CN114280578A - 一种车载激光雷达的光学准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载激光雷达的光学准直系统，从半导体激光光源到目标物体快轴准直系统及慢轴准直系统构成，快轴准直系统由两片前组柱透镜组成，慢轴准直系统由一片后组柱透镜构成，前组柱透镜的母线方向与半导体激光光源的快轴方向相互垂直，前组柱透镜的母线方向与后组柱透镜的母线方向相互垂直，光学准直系统的慢轴焦距fy满足：16mm≤fy≤20mm；快轴焦距fx满足：4mm≤fx≤5mm；近轴工作F#满足：F#：1.6，光学总长度TTL<25mm，优点在于通过采用柱透镜，并对各个柱透镜的母线方向进行特定的设置，降低了加工难度和成本，并提高了准直性能。

Description

一种车载激光雷达的光学准直系统

技术领域

本发明涉及一种光学准直系统，特别涉及一种车载激光雷达的光学准直系统。

背景技术

激光雷达是激光探测和激光测距系统（Light detection and ranging，LIDAR）的简称，是一种以脉冲激光或连续激光为光源的主动光学测量装置。随着信息技术、光电子技术以及半导体技术的不断发展，激光雷达的功能和性能也越来越强大，形成性能较为新颖的雷达体制，实现光、机、电的一体化融合，成为现代先进的光学遥感技术。激光雷达一般主要由发射系统、接收系统、信息处理系统组成。其中，发射系统用来向目标物发射激光信号，接收系统用来接收在目标物上进行反射后的激光信号，信息处理系统主要用来对接收到的激光信号进行处理。由于目前的激光雷达更多地使用半导体激光光源，而半导体激光光源快慢轴的发光尺寸及发散角相差较大，为了使车载激光雷达发射的激光能够在照射到较远的目标物体时维持较高的功率密度，需要对车载激光雷达的激光光源进行光学准直。

为了保证半导体激光器发射的激光的良好的准直性，目前使用的光学准直系统通常采用非球面透镜来构成。但采用非球面透镜加工难度大，加工成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种准直性能好且加工成本相对较低的车载激光雷达的光学准直系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种车载激光雷达的光学准直系统，从半导体激光光源到目标物体由用于对所述的半导体激光光源的快轴进行准直的快轴准直系统及用于对所述的半导体激光光源的慢轴进行准直的慢轴准直系统构成，所述的快轴准直系统由两片前组柱透镜组成，所述的慢轴准直系统由一片后组柱透镜构成，所述的前组柱透镜的母线方向与所述的半导体激光光源的快轴方向相互垂直，所述的前组柱透镜的母线方向与所述的后组柱透镜的母线方向相互垂直，光学准直系统的慢轴焦距fy满足：16mm≤fy≤20mm；快轴焦距fx满足：4mm≤fx≤5mm；近轴工作F#满足：F#：1.6，光学总长度TTL<25mm。

所述的前组柱透镜为正光焦度的平凸柱透镜，靠近光源一侧为平面，远离光源一侧为圆柱面。

所述的后组柱透镜为正光焦度的平凸柱透镜，靠近光源一侧为平面，远离光源一侧为圆柱面。

所述的快轴准直系统和所述的慢轴准直系统的焦面在所述的半导体激光光源的发光面处重合。

所述的前组柱透镜的表面和所述的后组柱透镜的表面均设置有近红外的增透膜。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过采用柱透镜，并对各个柱透镜的母线方向进行特定的设置，不仅解决了因采用非球面玻璃镜片带来的加工难度和成本问题，而且经过本发明光学准直系统后的半导体激光光源的快轴发散角可有原来的Θ┴=±25°收敛到Θ┴=±0.08°，慢轴发散角可有原来的Θ‖=±10°收敛到Θ‖=±0.344°。

附图说明

图1为本发明的结构及光路示意图；

图2为本发明实施例的快轴方向准直的光路示意图；

图3为本发明实施例的慢轴方向准直的光路示意图；

图4为本发明实施例的光学准直系统在50米处形成的光斑效果示意图片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

在本说明书中，第一、第二、第三等表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开，不代表对特征作任何限制。

在本文中，除非另外限定，否则本文所使用的所有用语（包括科学用语与技术用语）均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。

在本文中，除非另外限定，所有用语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文的含义一致的含义，而不被过度地或理想化地正式意义的解释。

以下对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述

在示例性实施方式中，快轴准直系统及慢轴准直系统的焦距可自由调整，但是慢轴准直系统的焦距调整过大会增加准直系统的机械长度，不利于小型化的集成。快轴准直系统的焦距调整过小，会与半导体激光光源发生干涉，所以不建议太大范围的光学系统焦距调整。

在示例性实施方式中，各个光学镜片建议根据光源的有效口径增加合适的消杂光部件，遮挡部分杂光，减少发射到目标物体上的杂光。

下面结合附图，具体阐明本发明的实施方式，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。

实施例：

如图1~图3所示，本实施例中：由半导体激光光源LD、快轴准直系统010及慢轴准直系统020组成。快轴准直系统010由两片前组柱透镜——第一柱透镜011及第二柱透镜012组成，慢轴准直系统020由一片后组柱透镜——第三柱透镜021构成，且第一柱透镜011及第二柱透镜012的母线方向与半导体激光光源LD的快轴方向相互垂直，第一柱透镜011及第二柱透镜012的母线方向与第三柱透镜021的母线方向相互垂直。

处于成本考虑且各个柱透镜均为球面的玻璃柱透镜，没有采用非球面透镜，并不代表不可用非球面玻璃透镜。

本实施例中，第一柱透镜011、第二柱透镜012、第三柱透镜021均为平凸柱透镜。并且各个镜片的平面均靠近光源一侧，凸起的球面靠近目标物体一侧。

本实施例的主要设计参数见下表：以下指标参数是在近红外905nm波段的计算结果。

序号	项目	数值
			1	系统的近轴工作F#	1.6
2	准直系统的慢轴焦距fy	19.253mm
			3	准直系统的快轴焦距fx	4.524mm
4	准直系统总长度TTL	22.5mm

本实施例中，从物面到像面，准直系统的具体光学参数如下：

元件	表面S#	半径R	厚度	折射率Nd	色散系数Vd
						OBJ	0	-	-
STO	1	-	-
						021	2	Ry:15	2	1.81	25.5
	3	-	11.5
						012	4	Rx:11.25	2	1.81	25.5
	5	-	2.28
						011	6	Rx:4.1	3	1.81	25.5
	7	-	1.784
						IMG	-	无限

图4是本实施例中的光学准直系统进行激光准直在50米的处形成的光斑效果图片,图片中的坐标单位是mm。

从图片中可以看出，半导体激光LD的发散角由原来的：快轴发散角Θ┴=±25°慢轴发散角Θ‖=±10°，经过准直系统后在50M处：快轴被准直后的宽度为±70mm左右，慢轴被准直后宽度为±300mm左右。经计算可算得发散角收敛到：快轴发散角：Θ┴=±0.08°，慢轴发散角Θ‖=±0.344°。

Claims (5)

1.一种车载激光雷达的光学准直系统，从半导体激光光源到目标物体由用于对所述的半导体激光光源的快轴进行准直的快轴准直系统及用于对所述的半导体激光光源的慢轴进行准直的慢轴准直系统构成，其特征在于：所述的快轴准直系统由两片前组柱透镜组成，所述的慢轴准直系统由一片后组柱透镜构成，所述的前组柱透镜的母线方向与所述的半导体激光光源的快轴方向相互垂直，所述的前组柱透镜的母线方向与所述的后组柱透镜的母线方向相互垂直，光学准直系统的慢轴焦距fy满足：16mm≤fy≤20mm；快轴焦距fx满足：4mm≤fx≤5mm；近轴工作F#满足：F#：1.6，光学总长度TTL<25mm。

2.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达的光学准直系统，其特征在于所述的前组柱透镜为正光焦度的平凸柱透镜，靠近光源一侧为平面，远离光源一侧为圆柱面。

3.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达的光学准直系统，其特征在于所述的后组柱透镜为正光焦度的平凸柱透镜，靠近光源一侧为平面，远离光源一侧为圆柱面。

4.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达的光学准直系统，其特征在于所述的快轴准直系统和所述的慢轴准直系统的焦面在所述的半导体激光光源的发光面处重合。

5.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达的光学准直系统，其特征在于所述的前组柱透镜的表面和所述的后组柱透镜的表面均设置有近红外的增透膜。

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