CN110824454A - 镜头系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种镜头系统，该镜头系统沿光轴依次包括透镜阵列和探测器阵列，其中，透镜阵列包括多个透镜单元，以收集待探测的区域中的光线；以及探测器阵列包括多个探测器单元，以接收透镜阵列收集的光线并将光线转换成电信号进行分析，每个探测器单元均与一个或多个透镜单元相对应，每个探测器单元相对于透镜阵列中的透镜单元均位于不同的位置处。根据本申请的镜头系统，可实现小型化、低成本、装调简单、探测精度高、定位精度高等有益效果。

Description

镜头系统及其构建方法

技术领域

本申请涉及镜头系统，具体涉及用于能量接收的镜头系统。本申请还涉及构建用于能量接收的镜头系统的方法。

背景技术

目前用于能量接收的镜头均为多片式镜头，用于收集一定范围角度内的光线能量。如图1中所示，常规六片式能量接收镜头包括沿光轴依次布置的六个透镜以及设置在第六透镜之后的多像素大尺寸探测器，该探测器可同时接收±15°的光线，在竖直和水平方向上实现30°×30°的视场光线接收，换言之，该六片式能量接收镜头具有30°×30°(竖直/水平)视场角。在实际的应用中，如机械式激光雷达等，需要整个系统进行转动，以对周围环境进行扫描并进行光线能量接收。

在这种应用需求下，多片式镜头的使用具有以下缺点：透镜数量越多，系统成本越高，体积越大，不利于系统的小型化。另外，透镜数量越多，镜头越重，系统的转速越小，进而会降低激光雷达的扫描频率及点云数量，降低雷达的探测精度。因此，透镜的数量、重量严重影响了激光雷达整体系统的成本、体积及性能。

发明内容

本申请的目的在于至少部分地解决现有结构中存在的上述至少一个问题。

本申请提供一种镜头系统，该镜头系统沿光轴依次可包括透镜阵列和探测器阵列，其中，透镜阵列可包括多个透镜单元，以收集待探测的区域中的光线；以及探测器阵列可包括多个探测器单元，以接收透镜阵列收集的光线，每个探测器单元均与一个或多个透镜单元相对应，每个探测器单元相对于透镜阵列中的透镜单元均位于不同的位置处。

根据一个实施方式，多个探测器单元中的位于不同位置处的探测器单元可从对应的透镜单元接收不同角度的光线。

根据一个实施方式，每个探测器单元均可覆盖一定视场的光线。

根据一个实施方式，每个探测器单元均单独设置在印刷电路板上，并且均能够在X、Y和Z方向上移位。

根据一个实施方式，透镜阵列和探测器阵列之间的距离基本上等于透镜阵列的焦距值。

根据一个实施方式，透镜阵列可为复眼透镜阵列。

根据一个实施方式，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上相同，镜头系统的水平视场和竖直视场相同。

根据一个实施方式，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上不同，镜头系统具有不同的水平视场和竖直视场。

根据本申请上述实施方式的镜头系统可实现小型化、成本低、装调简单、探测精度高、定位精度高等有益效果中的至少一个。

本申请还提供了一种构建用于能量接收的镜头系统的方法，可包括：

沿透镜系统的光轴依次设置可包括多个透镜单元的透镜阵列和可包括多个探测器单元的探测器阵列；以及

将探测器阵列中的每个探测器单元均布置成与透镜阵列中的一个或多个透镜单元相对应，且每个探测器单元相对于透镜阵列中的透镜单元均处于不同的位置处，以从对应的透镜单元接收不同角度的光线。

根据一个实施方式，该方法还可包括将探测器阵列布置成使得探测器阵列和透镜阵列之间的距离与透镜阵列的焦距值基本上对应。

根据一个实施方式，该方法还可包括在X、Y和Z方向上移动探测器单元，使得每个探测器单元相对于透镜单元均处于不同的位置处。

根据一个实施方式，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上相同，镜头系统具有相同的水平视场和竖直视场。

根据一个实施方式，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上不同，镜头系统具有不同的水平视场和竖直视场。

根据上述的实施方式的镜头系统，通过特殊的透镜与探测器进行配合，实现对目标探测区域光线的接收，可在保证低成本，小型化的同时，提高雷达的探测精度。

附图说明

通过参照以下附图进行的详细描述，本申请的实施方式的以上及其它优点将变得显而易见，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。在附图中：

图1示出常规多片式能量接收镜头的结构示意图；

图2A和图2B示出根据本申请的镜头系统的结构示意图；

图3A和图3B示意性示出根据本申请的镜头系统的视场；

图4A至图4C示意性示出根据本申请的镜头系统的视场；

图5A至图5C示出根据本申请的实施例1的镜头系统的结构示意图；

图6A至图6C示出根据本申请的实施例2的镜头系统的结构示意图；

图7A至图7C示出根据本申请的实施例3的镜头系统的结构示意图；以及

图8A至图8C示出根据本申请的实施例4的镜头系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本发明所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

以下参照附图来对本申请的各个方面进行更详细的说明。

图2A和图2B示出了根据本申请的镜头系统的结构示意图。

如图2A和图2B中所示，根据本申请的镜头系统包括沿着光轴布置的透镜阵列100和探测器阵列200。透镜阵列100包括多个透镜单元(例如，4×4单元)，以收集所要探测的区域中的光线(例如，雷达系统需要探测的区域)。探测器阵列200包括多个探测器单元(例如，4×4单元)，以接收透镜阵列100收集的光线，并将接收到的光线转换为电信号以进行分析。

在示例性实施方式中，透镜阵列100可以为复眼透镜阵列。应理解的是，复眼透镜阵列仅为透镜阵列形式的示例，根据运用需要，透镜阵列可采用本领域中已知的能够满足功能所需的其他透镜形式。还应理解，所述复眼透镜阵列可包括但不限于单片复眼透镜阵列、双片复眼透镜阵列、圆形复眼透镜阵列、矩形复眼透镜阵列或其他形状、形式的复眼透镜阵列。

探测器阵列200可以为任意能够实现接收光信号并能够将其转化成电信号的诸如APD等的探测器。

在示例性实施方式中，探测器阵列200相对于传感器阵列100布置，使得探测器阵列200中的每个探测器单元均与位于其前面的一个或多个透镜单元相对应并从其接收光线。但是，理想地，在示例性实施方式中，探测器阵列中探测器单元的数量与透镜阵列中透镜单元的数量一一对应，诸如4×4、6×4等，尽管还可使用其它的阵列尺寸和配置，例如，探测器阵列中探测器单元的数量为4×4，透镜阵列中透镜单元的数量为2个4×4，因此，每个探测器单元与2个透镜单元相对应。

在示例性实施方式中，探测器阵列200中的每个探测器单元均单独设置在例如印刷电路板(PCB)上，并通过单独调节每一个探测器，可使得每个探测器单元均可在X、Y和Z三个方向上分别移位。每个探测器单元相对于透镜单元均可位于不同的位置处，透镜单元与探测器单元形成一个组合。如图2A和图2B中所示，每个探测器单元相对于透镜单元均处于不同的位置处，当在侧视图中观察时，探测器单元可位于光轴30的不同位置，例如在光轴下方、与光轴平行或在光轴上方。在布置的过程中，另外，透镜阵列100和探测器阵列200两者之间的距离应与透镜阵列的焦距值f基本上相对应，以更好的接收各透镜单元收集的光线。在布置的过程中，通过各个探测器单元在相应方向上的移位，探测器阵列200可在透镜阵列100的焦距附近移动，以实现最优的光线接收效果。应注意的是，图2A中描绘的透镜阵列100和探测器阵列200仅是示例，本领域技术人员应认识到，透镜阵列的个数、透镜阵列中透镜单元的形状、透镜单元的数量可根据需要进行改变。

在示例性实施方式中，探测器阵列200中的处于不同位置的探测器单元可接收不同角度的光线，每个探测器单元均覆盖一定视场的光线。如图3A中所示，从侧视图中可以很好的理解，探测器单元1可接收(15°，6°)范围内的光线，探测器单元2可接收(8°，-1°)范围内的光线，探测器单元3可接收(1°，-8°)范围内的光线，以及探测器单元4可接收(-6°，-15°)范围内的光线。每个探测器单元均覆盖约9°的视场。本领域技术人员应理解，所述视场(FOV)代表探测器所能收集的入射辐射的角范围，视场可分解为水平视场(HFOV)和竖直视场(VFOV)。通过上述设置，每个探测器单元均覆盖一定视场的光线，视场的重叠有助于减少探测器边缘能量的损失；且所有的探测器单元共同作用，完成光线能量的接收。另外，所有的探测器单元均可在X、Y、Z方向进行移动，以使各视场的光线能够被探测器阵列最大化地接收。应理解的是，图3A中描绘的每个探测器单元所接收光线的视场角度仅是示例而非限制，本领域技术人员应认识到，探测器单元具体的视场角度可根据实际需求进行设计。

在示例性实施方式中，镜头系统的视场可由透镜阵列100及探测器阵列200的组合数量确定。当透镜阵列100及探测器阵列200的组合数量在水平方向和竖直方向上相同时，则该镜头系统在两方向上具有相同的视场(即，HFOV和VFOV相同)。当透镜阵列100及探测器阵列200的组合数量在水平方向和竖直方向上不同时，则该镜头系统在两方向上具有不同的视场(即，HFOV和VFOV不同)。通过排布不同数量的透镜及探测器组合，系统的视场可以进行有效改变。

例如，继续参照图3A和图3B，该镜头系统由4×4的透镜阵列100和探测器阵列200组成，透镜阵列100和探测器阵列200的组合数量在水平方向上和竖直方向上相同，因此，如图3B中所示，该镜头系统具有30°×30°的水平视场HFOV×竖直视场VFOV，其中，水平视场HFOV由细虚线表示，竖直视场VFOV由粗虚线表示。

参照图4A至图4C，该镜头系统由6×4的透镜阵列100和探测器阵列200组成。透镜阵列100和探测器阵列200的组合数量在水平方向上和竖直方向上不同(水平方向上组合数量为6，竖直方向上组合数量为4)。如图4A所示，在水平方向上，探测器单元1可接收(15°，6°)范围内的光线，探测器单元2可接收(8°，-1°)范围内的光线，探测器单元3可接收(1°，-8°)范围内的光线，探测器单元4可接收(-6°，-15°)范围内的光线，探测器单元5可接收(20°，12°)范围内的光线，以及探测器单元6可接收(-12°，-20°)范围内的光线。如图4B所示，在竖直方向上，探测器单元1可接收(15°，6°)范围内的光线，探测器单元2可接收(8°，-1°)范围内的光线，探测器单元3可接收(1°，-8°)范围内的光线，以及探测器单元4可接收(-6°，-15°)范围内的光线。因此，如图4C中所示，该镜头系统具有40°×30°的水平视场HFOV×竖直视场VFOV，其中，水平视场HFOV由细虚线表示，竖直视场VFOV由粗虚线表示。

以下将参照图5A至图8C具体描述根据本申请的镜头系统的具体实施方式。

实施例1

参照图5A至图5C具体描述根据本申请的具体实施例1的镜头系统。图5A至图5C示出了根据本申请的实施例1的镜头系统的结构示意图。

如图5A和图5B所示，根据本实施例的镜头系统包括单片矩形复眼透镜阵列110和探测器阵列200。单片矩形复眼透镜阵列110为单片矩形4×4个透镜单元组成的阵列，探测器阵列200包括4×4个探测器单元。

探测器阵列200设置在透镜阵列110之后，从透镜阵列110接收其从探测区域收集的光线，探测器阵列200与透镜阵列110两者之间的距离基本上等于透镜阵列100的透镜焦距f。

每个透镜单元均对应唯一一个探测器单元，所有的探测器单元均处于透镜单元的不同位置，如图5B所示，当在侧视图中观察时，探测器单元可位于光轴30的不同位置，例如在光轴下方、与光轴平行或在光轴上方，以接收不同视场的光线。

如图5C中所示，每个探测器单元均覆盖一定的视场，所有的探测器单元协作，共同完成水平视场×竖直视场＝30°×30°光线能量的接收。

实施例2

参照图6A至图6C具体描述根据本申请的具体实施例2的镜头系统。图6A至图6C示出了根据本申请的实施例2的镜头系统的结构示意图。

如图6A和图6B所示，根据本实施例的镜头系统包括单片圆形复眼透镜阵列120和探测器阵列200。单片圆形复眼透镜阵列120为单片圆形4×4个透镜单元组成的阵列，探测器阵列200包括4×4个探测器单元。

探测器阵列200设置在透镜阵列120之后，从透镜阵列120接收其从探测区域收集的光线，探测器阵列200与透镜阵列120两者之间的距离基本上等于透镜阵列120的透镜焦距f。

每个透镜单元均对应唯一一个探测器，所有的探测器均处于透镜单元的不同位置，如图6B所示，当在侧视图中观察时，探测器单元可位于光轴30的不同位置，例如在光轴下方、与光轴平行或在光轴上方，以接收不同视场的光线。

如图6C中所示，每个探测器单元均覆盖一定的视场，所有的探测器单元协作，共同完成水平视场×竖直视场＝30°×30°光线能量的接收。通过与实施例1对比，可知，在其他设置不变的情况下，使用相同尺寸配置的单片圆形复眼透镜阵列120和单片矩形复眼透镜阵列110，镜头系统的水平视场HFOV和垂直视场VFOV可相同。

实施例3

参照图7A至图7C具体描述根据本申请的具体实施例3的镜头系统。图7A至图7C示出了根据本申请的实施例3的镜头系统的结构示意图。

如图7A和图7B所示，根据本实施例的镜头系统包括两枚圆形复眼透镜130和探测器阵列200。复眼透镜阵列130包括两枚圆形复眼透镜，该圆形复眼透镜为圆形4×4个透镜单元组成的阵列，探测器阵列200包括4×4个探测器单元。

探测器阵列200设置在透镜阵列130之后，从透镜阵列130接收其从探测区域收集的光线，探测器阵列200与透镜阵列130两者之间的距离基本上等于透镜阵列130的透镜焦距f。

沿光轴方向的两枚透镜单元均对应唯一一个探测器，所有的探测器均处于透镜单元的不同位置，如图7B所示，当在侧视图中观察时，探测器单元可位于光轴30的不同位置，例如在光轴下方、与光轴平行或在光轴上方，以接收不同视场的光线。

如图7C中所示，每个探测器单元均覆盖一定的视场，所有的探测器单元协作，共同完成水平视场×竖直视场＝40°×40°光线能量的接收。与实施例2相比，在其他设置不变的情况下，使用两枚圆形复眼透镜组成的透镜阵列130的实施例3可有效增大镜头系统的水平视场HFOV和垂直视场VFOV。

实施例4

参照图8A至图8C具体描述根据本申请的具体实施例4的镜头系统。图8A至图8C示出了根据本申请的实施例4的镜头系统的结构示意图。

如图8A和图8B所示，根据本实施例的镜头系统包括单片圆形复眼透镜阵列140和探测器阵列200。单片圆形复眼透镜阵列140为单枚圆形6×4个透镜单元组成的阵列，探测器阵列200包括6×4个探测器单元。

探测器阵列200设置在透镜阵列140之后，从透镜阵列140接收其从探测区域收集的光线，探测器阵列200与透镜阵列140两者之间的距离基本上等于透镜阵列140的透镜焦距f。

每个透镜单元均对应唯一一个探测器，所有的探测器均处于透镜单元的不同位置，如图8B所示，当在侧视图中观察时，探测器单元可位于光轴30的不同位置，例如在光轴下方、与光轴平行或在光轴上方，以接收不同视场的光线。

如图8C中所示，每个探测器单元均覆盖一定的视场，所有探测器单元协作，共同完成水平视场×竖直视场＝40°×30°光线能量的接收。与实施例2相比，在其他设置不变的情况下，使用圆形6×4个透镜单元组成的透镜阵列140的实施例4可有效增大镜头系统的水平视场HFOV。

根据本申请上述实施方式的镜头系统，可实现以下有益效果中的至少一个：

1、系统尺寸非常小，水平方向仅为透镜单元的系统总长，远小于多镜片镜头的系统总长；

2、成本低，单枚透镜通过塑料材料注塑成型，探测器选取单元探测器而非大尺寸探测器，极大压缩了成本；

3、装调简单，单枚镜片，易于安装，易于调试；

4、提高探测精度，镜头体积小、重量轻，有助于提升该镜头系统适用的例如雷达系统的转速、提高雷达系统的探测精度；以及

5、提高定位精度，每个探测器单元均接收特定角度的光线，有助于该镜头系统适用的例如雷达系统对光线进行定位分析，提高了雷达系统对于待测物体的定位精度。

本申请还提供了一种构建根据上述实施方式的镜头系统的方法，该方法包括：

沿透镜系统的光轴依次设置可包括多个透镜单元的透镜阵列和可包括多个探测器单元的探测器阵列；以及

将探测器阵列中的每个探测器单元均布置成与透镜阵列中的一个或多个透镜单元相对应，且每个探测器单元相对于透镜阵列中的透镜单元均处于不同的位置处，以接收不同角度的光线。

在示例性实施方式中，该方法还可包括将探测器阵列布置成使得探测器阵列和透镜阵列之间的距离与透镜阵列的焦距值基本上对应。

在示例性实施方式中，该方法进一步可包括在、Y和Z方向上移动探测器单元，使得每个探测器单元相对于透镜单元均处于不同的位置处。

在示例性实施方式中，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上相同，镜头系统具有相同的水平视场和竖直视场。

在示例性实施方式中，透镜单元和探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上不同，镜头系统具有不同的水平视场和竖直视场。

在上述的方法中，各个探测器单元所接收光线的角度和上述实施例1-4中的描述相同，因此不再赘述。

根据上述实施方式的方法，可获得实现小型化、成本低、装调简单、探测精度高、定位精度高等有益效果的镜头系统。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (13)

1.一种镜头系统，沿光轴依次包括：

透镜阵列，包括多个透镜单元，以收集待探测的区域中的光线；以及

探测器阵列，包括多个探测器单元，以接收所述透镜阵列收集的光线，并将所述光线转换成电信号进行分析，

其中，每个探测器单元均与一个或多个所述透镜单元相对应，所述每个探测器单元相对于透镜单元均位于不同的位置处。

2.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，所述多个探测器单元中的位于不同位置处的探测器单元从对应的透镜单元接收不同角度的光线。

3.根据权利要求2所述的镜头系统，其中，每个所述探测器单元均覆盖一定视场的光线。

4.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，每个所述探测器单元均单独设置在印刷电路板上，并且均能够在X、Y和Z方向上移位。

5.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，所述透镜阵列和所述探测器阵列之间的距离基本上等于所述透镜阵列的焦距值。

6.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，所述透镜阵列为复眼透镜阵列。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的镜头系统，其中，所述透镜单元和所述探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上相同，所述镜头系统的水平视场和竖直视场相同。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的镜头系统，其中，所述透镜单元和所述探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上不同，所述镜头系统具有不同的水平视场和竖直视场。

9.一种构建镜头系统的方法，包括

沿所述透镜系统的光轴依次设置包括多个透镜单元的透镜阵列和包括多个探测器单元的探测器阵列；以及

将所述探测器阵列中的每个探测器单元均布置成与所述透镜阵列中的一个或多个透镜单元相对应，且每个所述探测器单元相对于所述透镜阵列中的透镜单元均处于不同的位置处，以从对应的所述透镜单元接收不同角度的光线。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

将所述探测器阵列布置成使得所述探测器阵列和所述透镜阵列之间的距离与所述透镜阵列的焦距值基本上对应。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

在X、Y和Z方向上移动所述探测器单元，使得每个探测器单元相对于透镜单元均处于不同的位置处。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，所述透镜单元和所述探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上相同，所述镜头系统具有相同的水平视场和竖直视场。

13.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，所述透镜单元和所述探测器单元的组合数量在水平方向和竖直方向上不同，所述镜头系统具有不同的水平视场和竖直视场。

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