CN115047434A - 光学系统及激光测距设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光学系统及激光测距设备。其中光学系统包括：发射单元(210)，用于发射激光束；光束整形单元(220)，所述光束整形单元(220)用于对所述激光束进行整形，使得所述激光束先汇聚再扩散以形成线形激光；带孔反射镜(230)，所述带孔反射镜(230)的孔位于所述激光束的光线的汇聚处，所述带孔反射镜(230)用于对所述线形激光的激光回波进行反射；接收单元(240)，用于从所述带孔反射镜(230)接收所述激光回波，有利于降低激光接收过程中激光回波的能量损耗。

Description

光学系统及激光测距设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种光学系统及激光测距设备。

背景技术

目前，激光光学系统可以分为共轴光学系统和旁轴光学系统两大类。在共轴光学系统中，激光发射过程中和激光接收过程中的部分光学元件是可以共用的，因此，共轴光学系统具有成本低，体积小等优点。

在传统的共轴光学系统中，发射单元发出的点光斑的激光束，穿过带孔反射镜中的孔，以对目标范围内的物体进行扫描。相应的，物体反射回的激光回波可以通过带孔反射镜反射至接收单元。然而，这种共轴的光学系统仅适用于发散角较小的点光斑的激光束，如果应用于发散角较大的线形激光时，需要将带孔反射镜中的孔扩大，以允许线形激光穿过，这样带孔反射镜的反射区域减小，一部分激光回波无法再通过带孔反射镜反射至接收单元，导致激光接收过程中激光回波的能量损耗增加。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种光学系统和激光测距设备，以减少激光接收过程中激光回波的能量损耗。

第一方面提供了一种光学系统，包括：发射单元210，用于发射激光束；光束整形单元，所述光束整形单元220用于对所述激光束进行整形，使得所述激光束先汇聚再扩散以形成线形激光；带孔反射镜230，所述带孔反射镜230的孔位于所述激光束的光线的汇聚处，所述带孔反射镜230用于对所述线形激光的激光回波进行反射；接收单元240，用于从所述带孔反射镜230接收所述激光回波。

在一种可能的实现方式中，所述光束整形单元220包括：准直透镜410，用于对所述发射单元210发射的激光束进行准直；柱面透镜420，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

在一种可能的实现方式中，所述光束整形单元220包括：准直透镜510，用于对所述发射单元发射的激光束进行准直；衍射光学元件520，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

在一种可能的实现方式中，所述光束整形单元220包括：衍射光学元件610，用于对所述发射单元210发射的激光束进行准直，并对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

在一种可能的实现方式中，所述激光光学系统包括多个所述发射单元810，多个所述发射单元810分别发射激光束，以形成多个所述线形激光。

在一种可能的实现方式中，多个所述线形激光沿与所述线形激光的线条延伸方向垂直的方向排布。

在一种可能的实现方式中，多个所述发射单元发射出的激光束经过同一光学元件进行所述汇聚和扩散。

在一种可能的实现方式中，所述激光光学系统还包括：扫描单元，用于接收所述线形激光，并对所述线形激光的传播方向进行偏转，以对目标范围内的物体进行扫描。

在一种可能的实现方式中，所述接收单元240对所述激光回波的响应区域为线形区域。

在一种可能的实现方式中，所述线形激光在竖直方向的发散角为20～60度，在水平方向的发散角为0.1～2度；或者所述线形激光在水平方向的发散角为60～120度，在竖直方向的发散角为0.1～2度。

第二方面，提供一种激光测距设备，包括：如第一方面中任一种可能的实现方式所述的光学系统1610，用于朝目标物发射线形激光，并接收所述线形激光的激光回波；处理单元1620，用于根据所述激光回波，确定所述目标物的距离。

本申请提供了一种光路方案，通过光束整形单元对激光束进行汇聚，以穿过带孔反射镜中的孔，再扩散形成线形激光，这样，有利于降低激光接收过程中激光回波的能量损耗。

附图说明

图1是传统的共轴光学系统的示意图。

图2是本申请实施例的光学系统的示意图。

图3是本申请实施例的线形激光的示意图。

图4是本申请实施例的光束整形单元的光路示意图。

图5是本申请另一实施例的光束整形单元的光路示意图。

图6是本申请另一实施例的光束整形单元的光路示意图。

图7是本申请实施例的多个发射单元的排布示意图。

图8是本申请实施例的多个发射单元与光束整形单元之间的光路示意图。

图9是本申请另一实施例的多个发射单元与光束整形单元之间的光路示意图。

图10是本申请另一实施例的多个发射单元与光束整形单元之间的光路示意图。

图11是本申请实施例中经扫描单元偏转后线形激光的扫描区域的示意图。

图12是本申请另一实施例中经扫描单元偏转后线形激光的扫描区域的示意图。

图13是本申请实施例的采用扫描振镜对扩散后形成的线形激光进行偏转后的效果图。

图14是本申请实施例的采用多面体反射镜对扩散后形成的线形激光进行偏转后的效果图。

图15是本申请另一实施例的光学系统的示意图。

图16是本申请实施例的激光测距设备的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了便于理解本申请，先结合图1介绍传统的共轴光学系统。图1是传统的共轴光学系统的示意图。图1所示的共轴光学系统100包括发射单元1、带孔反射镜2、扫描单元3以及接收单元4。

在传统的共轴光学系统100中发射单元1发出点光斑的激光束，其在各个方向上的发散角度较小，这样的激光束可以轻易穿过带孔反射镜2中的孔，并通过扫描单元3的偏转，以对目标范围内的物体5进行扫描。相应的，物体5反射回的激光回波通过扫描单元3的偏转，传输至带孔反射镜2，并最终通过带孔反射镜2反射至接收单元4。

随着技术的发展，人们发现相较于点光斑的激光束而言，线形激光具有较大的发散角，或者说，线形激光具有更大的扫描区域。因此，线形激光在激光扫描、激光测距领域是更优的选择。

如上文所述，在保有共轴光学系统成本低，体积小的前提下，通过使用线形激光可以增大光学系统的视场角。因此，将线形激光应用于共轴光学系统中是未来光学系统的发展趋势。

然而，也是由于线形激光具有较大的发散角，在发射激光的过程中，为了使得线形激光可以穿过带孔透镜中的孔，需要将带孔反射镜中的孔扩大，这样势必会减小带孔反射镜的反射区域，一部分激光回波也就无法再通过带孔反射镜反射至接收单元，导致激光接收过程中激光回波的能量损耗增加。

因此，为了避免上述问题，本申请提供了一种光路方案，通过光束整形单元对激光束进行整形，使得激光束先汇聚穿过带孔反射镜的孔后，再扩散以形成线形激光，这样，无需再对带孔反射镜中的孔进行扩大，有利于降低激光接收过程中激光回波的能量损耗。

下文结合图2介绍本申请实施例的光学系统。图2是本申请实施例的光学系统的示意图。图2所示的光学系统包括发射单元210、光束整形单元220、带孔反射镜230以及接收单元240。

发射单元210例如可以是激光器，用于发射激光束。

光束整形单元220，用于对激光束进行整形，使得激光束先汇聚再扩散以形成线形激光。

在一些实施例中，上述光束整形单元220可以包括柱面透镜或者衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)，具体的光路图可以参见下文方案一至方案六的相关介绍，为了简洁，在此不在赘述。

上述线形激光通常在一个方向上进行大角度发散，在另一方向上发散角度较小，例如，参见图3，线形激光在竖直方向的发散角可以为20～60度，在水平方向的发散角可以为0.1～2度。又例如，线形激光在水平方向的发散角可以为60～120度，在竖直方向的发散角可以为0.1～2度。

带孔反射镜230，用于对线形激光的激光回波进行反射。

上述带孔反射镜230的设置位置使得带孔反射镜230的孔位于激光束的光线的汇聚处，也就是说，汇聚后的激光束可以穿过带孔反射镜230的孔。

接收单元240，用于从带孔反射镜230接收激光回波。

可选地，上述接收单元240对激光回波的响应区域可以为线形区域，以便于接收线形的激光回波。当然，上述响应区域也可以为面区域，本申请实施例对此不作具体限定。

在本申请实施例中，对上述光束整形单元220的具体结构不作限定。基于单个发射单元和多个发射单元两种情况，上述光束整形单元220的具体结构不同，下文先结合方案一至方案三介绍单个发射单元情况下光束整形单元220的具体结构。

方案一，上述光束整形单元220可以包括准直透镜410和柱面透镜420。具体光路图可以参见图4。

其中，准直透镜410，用于对发射单元210发射的激光束进行准直。柱面透镜420，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成线形激光。

方案二，上述光束整形单元220可以包括准直透镜510和DOE 520。具体光路图可以参见图5。

其中，准直透镜510，用于对发射单元210发射的激光束进行准直。DOE520，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成线形激光。

方案三，由于一些DOE本身集成了准直功能，因此，上述方案二中的准直透镜510的功能可以直接由DOE实现。即上述光束整形单元220可以包括DOE 610。具体光路图可以参见图6。

其中，DOE 610，用于对发射单元210发射的激光束进行准直，并对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

为了提高线形激光在物体上的辐照度，以提升光学系统的测距能力和测距精度，本申请实施例还可以采用多个发射单元分别发射激光束，以形成多个线形激光。

相应地，为了使得多条线形激光可以穿过带孔反射镜，可以在一个带孔反射镜上设置多个小孔，这样，多个发射单元发射的激光束经汇聚后可以分别通过对应的孔，再扩散以形成线形激光。当然，本申请实施例中，还可以直接设置多个带孔反射镜，分别对多个发射单元发射的激光束进行汇聚再扩散。

可选地，为了扩大线形激光的扫描范围，上述多个发射单元可以沿与线形激光的线条延伸方向垂直的方向排布，参见图7。可选地，在其他实施例中，上述多个发射单元也可以以任意的方式排列，例如，可以沿着线形激光的线条延伸方向排布。

下文结合方案四至方案六，介绍本申请实施例中多个发射单元810与光束整形单元220之间的光路图。在方案四至方案六中，为了降低光学系统的成本，可以使用同一光学元件对多个发射单元810发射出的激光束进行汇聚和扩散。可选地，在其他实施例中，也可以每条线形激光对应各自的光学元件。

需要说明的是，在上述使用同一元件对激光束进行汇聚和扩散的方案中，可以使用同一的光学元件或不同的光学元件对各个发射单元810发射的激光束进行准直，本申请实施例对此不作限定。

方案四，采用N个准直透镜以及1个柱面透镜对N个发射单元发射的激光束进行光束整形，其中，N≥2，且N为正整数。

参见图8，N个发射单元810分别发射激光束，N个准直透镜820分别对接收到的激光束进行准直，准直后的激光束经由柱面透镜830先汇聚后扩散以形成线形激光。

方案五，采用M个准直透镜以及1个DOE对M个发射单元发射的激光束进行光束整形，其中，M≥2，且M为正整数。

参见图9，M个发射单元910分别发射激光束，M个准直透镜920分别对接收到的激光束进行准直，准直后的激光束经由DOE 930先汇聚后扩散以形成线形激光。

方案六，对于集成了准直功能的DOE而言，K个发射单元可以共用1个DOE以对激光束进行准直以及光束整形，其中，K≥2，且K为正整数。

参见图10，K个发射单元1010分别发射激光束，K个发射单元1010发射的激光束经由一个DOE 1020进行准直以及光束整形，使得K个发射单元1010发射的激光束先汇聚后扩散并形成线形激光。

在本申请实施例中，为了获得更大的扫描区域，还可以通过在光学系统中增加扫描单元，以对线形激光的传播方向进行偏转。可选地，扫描单元对线形激光的偏转方向可以与线形激光的线条方向垂直。例如，参见图11，当线形激光的线条方向为垂直方向时，上述对线形激光的偏转方向可以为水平方向，这样，可以扩大线形激光在水平方向上的扫描区域。又例如，参见图12，当线形激光的线条方向为水平方向时，上述线形激光的偏转方向可以为垂直方向，这样，可以扩大线形激光在垂直方向上的扫描区域。

在一些实施例中，上述扫描单元可以包括扫描振镜、多面体反射镜等。图13示出了采用扫描振镜1310对扩散后形成的线形激光进行偏转后的效果图。在图13中，随着扫描振镜1310的振动，线形激光的偏转方向发生变化，以形成面扫描。

图14示出了采用多面体反射镜1410对扩散后形成的线形激光进行偏转后的效果图。在图14中，随着多面体反射镜1410的旋转(例如，图示的顺时针旋转)，线形激光的偏转方向发生变化，以形成面扫描。

为了便于理解本申请实施例的方案，下文以上述方案一所述的光束整形单元与扫描振镜为例，结合图15介绍本申请实施例的光学系统。应理解，图15所示的光学系统中还可以采用方案二至方案六所示的任意一种光束整形单元。还应理解，图15所示的光学系统中也可以采用多面体反射镜等其他扫描单元。

图15所示的光学系统包括发射单元1510、准直透镜1520、柱面透镜1530、带孔反射镜1540、扫描振镜1550以及接收单元1560，其中，带孔反射镜1540的孔位于激光束的光线的汇聚处。下文对光学系统中的上述元件的功能进行介绍。

发射单元1510，用于发射激光束。

准直透镜1520，用于对发射单元1510发射的激光束进行准直。

柱面透镜1530，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成线形激光。其中，汇聚后的激光束在穿过带孔反射镜1540的孔之后再扩散。

扫描振镜1550，用于对线形激光的投射方向进行偏转，以形成面扫描。

带孔反射镜1540，用于对线形激光的激光回波进行反射。

接收单元1560，用于从带孔反射镜1540接收激光回波。

上文结合图2至图15所述的光学系统可以应用于激光测距设备(例如，激光雷达)。图16是本申请实施例的激光测距设备的示意图。图16所示的激光测距设备1600包括上述所示的任一种光学系统1610以及处理单元1620。

光学系统1610用于朝目标物发射线形激光，并接收线形激光的激光回波。

处理单元1620，用于根据所述激光回波，确定所述目标物的距离。

可选地，上述处理单元1620用于将发射单元1510发射的激光波束的发射参数与接收单元1560接收的激光波束的接收参数进行对比，以确定目标物的距离。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

发射单元(210)，用于发射激光束；

光束整形单元(220)，所述光束整形单元(220)用于对所述激光束进行整形，使得所述激光束先汇聚再扩散以形成线形激光；

带孔反射镜(230)，所述带孔反射镜(230)的孔位于所述激光束的光线的汇聚处，所述带孔反射镜(230)用于对所述线形激光的激光回波进行反射；

接收单元(240)，用于从所述带孔反射镜(230)接收所述激光回波。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光束整形单元(220)包括：

准直透镜(410)，用于对所述发射单元(210)发射的激光束进行准直；

柱面透镜(420)，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光束整形单元(220)包括：

准直透镜(510)，用于对所述发射单元(210)发射的激光束进行准直；

衍射光学元件(520)，用于对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光束整形单元(220)包括：

衍射光学元件(610)，用于对所述发射单元(210)发射的激光束进行准直，并对准直后的激光束先汇聚再扩散，以形成所述线形激光。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述激光光学系统包括多个所述发射单元(810)，多个所述发射单元(810)分别发射激光束，以形成多个所述线形激光。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，多个所述线形激光沿与所述线形激光的线条延伸方向垂直的方向排布。

7.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，多个所述发射单元(810)发射出的激光束经过同一光学元件进行所述汇聚和扩散。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述激光光学系统还包括：

扫描单元，用于接收所述线形激光，并对所述线形激光的传播方向进行偏转，以对目标范围内的物体进行扫描。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述接收单元(240)对所述激光回波的响应区域为线形区域。

10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述线形激光在竖直方向的发散角为20～60度，在水平方向的发散角为0.1～2度；或者

所述线形激光在水平方向的发散角为60～120度，在竖直方向的发散角为0.1～2度。

11.一种激光测距设备，其特征在于，包括：

如权利要求1～10中任一项所述的光学系统(1610)，用于朝目标物发射线形激光，并接收所述线形激光的激光回波；

处理单元(1620)，用于根据所述激光回波，确定所述目标物的距离。

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