CN114355361A - 发射接收一体同轴激光雷达光学系统 - Google Patents

发射接收一体同轴激光雷达光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出发射接收一体同轴激光雷达光学系统，发射端S、接收端D共用一光学系统；光学系统始端为激光雷达的外界光信号输入端及探测光信号发射端，末端处为矩形的偏振分光棱镜P；偏振分光棱镜P由在外界光信号输入方向上顺序设置的1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3连接固定而成；所述直角棱镜P2的斜面S2、直角棱镜P3的斜面S3相接且连接位处覆有偏振分光膜；发射端S、接收端D的安装位置可互换，所述器件安装位置与偏振分光棱镜P垂直于波片P1的面S1、平行于波片P1的面S8相邻；本发明发射偏振分光棱镜和接收偏振分光棱镜为相同且共用分光棱镜，准直发射镜组和聚焦接收镜组为相同且共用镜组，适用于汽车自动驾驶，距离探测等应用。

Description

发射接收一体同轴激光雷达光学系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是发射接收一体同轴激光雷达光学系统。
背景技术
随着汽车自动驾驶的发展，激光雷达光学系统的广泛应用，需求也越来越大，其中，机械式激光雷达是目前自动驾驶应用最多的方式之一。机械式激光雷达采用两组镜组，一组镜组用于光源准直发射使用，多个激光光源发射器按预定角度垂直排布在准直发射镜组焦平面的不同高度位置，预设好垂直视场角；另一组镜组用于多个光电探测器接收信号，将光电探测器按预定位置排布在聚焦接收镜组焦平面的不同高度上，阵列形式的光源发射器和阵列形式的光电探测器实现了多路信号探测，构建出3D场景。由于光源发射系统与探测器接收系统非完全同轴，在测距时存在一定盲区，很多厂商选择将要两组镜组分别切除一定尺寸，减小盲区，但是这样的方案依然属于旁轴系统并不能完全消除盲区，同时还增加了成本。
发明内容
本发明提出发射接收一体同轴激光雷达光学系统，发射偏振分光棱镜和接收偏振分光棱镜为相同且共用分光棱镜，准直发射镜组和聚焦接收镜组为相同且共用镜组，适用于汽车自动驾驶，距离探测等应用。
本发明采用以下技术方案。
发射接收一体同轴激光雷达光学系统，所述激光雷达的激光光源的发射端S、光电探测器的接收端D共用一光学系统；光学系统始端为激光雷达的外界光信号输入端及探测光信号发射端，末端处为矩形的偏振分光棱镜P；偏振分光棱镜P由在外界光信号输入方向上顺序设置的1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3连接固定而成；所述直角棱镜P2的斜面S2、直角棱镜P3的斜面S3相接且连接位处覆有偏振分光膜；
所述发射端S、接收端D安装于激光雷达的器件安装位置处，发射端S、接收端D的安装位置可互换，所述器件安装位置与偏振分光棱镜P垂直于波片P1的面S1、平行于波片P1的面S8相邻。
所述光学系统包括多个镜器件，各个镜器件位于同一直线上，光学系统始端与偏振分光棱镜P之间设有镜组；所述镜组用于探测光信号的准直发射，还用于聚焦接收外界环境反射的探测光信号。
所述镜组在外界光信号输入方向上顺序设有弯月透镜正透镜L1，双凹负透镜L2，平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4。
所述光电探测器的信号接收端D位于镜组的焦平面D1处；所述1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3以胶合方式连接固定。
所述弯月正透镜L1与双凹负透镜L2之间的中心空气间隔为4.027mm；双凹负透镜L2和平凸柱面正透镜L3的中心空气间隔为6.548mm；平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4的中心空气间隔为0.949mm；双凸正透镜L4和1/4入 波片P3的中心空气间隔大于0.1mm，小于11mm。
弯月正透镜L1焦距为f1；双凹负透镜L2的焦距为f2;平凸柱面正透镜L3焦距为f3;双凸正透镜L4焦距为f4;满足如下的关系：-2<f1/f2<-1； 0.15<f1/f3<0.25；0.35<f1/f4<0.8。
弯月正透镜L1的光学玻璃材料折射率为n1和阿贝数为v1 ，双凹负透镜L2的光学玻璃材料折射率为n2和阿贝数为v2，平凸柱面镜的光学玻璃材料折射率为n3和阿贝数为v3,双凸正透镜的光学玻璃材料折射率为n4和v4，满足如下的关系：1.8<n1<2.1, 15<v1<35;1.5<n2<1.7, 50<v2<65；1.4<n3<1.55, 60<v3<80;1.4<n4<1.55, 60<v4<80。
所述1/4入 波片厚度为dp1=0.015~0.06mm，满足如下的关系：dp1=入/4（nO-ne),其中n0为波片对真空中波长为λ 的o光主折射率，ne为波片对真空中波长为 λ的e光主折射率；偏振分光棱镜为两个相同尺寸的等腰直角棱镜胶合组成，所述等腰直角棱镜斜面镀有偏振分光膜。
所述激光雷达的光源发射与信号接收采用同一组镜片且该组内的各镜片同轴设置；当发射端S与偏振分光棱镜P的面S1相邻时，其光源信号从发射端S光源信号面出射后，由偏振分光棱镜S1面入射，由偏振分光棱镜斜面S2面和S3面将光信号分为P光和S光，P光透过斜面后从S4面出射，S光由斜面反射后经1/4入波片P1形成圆偏振光，通过镜组、光学系统始端输出探测光信号；
外界环境的物面O反射的探测光信号进入光学系统始端后，通过镜组入射至1/4入波片P1的S7面，经1/4入波片P1转换为P光，再经直角棱镜P2、直角棱镜P3透射后由信号接收端D接收；
当发射端S与直角棱镜P2的面S8相邻时，信号接收端D的安装位置则替换至直角棱镜P2的面S1处，此时信号接收端D接收到的物面反射探测光信号为S光。
所述偏振分光棱镜P可用预设比率的反射率和透过率的光学滤光片或分光棱镜替代。
本发明具备的优势有：
1、光源发射与信号接收采用同一组镜片且该组内的各镜片同轴设置，消除旁轴系统产生的盲区；
2、结构简单，体积小巧，从一组发射光学系统和一组接收光学系统组成的旁轴光学系统变成发射和接收一体的同轴光学系统；省去了为降低盲区而对光学镜组做切边的工艺。有效降低了成本。
3、结合偏振分光棱镜和1/4入玻片的特点，提高光信号在光学系统中的利用。
本发明中，采用偏振分光棱镜将发射光源和接收信号融合为同轴光路，消除盲区的同时也降低了成本。采用偏振分光棱镜将非偏振光转换成线偏振光，将95%以上的S光反射出去，95%以上的P光透射出去；经过1/4入 波片将线偏振光与圆偏振光相互转换；从而降低能量损失。
此外，由于在本发明中，发射端S、接收端D的安装位置可互换，因此可以按光学器件对S光、P光的不同指标，以及激光雷达的不同性能要求，通过合理设置发射端S、接收端D来达到所需性能，或是降低成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的光学系统示意图；
附图2是偏振分光棱镜P工作时的光传播示意图（发射端S与偏振分光棱镜P的面S1相邻）；
附图3是偏振分光棱镜P的各面标注示意图；
附图4是激光雷达光学系统畸变示意图；
附图5是激光雷达光学系统的弥散斑直径示意图；
附图6是镜组中同轴设置的各镜片的指标数据示意图。
具体实施方式
如图所示，发射接收一体同轴激光雷达光学系统，所述激光雷达的激光光源的发射端S、光电探测器的接收端D共用一光学系统；光学系统始端为激光雷达的外界光信号输入端及探测光信号发射端，末端处为矩形的偏振分光棱镜P；偏振分光棱镜P由在外界光信号输入方向上顺序设置的1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3连接固定而成；所述直角棱镜P2的斜面S2、直角棱镜P3的斜面S3相接且连接位处覆有偏振分光膜；
所述发射端S、接收端D安装于激光雷达的器件安装位置处，发射端S、接收端D的安装位置可互换，所述器件安装位置与偏振分光棱镜P垂直于波片P1的面S1、平行于波片P1的面S8相邻。
所述光学系统包括多个镜器件，各个镜器件位于同一直线上，光学系统始端与偏振分光棱镜P之间设有镜组；所述镜组用于探测光信号的准直发射，还用于聚焦接收外界环境反射的探测光信号。
所述镜组在外界光信号输入方向上顺序设有弯月透镜正透镜L1，双凹负透镜L2，平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4。
所述光电探测器的信号接收端D位于镜组的焦平面D1处；所述1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3以胶合方式连接固定。
所述弯月正透镜L1与双凹负透镜L2之间的中心空气间隔为4.027mm；双凹负透镜L2和平凸柱面正透镜L3的中心空气间隔为6.548mm；平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4的中心空气间隔为0.949mm；双凸正透镜L4和1/4入 波片P3的中心空气间隔大于0.1mm，小于11mm。
弯月正透镜L1焦距为f1；双凹负透镜L2的焦距为f2;平凸柱面正透镜L3焦距为f3;双凸正透镜L4焦距为f4;满足如下的关系：-2<f1/f2<-1； 0.15<f1/f3<0.25；0.35<f1/f4<0.8。
弯月正透镜L1的光学玻璃材料折射率为n1和阿贝数为v1 ，双凹负透镜L2的光学玻璃材料折射率为n2和阿贝数为v2，平凸柱面镜的光学玻璃材料折射率为n3和阿贝数为v3,双凸正透镜的光学玻璃材料折射率为n4和v4，满足如下的关系：1.8<n1<2.1, 15<v1<35;1.5<n2<1.7, 50<v2<65；1.4<n3<1.55, 60<v3<80;1.4<n4<1.55, 60<v4<80。
所述1/4入 波片厚度为dp1=0.015~0.06mm，满足如下的关系：dp1=入/4（nO-ne),其中n0为波片对真空中波长为λ 的o光主折射率，ne为波片对真空中波长为 λ的e光主折射率；偏振分光棱镜为两个相同尺寸的等腰直角棱镜胶合组成，所述等腰直角棱镜斜面镀有偏振分光膜。
所述激光雷达的光源发射与信号接收采用同一组镜片且该组内的各镜片同轴设置；当发射端S与偏振分光棱镜P的面S1相邻时，其光源信号从发射端S光源信号面出射后，由偏振分光棱镜S1面入射，由偏振分光棱镜斜面S2面和S3面将光信号分为P光和S光，P光透过斜面后从S4面出射，S光由斜面反射后经1/4入波片P1形成圆偏振光，通过镜组、光学系统始端输出探测光信号；
外界环境的物面O反射的探测光信号进入光学系统始端后，通过镜组入射至1/4入波片P1的S7面，经1/4入波片P1转换为P光，再经直角棱镜P2、直角棱镜P3透射后由信号接收端D接收；
当发射端S与直角棱镜P2的面S8相邻时，信号接收端D的安装位置则替换至直角棱镜P2的面S1处，此时信号接收端D接收到的物面反射探测光信号为S光。
所述偏振分光棱镜P可用预设比率的反射率和透过率的光学滤光片或分光棱镜替代。
实施例：
本例中，此激光雷达光学系统的具体性能参数为：
（1）焦距：EFFL=58mm
（2）入瞳直径≥29
（3）视场角：2w=31°
（4）焦平面直径大于Ф32mm
（5）光学畸变<0.8%
（6）接收端弥散斑直径<200um
（7）工作光谱：905nm
（8）光学总长TTL≤80mm
激光雷达光学系统由激光光源发射面S、偏振分光棱镜P、光学镜组L和光电探测器接收D组成。激光光源按特定位置放置在准直发射镜组焦平面S1上固定好；偏振分光棱镜P由两个高精度直角棱镜斜面S2面和S7面胶合而成，分别为P2和P3，在斜面镀上偏振分光膜，1/4入波片P1胶合在偏振分光棱镜S3面上；准直发射镜组和聚焦接收镜组由4片光学玻璃组成，从物面O至偏振分光棱镜P方向依次由弯月透镜正透镜L1，双凹负透镜L2，平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4组成；光电探测器按特定位置，固定在经过聚焦接收镜组的焦平面D1上。
光源信号从光源信号面出射后，由偏振分光棱镜S1面入射，由偏振分光棱镜斜面S2面和S3面将光信号分为P光和S光，P光透过斜面后从S4面出射，S光由斜面反射后穿过1/4入 波片与偏振分光棱镜的胶合面S5面和S6面，从S7面出射圆偏振光。然后入射到镜组（此时功能为准直镜组）中。经物面反射回来的光信号，由镜组（此时功能为聚焦接收镜组）入射到S7面，穿过S6和S5面转换成P光，然后穿过S2和S3面，由S8面射出被探测器接收。

Claims (10)

1.发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述激光雷达的激光光源的发射端S、光电探测器的接收端D共用一光学系统；光学系统始端为激光雷达的外界光信号输入端及探测光信号发射端，末端处为矩形的偏振分光棱镜P；偏振分光棱镜P由在外界光信号输入方向上顺序设置的1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3连接固定而成；所述直角棱镜P2的斜面S2、直角棱镜P3的斜面S3相接且连接位处覆有偏振分光膜；
所述发射端S、接收端D安装于激光雷达的器件安装位置处，发射端S、接收端D的安装位置可互换，所述器件安装位置与偏振分光棱镜P垂直于波片P1的面S1、平行于波片P1的面S8相邻。
2.根据权利要求1所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述光学系统包括多个镜器件，各个镜器件位于同一直线上，光学系统始端与偏振分光棱镜P之间设有镜组；所述镜组用于探测光信号的准直发射，还用于聚焦接收外界环境反射的探测光信号。
3.根据权利要求2所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述镜组在外界光信号输入方向上顺序设有弯月透镜正透镜L1，双凹负透镜L2，平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4。
4.根据权利要求3所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述光电探测器的信号接收端D位于镜组的焦平面D1处；所述1/4入波片P1、直角棱镜P2、直角棱镜P3以胶合方式连接固定。
5. 根据权利要求3所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述弯月正透镜L1与双凹负透镜L2之间的中心空气间隔为4.027mm；双凹负透镜L2和平凸柱面正透镜L3的中心空气间隔为6.548mm；平凸柱面正透镜L3和双凸正透镜L4的中心空气间隔为0.949mm；双凸正透镜L4和1/4入 波片P3的中心空气间隔大于0.1mm，小于11mm。
6. 根据权利要求3所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：弯月正透镜L1焦距为f1；双凹负透镜L2的焦距为f2;平凸柱面正透镜L3焦距为f3;双凸正透镜L4焦距为f4;满足如下的关系：-2<f1/f2<-1； 0.15<f1/f3<0.25；0.35<f1/f4<0.8。
7. 根据权利要求3所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：弯月正透镜L1的光学玻璃材料折射率为n1和阿贝数为v1 ，双凹负透镜L2的光学玻璃材料折射率为n2和阿贝数为v2，平凸柱面镜的光学玻璃材料折射率为n3和阿贝数为v3,双凸正透镜的光学玻璃材料折射率为n4和v4，满足如下的关系：1.8<n1<2.1, 15<v1<35;1.5<n2<1.7, 50<v2<65；1.4<n3<1.55, 60<v3<80;1.4<n4<1.55, 60<v4<80。
8. 根据权利要求3所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述1/4入 波片厚度为dp1=0.015~0.06mm，满足如下的关系：dp1=入/4（nO-ne),其中n0为波片对真空中波长为λ 的o光主折射率，ne为波片对真空中波长为 λ的e光主折射率；偏振分光棱镜为两个相同尺寸的等腰直角棱镜胶合组成，所述等腰直角棱镜斜面镀有偏振分光膜。
9.根据权利要求2所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述激光雷达的光源发射与信号接收采用同一组镜片且该组内的各镜片同轴设置；当发射端S与偏振分光棱镜P的面S1相邻时，其光源信号从发射端S光源信号面出射后，由偏振分光棱镜S1面入射，由偏振分光棱镜斜面S2面和S3面将光信号分为P光和S光，P光透过斜面后从S4面出射，S光由斜面反射后经1/4入波片P1形成圆偏振光，通过镜组、光学系统始端输出探测光信号；
外界环境的物面O反射的探测光信号进入光学系统始端后，通过镜组入射至1/4入波片P1的S7面，经1/4入波片P1转换为P光，再经直角棱镜P2、直角棱镜P3透射后由信号接收端D接收；
当发射端S与直角棱镜P2的面S8相邻时，信号接收端D的安装位置则替换至直角棱镜P2的面S1处，此时信号接收端D接收到的物面反射探测光信号为S光。
10.根据权利要求2所述的发射接收一体同轴激光雷达光学系统，其特征在于：所述偏振分光棱镜P可用预设比率的反射率和透过率的光学滤光片或分光棱镜替代。
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