CN111308725A - 一种用于激光雷达的光束整形装置及其对远场光斑的整形方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于激光雷达的光束整形装置及其对远场光斑的整形方法，其中，所述光束整形装置包括：用于对快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直的第一准直镜，用于对慢轴方向激光光束进行第二次准直的第二准直镜，以及孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处。本申请有效增加了激光雷达的激光利用率，从而显著提高激光雷达的测距能力；且激光光束的远场光斑形状为正方形或者近似正方形的矩形，提高激光雷达的测量精度。

Description

一种用于激光雷达的光束整形装置及其对远场光斑的整形 方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的光学领域，尤其涉及激光雷达的光束整形装置及其整形方法。

背景技术

随着光学技术的发展和应用，激光雷达被广泛应用于各种测量领域，例如导航定位技术领域、工程测距技术领域等。现有技术中的激光雷达主要包括发射端和接收端两个模块，通过分析接收的信号来获得所需的各种二维和三维信息。

因为半导体激光器输出的激光光束在传输过程中具有不对称性，慢轴方向激光光束和快轴方向激光光束的发光区并非是一个点，而是具有一定大小的区域，随着激光光束的不断传输，激光光束的光斑尺寸会越来越大，因此，在许多应用中必须采用特殊的光学系统对激光光束进行光束准直整形。现有技术中的激光光束准直系统单独采用同一准直透镜对激光光源进行准直。以现有技术中的激光雷达的激光光束源发射出的905nm激光光束经过准直透镜20进行准直为例，图1为用软件模拟出来的现有技术中慢轴方向激光光束111的模拟光学追迹图，图2为现有技术中快轴方向激光光束121的模拟光学追迹图，图1和图2中的激光光束均采用同一准直透镜20进行准直整形，准直透镜20的长短轴方向的准直焦距是一样的，准直整形后的远场光斑见图3所示的用软件模拟的远场光斑形状图，远场光斑为狭长的长条形光斑。慢轴方向发光区11对应于图3中的远场光斑的Y轴方向，快轴方向发光区12对应于图3中的远场光斑的X轴方向。对同一准直透镜，发光区大的方向，其对应的远场光斑的对应方向的尺寸大。因为慢轴方向的发光区域大，所以经过准直透镜20准直后的发散角大，所以远场光斑的Y轴方向的尺寸较大；快轴方向的发光区小，对应远场光斑的X轴方向的尺寸较小。现有技术中的激光雷达准直系统发射出的激光的远场光斑呈狭长的长条形，由图3可知，光斑在X轴和Y轴上的分布十分不均衡，这意味着现有技术中的激光雷达的扫描精度较差，即雷达扫描出的每个点的位置精度差，就是说激光雷达每次转到同一个位置时，测到的却不一定是同一个点的信息。

此外，对半导体激光进行准直后进行激光测距，激光功率的利用率(光通量/发射光通量)尤其重要，利用率高则出射激光的功率高，测距能力就强，反之则弱。现在所用的准直系统，在有限的尺寸范围内，如果所用准直透镜20的焦距大，则激光的利用率就会低(激光利用角度θ＝arc(透镜直径/透镜焦距))，例如，由图3可知，上述现有技术中的准直系统的激光利用率仅为0.14203。如果所用准直透镜的焦距小，则激光利用率就高，但远场的光斑就会大，使得测量精度变差。

因此，现有技术中准直系统使激光雷达存在测距能力和测量精度无法兼顾的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中准直系统使激光雷达存在测距能力和测量精度无法兼顾的问题，根据本申请的第一个方面，本申请提供一种用于激光雷达的光束整形装置，其中，所述激光雷达包括用于发射激光光束的激光光束源，所述激光光束包括快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束，所述光束整形装置包括：

第一准直镜，所述第一准直镜用于对快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直；

第二准直镜，所述第二准直镜用于对慢轴方向激光光束进行第二次准直；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处；

所述孔径光阑和所述第二准直镜共同压缩所述慢轴方向激光光束的发散角度；所述激光光束源、所述激光光束、所述第一准直镜、所述孔径光阑、以及所述第二准直镜同轴。

进一步地，所述孔径光阑和所述第二准直镜将所述慢轴方向激光光束的发散角度压缩为与所述快轴方向激光光束的发散角度一致。

进一步地，所述激光光束源为激光二极管或激光发生阵列器。

进一步地，当所述激光光束源为激光发生阵列器时，所述第一准直镜为所述第一准直镜阵列。

进一步地，所述第一准直镜为短焦球面镜或短焦非球面镜。

进一步地，所述第二准直镜为柱状透镜。

进一步地，所述激光光束在被测物体上形成的光斑与所述第二准直镜之间的距离≥30米。进一步地，所述孔径光阑的通光孔为长方形。

根据本申请的第二个方面，本申请提供一种上述光束整形装置对远场光斑的整形方法，包括步骤：

通过第一准直镜对激光光束的快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直；

通过设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处的孔径光阑限制所述慢轴方向激光光束的大小

通过第二准直镜对慢轴方向激光光束进行第二次准直；

所述孔径光阑和所述第二准直镜共同压缩所述慢轴方向激光光束的发散角度。

进一步地，所述孔径光阑和所述第二准直镜将所述慢轴方向激光光束的发散角度压缩为与所述快轴方向激光光束的发散角度一致。

与现有技术相比较，本申请的优势在于：

本发明对现有的准直系统进行改良，在现有技术的激光雷达的准直系统长度增加有限的情况下(长度增加≤15％)，能够显著提高激光的利用率，从而显著提高了激光雷达的测距能力；同时，可根据不同的使用要求通过调整孔径光阑的宽度对激光的远场光斑进行整形(将远场光斑整形为正方形或者近似正方形的矩形)，能够均衡远场光斑的X轴和Y轴方向上的位置分辨率，从而提高激光雷达的测量精度。

附图说明

图1为现有技术中激光雷达的慢轴方向激光光束通过准直透镜进行准直的模拟光学追迹示意图；

图2为现有技术中激光雷达的快轴方向激光光束通过准直透镜准直后的模拟光学追迹示意图；

图3为现有技术中激光准直整形后的远场光斑形状示意图以及激光利用率数值；

图4为本申请的快轴方向激光光束的模拟光学追迹示意图；

图5为本申请的慢轴方向激光光束的模拟光学追迹示意图；

图6位本申请的激光准直整形后的远场光斑形状示意图。

附图标记：

11-现有技术中的慢轴方向激光光束发光区、111-现有技术中的慢轴方向激光光束、12-现有技术中的快轴方向激光光束发光区、121-现有技术中的快轴方向激光光束、20-现有技术中的准直透镜、321-第一准直镜、322-第二准直镜、323-孔径光阑、311-快轴方向激光光束发光区、3111-快轴方向激光光束、312-慢轴方向激光光束发光区、3121-慢轴方向激光光束。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，详细阐述本发明的优势。

本申请的第一个方面提供一种用于激光雷达的光束整形装置。具体地，所述光束整形装置用于所述激光雷达的发射系统。其中，所述激光雷达的发射系统包括用于发射激光光束的激光光束源。优选地，所述激光光束源为半导体激光器。优选地，所述半导体激光器为激光二极管或激光发生阵列器。当所述激光光束源为激光发生阵列器时，所述第一准直镜为所述第一准直镜阵列，相应地，所述孔径光阑为孔径光阑阵列和所述第二准直镜为第二准直镜阵列。以上对半导体激光器的举例仅是示例性的，还可以包括本领域技术人员常用的其他技术手段。

图4-6所示为本申请提供的用于激光雷达的光束整形装置的光束整形原理示意图。所述光束整形装置包括第一准直镜321、第二准直镜322、以及孔径光阑323。

图4所示为本申请的快轴方向激光光束3111的整形原理示意图，所述快轴方向激光光束发光区311发出的快轴方向激光光束3111首先被所述第一准直镜321准直。优选地，所述第一准直镜321为短焦球面镜或短焦非球面镜。优选地，本申请的所述第一准直镜321的焦距小于现有技术中的准直透镜20的焦距。被第一准直镜321准直之后的所述快轴方向激光光束3111依次经过孔径光阑323和第二准直镜322。孔径光阑323的通光孔是一个长方形，通光孔的长方向是用于通过经第一准直透镜后的快轴方向激光光束，但是通光孔的长方向对快轴方向激光光束不加任何限制，通光孔的短方向是用于通过经第一准直透镜后的慢轴方向激光光束，可通过不同使用要求来调整短方向的宽度，从而压缩慢轴方向激光光束的发散角。但是，第二准直镜322对快轴方向激光光束3111不起任何作用。换句话说，本申请的所述快轴方向激光光束3111仅仅被第一准直镜321准直，孔径光阑323和第二准直镜322对快轴方向激光光束不起任何限制作用。因为本申请的快轴方向激光光束只有一个短焦的第一准直透镜，所以本申请在快轴方向上光斑的宽度会大于原系统。

图5所示为慢轴方向激光光束3121的整形原理示意图，所述慢轴方向激光光束发光区312发出的慢轴方向激光光束3121首先被所述第一准直镜321进行第一次准直，然后依次经过孔径光阑323和第二准直镜322。被第一准直镜321准直之后的慢轴激光光束被所述孔径光阑323的长方形通光孔的短方向限制光束大小，所述孔径光阑323设置于所述第一准直镜321和所述第二准直镜322之间，且设置于慢轴方向束腰处。最后，从所述孔径光阑323出来的所述慢轴方向激光光束3121被所述第二准直镜322进行第二次准直。优选地，所述第二准直镜322为柱状透镜。优选地，所述第二准直镜322的焦距和现有技术中的准直系统的准直透镜20的焦距一致。所述第二准直镜322对于快轴方向激光光束的作用相当于一个平面镜，即对快轴方向的激光光束不起任何作用；所述第二准直镜322对于慢轴方向激光光束而言则起到准直作用。其中，所述激光光束源、所述激光光束311的主光轴、所述第一准直镜321、所述孔径光阑323、以及所述第二准直镜322同轴。所述孔径光阑323和所述第二准直镜322共同实现压缩所述慢轴方向激光光束3112的发散角度，从而使所述激光光束的远场光斑的形状为接近正方形的矩形。该矩形的长宽比没有固定的数值范围，这和使用的激光管的型号、第一第二透镜的焦距比例及孔径光阑的慢轴方向的宽度有关。但是，本申请的远场光斑的矩形的长宽比远小于现有技术的准直方案中的长宽比。优选地，所述慢轴方向激光光束3112的发散角度被压缩为与快轴方向激光光束3111一致，则远场光斑的形状为正方形。所述发散角度是指激光光束经过第二准直镜322后的发散锥角。从图6可知，慢轴方向激光光束3121在所述孔径光阑323及第二准直透镜322的共同作用下，其发散角度被压缩为与所述快轴方向激光光束3111的发散角度一致，即30米远处的远场光斑为正方形，则能够均衡远场光斑的X轴和Y轴方向上的位置分辨率，从而提高激光雷达的扫描精度，即激光雷达扫描出的每个点的位置精度，就是说雷达每次转到这里，测到的都是同一个点，从而提高测量精度。通过图3和图6可知，本申请的激光光束整形装置压缩了慢轴方向激光光束对应的远场光斑的Y轴方向的尺寸，将现有技术中的远场光斑的形状由长宽比较大的长条形整形为长宽比更小的近似正方形的矩形或者正方形。本申请并不局限于905nm激光光束，适用于所有半导体激光光束的整形。

值得注意的是，本申请的光束整形装置同时适用于快轴方向激光光束3111和慢轴方向激光光束3121，图4和图5仅仅是为了理解方便而将快轴方向激光光束3111和慢轴方向激光光束3121分开示意，换句话说，同一激光光束源发射的快轴方向激光光束3111和慢轴方向激光光束3121共用同一光束整形装置。在另一实施例中，如果所述激光光束源为激光发生阵列器时，则相应地，所述第一准直镜321为所述第一准直镜阵列，所述孔径光阑323为孔径光阑阵列，所述第二准直镜322为第二准直镜阵列。

综上，快轴方向激光光束3111的光束整形只是利用第一准直镜321，孔径光阑323和第二准直镜322对快轴方向激光光束3111不起整形作用。而慢轴方向激光光束3121的光束整形则需要利用整个光束整形装置。因此，本申请与现有技术中的准直系统相比，在整个光学系统长度增加有限的情况下(长度增加≤15％)，通过调整孔径光阑在慢轴方向激光光束的通光孔的大小，可压缩慢轴方向激光光束对应的远场光斑的Y轴方向的尺寸，从而使远场光斑的形状为正方形或接近正方形的矩形，从而提高测量精度。

如果仅用一焦距小于现有技术中准直系统的准直透镜20的第一准直镜321对激光光源进行准直，此时如果不加光阑及第二准直镜，其准直后的远场光斑的快轴方向的宽度(远场光斑的X轴)相对于现有技术中的狭长形的长条形光斑的宽度会增加，而慢轴方向的长度(远场光斑的Y轴)已经超过了接收靶面，远场光斑在X轴和Y轴的分布更加不均衡，因此，激光雷达在X轴和Y轴方向上的位置分辨率更加不均衡，激光雷达的测量精度会更差。因此，只有通过本申请的同时包括短焦的第一准直镜、具有方形通光孔的孔径光阑以及第二准直镜的光束整形装置才能将激光的远场光斑整形为正方形或接近正方形的矩形，从而提高测量精度。

值得注意的是，本申请的光束整形装置除了可以将远场光斑整形为正方形或接近正方形的矩形之外，更重要的一点是，能够提高激光雷达发射系统的激光利用率。对于激光利用率的测试，光学软件的模拟和实际测量相差不大。由图6光学软件的模拟可知，本申请的光通量/发射光通量的比值为0.43783，相比于现有技术中准直系统的光通量/发射光通量的比值为0.14203，本申请显著提高了激光利用率。这个数值是针对所举的例子得出的，实际的利用率是根据不同的第一准直镜、第二准直镜和激光管的型号及孔径光阑的大小来决定的。但本申请的光束整形装置的激光利用率相比于现有技术中的准直系统有大幅的提升。因此，本申请的光束整形装置显著提高激光利用率，测距能力显著提升。

综上，本申请相比于现有技术中的准直系统，在系统长度增加有限的情况下，优选地，长度增加15％以内，可大幅提高激光的利用效率；同时，可根据不同的使用要求通过调整孔径光阑的宽度将远场光斑整形为正方形或接近正方形的矩形，从而提高测量精度。

根据本申请的第二个方面，本申请提供一种上述光束整形装置对远场光斑的整形方法，包括步骤：

通过第一准直镜321对激光光束311的快轴方向激光光束3111和慢轴方向激光光束3112进行第一次准直；

在所述慢轴方向激光光束3112的束腰处设置孔径光阑323；以及

通过第二准直镜322对慢轴方向激光光束3112进行第二次准直；

所述孔径光阑323和所述第二准直镜322共同作用以压缩所述慢轴方向激光光束3121的发散角度，从而使经过所述第二准直镜322准直后的激光光束的远场光斑为正方形或接近正方形的矩形。优选地，当所述孔径光阑323将所述慢轴方向激光光束3121的发散角度被压缩为与所述快轴方向激光光束3111的发散角度一致时，远场光斑为正方形。

从激光光束源发出的激光光束经过本申请的上述光束整形装置和整形方法的整形之后，激光利用率大幅度提高，从而显著提高测距能力；而且远场光斑的形状为正方形或者接近正方形的矩形，从而提高测量精度。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达的光束整形装置，所述激光雷达包括用于发射激光光束的激光光束源，所述激光光束包括快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束，其特征在于，所述光束整形装置包括：

第一准直镜，所述第一准直镜用于对快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直；

第二准直镜，所述第二准直镜用于对慢轴方向激光光束进行第二次准直；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处；

所述孔径光阑和所述第二准直镜共同压缩所述慢轴方向激光光束的发散角度；所述激光光束源、所述激光光束、所述第一准直镜、所述孔径光阑、以及所述第二准直镜同轴。

2.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述孔径光阑和所述第二准直镜将所述慢轴方向激光光束的发散角度压缩为与所述快轴方向激光光束的发散角度一致。

3.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述激光光束源为激光二极管或激光发生阵列器。

4.如权利要求3所述的光束整形装置，其特征在于，当所述激光光束源为激光发生阵列器时，所述第一准直镜为所述第一准直镜阵列。

5.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述第一准直镜为短焦球面镜或短焦非球面镜。

6.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述第二准直镜为柱状透镜。

7.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述激光光束在被测物体上形成的光斑与所述第二准直镜之间的距离≥30米。

8.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述孔径光阑的通光孔为长方形。

9.一种如权利要求1-8中任一所述光束整形装置对远场光斑的整形方法，其特征在于，包括步骤：

通过第一准直镜对激光光束的快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直；

通过设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处的孔径光阑限制所述慢轴方向激光光束的大小通过第二准直镜对所述慢轴方向激光光束进行第二次准直；所述孔径光阑和所述第二准直镜共同压缩所述慢轴方向激光光束的发散角度。

10.如权利要求9所述的光束整形装置对远场光斑的整形方法，其特征在于，所述孔径光阑和所述第二准直镜将所述慢轴方向激光光束的发散角度压缩为与所述快轴方向激光光束的发散角度一致。

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