方向的不同大小、不同发射角的光束进行准直处理。现有技术中，是通过使用柱面镜组合，对半导体激光器发射的光束进行准直处理，但使用柱面镜组合进行准直处理，则对光轴的一致性及柱面镜的矫正方向性在装配过程中要求极高，装配过程比较复杂。
因此，传统的激光雷达发射系统，存在装配困难的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的激光雷达发射系统，存在装配困难的问题，提供一种激光雷达发射系统和方法。
一方面，本发明实施例提供一种激光雷达发射系统，包括：半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，所述渐变折射率透镜和所述球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合,所述渐变折射率透镜位于所述半导体激光器的出射光路上，所述球面镜准直透镜组合位于所述渐变折射率透镜的出射光路上；其中，
所述半导体激光器，用于发射激光光束；
所述渐变折射率透镜，用于调节所述半导体激光器发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；
所述球面镜准直透镜组合，用于对所述渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。
在其中一个实施例中，所述半导体激光器位于所述渐变折射率透镜的焦点区域。
在其中一个实施例中，所述渐变折射率透镜位于所述球面镜准直透镜组合的焦点区域。
在其中一个实施例中，所述渐变折射率透镜包括至少两片渐变折射率透镜。
在其中一个实施例中，所述渐变折射率透镜为圆柱型透镜。
在其中一个实施例中，所述圆柱型透镜之间的间距为零。
在其中一个实施例中，所述渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
在其中一个实施例中，所述快轴调整参数是根据所述激光光束的快轴发散角与快轴出射孔径确定的，所述慢轴调整参数是根据所述激光光束的慢轴发散角与慢轴出射孔径确定的。
另一方面，本发明实施例提供一种激光雷达发射方法，所述方法应用于如上实施例所述激光雷达发射系统，所述方法包括：
所述半导体激光器发射激光光束；
所述渐变折射率透镜调节所述半导体激光器发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；
所述球面镜准直透镜组合对所述渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。
在其中一个实施例中，所述渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
上述实施例提供的激光雷达发射系统，包括半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合,渐变折射率透镜位于半导体激光器的出射光路上，球面镜准直透镜组合位于渐变折射率透镜的出射光路上；其中，半导体激光器，用于发射激光光束；渐变折射率透镜，用于调节半导体激光器发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；球面镜准直透镜组合，用于对渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。该激光雷达发射系统中，渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的系统，因此无需考虑光轴的一致性问题，可直接通过对渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合的结构进行设计，保证渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合的设计公差，进而简化装配的过程；另外，该激光雷达发射系统在保证最终得到发散角较小的出射光束的同时，节约了激光雷达发射系统的空间，还大大降低了激光雷达发射系统的成本。
附图说明
图1为一个实施例提供的激光雷达发射系统示意图；
图2为一个实施例提供的激光雷达发射系统在Y-Z截面的示意图；
图3为一个实施例提供的激光雷达发射系统在X-Z截面的示意图；
图4为一个实施例提供的激光雷达发射方法的流程示意图。
附图标记说明：
激光雷达发射系统10； 半导体激光器100；
渐变折射率透镜200； 球面镜准直透镜组合300；
前球面镜组合301； 后球面镜组合302。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
传统的激光雷达发射系统，是通过使用柱面镜组合，对半导体激光器发射的光束进行准直处理，存在装配过程比较复杂，装配困难的问题。为此，本发明实施例提供一种激光雷达发射系统和方法，旨在解决传统技术的如上技术问题。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案以及本发明的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
图1为一个实施例提供的激光雷达发射系统示意图。图2为一个实施例提供的激光雷达发射系统在Y-Z截面的示意图。图3为一个实施例提供的激光雷达发射系统在X-Z截面的示意图。如图1所示，激光雷达发射系统10包括：半导体激光器100、渐变折射率透镜200和球面镜准直透镜组合300，所述渐变折射率透镜200和所述球面镜准直透镜组合300均为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合,所述渐变折射率透镜200位于所述半导体激光器100的出射光路上，所述球面镜准直透镜组合300位于所述渐变折射率透镜200的出射光路上；其中，所述半导体激光器100，用于发射激光光束；所述渐变折射率透镜200，用于调节所述半导体激光器100发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；所述球面镜准直透镜组合300，用于对所述渐变折射率透镜200输出的激光光束进行准直处理。
具体的，半导体激光器100也称为激光二极管，用于出射激光光束，出射的激光光束的光斑为一个存在快慢轴的椭圆光斑，可以直接使用其端面光束，但同时需要对快慢轴方向的不同大小、不同发散角的光束进行准直处理，如图2所示，该截面图显示了半导体激光器100出射的激光光束的快轴方向光束的发散角，如图3所示，该截面图显示了半导体激光器100出射的激光光束慢轴方向光束的发散角，从图2和图3可以看出半导体激光器100出射的激光光束快轴与慢轴的发散角差异较大，快轴的发散角较大，而慢轴的发散角较小。
上述渐变折射率透镜200为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜，又称自聚焦透镜，是一种折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，位于半导体激光器100的出射光路上，用于调节半导体激光器100发射的激光光束，使得激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值。其中，渐变折射率透镜200是通过改变渐变折射率透镜本身的折射率，对半导体激光器100发射的激光光束进行调节，使得激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值。也就是说，渐变折射率透镜200使得激光光束的快轴发散角与慢轴发散角调校至接近、激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径调校至接近。
上述球面镜准直透镜组合300为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合，用于对渐变折射率透镜200输出的激光光束进行准直处理。可选的，如图2所示，球面镜准直透镜组合300包括前球面镜组合301和后球面镜组合302，前球面镜组合301用于发散渐变折射率透镜200输出的激光光束，后球面镜组合302用于对经过前球面镜组合发散的激光光束进行准直处理；其中，前球面镜组合301包括至少一个前球面镜，且各前球面镜的曲率半径由大变小，后球面镜组合302包括至少一个后球面镜，且各后球面镜的曲率半径由小变大。
在本实施例中，激光雷达发射系统包括半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，由于渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的系统，因此无需考虑光轴的一致性问题，可直接通过对渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合的结构进行设计，保证渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合的设计公差，进而简化装配的过程；另外，该激光雷达发射系统在保证最终得到发散角较小的出射光束的同时，节约了激光雷达发射系统的空间，还大大降低了激光雷达发射系统的成本。
请继续参见图2，在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述半导体激光器100位于所述渐变折射率透镜200的焦点区域。
具体的，如图2所示，半导体激光器100位于渐变折射率透镜200的焦点区域。其中，渐变折射率透镜200的焦点区域是指半导体激光器100射出的激光光束经渐变折射率透镜200折射后光束的会聚区域。在本实施例中，半导体激光器位于渐变折射率透镜的焦点区域，且渐变折射率透镜为沿主光轴呈中心旋转对称的系统，因此无需考虑光轴的一致性问题，可直接通过对渐变折射率透镜的结构进行设计，保证渐变折射率透镜的设计公差，进而简化装配的过程。
请继续参见图2，在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述渐变折射率透镜200位于所述球面镜准直透镜组合300的焦点区域。
具体的，如图2所示，渐变折射率透镜200位于球面镜准直透镜组合300的焦点区域。球面镜准直透镜组合300的焦点区域是指渐变折射率透镜200输出的激光光束经球面镜准直透镜组合300反射后光束的会聚区域。在本实施例中，渐变折射率透镜位于球面镜准直透镜组合的焦点区域，且球面镜准直透镜组合为沿主光轴呈中心旋转对称的系统，因此无需考虑光轴的一致性问题，可直接通过对球面镜准直透镜组合的结构进行设计，保证球面镜准直透镜组合的设计公差，进而简化装配的过程。
在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述渐变折射率透镜200包括至少两片渐变折射率透镜201。
具体的，渐变折射率透镜200包括至少两片渐变折射率透镜201。可选的，渐变折射率透镜201为圆柱型透镜。可选的，圆柱型透镜之间的间距为零，也就是，相邻的圆柱型透镜之间为无缝结构，互相紧邻。可选的，圆柱型透镜可以为端面半径为无穷大的圆柱型透镜。
在本实施例中，渐变折射率透镜包括至少两片渐变折射率透镜，能够简化对渐变折射率透镜的设计，节约渐变折射率透镜所占的空间，同时降低了渐变折射率透镜的成本。
在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述渐变折射率透镜200的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
具体的，渐变折射率透镜200的折射率是根据折射率调整参数确定的，折射率参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。可选的，快轴调整参数是根据激光光束的快轴发散角与快轴出射孔径确定的，慢轴调整参数是根据激光光束的慢轴发散角与慢轴出射孔径确定的。可选的，渐变折射率透镜200的折射率可以根据预设的折射率公式n＝n0+nx1x+nx2x2+ny1y+ny2y2+nz1z+nz2z确定，式中，n为渐变折射率透镜200的折射率，n0,nx1,nx2,ny1,ny2,nz1,nz2为折射率调整参数，x表示半导体激光器100发射的激光光束的快轴出射孔径，y表示半导体激光器100发射的激光光束的慢轴出射孔径，z表示半导体激光器100发射的激光光束的传播方向。
在本实施例中，渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，而折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数，这样根据快轴调整参数和慢轴调整参数确定的折射率能够提高对半导体激光器出射的激光光束的处理效果，使得激光光束的快轴发散角与慢轴发散角调校至接近、激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径调校至接近。
图4为一个实施例提供的激光雷达发射方法的流程示意图。如图4所示，该方法包括：
S401，所述半导体激光器发射激光光束；
S402，所述渐变折射率透镜调节所述半导体激光器发射的激光光束的，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；
S403，所述球面镜准直透镜组合对所述渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。
可选的，所述渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
关于激光雷达发射方法的具体限定可以参见上文中对于激光雷达发射系统的限定，在此不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光雷达发射系统，其特征在于，所述系统包括：半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，所述渐变折射率透镜和所述球面镜准直透镜组合均为沿主光轴呈中心旋转对称的透镜组合,所述渐变折射率透镜位于所述半导体激光器的出射光路上，所述球面镜准直透镜组合位于所述渐变折射率透镜的出射光路上；其中，
所述半导体激光器，用于发射激光光束；
所述渐变折射率透镜，用于调节所述半导体激光器发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；
所述球面镜准直透镜组合，用于对所述渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述半导体激光器位于所述渐变折射率透镜的焦点区域。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐变折射率透镜位于所述球面镜准直透镜组合的焦点区域。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述渐变折射率透镜包括至少两片渐变折射率透镜。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述渐变折射率透镜为圆柱型透镜。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述圆柱型透镜之间的间距为零。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述快轴调整参数是根据所述激光光束的快轴发散角与快轴出射孔径确定的，所述慢轴调整参数是根据所述激光光束的慢轴发散角与慢轴出射孔径确定的。
9.一种激光雷达发射方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项的激光雷达发射系统，所述激光雷达发射系统包括半导体激光器、渐变折射率透镜和球面镜准直透镜组合，所述方法包括：
所述半导体激光器发射激光光束；
所述渐变折射率透镜调节所述半导体激光器发射的激光光束，使得所述激光光束的快轴发散角与慢轴发散角的差值小于预设的发散角阈值、所述激光光束的快轴出射孔径与慢轴出射孔径的差值小于预设的孔径阈值；
所述球面镜准直透镜组合对所述渐变折射率透镜输出的激光光束进行准直处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述渐变折射率透镜的折射率是根据折射率调整参数确定的，所述折射率调整参数包括快轴调整参数和慢轴调整参数。
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