CN113740828B - 共轴激光雷达光学系统及激光雷达 - Google Patents

共轴激光雷达光学系统及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明适用于激光雷达技术领域，提供了一种共轴激光雷达光学系统及激光雷达，上述光学系统包括：激光发射装置、反射镜、轴锥镜及激光接收装置；其中，反射镜带有中孔；轴锥镜与激光接收装置共轴；激光发射装置发射的激光光束经目标物体反射后形成回波光束，回波光束经反射镜反射后形成平行于轴锥镜的光轴的入射光束；入射光束由轴锥镜的锥面进入轴锥镜后，经轴锥镜的底面反射，再由轴锥镜的锥面射出，形成平行于轴锥镜的光轴的出射光束；出射光束穿过反射镜的中孔入射到激光接收装置。本发明采用轴锥镜使激光光束更加集中分布在激光接收装置的光轴中心，提高了近轴区光束分布比例，提高了激光雷达的增益。

Description

共轴激光雷达光学系统及激光雷达
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种共轴激光雷达光学系统及激光雷达。
背景技术
激光雷达作为一种精密传感系统，具有测距精度高、角度分辨率高、重复频率高等优异性能，被广泛应用于智能机器人、自动牵引车、智能/辅助驾驶和安防等领域。激光雷达的收发光路主要有平行轴和共轴两种方案。对于共轴结构的激光雷达，通常采用带中孔的接收透镜及其置于孔内的发射模块以提高收发效率。
现有技术中，通常通过增大接收透镜的孔径来提高共轴结构激光雷达的增益。但增大接收透镜的孔径同时会影响边缘光线的像差，从而降低光束接收效率，因此，接收透镜的孔径受限，激光雷达的增益的改善受限，效果不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种共轴激光雷达光学系统及激光雷达，以解决现有技术中通过增大接收透镜的孔径来提高共轴结构激光雷达的增益，效果不理想的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种共轴激光雷达光学系统，包括：激光发射装置、反射镜、轴锥镜及激光接收装置；其中，反射镜带有中孔；轴锥镜的底面设置有反射膜；轴锥镜与激光接收装置共轴；
激光发射装置发射的激光光束经目标物体反射后形成回波光束，回波光束经反射镜反射后形成平行于轴锥镜的光轴的入射光束；入射光束由轴锥镜的锥面进入轴锥镜后，经轴锥镜的底面反射，再由轴锥镜的锥面射出，形成平行于轴锥镜的光轴的出射光束；出射光束穿过反射镜的中孔入射到激光接收装置。
可选的，反射镜的镜面与轴锥镜的光轴之间的夹角为45°。
可选的，反射镜的中孔为椭圆形，反射镜的中孔在第一平面上的投影为圆形，且反射镜在第一平面上的投影的孔径不小于激光接收装置的口径；
激光接收装置的光轴穿过反射镜的中孔的中心；
其中，第一平面与激光接收装置的光轴垂直。
可选的，反射镜的中孔在第二平面上的投影为圆形，激光发射装置的光轴穿过反射镜的中孔的中心，且激光发射装置的口径不大于激光接收装置的口径；
其中，第二平面与激光发射装置的光轴垂直。
可选的，轴锥镜的锥面的顶点与激光接收装置的前表面顶点之间的距离不小于1.5倍的激光接收装置的口径。
可选的，激光发射装置与激光接收装置的光轴之间的垂直距离大于激光接收装置的口径。
可选的，反射镜的中孔在第一平面上的投影的孔径、激光发射装置的口径及激光接收装置的口径均相同。
可选的，轴锥镜的参数满足如下公式：
其中，t为轴锥镜的厚度，w为轴锥镜的底面的直径；δ为轴锥镜的楔角，n为轴锥镜的折射率，d为激光接收装置的口径。
可选的，对于预设波长范围内的波束，反射膜的反射率大于第一阈值；对于预设波长范围外的光束，反射膜的反射率小于第二阈值；
其中，第一阈值大于第二阈值。
本发明实施例的第二方面提供了一种激光雷达，包括本发明实施例第一方面提供的共轴激光雷达光学系统。
本发明实施例提供了一种共轴激光雷达光学系统及激光雷达，上述光学系统包括：激光发射装置、反射镜、轴锥镜及激光接收装置；其中，反射镜带有中孔；轴锥镜的底面设置有反射膜；轴锥镜与激光接收装置共轴；激光发射装置发射的激光光束经目标物体反射后形成回波光束，回波光束经反射镜反射后形成平行于轴锥镜的光轴的入射光束；入射光束由轴锥镜的锥面进入轴锥镜后，经轴锥镜的底面反射，再由轴锥镜的锥面射出，形成平行于轴锥镜的光轴的出射光束；出射光束穿过反射镜的中孔入射到激光接收装置。本发明实施例采用轴锥镜使激光光束更加集中分布在激光接收装置的光轴中心，提高了近轴区光束分布比例，从而提高了激光雷达的增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种共轴激光雷达光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种共轴激光雷达光学系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的再一种共轴激光雷达光学系统的结构示意图；
图4是在Zemax混合模式下对图2所示的共轴激光雷达光学系统进行仿真得到的表面点列图；
图5是在Zemax非序列模式下对图2所示的共轴激光雷达光学系统进行仿真中得到的S1处的光强分布图；
图6是在Zemax非序列模式下对图2所示的共轴激光雷达光学系统进行仿真中得到的S5处的光强分布图；
图7是在Zemax非序列模式下对图2所示的共轴激光雷达光学系统进行仿真中得到的S6处的光强分布图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
作为精密传感系统的激光雷达，具有测距精度高、角度分辨率高、重复频率高等优异性能，被广泛应用于智能机器人、自动牵引车、智能/辅助驾驶和安防等领域。激光雷达的光学系统对产品性能指标和可靠性起着关键性的决定作用。激光雷达的收发光路主要有平行轴和共轴两种方案。对于共轴结构的激光雷达，通常采用带中孔的接收透镜(接收透镜挖孔形成环形接收孔径)及其置于孔内的发射模块以提高收发效率，可通过增大接收透镜的孔径来提高共轴结构激光雷达的增益。但大孔径接收透镜的孔径的成本和制作工艺要求难度较高，接收透镜挖孔对光学系统而言损失了光学性能最理想的近轴区，随着光线远离光轴其边缘光线的像差影响越大，孔径越大对接收透镜的边缘像差校正要求也越高，降低了光束的接收效率，激光雷达增益的改善严重受限。
基于以上，参考图1，本发明实施例提供了一种共轴激光雷达光学系统，包括：激光发射装置1、反射镜2、轴锥镜3及激光接收装置4；其中，反射镜2带有中孔；轴锥镜3的底面设置有反射膜；轴锥镜3与激光接收装置4共轴；
激光发射装置1发射的激光光束经目标物体反射后形成回波光束，回波光束经反射镜2反射后形成平行于轴锥镜3的光轴的入射光束；入射光束由轴锥镜3的锥面进入轴锥镜3后，经轴锥镜3的底面反射，再由轴锥镜3的锥面射出，形成平行于轴锥镜3的光轴的出射光束；出射光束穿过反射镜2的中孔入射到激光接收装置4。
本发明实施例利用轴锥镜3聚焦的特性，采用轴锥镜3使激光光束更加集中的分布在激光接收装置4的光轴附近，提高了近轴区光束分布比例，等效于扩大了激光接收装置4的口径，有效提高了激光雷达的增益。同时减弱了边缘光线像差对系统性能的影响，降低了系统对边缘像差校正的要求，提高了接收光束质量。采用本发明实施例提供的共轴激光雷达光学系统，避免了使用大孔径接收透镜，降低了系统成本和制造工艺难度。
一些实施例中，参考图1，反射镜2可以设置在轴锥镜3与激光接收装置4之间。
一些实施例中，反射镜2的镜面与轴锥镜3的光轴之间的夹角为45°。
本发明实施例中反射镜2的镜面与轴锥镜3的光轴之间的夹角设置为45°，为产生与轴锥镜3的光轴平行的入射光束，激光发射装置1的光轴与激光接收装置4的光轴垂直，方便布置及操作，具体位置参考图1。
一些实施例中，反射镜2的中孔为椭圆形，反射镜2的中孔在第一平面上的投影为圆形，且反射镜2在第一平面上的投影的孔径不小于激光接收装置4的口径；
激光接收装置4的光轴穿过反射镜2的中孔的中心；
其中，第一平面与激光接收装置4的光轴垂直。
本发明实施例中反射镜2的中孔在第一平面上的投影(激光接收装置4方向的投影)与激光接收装置4的口径相适应，防止反射镜2遮挡激光接收装置4，影响光束的接收。同时激光接收装置4的光轴穿过反射镜2的中孔的中心，使得光束对称，提高了接收光束的质量。
进一步的，反射镜2在第一平面上的投影的孔径与激光接收装置4的口径相同，在不遮挡激光接收装置4的基础上使光束靠近光轴。
一些实施例中，参考图2，激光接收装置4包括：接收透镜41和接收器42。
接收器42设置在接收透镜41的焦平面处。
接收透镜41的前表面为激光接收装置4的接收部，接收透镜41的前表面可与轴锥镜3相对设置。出射光束穿过反射镜2的中孔经接收透镜41聚焦后被接收器42接收到。激光接收装置4的光轴即为接收透镜41的光轴，激光接收装置4的口径为接收透镜41的口径。其中，接收透镜41在与接收透镜41的光轴垂直的平面上的投影为圆形。
一些实施例中，反射镜2的中孔在第二平面上的投影为圆形，激光发射装置1的光轴穿过反射镜2的中孔的中心，且激光发射装置1的口径不大于激光接收装置4的口径；
其中，第二平面与激光发射装置1的光轴垂直。
本发明实施例中反射镜2的中孔与激光发射装置1的口径相适应，反射镜2的中孔在第二平面上的投影也为圆形。
为保证反射镜2的中孔在第一平面上的投影和在第二平面上的投影均为圆形，则反射镜2的镜面与轴锥镜3的光轴之间的夹角应当设置为45°，此时激光发射装置1的光轴与激光接收装置4的光轴垂直(参考图1)，反射镜2的中孔在第一平面上的投影的孔径和反射镜2的中孔在第二平面上的投影的孔径相同。激光发射装置1的口径不大于激光接收装置4的口径，确保了激光接收装置4的接收效率，提高了接收光束的质量。
一些实施例中，反射镜2的中孔在第一平面上的投影的孔径、激光发射装置1的口径及激光接收装置4的口径均相同。
基于以上实施例，当反射镜2的中孔在第一平面上的投影和在第二平面上的投影均为圆形时，二者孔径相同，因此反射镜2的中孔在第一平面上的投影的孔径、反射镜2的中孔在第二平面上的投影的孔径、激光发射装置1的口径及激光接收装置4的口径可以均相同。反射镜2、激光接收装置4及激光发射装置1的尺寸(口径/孔径)相互适应，以提高光束的质量，确保光学系统的效果。
一些实施例中，参考图2，激光发射装置1包括：发射透镜11和激光器12；激光器12设置在发射透镜11的焦平面处。
发射透镜11的前表面为激光发射装置1的发射部，激光器12发出的光束经发射透镜11射出后形成激光光束。激光发射装置1的光轴即为发射透镜11的光轴，激光发射装置1的口径为发射透镜11的口径。
一些实施例中，激光器12可以为激光二极管。
一些实施例中，参考图2，轴锥镜3的锥面的顶点与激光接收装置4的前表面顶点之间的距离不小于1.5倍的激光接收装置4的口径。
回波信号为均匀环形分布，环的内径为0.5倍的激光接收装置4的口径。为防止轴锥镜3的顶点遮挡右侧回波光束，若反射镜2与激光接收装置4相邻设置，轴锥镜3的顶点与激光接收装置4的前表面顶点(接收透镜41的前表面顶点)之间的距离至少为1.5倍激光接收装置4的口径，不然会阻挡部分回波信号，影响接收光束的质量。
一些实施例中，激光发射装置1与激光接收装置4的光轴之间的垂直距离大于激光接收装置4的口径。
参考图2，为防止激光发射装置1遮挡反射镜2下部的反射光束，激光发射装置1与激光接收装置4的光轴之间的垂直距离大于激光接收装置4的口径，也即激光器12与接收透镜41的光轴之间的垂直距离大于接收透镜41的口径，防止激光器12挡住反射光束。
一些实施例中，轴锥镜3的参数满足如下公式：
其中，t为轴锥镜3的厚度，w为轴锥镜3的底面的直径；δ为轴锥镜3的楔角，n为轴锥镜3的折射率，d为激光接收装置4的口径。
本发明实施例中轴锥镜3的参数满足上述公式，保证平行于轴锥镜3的光轴的入射光束光经轴锥镜3汇聚后形成平行于轴锥镜3的光轴的出射光束。
一些实施例中，对于预设波长范围内的波束，反射膜的反射率大于第一阈值；对于预设波长范围外的光束，反射膜的反射率小于第二阈值；
其中，第一阈值大于第二阈值。
一些实施例中，反射膜为介质膜或金属膜。
反射膜对于工作波长范围内的光束呈高反射率，而对于工作波长范围外的光束呈低反射率，滤除非工作波长范围内的光束的干扰，提高了光束的质量，进一步提高了光学系统的性能。
一些实施例中，共轴激光雷达光学系统还可以包括：入射面板；其中，入射面板上设置有透光孔，且透光孔的孔径大于发射透镜11的口径，透光孔用于透过回波光束。
其中，入射面板可以为方形或矩形，透光孔可以为圆形或矩形。
其中，当反射镜2的形状为规则的形状，例如椭圆环时，无需设置入射面板，经反射镜2反射后即可形成均匀分布的环形入射光束。否则，需设置入射面板，以形成规则的回波光束。入射面板所在的平面可与发射透镜11的光轴垂直，发射透镜11可设置在入射面板的透光孔内，且发射透镜11的光轴穿过透光孔的中心。例如，透光孔为圆形，回波光束穿过透光孔，中间部分被发射透镜11挡住，从而可以形成均匀分布的环形光束。
一些实施例中，接收透镜41可以为双凸球面透镜、单片非球面透镜、多片组合球面透镜或多片组合非球面透镜。
同理，发射透镜11也可以为双凸球面透镜、单片非球面透镜、多片组合球面透镜或多片组合非球面透镜。
一些实施例中，上述共轴激光雷达光学系统还可以包括：旋转反射镜5及转轴6。
参考图3，旋转反射镜5与转轴6的一端固定连接，且旋转反射镜5所在平面与转轴6所在直线之间的夹角为45°。转轴6所在直线与激光发射装置1的光轴平行。转轴6在电机驱动下沿顺时针或逆时针方向旋转，从而带动旋转反射镜5转动，以获取各个方向的回波信号，从而形成转镜式激光雷达，实现360°范围内环境的距离检测，从而获取得到更多的环境信息。
一些实施例中，上述共轴激光雷达光学系统还可以由电机驱动扫描测距形成机械式激光雷达。
参考图2，本发明实施例中预设角度为45°，发射透镜11的光轴与接收透镜41的光轴垂直，发射透镜11的口径与接收透镜41的口径及反射镜2在第一平面上的投影的孔径相同，均为d。回波光束呈对称式均匀环形分布，该环的内径为外径为d，左侧环宽为d1，右侧环宽为d2，即回波光束经过反射镜2反射后，从轴锥镜3的锥面入射到轴锥镜3再被轴锥镜3的底面反射，当轴锥镜3的参数满足上述实施例中的条件时，经轴锥镜3底面反射后的光束由轴锥镜3的锥面平行于光轴出射，同时垂直于轴锥镜3的光轴的光束截面由环形变为直径为d的圆形截面，且光束由原来的均匀分布变为中心强两边弱的集中分布。
假定回波光束的功率为P0，则均匀分布的功率密度f0(r)与发射透镜11的口径半径r的关系为：
经过反射镜2和轴锥镜3变换入射到接收透镜41的光束的功率密度f1(r′)与接收透镜41的口径半径r′的关系为：
均匀分布的环形回波光束面积为经过反射镜2和轴锥镜3变换后，入射到接收透镜41的光束的截面面积为即接收透镜41接收到其自身孔径3倍的回波截面，其等效孔径变为原来的3倍，有效提高了激光雷达的增益。同时光束分布变得更集中向光轴，减弱了边缘光线像差对系统性能的影响，从而降低了系统对边缘像差校正的要求，提高了接收光束的质量。
在Zemax混合模式下对上述共轴激光雷达光学系统进行建模仿真。模拟仿真的波长为905nm；接收透镜41孔径设为d＝4.00mm，曲率半径r＝6.00mm，厚度1mm，玻璃材料为BK7的平凸透镜；轴锥镜31的楔角δ＝30°，底面直径w＝4.00mm，材料为BK7玻璃，厚度t＝11.79mm，轴锥镜3的顶点离接收透镜41的前表面顶点的距离为20.00mm。在0°视场下模拟仿真计算各个表面的点列图。参考图4，光束在系统入射面S1处为内径2.00mm，外径4.00mm均匀分布的环形光束；经反射镜2反射后，进入轴锥镜3后再由轴锥镜3的底面反射，通过轴锥镜3的锥面平行出射，到接收透镜41的入射面S5处呈半径为2.00mm的圆形分布，并且光束由原来的均匀分布变为中心强两边弱的集中分布，进一步的到达接收器42像面S6处呈现面积更小的中心强两边弱的集中分布。
为了对比光束分布改变对透镜像差的要求，用相同光线追踪密度以同一接收透镜41计算0°视场下均匀分布的光束点列图，经过轴锥镜3变换后再入射到接收透镜41在焦平面上的点列图显示，其像面上的RMS(rootmeamsquare，均方根)半径为22.00μm，GEO半径为67.00μm，而不经过轴锥镜3变换在同一孔径均匀分布计算的点列图，其像面上的RMS半径为33.00μm，GEO(geometry，几何)半径为64.00μm。计算结果表明，由于两者的孔径大小相同，表示光线最大偏移量的GEO半径值相一致，而表示光线偏移量的均方根分布的RMS半径，光束更集中分布于光轴的情况明显小于光束均匀分布的情况，由33.00μm减小为22.00μm，降低了透镜像差要求。
在zemax非序列模式下对上述共轴激光雷达光学系统进行建模仿真，参数与混合模式下的参数相同。仿真发射光束打到20.00m距离处的朗伯面目标，在系统入射面S1、接收透镜41的入射面S5和接收器42像面S6处的光强分布如图5至图7所示。考图5，在系统入射面S1接收到的回波功率为3.53×10-4W，虚线截面处显示的光强分布为均匀分布；参考图6，经过轴锥镜3变换后再入射到接收透镜41的入射面S5处的回波功率为2.79×10-4W，功率由于光线经过系统的多次反射和折射稍微减弱，虚线截处显示的光强分布为中心强两边弱的集中分布；参考图7，光束最后经过接收透镜41汇聚到焦平面处的回波功率为2.57×10-4W，其光束中心集中程度更高，仿真的功率仅损失约20％，但其等效孔径为原来的3倍，大大提高的系统增益。
对应于上述任一种共轴激光雷达光学系统，本发明实施例还提供了一种激光雷达，该激光雷达包括上述任一种共轴激光雷达光学系统，且具有上述共轴激光雷达光学系统所具有的优点，在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共轴激光雷达光学系统，其特征在于，包括：激光发射装置、反射镜、轴锥镜及激光接收装置；其中，所述反射镜带有中孔；所述轴锥镜的底面设置有反射膜；所述轴锥镜与所述激光接收装置共轴；
所述激光发射装置发射的激光光束经目标物体反射后形成回波光束，所述回波光束经所述反射镜反射后形成平行于所述轴锥镜的光轴的入射光束；所述入射光束由所述轴锥镜的锥面进入所述轴锥镜后，经所述轴锥镜的底面反射，再由所述轴锥镜的锥面射出，形成平行于所述轴锥镜的光轴的出射光束；所述出射光束穿过所述反射镜的中孔入射到所述激光接收装置。
2.如权利要求1所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述反射镜的镜面与所述轴锥镜的光轴之间的夹角为45°。
3.如权利要求1所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述反射镜的中孔为椭圆形，所述反射镜的中孔在第一平面上的投影为圆形，且所述反射镜在所述第一平面上的投影的孔径不小于所述激光接收装置的口径；
所述激光接收装置的光轴穿过所述反射镜的中孔的中心；
其中，所述第一平面与所述激光接收装置的光轴垂直。
4.如权利要求3所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述反射镜的中孔在第二平面上的投影为圆形，所述激光发射装置的光轴穿过所述反射镜的中孔的中心，且所述激光发射装置的口径不大于所述激光接收装置的口径；
其中，所述第二平面与所述激光发射装置的光轴垂直。
5.如权利要求4所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述轴锥镜的锥面的顶点与所述激光接收装置的前表面顶点之间的距离不小于1.5倍的所述激光接收装置的口径。
6.如权利要求4所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光发射装置与所述激光接收装置的光轴之间的垂直距离大于所述激光接收装置的口径。
7.如权利要求4至6任一项所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述反射镜的中孔在所述第一平面上的投影的孔径、所述激光发射装置的口径及所述激光接收装置的口径均相同。
8.如权利要求7所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，所述轴锥镜的参数满足如下公式：
Figure FDA0003222413200000021
其中，t为所述轴锥镜的厚度，w为所述轴锥镜的底面的直径；δ为所述轴锥镜的楔角，n为所述轴锥镜的折射率，d为所述激光接收装置的口径。
9.如权利要求1所述的共轴激光雷达光学系统，其特征在于，对于预设波长范围内的波束，所述反射膜的反射率大于第一阈值；对于所述预设波长范围外的光束，所述反射膜的反射率小于第二阈值；
其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。
10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的共轴激光雷达光学系统。
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