CN113466830B - 一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，包括成像光学组件、光学微开关、杂光反馈组件。其中成像光学组件将视场范围内的扫描点进行成像；光学微开关位于成像光学组件的焦点前方，其包含多个子开关，每个子开关都可独立开启及闭合。通过控制光学微开关上每个子开关的开启及闭合可实现特定视场光线的透射。杂光反馈组件通过光学微开关上子开关的开启闭合信息及自身不同位置的图像灰度信息，可以得到信号光及视场内外杂散光在光学微开关上的位置。通过控制光学微开关上对应位置子开关的开启闭合，实现信号光的透射及杂散光的散射。本发明结构形式简单，可精确识别信号光及视场内外杂散光位置，克服了传统激光雷达接收光学系统难以抑制视场内杂散光的难题。

Description

一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统
技术领域
本发明属于激光雷达接收光学系统技术领域，特别涉及一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统。
背景技术
探测器在行星着陆过程中，需要对行星表面的三维地形进行精确识别，从而准确导航避障。为给探测器提供较大的机动范围，避障敏感器需要具备较远的工作距离以及较强的杂光抑制能力。
避障敏感器接收光学系统将散射回来的激光阵列扫描点能量聚焦在芯片上。接收光学系统须具备超强杂光抑制能力，才能够满足避障敏感器远距离的地形识别。
传统激光雷达接收光学系统往往采用遮光罩来抑制视场外杂光；采用滤光片来抑制视场内信号光谱段外的杂光。上述两种方法在应用方面都存在局限性。遮光罩仅能够对视场外的杂光进行抑制，对视场内的杂光不起作用；滤光片对视场内和信号光不同谱段的杂光有一定的抑制作用，但滤光片无法抑制和信号同谱段的杂光。另外由于光学系统具有一定的视场，滤光片的带宽无法做的很窄，导致带宽内的杂光无法有效抑制。
因此上述传统方法无法实现视场内及视场外杂散光的有效抑制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，包括成像光学组件、光学微开关、杂光反馈组件；
视场内的扫描点信号光以及杂散光首先经过成像光学组件，成像光学组件对信号光线进行聚焦成像，对杂散光进行散射、反射后经过光学微开关，光学微开关对信号光及杂散光进行筛选，使信号光通过，杂散光吸收，而后到达杂光反馈组件，杂光反馈组件根据光强信息向光学微开关发送指令。
所述成像光学组件为像方远心光学系统，其焦距为f，半视场为θ0，入瞳直径为D0；扫描点信号光经过成像光学组件后，各视场的主光线与光轴的夹角不大于0.3度。
所述光学微开关位于成像光学组件的焦平面前方；所述光学微开关的表面为黑色，可有效吸收照射到其表面的光线，且光学微开关和成像光学组件是共轴关系。
所述光学微开关的前表面和成像光学组件的焦平面的距离为L；光学微开关包含N个子开关，每个子开关都可独立开启及闭合。
子开关的个数N和扫描点的个数N1满足以下关系式：
N＝4nN1
n＝0,1,2…。
所述光学微开关上每个子开关的形状均为正方形，其边长H满足以下关系式：
杂光反馈组件的感光面位于成像光学组件的焦平面上；所述杂光反馈组件和光学微开关和成像光学组件是共轴关系；所述杂光反馈组件有效收集经过成像光学组件及光学微开关的光线，并形成相应的灰度信息。
所述杂光反馈组件和光学微开关存在闭环反馈关系；杂光反馈组件通过控制光学微开关上每个子开关的开启与闭合以及对应的灰度信息，可精确获得每个信号光在光学微开关上的位置，从而准确开启信号光位置处的子开关，实现信号光和杂散光的有效区分。
当视场内和视场外同时存在多个强杂光光源，杂光光源和信号光同时经过成像光学组件后到达光学微开关上时，杂光反馈组件关闭杂光光源成像处的光学微开关并开启信号光成像处的光学微开关，同时有效抑制视场内及视场外的杂光；必要时关闭部分信号光处的光学微开关来进一步抑制视场内及视场外杂光。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)、传统激光雷达接收光学系统通常采用遮光罩来来抑制杂散光，然而遮光罩仅对抑制角外的杂散光起作用，不能消除视场内的杂散光。本发明采用光学微开关及杂光反馈组件来筛选信号光和杂散光。其中杂光反馈组件和光学微开关存在闭环反馈关系。杂光反馈组件通过控制光学微开关上每个子开关的开启与闭合以及对应的灰度信息，可精确获得每个信号光在光学微开关上的位置，从而准确开启信号光位置处的子开关，实现信号光和杂散光的有效区分。可同时抑制视场内及视场外的杂散光，克服了传统激光雷达接收光学系统难以抑制视场内杂散光的不足。
(2)、传统激光雷达接收光学系统仅通过视场光阑来控制视场，无其他额外措施进一步控制视场。本发明在成像光学组件的焦平面前方加入了光学微开关。光学微开关包含N个子开关，每个子开关都可独立开启及闭合。光学微开关仅开通扫描点成像处的光路，其余视场全部被阻挡，从而更精确的控制视场，同时更有效的抑制视场外杂散光，克服了传统激光雷达接收光学系统难以精确控制视场及难以有效抑制视场外杂散光的不足。
附图说明
图1为一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，该系统包括成像光学组件1、光学微开关2、杂光反馈组件3。
视场内的扫描点信号光以及杂散光首先经过成像光学组件1，成像光学组件1对信号光线进行聚焦成像，对杂散光进行散射、反射。其次经过光学微开关2，光学微开关2对信号光及杂散光进行筛选，使信号光通过，杂散光吸收。最后到达杂光反馈组件3，杂光反馈组件3根据光强信息向光学微开关发送指令。
成像光学组件为像方远心光学系统，其焦距为f，半视场为θ0，入瞳直径为D0。扫描点信号光经过成像光学组件后，各视场的主光线与光轴的夹角不大于0.3度；
光学微开关位于成像光学组件的焦平面前方。所述光学微开关的前表面和成像光学组件的焦平面的距离为L；所述光学微开关包含N个子开关，每个子开关都可独立开启及闭合。子开关的个数N和扫描点的个数N1满足以下关系式：
N＝4nN1
n＝0,1,2…
所述光学微开关上每个子开关的形状均为正方形，其边长H满足以下关系式：
所述光学微开关和成像光学组件是共轴关系；所述光学微开关的表面为黑色，可有效吸收照射到其表面的光线。
杂光反馈组件的感光面位于成像光学组件的焦平面上。所述杂光反馈组件和光学微开关和成像光学组件是共轴关系；所述杂光反馈组件可有效收集经过成像光学组件及光学微开关的光线，并形成相应的灰度信息；所述杂光反馈组件和光学微开关存在闭环反馈关系。杂光反馈组件通过控制光学微开关上每个子开关的开启与闭合以及对应的灰度信息，可精确获得每个信号光在光学微开关上的位置，从而准确开启信号光位置处的子开关，实现信号光和杂散光的有效区分；
当视场内和视场外同时存在多个强杂光光源，杂光光源和信号光同时经过成像光学组件后到达光学微开关上时，杂光反馈组件可关闭杂光光源成像处的光学微开关并开启信号光成像处的光学微开关，同时有效抑制视场内及视场外的杂光；必要时可关闭部分信号光处的光学微开关来进一步抑制视场内及视场外杂光。
实施例1：
如图1所示，一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，该系统包括成像光学组件、光学微开关、杂光反馈组件，
视场内的扫描点信号光以及杂散光首先经过成像光学组件1，成像光学组件1对信号光线进行聚焦成像，对杂散光进行散射、反射。其次经过光学微开关2，光学微开关2对信号光及杂散光进行筛选，使信号光通过，杂散光吸收。最后到达杂光反馈组件3，杂光反馈组件3根据光强信息向光学微开关发送指令。
成像光学组件为像方远心光学系统，其焦距为f＝37.6mm，半视场为θ0＝8.5°，入瞳直径为D0＝35mm。扫描点信号光经过成像光学组件后，各视场的主光线与光轴的夹角不大于0.3°；
光学微开关位于成像光学组件的焦平面前方。光学微开关的前表面和成像光学组件的焦平面的距离为2.1mm；光学微开关包含100个子开关扫描点的个数100个，每个子开关都可独立开启及闭合。
光学微开关上每个子开关的形状均为正方形，其边长H满足以下关系式：
光学微开关的表面为黑色，光线吸收率为85％。
杂光反馈组件的感光面位于成像光学组件的焦平面上。
假设信号光和杂散光都在视场内，进入光学系统的信号光功率密度及杂散光功率密度均为1W/mm2。
对整个模型的光学镜片以及结构设置合适的光学属性后，进行仿真。结果表明到达像面的信号光功率以及杂散光功率分别为804W以及1.75E-4W，杂光抑制比为2.18E-7，可见所述方法对视场内的杂光有极强的抑制效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：包括成像光学组件(1)、光学微开关(2)、杂光反馈组件(3)；
视场内的扫描点信号光以及杂散光首先经过成像光学组件(1)，成像光学组件(1)对信号光线进行聚焦成像，对杂散光进行散射、反射后经过光学微开关(2)，光学微开关(2)对信号光及杂散光进行筛选，使信号光通过，杂散光吸收，而后到达杂光反馈组件(3)，杂光反馈组件(3)根据光强信息向光学微开关发送指令；
所述杂光反馈组件(3)和光学微开关(2)存在闭环反馈关系；杂光反馈组件(3)通过控制光学微开关(2)上每个子开关的开启与闭合以及对应的灰度信息，可精确获得每个信号光在光学微开关(2)上的位置，从而准确开启信号光位置处的子开关，实现信号光和杂散光的有效区分。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：所述成像光学组件(1)为像方远心光学系统，其焦距为f，半视场为θ0，入瞳直径为D0；扫描点信号光经过成像光学组件(1)后，各视场的主光线与光轴的夹角不大于0.3度。
3.根据权利要求2所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：所述光学微开关(2)位于成像光学组件(1)的焦平面前方；所述光学微开关(2)的表面为黑色，可有效吸收照射到其表面的光线，且光学微开关(2)和成像光学组件(1)是共轴关系。
4.根据权利要求2所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：所述光学微开关(2)的前表面和成像光学组件(1)的焦平面的距离为L；光学微开关(2)包含N个子开关，每个子开关都可独立开启及闭合。
5.根据权利要求4所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：子开关的个数N和扫描点的个数N1满足以下关系式：
N＝4nN1
n＝0,1,2…。
6.根据权利要求4所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：所述光学微开关(2)上每个子开关的形状均为正方形，其边长H满足以下关系式：
7.根据权利要求1所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：杂光反馈组件(3)的感光面位于成像光学组件(1)的焦平面上；所述杂光反馈组件(3)和光学微开关(2)和成像光学组件(1)是共轴关系；所述杂光反馈组件(3)有效收集经过成像光学组件(1)及光学微开关(2)的光线，并形成相应的灰度信息。
8.根据权利要求1所述的一种基于光学微开关的激光雷达接收光学系统，其特征在于：当视场内和视场外同时存在多个强杂光光源，杂光光源和信号光同时经过成像光学组件(1)后到达光学微开关(2)上时，杂光反馈组件(3)关闭杂光光源成像处的光学微开关并开启信号光成像处的光学微开关，同时有效抑制视场内及视场外的杂光；必要时关闭部分信号光处的光学微开关来进一步抑制视场内及视场外杂光。
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