CN111896937A - 一种用于光束叠加的光学模组和激光系统 - Google Patents

一种用于光束叠加的光学模组和激光系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于光束叠加的光学模组和激光系统，属于光斑叠加技术领域，包括光路传输方向依次设置的分光镜和反射镜，所述分光镜用于对入射的第一光源光束分束出射，所述反射镜位于所述分光镜的出光侧且与所述分光镜呈预设夹角，用于对入射的第二光源光束反射出射，反射出射的所述第二光源光束与分束出射的所述第一光源光束叠加。采用两个光源分别入射分光镜和反射镜，使分束的光束和反射的光束叠加，能够实现短距离检测，且叠加后的光斑均匀。

Description

一种用于光束叠加的光学模组和激光系统
技术领域
本发明涉及光斑叠加技术领域，具体而言，涉及一种用于光束叠加的光学模组和激光系统。
背景技术
目前，激光雷达(Lidar)应用叠加光斑时，可以采用两束激光实现远场激光光束叠加，这种叠加方式对应用距离有严格的要求，无法应用于2m以内的短距离检测。并且由于用于光束叠加的激光光源的光束质量的不同，导致激光叠加不均。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光束叠加的光学模组和激光系统，能够实现短距离检测，且激光叠加均匀。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面提供一种用于光束叠加的光学模组，其包括沿光路传输方向依次设置的分光镜和反射镜，所述分光镜用于对入射的第一光源光束分束出射，所述反射镜位于所述分光镜的出光侧且与所述分光镜呈预设夹角，用于对入射的第二光源光束反射出射，反射出射的所述第二光源光束与分束出射的所述第一光源光束叠加。
可选地，所述分光镜包括分光棱镜或两个平板，两个所述平板之间设有夹角。
可选地，所述分光镜包括分光棱镜，所述分光棱镜包括对称设置在所述第一光源的主光轴两侧的两个棱镜。
可选地，所述第一光源的出射方向和所述第二光源的出射方向垂直，且所述预设夹角为0～180°。
可选地，所述反射镜在光路传输方向的投影宽度等于或大于所述第一光源分束的两束光束之间的距离，且所述第二光源的宽度大于所述反射镜在所述第二光源出射方向的投影宽度。
可选地，所述分光镜和所述反射镜的入光侧分别设有第一准直透镜和第二准直透镜。
可选地，所述第一准直透镜和分光镜之间设有整形透镜。
可选地，所述整形透镜的入射面为凹面，出射面为凸面。
可选地，所述分光镜靠近所述反射镜的面为平面。
可选地，所述反射镜的出射方向依次设有阵列透镜和楔形镜。
可选地，所述阵列透镜包括沿垂直于所述第一光源的主光轴方向依次设置的第一阵列透镜和第二阵列透镜，所述楔形镜包括第一楔形镜和第二楔形镜，所述第一楔形镜和所述第二楔形镜设置于所述第一阵列透镜和/或第二阵列透镜的出光侧。
本发明实施例的另一方面提供一种激光系统，其包括上述的用于光束叠加的光学模组，以及沿第一方向设置的第一激光光源和沿第二方向设置的第二激光光源，所述用于光束叠加的光学模组的分光镜位于所述第一激光光源出光方向，所述用于光束叠加的光学模组的反射镜位于所述第二激光光源出光方向。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组和激光系统，采用分光镜将第一光源光束分束出射，反射镜位于分光镜的出光侧，反射镜将第二光源光束反射出射，反射出射的光束和分束出射的光束沿光路传输方向叠加，形成叠加光斑。采用两个光源分别入射分光镜和反射镜，使分束的光束和反射的光束叠加，能够实现短距离检测，且叠加后的光斑均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组第一方向光路图；
图3为本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组第二方向光路图；
图4为本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组阵列透镜和楔形镜结构示意图；
图5为本发明实施例提供的激光系统结构示意图。
图标：11－第一激光光源；12－第二激光光源；101－第一准直透镜；102－第二准直透镜；200－整形透镜；300－分光镜；301－第一棱镜；302－第二棱镜；400－反射镜；500－阵列透镜；501－第一阵列透镜；502－第二阵列透镜；503－第三阵列透镜；600－楔形镜；601－第一楔形镜；602－第二楔形镜；D－宽度；d－距离；d1－第一投影宽度；d2－第二投影宽度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
激光雷达应用叠加光斑时，可采用两束激光实现远场激光光束叠加，这种叠加方式对应用距离有严格的要求，一般无法应用于2m以内的短距离检测。并且由于用于光束叠加的激光光源的光束质量的不同，会导致激光叠加不均。
为解决上述问题，本实施例提供一种用于光束叠加的光学模组，能够实现短距离检测，且激光叠加均匀。
具体地，请参照图1，本实施例提供的用于光束叠加的光学模组包括沿光路传输方向依次设置的分光镜300和反射镜400，分光镜300用于对入射的第一光源光束分束出射，反射镜400位于分光镜300的出光侧且与分光镜300呈预设夹角，用于对入射的第二光源光束反射出射，反射出射的第二光源光束与分束出射的第一光源光束叠加。
分光镜300用于将单束光分成两束或更多束光，第一光源入射分光镜300后，分光镜300将第一光源出射的光束进行分束出射。
分束的光束可以平行出射，也可以汇聚出射或发散出射，与分光镜300的分光方向有关。
例如，如图2所示，光路传输方向为图2中向右的方向，第一光源光束入射分光镜300后，分束的光束发散出射。
图2为第一方向光路图，图3为第二方向的光路图，当第一方向为快轴时，例如图2为快轴方向的光路图，则图3为慢轴方向的光路图。反之亦然。
如图5所示，分光镜300的形状改变时，第一光源光束入射分光镜300后，分束的光束平行出射。
分光镜300包括分光棱镜，分光棱镜可以为一个整体的分光棱镜，也可以为对称设置在第一光源的主光轴两侧的两个棱镜，分别为第一棱镜301和第二棱镜302，实现将第一光源光束分束成两束光出射。
如图2和图5所示，第一棱镜301和第二棱镜302对称分布位于第一光源主光轴两侧，且第一棱镜301和第二棱镜302的形状相同，这时经第一棱镜301和第二棱镜302分束的光束对称出射。
分光镜300还可为两个平板，两个平板之间设有夹角。平板也称为平行平板或平板玻璃。
经分光镜300和反射镜400后，可获得光斑均匀的光斑分布，通过两个棱镜或两个平板的角度的调整，改变分束光束的出光方向，可以改变光斑叠加的能量分布。
并且，为了节省本用于光束叠加的光学模组的空间，分光镜300靠近反射镜400的面为平面，以减小用于光束叠加的光学模组的体积。
反射镜400位于分光镜300的出光侧，反射镜400和分光镜300呈预设夹角，第二光源出射的光束射向反射镜400后反射出射，这样一来，反射出射的光束就和第一光源分束出射的光束在光路传输方向上进行叠加，形成叠加或连接的光斑。
需要说明的是，分束出射的光束和反射出射的光束形成各自的光斑后，这些光斑中，至少要有部分光斑相互连接或相互叠加，以得到叠加光斑。相互连接或拼接形成的光斑可看成叠加的一种情况。
本发明实施例提供的用于光束叠加的光学模组，采用分光镜300将第一光源光束分束出射，反射镜400位于分光镜300的出光侧，反射镜400将第二光源光束反射出射，反射出射的光束和分束出射的光束沿光路传输方向叠加，形成叠加光斑。采用两个光源分别入射分光镜300和反射镜400，使分束的光束和反射的光束叠加，能够实现短距离检测，且叠加后的光斑均匀。
进一步地，分光镜300和反射镜400的入光侧分别设有准直透镜，分别为第一准直透镜101和第二准直透镜102，第一准直透镜101用于对入射的第一光源光束准直，第一准直透镜101用于对入射的第二光源光束准直。
第一准直透镜101和分光镜300之间设有整形透镜200，用于对经第一准直透镜101的光束进行整形。
整形透镜200的入射面为凹面，出射面为凸面，形成弯月形透镜。
示例地，第一光源的出射方向和第二光源的出射方向垂直，且反射镜400与分光镜300呈预设夹角为0～180°，即反射镜400与第一光源主光轴方向的夹角为0～180°。
这样一来，第二光源光束入射反射镜400后，反射出射的光束插进第一光源入射分光镜300后分束的两束光束之间，这种反射光束插空合束于分束光束之间，使得合束的光束的中心线一致。
反射镜400在光路传输方向的投影宽度(即第一投影宽度d1)等于或大于第一光源分束的两束光束之间的距离d，且第二光源的宽度D大于反射镜400在第二光源出射方向的投影宽度(即第二投影宽度d2)。
当反射镜400为圆形，其投影宽度即为投影直径；当第二光源出射面为圆形，第二光源的宽度D即为第二光源的直径。
当反射镜400在光路传输方向的投影直径(即第一投影宽度d1)等于第一光源分束的两束光束之间的距离d时，第一光源分束的两束光束刚好沿反射镜400的两边缘出射，此时，第二光源的直径大于反射镜400在第二光源出射方向的投影直径(即第二投影宽度d2)，则第二光源光束的出射范围与反射镜400相比有余量，则反射镜400可全反射接收到的光束，这样一来，分束的两束光束和反射的光束形成的三段光斑为无缝拼接，即三段光斑没有叠加，刚好依次连接成一体。
当反射镜400在光路传输方向的投影直径(即第一投影宽度d1)大于第一光源分束的两束光束之间的距离d时，第一光源分束的两束光束有部分被反射镜400阻挡，未阻挡的光束沿反射镜400的两边缘出射，与反射镜400反射第二光源光束形成的三段光斑也为无缝拼接。
反射镜400在光路传输方向的投影直径大于(即第一投影宽度d1)第一光源分束的两束光束之间的距离d时，但反射镜400在光路传输方向的投影直径(即第一投影宽度d1)不能大于分光镜300在光路传输方向的投影直径，避免反射镜400将第一光源光束全部阻挡，使第一光源经分光镜300后的分束光束无法射向光斑接收面。
进一步地，反射镜400的出射方向依次设有阵列透镜500和楔形镜600，阵列透镜500对前述光束进行匀化，或者可形成不同束角的角空间平顶光斑，经阵列透镜500的光束再经楔形镜600折射后在远场形成角空间的叠加光斑。
阵列透镜500可以为整片微阵列透镜500，对前述光束进行匀化；阵列透镜500也可以为具有不同焦距的微阵列透镜500的拼接，以形成角空间下的光斑分布。
示例地，阵列透镜500包括沿垂直于第一光源主光轴方向依次设置的第一阵列透镜501和第二阵列透镜502，楔形镜600包括第一楔形镜601和第二楔形镜602，第一楔形镜601和第二楔形镜602设置于第一阵列透镜501和/或第二阵列透镜502的出光侧。
当阵列透镜500包含第一阵列透镜501和第二阵列透镜502时，第一楔形镜601和第二楔形镜602可均位于其中一个阵列透镜500的出光侧，此时，如图5所示，第一楔形镜601和第二楔形镜602可看成一个整体的楔形镜600。
或者如图4所示，第一楔形镜601和第二楔形镜602分别位于第一阵列透镜501和第二阵列透镜502的出光侧。第一楔形镜601和第二楔形镜602沿第一光源主光轴方向对称设置，相对放置或者背向放置。
阵列透镜500还可包括第三阵列透镜503，如图4和图5所示，第三阵列透镜503位于第一阵列透镜501和第二阵列透镜502之间。
第一光源光束分束的两束光束分别入射第一阵列透镜501和第二阵列透镜502，第二光源光束经反射镜400反射后入射第三阵列透镜503。
本发明实施例还公开了一种激光系统，包括如上述实施例的用于光束叠加的光学模组，以及沿第一方向设置的第一激光光源11和沿第二方向设置的第二激光光源12，用于光束叠加的光学模组的分光镜300位于第一激光光源11出光方向，用于光束叠加的光学模组的反射镜400位于第二激光光源12出光方向。
该激光系统包含与前述实施例中的用于光束叠加的光学模组相同的结构和有益效果。用于光束叠加的光学模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于光束叠加的光学模组，其特征在于，包括沿光路传输方向依次设置的分光镜和反射镜，所述分光镜用于对入射的第一光源光束分束出射，所述反射镜位于所述分光镜的出光侧且与所述分光镜呈预设夹角，用于对入射的第二光源光束反射出射，反射出射的所述第二光源光束与分束出射的所述第一光源光束叠加。
2.根据权利要求1所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述分光镜包括分光棱镜或两个平板，两个所述平板之间设有夹角。
3.根据权利要求2所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述分光镜包括分光棱镜，所述分光棱镜包括对称设置在所述第一光源的主光轴两侧的两个棱镜。
4.根据权利要求1所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述第一光源的出射方向和所述第二光源的出射方向垂直，且所述预设夹角为0～180°。
5.根据权利要求4所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述反射镜在光路传输方向的投影宽度等于或大于所述第一光源分束的两束光束之间的距离，且所述第二光源的宽度大于所述反射镜在所述第二光源出射方向的投影宽度。
6.根据权利要求1所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述分光镜和所述反射镜的入光侧分别设有第一准直透镜和第二准直透镜。
7.根据权利要求6所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述第一准直透镜和分光镜之间设有整形透镜。
8.根据权利要求7所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述整形透镜的入射面为凹面，出射面为凸面。
9.根据权利要求1所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述分光镜靠近所述反射镜的面为平面。
10.根据权利要求1所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述反射镜的出射方向依次设有阵列透镜和楔形镜。
11.根据权利要求10所述的用于光束叠加的光学模组，其特征在于，所述阵列透镜包括沿垂直于所述第一光源的主光轴方向依次设置的第一阵列透镜和第二阵列透镜，所述楔形镜包括第一楔形镜和第二楔形镜，所述第一楔形镜和所述第二楔形镜设置于所述第一阵列透镜和/或第二阵列透镜的出光侧。
12.一种激光系统，其特征在于，包括如权利要求1－11任意一项所述的用于光束叠加的光学模组，以及沿第一方向设置的第一激光光源和沿第二方向设置的第二激光光源，所述用于光束叠加的光学模组的分光镜位于所述第一激光光源出光方向，所述用于光束叠加的光学模组的反射镜位于所述第二激光光源出光方向。
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