CN112986954A - 激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达的发射单元，包括：远心透镜系统，所述远心透镜系统的远心度小于等于预设值，远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小；和激光器阵列，所述激光器阵列包括多个激光器，位于所述远心透镜系统的光路上游，每个激光器可发出激光并入射到所述远心透镜系统上。本发明还提供一种接收单元、以及包括该发射单元和/或接收单元的激光雷达。

Description

激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达

技术领域

本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及包括远心透镜系统的激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达。

背景技术

激光雷达(LiDAR)是激光主动探测传感器设备的一种统称，基于TOF(时间飞行法)技术的激光雷达其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。

对于面阵发射、面阵接收的固态激光雷达，例如激光器采用VCSEL激光器，激光器出光面在同一个平面，与光轴垂直，激光准直出射时，为保证边缘视场位置的激光也能有效出射，需要相对较大的透镜尺寸，且各视场主光线应尽可能平行。同样的，对于接收端，当滤光片位于探测器附近时，应尽量避免大角度入射光线造成滤光片中心波长漂移(滤光片中心波长会随入射角发生偏移，导致信号光不能被探测器接收)，即接收端也应尽可能保证各视场主光线尽可能平行。

要保证面阵激光器能有效出射，一种方案是将激光器布置在曲面上，让每个激光器出光轴均指向出射透镜的光阑中心，这样，可保证光能量有效出射。

曲面形状的激光器阵列布局需要较复杂的工艺控制，预期成本也相对较高。现有固态激光雷达并未对光学镜头结构进行详细描述，而普通的车载摄像镜头由于数值孔径较小等原因往往并不适用于激光雷达应用。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达。

本发明提供一种激光雷达的发射单元，包括：

远心透镜系统，所述远心透镜系统的远心度小于等于预设值，远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小；和

激光器阵列，所述激光器阵列包括多个激光器，位于所述远心透镜系统的光路上游，每个激光器可发出激光并入射到所述远心透镜系统上。

根据本发明的一个方面，所述预设值为10°，所述激光器阵列位于所述远心透镜系统的焦平面上。

根据本发明的一个方面，所述激光器阵列是由垂直腔面发射激光器或边发射激光器构成的激光器阵列。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统的最大有效口径，2h为所述激光器阵列的高度，D为所述远心透镜系统的入瞳直径。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的最接近所述激光器阵列的表面的顶点相对所述激光器阵列的距离为L′，满足L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统的焦距。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的F数F/#，满足1.5≤F/#≤3。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述激光器的波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统的入瞳直径D在5mm-40mm之间，所述远心透镜系统的焦距f在7.5mm-100mm之间。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统包括至少两个透镜，所述透镜材质为玻璃、塑料或玻璃和塑料的混合。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近所述激光器阵列的方向依序排布的三个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为正光焦度非球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度非球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为负光焦度非球面透镜。

根据本发明的一个方面，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质为塑料，包括EP-6000、OKP-V1或APP-600中的一种或多种。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近激光器阵列的方向依序排布的四个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为负光焦度球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为正光焦度球面透镜；

第四透镜，所述第四透镜为正光焦度球面透镜。

根据本发明的一个方面，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质为玻璃，包括H-ZF52。

本发明还提供一种激光雷达的接收单元，包括：

远心透镜系统，所述远心透镜系统的远心度小于等于预设值，远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小；和

探测器阵列，所述探测器阵列包括多个探测器，位于所述远心透镜系统的光路下游，所述远心透镜系统可接收激光雷达回波并将其会聚至探测器上。

根据本发明的一个方面，所述预设值为10°，所述探测器位于所述远心透镜系统的焦平面上。

根据本发明的一个方面，所述探测器阵列是由单个或线列探测器组成的面阵，或面阵探测器。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统的最大有效口径，2h为所述探测器阵列的高度，D为所述远心透镜系统的入瞳直径。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的最接近所述探测器阵列的表面的顶点相对所述探测器阵列的距离为L′，满足L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统的焦距。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的F数F/#，满足1.5≤F/#≤3。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述探测器的工作波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统的入瞳直径D在5mm-40mm之间，所述远心透镜系统的焦距f在7.5mm-100mm之间。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近探测器阵列的方向依序排布的三个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为正光焦度非球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度非球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为负光焦度非球面透镜。

根据本发明的一个方面，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质为塑料，包括EP-6000、OKP-V1或APP-600中的一种或多种。

根据本发明的一个方面，所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近探测器阵列的方向依序排布的四个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为负光焦度球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为正光焦度球面透镜；

第四透镜，所述第四透镜为正光焦度球面透镜。

根据本发明的一个方面，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质为玻璃，包括H-ZF52。

本发明还提供一种激光雷达，包括所述激光雷达的发射单元和/或所述激光雷达的接收单元。

本发明提出了一种针对固态激光器雷达应用的远心镜头方案，对于一定视场大小的激光雷达镜头，该远心镜头可保证全视场位置的激光器光能量均能有效出射。相对于采用曲面形状的激光器阵列布局，该方案具有工艺简单、成本低的优势。此外，本发明中的远心透镜系统具有远心、透镜直径小、大数值孔径、大视场的特点，因此可以实现结构紧凑、体积小的光学系统。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示意性第示出了本发明的第一方面的激光雷达的发射单元；

图2示意性地示出了根据本发明第一方面的激光雷达的发射单元的参数示意图；

图3示意性地示出了本发明的第二方面的激光雷达的接收单元；

图4示意性地示出了根据本发明第二方面的激光雷达的接收单元的参数示意图；

图5示出了本发明的一个优选实施例的远心透镜系统结构；

图6示出了本发明的另一个优选实施例的远心透镜系统结构。

100…激光雷达的发射单元

101…远心透镜系统

101-AP…远心透镜系统的孔径光阑

102…激光器阵列

LD1…激光器

L11…边缘光线

L12…主光线

L13…边缘光线

LD2…激光器

L21…边缘光线

L22…主光线

L23…边缘光线

LN…像面法线

200…激光雷达的接收单元

201…远心透镜系统

201-AP…远心透镜系统的孔径光阑

202…探测器阵列

PD1…探测器

L11＇…边缘光线

L12＇…主光线

L13＇…边缘光线

PD2…探测器

L21＇…边缘光线

L22＇…主光线

L23＇…边缘光线

500…远心透镜系统结构

600…远心透镜系统结构

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明的第一方面用于激光发射的发射单元100的示意图，其例如可用于激光雷达中，下面参考图1详细描述。

如图1所示，发射单元100包括远心透镜系统101和激光器阵列102。激光器阵列102包括多个激光器，位于远心透镜系统101的光路上游，每个激光器可发出激光并入射到该远心透镜系统101上。图中示意性示出了激光器阵列102包括两个激光器，分别为第一激光器LD1和第二激光器LD2。本领域技术人员容易理解，本发明的保护范围不限于此，激光器阵列102可包括数目更多的激光器。下面以两个激光器为例进行说明。

第一激光器LD1发射出具有一定发散角的激光束，其中光线L11和L13为通过远心透镜系统101的孔径光阑101-AP边缘的光线，即激光器LD1发射光束的边缘光线，光线L12为通过远心透镜系统101的孔径光阑101-AP中心的光线，即激光器LD1发射光束的主光线。第二激光器LD2发射出具有一定发散角的激光束，其中光线L21和L23为通过远心透镜系统101的孔径光阑101-AP边缘的光线，即激光器LD2发射光束的边缘光线，光线L22为通过远心透镜系统101的孔径光阑101-AP中心的光线，即激光器LD2发射光束的主光线。第一激光器LD1和第二激光器LD2的发射光束经远心透镜系统101准直后(的)出射光束与远心透镜系统101的光轴成不同的角度，即对应不同的视场,如图1中第一激光器LD1对应视场L1,第二激光器LD2对应视场L2。激光器阵列102位于所述远心透镜系统101的焦平面上，其发光面(或等效发光面)垂直于所述远心透镜系统101的光轴。焦平面上不同高度的激光器发射光束与不同的(出射)视场相对应。本实施例中采用了远心透镜系统101，该远心透镜系统的远心度小于或等于预设值，即在0°与预设值之间。本发明中，远心透镜系统的远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小，各视场的主光线为通过远心透镜系统的孔径光阑中心的光线，结合图1，即激光器阵列102中的激光器发射光束的主光线与激光器阵列102所在的焦平面法线的夹角。根据本发明的一个优选实施例，远心透镜系统101的远心度≤10°，即主光线L12和L22在像方与像面法线的夹角θ≤10°，下文将结合图2详细描述远心透镜系统101的远心度。

根据远心透镜系统的特性，远心透镜系统101的孔径光阑101-AP位于远心透镜系统101的前焦点位置处。透镜各视场的主光线通过孔径光阑101-AP的中心出射，因此各视场的主光线在远心透镜系统的像方所在的一侧(即图1中远心透镜系统101的右侧)相平行，即与不同视场对应的第一激光器LD1的主光线L12和第二激光器LD2的主光线L22相平行。即激光器的发射光束中心可沿主光线L12、L22通过孔径光阑101-AP中心出射，即便较大视场位置(边缘视场位置，即该位置的发射光束经远心透镜系统101准直后向雷达外部的出射光束与远心透镜系统101的光轴成较大角度)的激光器亦可保证激光能量有效出射。本发明的实施例中，通过光学镜头远心设计，激光器阵列102可以布置在平面上，工艺相对简单，较容易实现。因此，具有一定远心度的远心光学镜头是固态激光雷达较佳的选择。另外，图1中的远心透镜系统101可以包括不同数量的透镜，这些都在本发明的保护范围内。远心透镜系统101的各镜头可以是纯塑料镜头或玻璃镜头、或塑料-玻璃混合镜头。

激光器阵列102中的激光器包括但不限于垂直腔面发射激光器VCSEL或边发射激光器，激光器阵列102可以是多个激光发光单元形成的二维面阵，也可以是单个或一维列阵的激光发光单元贴置于同一个或者多个激光发射板上。

图2示出了根据本发明第一方面的发射单元100的参数示意图。

发射单元100的像面即远心透镜系统101的焦平面。在图1和图2的发射单元中，像面为激光器阵列102所在的平面。如图2所示，各视场主光线在像方与像面法线LN的夹角θ(即远心度)≤10°，即第一激光器LD1和第二激光器LD2的主光线L12和L22分别与像面法线LN所成的角度θ≤10°。

举例来说，当采用垂直腔面发射激光器VCSEL时，激光器的全角发散角为20°。如果激光器不做微透镜压缩时，边缘视场主光线与像面法线夹角如果大于10°，则将损失约50％出射能量。本发明的上述实施例中，通过将夹角θ限定为小于等于10°，能够确保全视场位置的激光器光能量均能有效出射。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统102满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统101的最大有效口径，即远心透镜系统中最大透镜的直径；2h为像面器件(如所述激光器阵列102，即承载激光器的激光发射板)的高度；D为所述远心透镜系统的入瞳直径(例如图1和图2中所示的孔径光阑101-AP即相当于入瞳)。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统101的最接近所述激光器阵列102的表面的顶点相对所述激光器阵列102的距离为L′，满足关系L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统101的焦距。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统101的F数F/#(F/#＝f/D)，满足1.5≤F/#≤3，其中D为所述远心透镜系统101的入瞳直径、f为所述远心透镜系统101的焦距。举个例子，VCSEL激光器的全角发散角为20°,激光器不做微透镜压缩时，为保证激光有效出射，则F/#应小于2.8；若按照50um发光面尺寸，1.5°发散角要求，则焦距f应大于2mm。从设计可实现性角度，F/#应大于1.5。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统101的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述激光器的波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统101的入瞳直径D在5mm-40mm之间，所述远心透镜系统101的焦距f在7.5mm-100mm之间。考虑视场拼接，最小视场限定为40°，考虑可实现性，最大视场限定为120°。

图3示出了根据本发明的第二方面用于激光探测的接收单元200的示意图，其例如可用于激光雷达中，下面参考图3详细描述。

如图3所示，接收单元200包括远心透镜系统201和探测器阵列202。探测器阵列202包括多个探测器，位于远心透镜系统201的光路下游，远心透镜系统201可接收雷达回波并将其会聚到探测器上。图中示意性示出了探测器阵列202包括两个探测器，分别为第一探测器PD1和第二探测器PD2。探测器阵列202位于所述远心透镜系统201的焦平面上，其探测器所在平面垂直于所述远心透镜系统201的光轴。焦平面上不同高度的探测器与不同的(入射)视场相对应。本领域技术人员容易理解，本发明的保护范围不限于此，探测器阵列202可包括数目更多的探测器。下面以两个探测器为例进行说明。

本实施例中采用了远心透镜系统201，该远心透镜系统的远心度小于或等于预设值。本发明中，远心透镜系统201的远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小，结合图3，即各个探测器对应接收视场的主光线与探测器所在探测器阵列202所在的焦平面法线的夹角。根据本发明的一个优选实施例，远心透镜系统201的远心度≤10°，即不同视场L1＇和L2＇(L1＇和L2＇分别与远心透镜系统201的光轴成不同的角度，视场L1对应PD1接收，视场L2对应PD2接收)主光线L12＇和L22＇在像方与像面法线的夹角θ≤10°，视场L1＇和L2＇的主光线L12＇和L22＇通过远心透镜系统201的孔径光阑201-AP的中心，视场L1＇和L2＇的边缘光线L11＇和L13＇以及L21＇和L23＇通过远心透镜系统201的孔径光阑201-AP的边缘。

根据远心透镜系统的特性，远心透镜系统201的孔径光阑201-AP位于远心透镜系统201的前焦点位置处。来自外部不同视场L1＇和L2＇的光束通过孔径光阑201-AP入射到所述远心透镜系统201上，经过所述远心透镜系统201被会聚到探测器阵列202的探测器上。由于各视场的主光束通过孔径光阑201-AP的中心入射，因此各视场的主光线在远心透镜系统的像方所在的一侧(即图3中远心透镜系统201的右侧)相平行，即第一探测器PD1和第二探测器PD2对应视场的主光线L12＇和L22＇相平行。即探测器的接收光束中心可沿主光线L12＇、L22＇通过孔径光阑201-AP中心入射，当滤光片位于探测器阵列202附近时，到达滤光片的主光线也是平行的，能够实现有效探测。图3中的远心透镜系统201可以包括不同数量的透镜，这些都在本发明的保护范围内。远心透镜系统201的各镜头可以是纯塑料镜头或玻璃镜头、或塑料-玻璃混合镜头。

探测器阵列202可以是由单个或线列探测器组成的面阵，或面阵探测器，包括但不限于APD、SPAD、SiPM。

图3所示的接收单元200的结构类似于图1所示的发射单元100的结构，其中将图1的激光器阵列替换为图3的探测器阵列。此外，图1所示实施例中的其他特征同样可适用于图3的接收单元200，此处不再赘述。

图4示出了根据本发明第二方面的接收单元200的参数示意图。

图4所示的接收单元200的参数与图2所示发射单元100的参数相同，其中将图2中的激光器LD1、LD2替换为图4中的探测器PD1、PD2，出射光线L12、L22替换为图4中的入射光线L12＇、L22＇此外，图2所示实施例中的其他特征同样可适用于图4的接收单元。

如图4所示，接收单元200的像面即远心透镜系统201的焦平面。在图3和图4的接收单元中，像面为探测器阵列202所在的平面。如图4所示，各视场主光线在像方与像面法线LN的夹角θ(即远心度)≤10°，即第一探测器PD1和第二探测器PD2分别对应的视场L1＇和L2＇的主光线L12＇和L22＇分别与像面法线LN所成的角度θ≤10°。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统201满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统201的最大有效口径，即远心透镜系统中最大透镜的直径；2h为像面器件(如所述探测器阵列202，即承载探测器的电路板)的高度；D为所述远心透镜系统的入瞳直径(例如图3和图4中所示的孔径光阑201-AP即相当于入瞳)。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统201的最接近所述探测器阵列202的表面的顶点相对所述探测器阵列202的距离为L′，满足关系L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统201的焦距。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统201的F数F/#(F/#＝f/D)，满足1.5≤F/#≤3，其中D为所述远心透镜系统201的入瞳直径、f为所述远心透镜系统201的焦距。

根据本发明的一个优选实施例，所述远心透镜系统201的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述探测器的感光波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统201的入瞳直径D在5mm-40mm之间，焦距f在7.5mm-100mm之间。考虑视场拼接，最小视场限定为40°，考虑可实现性，最大视场限定为120°。

图1-4示出了根据本发明实施例的发射单元100和接收单元200的示意图，其中均包括远心透镜系统。图5示出了根据本发明的一个优选实施例的远心透镜系统结构的示意图。

图5示出了一个采用塑料材料设计的远心透镜系统400，其中采用三片非球面塑料镜片，材料可选用EP-6000、OKP-V1或APP-600等,在图5中从左到右分别为第一透镜、第二透镜和第三透镜。其中，第一透镜为正光焦度，第二片透镜为正光焦度，第三片透镜为负光焦度。第三片透镜靠近焦平面附近。参考图5，各个表面的具体参数如表1和表2所示。其中，厚度是指当前表面顶点距下一最近表面顶点的距离；HFOV为视场角全角FOV的一半。

表1

表2

该远心透镜系统可用于激光雷达的发射单元、接收单元。当把图5所示的远心透镜系统400用于发射单元/接收单元中时，第一透镜、第二透镜、第三透镜沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近激光器阵列/探测器阵列的方向依序排布。

图6示出了根据本发明的另一个优选实施例的远心透镜系统结构的示意图：

图6是示出了一个采用玻璃材料设计的激光雷达远心透镜系统500采用四片球面镜片，玻璃材料可选用H-ZF52等，在图6中从左到右分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜。其中第一透镜为负光焦度，第二、第三、第四透镜均为正光焦度。第四片透镜靠近焦平面附近。参考图4，各个表面的具体参数如表3所示。表中厚度是指当前表面顶点距下一表面顶点的距离。HFOV为视场角全角FOV的一半。

表3

该远心透镜系统可用于激光雷达的发射单元、接收单元。当把图6所示的远心透镜系统500用于发射单元/接收单元中时，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近激光器阵列/探测器阵列的方向依序排布。

本发明还涉及一种激光雷达，包括如上所述的发射单元100和/或如上所述的接收单元200以及信号处理单元。

本发明的实施例提出了一种针对固态激光器雷达应用的远心镜头方案，对于一定视场大小的激光雷达镜头，该远心镜头可保证全视场位置的激光器光能量均能有效出射。相对于采用曲面形状的激光器阵列布局，该方案具有工艺简单、成本低的优势。此外，本发明实施例中的远心透镜系统具有远心、透镜直径小、大数值孔径、大视场的特点，因此可以实现结构紧凑、体积小的光学系统。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (24)

1.一种激光雷达的发射单元，包括：

远心透镜系统，所述远心透镜系统的远心度小于等于预设值，远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小；和

激光器阵列，所述激光器阵列包括多个激光器，位于所述远心透镜系统的光路上游，每个激光器可发出激光并入射到所述远心透镜系统上。

2.如权利要求1所述的发射单元，其中所述预设值为10°，所述激光器阵列位于所述远心透镜系统的焦平面上。

3.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述激光器阵列是由垂直腔面发射激光器或边发射激光器构成的激光器阵列。

4.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统的最大有效口径，2h为所述激光器阵列的高度，D为所述远心透镜系统的入瞳直径。

5.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统的最接近所述激光器阵列的表面的顶点相对所述激光器阵列的距离为L′，满足L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统的焦距。

6.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统的F数为F/#，满足1.5≤F/#≤3。

7.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述激光器的波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统的入瞳直径D在5mm-40mm之间，所述远心透镜系统的焦距f在7.5mm-100mm之间。

8.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统包括至少两个透镜，所述透镜材质为玻璃、塑料或玻璃和塑料的混合。

9.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近所述激光器阵列的方向依序排布的三个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为正光焦度非球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度非球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为负光焦度非球面透镜。

10.如权利要求9所述的发射单元，其中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质为塑料，包括EP-6000、OKP-V1或APP-600中的一种或多种。

11.如权利要求1或2所述的发射单元，其中所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近激光器阵列的方向依序排布的四个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为负光焦度球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为正光焦度球面透镜；

第四透镜，所述第四透镜为正光焦度球面透镜。

12.如权利要求11所述的发射单元，其中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质为玻璃，包括H-ZF52。

13.一种激光雷达的接收单元，包括：

远心透镜系统，所述远心透镜系统的远心度小于等于预设值，远心度的定义为各视场主光线在像方与像面法线的夹角大小；和

探测器阵列，所述探测器阵列包括多个探测器，位于所述远心透镜系统的光路下游，所述远心透镜系统可接收激光雷达回波并将其会聚至探测器上。

14.如权利要求13所述的接收单元，其中所述预设值为10°，所述探测器位于所述远心透镜系统的焦平面上。

15.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述探测器阵列是由单个或线列探测器组成的面阵，或面阵探测器。

16.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统满足以下条件：D′≤2h+D，其中D′为所述远心透镜系统的最大有效口径，2h为所述探测器阵列的高度，D为所述远心透镜系统的入瞳直径。

17.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统的最接近所述探测器阵列的表面的顶点相对所述探测器阵列的距离为L′，满足L′≤f/2，其中f为所述远心透镜系统的焦距。

18.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统的F数F/#，满足1.5≤F/#≤3。

19.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统的视场角全角FOV满足40°≤FOV≤120°，所述探测器的工作波长在850nm-950nm之间，所述远心透镜系统的入瞳直径D在5mm-40mm之间，所述远心透镜系统的焦距f在7.5mm-100mm之间。

20.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近探测器阵列的方向依序排布的三个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为正光焦度非球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度非球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为负光焦度非球面透镜。

21.如权利要求20所述的接收单元，其中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质为塑料，包括EP-6000、OKP-V1或APP-600中的一种或多种。

22.如权利要求13或14所述的接收单元，其中所述远心透镜系统包括沿所述远心透镜系统的光轴朝着靠近探测器阵列的方向依序排布的四个透镜，其中：

第一透镜，所述第一透镜为负光焦度球面透镜；

第二透镜，所述第二透镜为正光焦度球面透镜；

第三透镜，所述第三透镜为正光焦度球面透镜；

第四透镜，所述第四透镜为正光焦度球面透镜。

23.如权利要求22所述的接收单元，其中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质为玻璃，包括H-ZF52。

24.一种激光雷达，包括如权利要求1-12中任一项所述的发射单元和/或如权利要求13-23中任一项所述的接收单元。

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