CN110764233A

CN110764233A - 一种新型激光雷达接收镜头

Info

Publication number: CN110764233A
Application number: CN201911270093.9A
Authority: CN
Inventors: 罗联镜; 丁广雷; 肖庆红; 李明
Original assignee: Fujian Haichuang Electronic Co Ltd
Current assignee: Fujian Haichuang Electronic Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明公开了一种新型激光雷达接收镜头，其包括沿光路依序设置的第一聚光透镜组、滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组，其中，第一聚光透镜组为负光焦度聚光透镜组，所述的第二聚光透镜组为正光焦度聚光透镜组，由第一聚光透镜组接收的光信号依序经过滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组后，由第二聚光透镜组聚焦输出。本方案可实现单个常规探测单元完成大视场范围的光信号接收并汇聚在极小焦面范围内，从而可采用单个消费级的光探测器（如常规的APD）即可实现大视场角光信号的接收,即垂直于激光雷达发射平面的高度信息的接收。本专利镜组同时具有超小体积、大通光量、小畸变、高均匀度光斑、低干扰噪声特点。

Description

一种新型激光雷达接收镜头

技术领域

本发明属于激光通讯器件领域，尤其是可用于汽车无人驾驶、机器人侦查、无人机探测、自动扫地机等设备的激光通讯器件领域，具体涉及一种新型激光雷达接收镜头。

背景技术

激光雷达是工作在光频波段的雷达，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其反射回来接收到的同波信号与发射信号进行信息处理，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。由于激光雷达具有进度高、抗干扰能力强、结构较简单、使用方便，无论在军用领域还是民用生产、生活的各个领域得到了日益广泛的应用和不断的扩展，成为社会发展服务中不可或缺的高技术手段。伴随着目前人工智能技术开发的热潮，激光雷达在汽车无人驾驶、无人机、智能扫地机器人等领域得到前所未有的青睐，为激光雷达应用开辟了广阔的市场。

目前激光雷达的一个重要的指标是线数。按线数分类有常见的有单线，4线，16线，32线,64线、128线等。由于单线式激光雷达的数据缺少一个维度，只能描述线状信息，无法描述面。因此无法得到物体垂直于激光雷达发射平面的高度信息。多线雷达是目前自动驾驶等领域最主要使用的雷达，但售价极高，一个64线的激光雷达售价高达几万美元。其昂贵的主要原因是由于采用多少线的激光雷达需要对应多少个的探测器，探测器的价格相对比较昂贵，而且多个探测器的排列繁琐，因此多线式激光雷达售价昂贵，也在一定程度上限制了民用的发展。

正如现有专利申请号为：201910254162 .0公开了一种高稳定性、高能量、干扰噪声较少，可收集视场较宽的激光接收镜头，但是依然无法解决在超小体积、大视场角度、大通光量、低畸变条件下采用单个探测器接收垂直于激光雷达发射平面的高度信息。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种小体积、小畸变、大角度范围、大通光量、光斑均匀度高、噪声干扰低的窄带滤光功能的新型激光雷达接收镜头，其适用于激光雷达测距接收、激光雷达测绘系统接收，运用于汽车无人驾驶、机器人侦察、无人机探测、自动扫地机等。

一种新型激光雷达接收镜头，其包括沿光路依序设置的第一聚光透镜组、滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组，其中，所述的第一聚光透镜组为负光焦度聚光透镜组，所述的第二聚光透镜组为正光焦度聚光透镜组，由第一聚光透镜组接收的光信号依序经过滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组后，由第二聚光透镜组聚焦输出。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第一聚光透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将大角度范围的光信号沿入射方向汇聚。

作为一种可选的实施形式，优选的，所述的第一聚光透镜组包括依序设置的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型透镜，所述的第二透镜为双凹透镜。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第一准直透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将第一聚光透镜组输入的光信号进行准直。

作为一种可选的实施形式，优选的，所述的第一准直透镜组包括第三透镜，所述的第三透镜为双凸型透镜。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第二聚光透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将第一准直透镜组准直后的光信号进行汇聚，令光信号汇聚在极小面积范围的焦面内并用于探测设备6接收。

作为一种可选的实施形式，优选的，所述的第二聚光透镜组包括依序设置的第四透镜和第五透镜，所述的第四透镜为双凸型透镜，所述的第五透镜为弯月型透镜。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的滤光片为光学平片。

作为一种可能的实施形式，进一步，本方案还包括将第一聚光透镜组、滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组进行相对固定封装的机械镜筒。

本发明激光雷达接收镜头的实现原理如下：

激光雷达镜头前端大角度视场范围内光线入射该激光雷达接收镜头，该接收镜头将大视场角度范围的入射的光线进行汇聚、将汇聚后的光线进行准直、再将准直后的光线进行再次汇聚成极小的光斑，使光斑尺寸小于或等于单个探测器的探测面元，从而使得可以采用单个探测器接收大视场角度范围的入射信号，并将接收到的信息传给回拨检测处理系统。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案的镜头，具有外形体积超小，接收光线视场角度范围大，镜头通光量大，畸变小，光斑均匀度高，噪声干扰低的有点；且其镜头前端大角度范围光线入射该接收镜头，经过镜头后汇聚在极小的范围焦面内。

其优点亦可简要归纳为如下三点：

（1）本发明激光雷达镜头将大视场角度信息经过镜头汇聚、准直、再汇聚到单个探测器的激光雷达接收系统。满足了垂直于激光雷达发射平面的高度信息接收，又减少了探测器在激光雷达系统中的使用数量，同时满足激光雷达的小型化要求；

（2）本发明激光雷达镜头，滤光片（2-0）使用近红外高透过率材料，通过光学镀膜实现窄带高透过功能，同时放置于光线入射角度最小的位置，有效解决了滤光片在不同角度下滤波中心波长漂移的问题，能大幅有效地降低干扰噪声；

（3）本发明提供的激光雷达镜头，有效平衡了系统的球差和慧差，提升系统光斑均匀性；同时能有效压缩汇聚光斑尺寸，平衡系统像散，降低系统畸变，降低系统温漂的影响。具有优异的光学成像性能，保证了良好的信号分辨率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：

图1为本发明方案的简要光路原理示意图；

图2为本方面方案的激光雷达接收镜头与推测单元的简要配合实施示意图；

图3为本发明方案封装在机械镜筒中的简要实施结构示意图。

具体实施方式

如图1至3之一所示，本发明新型激光雷达接收镜头，其包括沿光路依序设置的第一聚光透镜组1、滤光片2、固定光阑3、第一准直透镜组4和第二聚光透镜组5，其中，所述的第一聚光透镜组1为负光焦度聚光透镜组，所述的第二聚光透镜组2为正光焦度聚光透镜组，由第一聚光透镜组1接收的光信号依序经过滤光片2、固定光阑3、第一准直透镜组4和第二聚光透镜组5后，由第二聚光透镜组5聚焦输出。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第一聚光透镜组1包括若干依序设置的透镜，其用于将大角度范围的光信号沿入射方向汇聚入第一聚光透镜组中，其具体包括依序设置的第一透镜101和第二透镜102，所述的第一透镜101为弯月型透镜，所述的第二透镜102为双凹透镜。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第一准直透镜组4包括若干依序设置的透镜，其用于将第一聚光透镜组输入的光信号进行准直，其具体包括第三透镜，所述的第三透镜为双凸型透镜。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的第二聚光透镜组5包括若干依序设置的透镜，其用于将第一准直透镜组1准直后的光信号进行汇聚，令光信号汇聚在极小面积范围的焦面内并用于探测设备接收；其具体包括依序设置的第四透镜501和第五透镜502，所述的第四透镜501为双凸型透镜，所述的第五透镜502为弯月型透镜,其中，第四透镜501和第五透镜502可以是胶合成一体的组合结构。

作为一种可能的实施形式，进一步，所述的滤光片2为光学平片。

所述的固定光阑3，其作用为限制光透过孔径改善在焦面聚焦点大小。可以根据具体工作要求（比如探测器选型的不同）选择光阑孔径大小、形状以及位置。进一步的，也可以取消设置固定光阑3；或者以相关元件的孔径作为光阑使用。

本实施例中，各透镜应满足如下光学条件：

1.5<n1<1.95,20<v1<65；

1.7<n2<1.95,20<v2<50；

1.7<n3<2.0,20<v3<40；

1.55<n4<1.65，60<v4<70；

1.8<n5<1.9，20<v5<35；

其中，n1、n2、n3、n4、n5分别为第一透镜101、第二透镜102、第三透镜、第四透镜501和第五透镜502的折射率，v1、v2、v3、v4、v5分别为第一透镜101、第二透镜102、第三透镜、第四透镜501和第五透镜502的阿贝数。

所述第一透镜101和第二透镜102之间的空气间隙为4.8±0.3mm；所述第二透镜102和滤光片2之间的空气间隙为1.2±0.4 mm；所述滤光片2和固定光阑3之间的空气间隙为15.5±0.3 mm；固定光阑3和第三透镜之间的空气间隙为3±0.3 mm；第三透镜501和第四透镜502之间的空气间隙为0.1±0.1 mm。

作为一种可能的实施形式，进一步，本方案还包括将第一聚光透镜组1、滤光片2、固定光阑3、第一准直透镜组4和第二聚光透镜组5进行相对固定封装的机械镜筒7。

更优选的，所述的机械镜筒7为两端敞开的筒状结构，所述的第一聚光透镜组1、滤光片2、固定光阑3、第一准直透镜组4和第二聚光透镜组5和探测单元6依序设置在机械镜筒7的筒状结构中，且机械镜筒7接近第一聚光透镜组的端部上连接有前压圈8，所述的前压圈8起到将激光雷达接收镜头的第一聚光透镜组1限位安装于机械镜筒7前端的作用。

作为一种可能的选择，更优选的，所述的机械镜筒7内对应第一透镜101和第二透镜102之间设有第一机械隔圈12，滤光片2和固定光阑3之间设有第二机械隔圈9，固定光阑3和第一准直透镜组4之间设有机械光阑隔圈10, 第二机械隔圈9和机械光阑隔圈10共同作用下，起到定位滤光片2和第一准直透镜4空气间隙和光线通过孔径的效果,另外，滤光片2置于光线入射角相对最小的位置，在第二透镜102与第二机械隔圈9之间，其设置有利于提高有效光谱波长透过率，降低噪音干扰；进一步的，按具体工作场景需求，也可以选择在系统中不放置滤波片2；第一准直透镜组4和第二聚光透镜组5之间设有第三机械隔圈11,通过第三机械隔圈11来限定二者的空气间隙。

所述滤光片2放置于光线入射角相对最小的位置，在第二透镜102与第二机械隔圈9之间，有利于提高有效光谱波长透过率，降低噪音干扰。

所述的第一机械隔圈12、第二机械隔圈9、机械光阑隔圈10采用“L”型结构；所述的第三机械隔圈11采用“凸”型结构。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述的机械镜筒7内第二聚光透镜组5与探测单元6之间设有缩口结构，通过该形式，使得激光雷达接收镜头可直接从机械镜头7设有前压圈8的一端依序装入部件即可完成装配，而前压圈8可以通过螺纹方式连接在机械镜筒7上，且令前压圈8与第一聚光透镜组1的边缘相抵，令激光雷达接收镜头被封装在机械镜筒7内。

采用本实施例激光雷达接收系统，即可以用单个探测单元或极小的感光面积探测器6，完成大角度视场范围的垂直于激光雷达发射平面的高度信息接收，并将接收到的信息转成电信号传给后端处理。

需要说明的是，这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例来实现。

Claims

1.一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：其包括沿光路依序设置的第一聚光透镜组、滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组，其中，所述的第一聚光透镜组为负光焦度聚光透镜组，所述的第二聚光透镜组为正光焦度聚光透镜组，由第一聚光透镜组接收的光信号依序经过滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组后，由第二聚光透镜组聚焦输出。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第一聚光透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将大角度范围的光信号沿入射方向汇聚。

3.根据权利要求2所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第一聚光透镜组组包括依序设置的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型透镜，所述的第二透镜为双凹透镜。

4.根据权利要求1所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第一准直透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将第一聚光透镜组输入的光信号进行准直。

5.根据权利要求4所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第一准直透镜组包括第三透镜，所述的第三透镜为双凸型透镜。

6.根据权利要求1所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第二聚光透镜组包括若干依序设置的透镜，其用于将第一准直透镜组准直后的光信号进行汇聚，令光信号汇聚在极小面积范围的焦面内并用于探测设备接收。

7.根据权利要求6所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的第二聚光透镜组包括依序设置的第四透镜和第五透镜，所述的第四透镜为双凸型透镜，所述的第五透镜为弯月型透镜。

8.根据权利要求1所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：所述的滤光片为光学平片。

9.根据权利要求1至8之一所述的一种新型激光雷达接收镜头，其特征在于：其还包括将第一聚光透镜组、滤光片、固定光阑、第一准直透镜组和第二聚光透镜组进行相对固定封装的机械镜筒。