CN115327791A - 光学系统及具有此的激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学系统及具有此的激光雷达，光学系统由七个具有屈光力的透镜和一个平透镜组成。其中，第一透镜具有负屈光力；第二透镜具有正屈光力；第三透镜具有正屈光力；第四透镜具有负屈光力；第五透镜具有正屈光力；第六透镜具有正屈光力；第七透镜具有负屈光力；第八透镜为平透镜。所述光学系统能够使从第一侧不同角度平行入射的多束激光经过聚焦后落在第二侧的光焦面上的不同位置。激光雷达包括镜头安装架，镜头安装架内设置有发射镜筒和接收镜筒，接收镜筒内设置有上述光学系统。还包括激光发射模块和激光接收模块。激光发射模块与发射镜筒对齐，具有发出激光的激光器；激光接收模块与接收镜筒对齐，具有感测激光的传感器。

Description

光学系统及具有此的激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种光学系统及具有此的激光雷达。
背景技术
激光雷达是发射激光束以探测目标的位置、速度等的雷达系统。激光雷达可以向目标发射探测信号（激光束），然后将接收的从目标反射的回波信号与探测信号进行比较。作适当处理后，可获得目标的如距离、方位、速度等信息，从而对目标进行探测、跟踪和识别。激光雷达通常包括发射模块、接收模块、扫描模块、光学系统和处理器等组成部分，发射模块将电脉冲变成光脉冲发射出去，接收模块把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，发送给处理器。
光学系统是激光雷达的重要组成部分，如上所述，在激光雷达的发射部分需要使用光学系统来对发散的激光束进行准直，而在接收部分需要光学系统来汇聚从目标反射回的激光束。
与普通镜头不同，激光雷达的接收部分的光学系统不要求成像，而是需要使来自不同位置的光脉冲入射到接收模块的不同位置。因此现需要一种口径足够大的接收光学系统，来满足接收到更多方向和角度的激光束。
发明内容
本发明提供一种可以在接收部分对激光进行聚焦的光学系统及具有此的激光雷达。
本发明采用的技术方案具体是：根据本发明的一实施例的光学系统，包括由七个具有屈光力的透镜和一个平透镜组成的透镜组，从第一侧到第二侧依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。其中，第一透镜具有负屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；第二透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；第三透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；第四透镜具有负屈光力，其第一侧面为凹面，第二侧面为凹面；第五透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；第六透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；第七透镜具有负屈光力，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；第八透镜为平透镜。所述光学系统能够使从第一侧不同角度平行入射的多束激光经过聚焦后落在第二侧的光焦面上的不同位置。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述透镜组焦距为14.3mm。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第一透镜至第七透镜均为H-ZK2玻璃制造。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第八透镜为BK7玻璃制造。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述光学系统的视场不小于±15°。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第三透镜和第四透镜之间设置有光阑。
作为本发明技术方案的一种可选方案，根据本发明的另一实施例的激光雷达，包括：镜头安装架，镜头安装架内设置有两个发射镜筒和一个接收镜筒，发射镜筒位于接收镜筒两侧，且发射镜筒口径小于接收镜筒，所述光学系统设置于接收镜筒内；激光发射模块，设置在镜头安装架上，位于所述光学系统的第二侧与发射镜筒对齐，具有发出激光的激光器；激光接收模块，设置在镜头安装架上，位于所述光学系统的第二侧与接收镜筒对齐，具有感测激光的传感器。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述激光器可以为一个或多个。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述发射镜筒和接收镜筒相互平行设置，所述光学系统中远离激光接收模块为第一透镜。
作为本发明技术方案的一种可选方案，所述具有感测激光的传感器设置在所述光学系统光焦面上。
本发明取得的有益效果是：所述光学系统能够将从物面反射的多束平行激光聚焦于光焦面上不同的点。且光学系统具有大口径，可以接收到更多的激光。
本发明的效果不限于如上的效果，本领域技术人员可以从以下的说明中得出上文中未记载的效果。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的光学系统透镜组立体图。
图2是示出根据本发明第一实施例的光学系统配置图。
图3是示出根据本发明第一实施例的光学系统光路图。
图4是示出根据本发明第二实施例的激光雷达立体图。
图5是示出根据本发明第二实施例的激光雷达剖视图。
图6是示出根据本发明第二实施例的发射光学系统配置及光路图。
图7是示出根据本发明第三实施例的激光发射模块的示意图。
其中，100-第一透镜；110-第二透镜；120-第三透镜；130-光阑；140-第四透镜；150-第五透镜；160-第六透镜；170-第七透镜；180-第八透镜；190-光焦面；200-镜头安装架；210-发射镜筒；220-接收镜筒；230-激光发射模块；231-激光器；240-激光接收模块；250-隔层。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，以下具体实施例仅用于解释本发明，而并不用于限定本发明。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明，在本发明的说明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系是基于附图的方位或位置关系，并且仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需注意，下文中针对光学系统的各种实施例给出的值以举例的方式给出，而并非旨在进行限制。例如，示例性实施方案中的一个或多个透镜元件的一个或多个表面的一个或多个参数，以及组成这些元件的材料的参数可被赋予不同的值，同时仍然为光学系统提供类似的性能。需注意，表中的一些值可按比例放大或缩小以促进本申请的光学系统的更大实现或更小实现。
本发明的光学系统用于激光雷达的接收部分。对于如图1至3所示的光学系统而言，在光学系统的右侧可以布置激光雷达的接收模块，光学系统的左侧可以为激光雷达所探测的外侧方向。在下文中，将图1至3所示的光学系统的左侧称为第一侧，将图1至3所示的光学系统的右侧称为第二侧。上述的限定用于更好地说明本发明，不对本发明的保护范围进行限缩性限定。
第一实施例
如图1所示的光学系统透镜组立体图，由七个具有屈光力的透镜和一个平透镜组成，从第一侧到第二侧依次设置有第一透镜100、第二透镜110、第三透镜120、第四透镜140、第五透镜150、第六透镜160、第七透镜170和第八透镜180。
如图2所示的光学系统配置图，本实施例中，第一透镜100为具有负屈光力的弯月透镜，第一透镜100的两个表面均为球形面，其第一侧面为接近平面的凸面，第二侧面为凹面。
第二透镜110为具有正屈光力的双凸透镜，第二透镜110的两个表面均为球形面，其第一侧面和第二侧面均为凸面。
第三透镜120为具有正屈光力的弯月透镜，第三透镜120的两个表面均为球形面，其第一侧面为凸面，第二侧面为接近平面的凹面。
第四透镜140为具有负屈光力的双凹透镜，第四透镜140的两个表面均为球形面，其第一侧面和第二侧面均为凹面。
第五透镜150为具有正屈光力的双凸透镜，第五透镜150的两个表面均为球形面，其第一侧面和第二侧面均为凸面。
第六透镜160为具有正屈光力的双凸透镜，第六透镜160的两个表面均为球形面，其第一侧面为凸面，第二侧面为接近平面的凸面。
第七透镜170为具有负屈光力的弯月透镜，第七透镜170的两个表面均为球形面，其第一侧面为凹面，第二侧面为接近平面的凸面。
第八透镜180为平透镜，其第一侧面和第二侧面均为平面。
优选地，在上述光学系统中，还可以包括光阑130，上述光阑130可以为孔径光阑，以促进实现小的FNO。并且，通过光阑130够接收更多反射光线。优选地，该光阑130位于第三透镜120和第四透镜140之间，从而有利于光线的有效收束，在相同进光量的前提下减小光学系统的镜片口径。当然，本领域技术人员可以理解，光阑130也可以位于其它任意透镜之间。
下面，将参考图2和表1，说明本发明的光学系统的具体实施例。
如图2和表1所示，根据本实施例的光学系统从第一侧到第二侧顺序包括：假设物面位于无穷远处，物面反射的激光为平行光束；具有负屈光力的弯月形第一透镜100，具有凸向第一侧的第一表面S1和凹向第二侧的第二表面S2；具有正屈光力的双凸形第二透镜110，具有凸向第一侧的第一表面S3和凸向第二侧的第二表面S4；具有正屈光力的弯月形第三透镜120，具有凸向第一侧的第一表面S5和凹向第二侧的第二表面S6；假设具有表面S7的光阑130；具有负屈光力的双凹形第四透镜140，具有凹向第一侧的第一表面S8和凹向第二侧的第二表面S9；具有正屈光力的双凸形第五透镜150，具有凸向第一侧的第一表面S10和凸向第二侧的第二表面S11；具有正屈光力的双凸形第六透镜160，具有凸向第一侧的第一表面S12和凸向第二侧的第二表面S13；具有负屈光力的弯月形第七透镜170，具有凹向第一侧的第一表面S14和凸向第二侧的第二表面S15；第八透镜180为平透镜，具有竖直平行且平整的第一表面S16和第二表面S17；假设具有表面S18的光焦面190。
对于上述光学系统用于激光雷达接收部分，光焦面190可以对应于激光接收模块240的安装位置，其中用于感测激光的传感器与光焦面190重合，入射激光束经过上述光学系统聚焦于光焦面190上被传感器感测到。
上述光学系统的透镜数据如下表1所示。
【表1】
Figure 293560DEST_PATH_IMAGE001
上表中，正曲率半径指示曲率中心在表面的右侧（第二侧），负曲率半径指示曲率中心在表面的左侧（第一侧）。厚度或间距指从当前表面到下一个表面的轴向距离。其中，透镜组的整组焦距值为14.3mm，数值孔径（NA）为2，第一透镜100至第七透镜170材质为H-ZK3型的玻璃，第八透镜180材质为BK7型的玻璃。
如图3所示的本实施例的光学系统光路图，从物面反射的平行激光束从第一侧射入透镜组最终聚焦于光焦面190上的一点。不同位置和角度的反射光线聚焦于光焦面190上不同的点。
同样的，根据本实施例的光学系统的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项。
1）光学系统包括七个具有屈光力的透镜。在一些实施方案中，所有具有屈光力的透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。
2）光学系统包括（孔径）光阑130，例如位于第三透镜120和第四透镜140之间。
3）在一些实施方案中，光学系统可与扫描镜系统（例如，MEMS镜或旋转镜）集成，以收集来自远程物体的激光辐射，并且以足够的精度使位于光焦面190的接收模块接收信号。
4）光学系统可针对紧凑的发射模块/接收模块进行优化，可按比例放大或缩小。
5）能够将从第一侧入射的物面反射的平行激光束聚焦于光焦面190上一个点。例如，激光以大致平行的方式发出，可以检测远距离（几百米）物体，经物体反射的激光以大致平行的方式从第一侧入射进上述光学系统。
6）从第一侧不同角度和位置入射的平行激光束聚焦于光焦面190上不同的位置，从而可以增加激光雷达的有效线数。
7）光学系统可提供不小于±15°（加起来是30°）的视场。
第二实施例
上文中，参照图1至3对第一实施例的光学系统结构和性能进行了说明，接下来，结合图4至6对具有上述光学系统的激光雷达进行进一步说明。
如图4所示的激光雷达立体图，包括镜头安装架200，镜头安装架200内水平朝向设置有两个发射镜筒210和一个接收镜筒220，发射镜筒210位于接收镜筒220两侧且发射镜筒210口径小于接收镜筒220，发射镜筒210和接收镜筒220内具有适合放置光学系统的贯通孔。镜头安装架200左侧与发射镜筒210对齐的位置设置有激光发射模块230，与接收镜筒220对齐的位置设置有激光接收模块240。
如图5所示的激光雷达剖视图，发射镜筒210用于插入发射部分的光学系统而接收镜筒220用于插入接收部分的光学系统。其中，接收部分的光学系统为第一实施例中所述的光学系统。如图6所示为发射部分的光学系统配置光路图。
发射部分的光学系统从第一侧（左侧）到第二侧（右侧）顺序包括：假设具有表面S1’的光焦面100’；具有正屈光力的弯月形第一透镜110’，具有凹向第一侧的第一表面S2’和凸向第二侧的第二表面S3’；具有正屈光力的双凸形第二透镜120’，具有凸向第一侧的第一表面S4’和凸向第二侧的第二表面S5’；具有正屈光力的弯月形第三透镜130’，具有凸向第一侧的第一表面S6’和凹向第二侧的第二表面S7’；具有负屈光力的双凹形第四透镜140’，具有凹向第一侧的第一表面S8’和凹向第二侧的第二表面S9’；假设具有表面S10’的光阑150’；具有正屈光力的平凸形第五透镜160’，具有平整的第一表面S11’和凸向第二侧的第二表面S12’；具有正屈光力的双凸形第六透镜170’，具有凸向第一侧的第一表面S13’和凸向第二侧的第二表面S14’；具有负屈光力的双凹形第七透镜180’，具有凹向第一侧的第一表面S15’和凹向第二侧的第二表面S16’；假设具有表面S17’的物面190’。
对于上述发射部分的光学系统，光焦面100’可以对应于激光发射模块230’的安装位置。激光发射模块230’从光焦面100’上任意一个点发射的激光（针对905±20nm波长）经过发射部分的光学系统准直后从第二侧以大致平行光发出抵达物面190’。光焦面100’上不同位置发射的激光对应着不同的出射位置和角度。
发射部分的光学系统详细透镜数据如下表2所示。
【表2】
Figure 7438DEST_PATH_IMAGE002
上表中，正曲率半径指示曲率中心在表面的右侧（第二侧），负曲率半径指示曲率中心在表面的左侧（第一侧）。厚度或间距指从当前表面到下一个表面的轴向距离。其中，透镜组的整组焦距值为14.3mm，数值孔径（NA）为2，材质为H-ZK3型的玻璃。
对比表2和表1，第一实施例中所述的光学系统，在维持与发射光学系统相似长度的情况下，实现了接近两倍的透镜直径，即接近四倍的激光接收面积，从而激光接收模块240可以接收到更多的反射激光。
激光雷达的激光发射模块230和激光接收模块240位于发射镜筒210和接收镜筒220的左侧，第一实施例中所述的光学系统第二侧为靠近激光接收模块240的一侧。其中，激光发射模块230的发射发散点位于发射部分光学系统的光焦面100’，激光接收模块240的感光面位于接收部分光学系统的光焦面190。
除此之外，为了防止激光发射模块230发射的激光对激光接收模块240造成影响，在激光发射模块230和激光接收模块240之间设置有隔层250，且对激光发射模块230和激光接收模块240进行错位安装。
第三实施例
上文中，参照图4至6对具有第一实施例中所述的光学系统的激光雷达进行了说明。接下来，结合图7对第二实施例中位于光学系统第一侧的激光发射模块230和激光接收模块240进行说明。
激光雷达的激光发射模块230可以是单个发出激光的激光器231，也可以是包括多个发出激光的激光器231，激光器231可以为边发射激光器(EEL)或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)。多个激光器231可以在发射光学系统的光焦面100’附近沿经过光学系统的光轴的直线排列。进一步地，多个激光器231沿垂直方向排列。其中，多个激光器231也可以一体结合而形成一个线阵激光器，此时可以将线阵激光器的发出一束激光的部分视为一个激光器。
每个激光器231的发射发散点位于图6所示的光焦面100’，从而使得从多个激光器231发出的发散的激光经过发射部分的光学系统后均能变成多个准直光线。虽然图7中示出了包括16个激光器231的情形，但本发明不限于此，激光器231的数量可以根据需求而适当增减。
如图7所示，多个激光器231沿着垂直方向排列为线阵形态，但本发明不限于此，多个激光器231可以沿垂直于光轴方向的两个直线排列。或者，多个激光器231也可以分散布置，即使激光器231没有沿直线排列，发射部分的光学系统可以将从多个激光器231发出的激光分别准直。
在本实施例中，激光接收模块240的传感器也可以采用与图7中所示的激光器231相似的排列。传感器的数量小于或等于激光器231的数量。当由激光发射模块230发射出的准直激光束经过物体反射从不同方向和角度射入激光接收模块240后，第一实施例中所述的光学系统将入射的平行激光束经过聚焦后落在光焦面190上，不同方向和角度的激光束汇聚后落在光焦面190上不同的位置。
以上记载的关于光学系统及具有此的激光雷达的实施例仅仅是示意性的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，由七个具有屈光力的透镜和一个平透镜组成，从第一侧到第二侧依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；
第一透镜具有负屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；
第二透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；
第三透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；
第四透镜具有负屈光力，其第一侧面为凹面，第二侧面为凹面；
第五透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；
第六透镜具有正屈光力，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；
第七透镜具有负屈光力，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；
第八透镜为平透镜；
其中，所述光学系统能够使从第一侧不同角度平行入射的多束激光经过聚焦后落在第二侧的光焦面上的不同位置。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜组焦距为14.3mm。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜至第七透镜均为H-ZK2玻璃制造。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第八透镜为BK7玻璃制造。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的视场不小于±15°。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜和第四透镜之间设置有光阑。
7.一种激光雷达，其特征在于，包括：
如权利要求1至6中任一项所述的光学系统；
镜头安装架，镜头安装架内设置有两个发射镜筒和一个接收镜筒，发射镜筒位于接收镜筒两侧，且发射镜筒口径小于接收镜筒，所述光学系统设置于接收镜筒内；
激光发射模块，设置在镜头安装架上，位于所述光学系统的第二侧与发射镜筒对齐，具有发出激光的激光器；
激光接收模块，设置在镜头安装架上，位于所述光学系统的第二侧与接收镜筒对齐，具有感测激光的传感器。
8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器可以为一个或多个。
9.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述发射镜筒和接收镜筒相互平行设置，所述光学系统中远离激光接收模块为第一透镜。
10.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述具有感测激光的传感器设置在所述光学系统光焦面上。
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