CN113406597B - 一种矩阵光源准直系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非成像光学设计技术领域，具体为一种矩阵光源准直系统。该准直系统包括准直单元矩阵，每个准直单元包括一个非球面透镜和一个标准透镜。非球面透镜整体有两个非球面，两个非球面具有不同的面型数据，标准透镜为普通透镜。本准直系统结构紧凑，口径限制严格，对于矩阵激光光源的准直，能量损失小，准直效果好，具有较高的光能利用率，能大大提升激光光源的探测距离，提升目前激光雷达测距效果，有效解决目前激光探测距离受限严重的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学设计和测量技术领域，具体涉及一种矩阵光源准直系统。
背景技术
测距型激光雷达是非常常用的一种仪器，可以帮助人们在无接触的情况下得知远处物体的距离，广泛应用于军事、智能机器人等领域。激光光束的发散角以及能量大小是影响距离测量的重要评价指标，减小光束的发散角可以使得光束能够探测的距离更远，增加激光的发射功率可以使反射回的光线强度更强提高测量的灵敏度。采用矩阵光源可以很好地避免通过增加单光源能量阈值上限的问题，而通过透镜组对矩阵光源的准直可以很好地提升光源的探测距离，是提升激光雷达探测距离的重要步骤。
VCSEL光源具有垂直发光的特性，因此得以组成二维矩阵激光光源，在集成度上相对于其他的激光光源都具有很大的优势。但是在没有任何其他的结构帮助下，其发散角大，难以做到远距离的探测，使得其在激光测距上的使用受到极大限制，所以需要为其专门设计一款准直系统，来改善其发散角大小，使其满足远距离探测的光束需求。
此前对于矩阵激光光源的准直几乎没有，多存在阵列光源的准直，光源仅为一维直线排列，且在准直过程中，针对光源整体进行准直，整体设计过程繁琐，结构复杂，加工难度大，使用要求高。
发明内容
本发明的目的在于设计一种矩阵光源准直系统，以解决目前激光雷达测距距离受限的问题。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种矩阵光源准直系统，其包括矩阵激光光源和矩阵准直透镜单元；每个准直透镜单元为一个非球面透镜和一个标准透镜的组成的透镜组；所述非球面透镜为中心旋转对称、具有两个非球面的透镜，两个非球面分别为非球面入射面和非球面出射面，两个非球面具有不同的面型数据；标准透镜面型由软件直接优化得到。使用时，矩阵激光光源中的激光光源与矩阵准直透镜单元中的准直透镜单元为一一对应关系，每个激光光源中心与透镜组的透镜中心在一条直线上，激光光源发出的光线经由非球面透镜的非球面入射面，到达非球面出射面，经过非球面透镜的准直后，再经过标准透镜准直射出。
本发明中，矩阵激光光源为VCSEL矩阵光源。
本发明中，矩阵激光光源中的单激光光源的发散角大小在24~25°之间。
本发明中，非球面入射面、非球面出射面分别用于实现光线的扩束和准直。
本发明中，非球面透镜与标准透镜的口径小于等于矩阵光源单光源之间的距离。
本发明中，光线通过非球面透镜和标准透镜后，出射的光线角度在0~1°之间。
本发明充分考虑了激光雷达测距的准直需求，并深入了解了现有激光雷达在测量距离上受限的主要原因，采用非球面透镜设计准直透镜组，可以满足当前对激光雷达测距扩展至千米范围的需要，其有益性充分体现在：
1、本发明中准直透镜矩阵是通过对矩阵光源的每个光源单元进行一对一的准直，本发明采用的非球面透镜与标准透镜组成的透镜矩阵，结构简单，与光源一一配对，对光源的利用效率高；
2、本发明采用的准直透镜材质可以根据实际需求进行选取，只需对面型进行参数的修改，灵活多变，并且相对于利用反射法设计的准直透镜，无需镀膜，制造成本低；
3、本发明可通过ZEMAX光学设计软件，通过构建合理的光源就可在软件上进行准直结果的观测；本发明提供的矩阵光源的准直系统对光束的准直效果非常突出，仅需简单计算就可以获得非常突出的效果；本发明中标准透镜的主要设置方式来自于通过非球面透镜后的光线的发散角大小，其可根据ZEMAX自带的优化功能进行面型的微调，确保对不同角度的光线进行角度的调整，达到准直的效果。同时非球面透镜与标准透镜之间的距离，是可以进行调整并自我设置的，当两者之间的距离改变时，对标准透镜的面型和口径再进行重新调整。当距离变化不大或者说是由于安装时产生的误差，对于角度的影响较小；
4、 本发明采用的VCESL光源，由于其独特的发光特性，可以制成二维矩阵，由此增强探测光束的光强大小，同时，单光源的功率大小较小，对人眼的损伤较小，适合在生活中普及使用；
5、本发明无需设置光阑，避免了VCSEL光源能量的浪费。
综上所述，相较于现有的激光准直透镜，本发明只需要非球面透镜和标准透镜的简单组合，不需要其他结构，透镜组关于中心旋转对称，结构简单，且透镜矩阵的单元排列方式可以按照光源排布调整，灵活多变，计算方便，成本低廉，准直效果突出（24°，<1°），利用光源与透镜一对一准直的思想，对光源的利用效率高（>85%），在提升对光源的探测距离的同时，结构简单，口径控制良好，对于激光雷达的进一步性能提升具有重要意义。
附图说明
图1为本发明矩阵光源准直系统结构示意图。
图2为本发明实施例中透镜矩阵单元结构示意图。
图3为本发明实施例中VCSEL矩阵单光源准直过程的ZEMAX光线追迹图。
图4为本发明实例中VCSEL矩阵光源准直过程的ZEMAX光线追迹图。
图5为本发明实施例中VCSEL矩阵光源单光源的辐射强度分布图。
图6为本发明实施例中VCSEL矩阵光源单光源准直后的辐射强度分布图。
图7为本发明实施例中距离VCSEL矩阵光源1000.00mm处目标面的辐照分布图。
图8为本发明实施例中距离VCSEL矩阵光源10000.00mm处目标面的辐照分布图。
图中标号: 1-矩阵激光光源，2-非球面透镜，20-非球面入射面，21-非球面出射面，3-标准透镜，4-探测器表面。
具体实施方式
以下通过具体实施例和相关附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1和2所示，本发明提供的一种矩阵光源准直系统，包括非球面透镜2和标准透镜3组成的透镜矩阵；其中非球面透镜2为中心旋转对称透镜，具有两个非球面，分别为非球面入射面20和非球面出射面21，两个非球面具有不同的面型数据。标准透镜面型利用ZEMAX软件优化得到。使用时，矩阵激光光源1中的激光光源与矩阵准直透镜单元中的准直透镜单元为一一对应关系，每个激光光源中心与透镜组的透镜中心在一条直线上，激光光源发出的光线到达非球面透镜2的非球面入射面20，经过非球面透镜的准直后，到达非球面出射面21，再经过标准透镜3准直射出。这里分别给出在本实例中使用的非球面两个面的面型数据：
非球面入射面20：
非球面出射面21：
在本实施例中，矩阵激光光源1采用VCSEL矩阵光源，其排列呈蜂窝状，单光源的口径大小为8微米，光源之间的距离为50微米。初始时，单光源的发散角大小为25°/24.5°，子午面和弧矢面基本一致。
在本实例情况下，透镜材质选用亚克力PMMA材质，非球面透镜和标准透镜的直径均为58微米，厚度均为3微米。
如图3所示，在本实施例中，在光学设计软件ZEMAX中对利用准直系统对VCSEL矩阵光源的单光源进行准直的过程进行光线追迹。如图4所示，在光学设计软件ZEMAX中利用准直系统对VCSEL矩阵光源进行准直的过程进行光线追迹。
所使用的VCSEL光源的光线经过非球面入射面20发生一定的扩束后，经过非球面出射面21发生折射被准直，随后经标准透镜3进一步准直后，射入探测器表面4。最后，单光源的出射光线的发散角被控制在1°以内，整体矩阵光光源的发散角也被控制在1°以内，几乎没有光源之间串扰的影响。
探测器表面4距离光源1的距离为1000mm和10000mm。利用ZEMAX进行由七个呈蜂窝状的单光源组成的VCSEL矩阵光源，组装与其对应的准直系统后的仿真探测。图5和图6分别展示了距离VCSEL矩阵光源1000mm和10000mm处目标面的辐照分布图；在距离为1000mm时，探测器表面4的直径设置为60mm，探测结果表明，整体对光源能量的利用率比较高，为82.9%；在距离为10000mm时，探测器表面4的直径设置为600mm，探测结果表明，整体对光源的利用效率依旧很高，为82.3%。在两种距离下的仿真探测证明，本次设计的针对VCSEL矩阵光源的准直系统对光源有良好的准直效果且对光源能量利用效率高。
综上所述，本发明公开了一种矩阵光源准直系统，不仅可以对VCSEL矩阵光源进行准直，同时能极大减小准直透镜的口径大小，只需要利用一片非球面透镜2和一片标准透镜3就能对光源1进行相当程度上的准直。相比于现有的准直系统，口径小，结构简单，装配方便，成本低廉，同时对光源的能量利用效率高。
实施例中仅选取了特定的VCSEL光源、非球面透镜2以及标准球面镜3尺寸，用于具体说明本发明的实验思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种矩阵光源准直系统，其特征在于，其包括矩阵激光光源（1）和矩阵准直透镜单元；每个准直透镜单元为一个非球面透镜（2）和一个标准透镜（3）的组成的透镜组；所述非球面透镜（2）为中心旋转对称透镜、具有两个非球面，两个非球面分别为非球面入射面（20）和非球面出射面（21），两个非球面具有不同的面型数据；标准透镜面型直接由软件优化得到；使用时，矩阵激光光源（1）中的激光光源与矩阵准直透镜单元中的准直透镜单元为一一对应关系，每个激光光源中心与透镜组的透镜中心在一条直线上，激光光源发出的光线经由非球面透镜（2）的非球面入射面（20），到达非球面出射面（21），经过非球面透镜的准直后，再经过标准透镜（3）准直射出；其中：
非球面入射面（20）、非球面出射面（21）分别用于实现光线的扩束和准直；
非球面入射面（20）的面型数据如下：
；
非球面出射面（21）的面型数据如下：
。
2.根据权利要求1所述的矩阵光源准直系统，其特征在于，矩阵激光光源（1）为VCSEL矩阵光源。
3.根据权利要求1所述的矩阵光源准直系统，其特征在于，矩阵激光光源（1）中的激光光源单元发散角的大小在24~25°之间。
4.根据权利要求1所述的矩阵光源准直系统，其特征在于，非球面透镜（2）、标准透镜（3）的口径均小于等于矩阵光源单光源之间的距离。
5.根据权利要求1所述的矩阵光源准直系统，其特征在于，光线通过非球面透镜（2）和标准透镜（3）后，出射的光线角度在0~1°之间。
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