CN115343690B - 光学收发组件和激光雷达装置 - Google Patents

光学收发组件和激光雷达装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于激光雷达的光学收发组件及激光雷达装置，包括：第一透镜组件，所述第一透镜组件为具有第一曲率半径的球形结构；第二透镜组件，与所述第一透镜组件形成一体结构，包括：第三透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的一侧；第四透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的与所述第三透镜相反的一侧；其中，所述第二透镜组件与所述第一透镜组件基本上共球心。

Description

光学收发组件和激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种光学收发组件和激光雷达装置。
背景技术
激光雷达系统已经广泛应用于障碍物探测、距离探测等方面，例如自动驾驶领域、智能机器人的避障领域等，激光雷达通过发射激光脉冲和接收从周围物体反射回的激光脉冲回波，并根据发射的脉冲和接收反射的脉冲之间的时间延迟来计算激光雷达到环境物体的距离。
光学镜头是激光雷达等光电系统必不可少的组成部分，常用于激光信号的发射与接收，目前常用的激光雷达系统包括收发分离的光学系统，收发分离的光学系统装调比较复杂，且不利于激光雷达系统的小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学收发组件和激光雷达装置，以解决如上技术问题之一，具体如下。
本发明实施例提供一种用于激光雷达的光学收发组件，包括：第一透镜组件，所述第一透镜组件为具有第一曲率半径的球形结构；第二透镜组件，与所述第一透镜组件形成一体结构，包括：第三透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的一侧；第四透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的与所述第三透镜相反的一侧；其中，所述第二透镜组件与所述第一透镜组件基本上共球心。
在一些实施例中，所述第一透镜组件包括：沿光路轴线方向设置的第一透镜和第二透镜，其中，所述第一透镜和所述第二透镜具有大致相同的所述第一曲率半径。
在一些实施例中，所述第三透镜具有第一表面和第二表面，所述第四透镜具有第三表面和第四表面，其中，所述第一表面和所述第三表面具有大致相同的所述第一曲率半径，所述第二表面和所述第四表面具有大致相同的第二曲率半径。
在一些实施例中，所述第一透镜和第二透镜由第一材料形成，所述第三透镜和第四透镜由第二材料形成，其中，所述第一材料和所述第二材料的折射率不同。
在一些实施例中，还包括：
光波导组件，配置为发射和接收光信号，所述光波导组件具有与所述第四透镜间隔设置的弧形端面，其中，所述弧形端面具有第三曲率半径。
在一些实施例中，所述弧形端面与所述第二透镜组件、所述第一透镜组件基本上共球心。
在一些实施例中，所述光波导组件包括：沿所述弧形端面法线方向设置的至少一个光波导，所述至少一个光波导的光信号收发方向指向所述球心。
在一些实施例中，所述光学收发组件的光学口径为7-9mm，所述光学收发组件的视场角为±30°。
在一些实施例中，所述第三透镜和所述第四透镜分别胶合地设置在所述第一透镜组件的两侧。
在一些实施例中，所述光学收发组件在视场范围内的波前差为0.02λ，艾里斑半径为1.34 um-1.98um，其中，λ为光信号波长。
本发明实施例还提供一种激光雷达装置，包括如上任一项所述的光学收发组件。
本发明实施例具有如下技术效果：
本发明实施例提供的共球心激光雷达收发组件，该收发组件能够同时实现激光雷达的激光信号的发射和接收，收发组件采用4片透镜，两种光学材料，实现了视场内近轴像差的矫正，该球形激光雷达收发组件采用两层球透镜的结构，两球共球心，具有对称性，可以实现视场内任意一点的成像质量近乎一致，达到较好的聚焦与发射效果。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明的一些实施例提供的光学收发组件的结构示意图；
图2为本发明的另一些实施例提供的光学收发组件的结构示意图；
图3为本发明的一些实施例提供的RMS 波前差与视场的关系曲线图；
图4为本发明的一些实施例提供的光学收发组件模拟的各视场点列图；
图5为本发明的一些实施例提供的激光雷达装置结构示意图；
图6为本发明的一些实施例提供的激光收发芯片结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
对于激光雷达而言，激光雷达通过发射激光脉冲和接收从周围物体反射回的激光脉冲回波，并根据发射的脉冲和接收反射的脉冲之间的时间延迟来计算激光雷达到环境物体的距离。扫描视场角表示激光束通过扫描装置所能达到的最大角度范围，分为水平视场角和垂直视场角。激光雷达通过激光收发组件发射和接收探测激光信号，为了保证在视场角范围内所有发射和接收激光信号的光学性质，必须对激光收发组件的性能进行改进。
光学镜头是激光收发组件的重要组成部分，用于扩大激光探测信号的视场范围，提升探测激光信号的光学性能。激光雷达系统的光学镜头包括收发共光路结构和收发分离结构，其中，收发分离的光学系统装调比较复杂，而目前现有的接收光路的焦面所在的表面大多采用平面分布的器件，对于大视场（比如45°以上的视场角）的光学系统，一般中心视场的接收性能比靠近边缘的视场的接收性能要高，因此，要实现全视场都有较高的接收性能，对于光学镜头设计的复杂度和难度都更高。此外，对于发射镜头对远心度有更高要求的光学系统，也必然会加大光学镜头的口径。因此，基于平面分布的光电器件的光学系统要实现大视场角和/或大视场角下边缘视场的高光学性能是有一定难度的。
本发明实施例提供一种用于激光雷达的光学收发组件，包括：第一透镜组件，所述第一透镜组件为具有第一曲率半径的球形结构；第二透镜组件，与所述第一透镜组件胶合形成一体结构，第二透镜组件包括：第三透镜，沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件的一侧；第四透镜，沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件的与所述第三透镜相反的一侧；其中，所述第二透镜组件与所述第一透镜组件共球心。
本发明实施例提供的共球心激光雷达收发组件，采用两组不同光学材料构成的透镜组件进行激光的发射和接收，实现了全视场内近轴像差的矫正。此外，该激光雷达收发组件采用两层球共球心的透镜组合结构，具有对称性，可以实现视场内任意一点的成像质量近乎一致，使得激光雷达的成像质量更高。
如图1所示，本发明实施例之一提供的光学收发组件，包括球形第一透镜组件10，第一透镜组件10为一种球形结构，球形第一透镜组件10为由第一材料加工形成的能够传输激光信号的球体，激光信号在球形第一透镜组件10内传输具有性能稳定、无分散、免干扰的特点，球形第一透镜组件10具有第一曲率半径；第二透镜组件20，第二透镜组件20与所述第一透镜组件10胶合形成一体结构，其中，第二透镜组件20包括第三透镜21，第三透镜21沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件10的一侧；第二透镜组件20还包括第四透镜22，第四透镜22沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件10的与所述第三透镜21相反的一侧；第三透镜21和第四透镜22为由第二材料形成的同一球形结构的两部分，所述第二透镜组件20与所述第一透镜组件21共球心。
本发明另外的实施例之一提供的光学收发组件，包括球形第一透镜组件10和球形第二透镜组件20，第一透镜组件10为由第一材料加工形成的能够传输激光信号的球体，第二透镜组件20为由第二材料加工形成的能够传输激光信号的球体，球形第二透镜组件20围绕球形第一透镜组件10形成所述光学收发组件，激光信号在球形第一透镜组件10和球形第二透镜组件20内传输具有性能稳定、无分散、免干扰的特点，球形第一透镜组件10具有第一曲率半径，球形第二透镜组件20具有第二曲率半径，所述第二透镜组件20与所述第一透镜组件21共球心。大球套小球的光学收发组件，可以先制备小球，待小球固化后再放入大球模具中，倒入第二材料的浆液固化后成型。该结构的光学收发组件结构稳定，装配方便，由于各向光学性质等同，便于与其他光学组件一起装配使用。
如图2所示，本发明另外的实施例之一提供的光学收发组件，包括第一透镜组件10，所述第一透镜组件10包括沿光路轴线方向胶合设置的第一透镜11和第二透镜12，所述第一透镜11和所述第二透镜12具有相同的所述第一曲率半径，第一透镜11和所述第二透镜12胶合在一起形成一个球形结构，球形结构可以为近似球形结构，例如为球形结构的一部分，也可以是一个完整的球形，该近似球形结构相对于上述实施例的球形第一透镜组件10具有易加工、易组装的特性。第一透镜11和第二透镜12均由第一材料加工形成；第二透镜组件20，第二透镜组件20与所述第一透镜组件10胶合形成一体结构，其中，第二透镜组件20包括第三透镜21，第三透镜21沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件10的一侧；第二透镜组件20还包括第四透镜22，第四透镜22沿光路轴线方向胶合于所述第一透镜组件10的与所述第三透镜21相反的一侧；第三透镜21和第四透镜22为由第二材料形成的同一球形结构的两部分，所述第二透镜组件20与所述第一透镜组件21共球心。第一透镜11、第二透镜12、第三透镜21、第四透镜22通过光学紫外胶进行胶合，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜21、第四透镜22、光波导组件30五个曲面共一个球心，具有几何上的对称性。
本发明提供一种大视场、高像质、视场一致性好的球形光学收发组件，通过基于中心视场对称的两层球的光学结构设计，实现了收发一体、大视场、高像质、高一致性的光学系统，同时相较于传统的像方远心镜头，具有更小的体积与更高的集成度。
为了描述方便，进行如下方向定义，如图1所示：激光雷达系统可通过界定的如下三个相互垂直轴进行标定：横向轴X、纵向轴Y及垂直轴Z。其中，横向轴X的“正向”为激光雷达从光波导组件30发射激光，并沿第二透镜组件20、第一透镜组件10发射激光的方向，也可定义为“前向”，横向轴X的“负向”为返回激光沿第一透镜组件10、第二透镜组件20进入激光雷达光波导组件30的方向，也可定义为“后向”；横向轴X沿“正向”或“负向”过球心的方向为“轴线”方向。
在一些实施例中，如图2所示，所述第三透镜21具有沿光路轴线方向设置的第一表面211和第二表面212，所述第四透镜22具有沿光路轴线方向设置的第三表面221和第四表面222，其中，所述第一表面211和所述第三表面221具有相同的所述第一曲率半径，所述第二表面212和所述第四表面222具有相同的第二曲率半径。所述第一透镜11具有沿光路轴线方向的第五表面111和第六表面112，所述第二透镜12具有沿光路轴线方向的第七表面121和第八表面122，其中，所述第一表面211、第三表面221、第五表面111以及第七表面121具有相同的第一曲率半径，第六表面112和第八表面122为平面，相互对接使得第一透镜11和第二透镜12形成球形结构。
在一些实施例中，收发组件的各元件的参数举例说明如表1所示：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在一些实施例中，所述第一透镜和第二透镜由第一材料形成，如上表格所示，第一透镜和第二透镜由H-LAK54玻璃材料制备，所述第三透镜和第四透镜由第二材料形成，第三透镜和第四透镜由H-ZLAF90玻璃材料制备，其中，所述第一材料和所述第二材料的折射率不同，例如第一材料的折射率大于第二材料的折射率。
在一些实施例中，如图2所示，光学收发组件还包括：光波导组件30，通过光波导组件30发射和接收光信号，所述光波导组件30具有与所述第四透镜间隔设置的弧形端面，弧形端面记为第九表面32，其中，所述弧形端面具有第三曲率半径。作为一种举例，光波导组件30的弧形端面32的曲率半径例如为15.588mm，弧形端面32与第二透镜组件20的第四表面222之间的间隔例如为5.262mm。弧形端面32与所述第二透镜组20、所述第一透镜组件10共球心，实现了收发一体、大视场、高像质、高一致性的特性，同时相较于传统的像方远心镜头，具有更小的体积与更高的集成度。
在一些实施例中，所述光波导组件30包括：沿所述弧形端面法线方向设置的至少一个光波导31，所述至少一个光波导31的光信号收发方向指向所述球心。多个光波导31在弧形端面构成一个一维或二维的光波导阵列，光波导阵列中的每一个光波导31沿所述弧形端面法线方向指向球心，这样能够保证发射的激光信号经过球形透镜组件后在预设光学口径范围内传播，且保证探测光的视差范围在水平和垂直两个维度都是均匀发射的，对于接收到的返回激光信号，能够进行精准聚焦，使回波信号射入与发射光信号对应的光波导。在一些实施例中，当二维的光波导阵列在Y向和Z向都是均匀分布，且数量一致的情况下，能够保证视场角在水平和垂直两个维度都是相同的，进而实现面扫描的布局。
在一些实施例中，如图1所示，所述光学收发组件的光学口径D定义为第一透镜组件在YZ平面的宽度，例如在Y轴方向光学口径D为7-9mm，例如8mm，由于第一透镜组件为球形结构，其在YZ平面的宽度基本是一致的。
所述光学收发组件的视场角θ定义为边缘光线与X轴线的夹角，例如定义沿Y轴正向、Z轴正向正值,沿Y轴负向、Z轴负向为负值，光学收发组件的视场角θ为±30°。
以图2所述实施方式为例，激光信号发射和接收过程如下，光波导组件30上的光波导阵列沿垂直该光波导组件30的弧形端面32的方向发出激光信号，激光信号由第四透镜22的表面右侧往左入射，依次进入第四透镜22、第二透镜12、第一透镜11、第三透镜21后射出，照射到探测环境，完成激光的发射。被障碍物返回的回波激光信号由第三透镜21的左侧入射，经过透镜的折射，依次进入第三透镜21、第一透镜11、第二透镜12、第四透镜22后聚焦到光波导组件30上的光波导31，回波激光信号就被耦合进波导阵列里面。
如图3所示，为上述实施例所述的光学收发组件模拟的RMS波前差与视场的关系曲线，其中，RMS表示激光信号经过光学系统后的实际波前与理想波前之差的均方根值，从图3可以看出，本实施例所述的光学收发组件在视场范围内（0-30度）的波前差大致为0.02λ，优于衍射极限0.072λ，其中，λ为光信号波长。图4为上述实施例所述的光学收发组件模拟的各视场点列图，从图4可以看出，本实施例所述的光学收发组件的艾里斑半径为1.34 um-1.98um，均小于3.7um的艾里斑半径。波前差大致为0.02λ、艾里斑半径为1.34 um-1.98um，两者综合评价都接近衍射极限状态，可以评价上述实施例所述的光学收发组件具有非常好的光学性能。
综上所述，上述实施例所述的光学收发组件具有非常高的光学性能，具体表现在：
高像质：本发明采用4片透镜，两种光学材料，对于激光单点波长的应用，单点视场可实现大部分近轴像差的矫正，达到相对较好的聚焦与发射效果。
一致性：本发明采用两层球透镜的结构，两球共一个圆心，具有对称性，可以实现视场内任意一点的成像质量近乎一致。相较于传统技术方案在边缘视场像质相对于中心视场都会有一定的恶化，本发明可以实现边缘具有与中心同等的像质。
小型化：本发明的光学收发组件采用球形分布的结构，避免了发射对镜头像方远心的设计要求，传统平面芯片或探测器匹配的远心镜头口径都会大于非远心的镜头，有效地减小了光学尺寸包络。
易装配：本发明的光学系统只需采用胶合的工艺便可完成镜头的装配，相比于传统的分离式结构的镜头需要与结构件进行配合安装，本发明的光学镜头装配的效率更高。
低成本。本发明的4片透镜两两对称，实际上只有两种透镜，在加工量产方面更具经济性。
本发明实施例还提供一种激光雷达装置，包括如上任一实施例所述的光学收发组件，光学收发组件作为激光雷达装置的前端组件设置于激光雷达装置面向探测环境的一侧。
图5示出了包含有本实施例所提供的光学收发组件的激光雷达装置。所述激光雷达装置包括：激光光源100、光分配网络200、后端组件300以及光学收发组件400。
所述激光光源100可以集成设置于后端组件300上，也可以设置于后端组件300外，例如通过光纤或其他光学元器件将激光光源100发射出的激光耦合到后端组件300上。激光光源100配置为产生一个或多个波长的激光光束，激光光源100包括激光发射单元110、激光调制单元120以及激光放大单元130，设置于芯片外的激光发射单元110可以是分布反馈式激光器、光纤激光器、半导体激光器等等，集成设置于芯片上的激光发射单元110可以是混合集成的InP激光器、InGaAs激光器。激光调制单元120配置为对激光光束以预定模式周期性调制，例如调制为三角波或锯齿波，三角波周期性调制可以是对称三角波或非对称三角波。激光放大单元130可以包含掺铒光纤放大器、半导体光放大器等放大器，对激光器产生的光信号进行放大，以获得足够能量的发射光信号。
所述光分配网络200配置为接收激光光源100发射的所述激光光束后形成多个子光束，并将所述多个子光束分别分配于多个光路通道。该光分配网络200可以集成于后端组件300上或者设置于后端组件300外。所述光分配网络200可以为光功率分配网络，将接收到的总功率为P0的激光等分或不等分的分解为n个功率为P1、P2……Pn的光学支路，每一光学支路输入一个光学通道；所述光分配网络200也可以为光波长分配网络，将接收到的含有m个波长的激光分解为m个光学支路，每一光学支路包含一个波长的激光，每一波长的激光输入一个光学通道，用于根据探测环境的需要进行波长的选择，例如大气环境选择1064nm红外激光进行探测，水下选择456nm蓝光进行探测，或者选择二者的结合进行复杂环境的探测。在一些实施例中，所述光分配网络200是波分复用网络，所述波分复用网络的每个输出端口对应输出一个波长的子光束。
在一些实施例中，所述光分配网络200还配置为能够对分配到每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节。例如，通过设置至少1个光功率调节单元对每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节，使其相同或不相同，以满足每一光路通道上的激光探测需求，例如调节边缘的两路光路通道的激光功率强，用于探测更远的距离，调节中间光路通道的激光功率弱，避免光路通道之间的串扰；或者，调节奇数光路通道的激光功率强，偶数光路通道的激光功率弱，进一步避免相邻光路通道之间的光学串扰。
在一些实施例中，所述光分配网络200包括以下任一项：热光开关网络、电光开关网络、星形耦合器或级联多模干涉器网络。所述光分配网络配置为能够选择其中一个或多个光路通道连通。例如选择奇数光路通道连通，能够发射或接收激光，偶数光路通道不连通，不能够发射或接收激光，进一步避免相邻光路通道之间的光学串扰。也可以选择边缘的两路光路通道的连通，能够发射或接收激光，调节中间光路通道不连通，避免光路通道之间的窜扰。例如选择奇数光路的各波长通道连通，能够发射或接收指定波长的激光，偶数光路通道不连通，不发射或接收指定波长的激光，进一步能够根据需要选择希望获得输出的波长进行发射，以满足复杂环境下激光探测的需求。或者，选择指定光学通道的指定波长和/或指定功率的激光输出，以满足特定情况下激光探测的需求，具体的选择可以根据应用场景的需要通过光分配网络控制，在此不做赘述。
后端组件300包括集成的多路光学组件，多路光学组件可以是如图5所示的多个激光收发装置310n，每一所述激光收发装置包括第一接口315，配置为通过所述激光收发装置分别传输探测光信号和返回光信号，第一接口315可以是光学耦合透镜或透镜组或光纤耦合接口等结构。后端组件300与光分配网络200耦接，实现多路光探测信号的发射和接收。
光学收发组件400接收并发射所述后端组件300传输的探测光信号，以及从探测环境接收并向所述后端组件300传输所述返回光信号。光学收发组件400包括多个与所述第一接口315对应设置的第二接口，第二接口也可以是光学耦合透镜或透镜组或光纤耦合接口等结构，光学收发组件400通过所述第二接口可拆卸地与所述后端组件300的第一接口315耦接，并通过光波导31发射和接收光信号，其中，耦接可以包括以下几种方法：端面耦合、透镜耦合、垂直耦合或光学键合引线耦合。
在一些实施例中，所述后端组件300包括的多路光学组件为多个激光收发装置(3101、3102、……310n)，所述多个激光收发装置配置为基于所述子光束对障碍物进行探测，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，激光光源100产生的激光经过光分配网络200分配成N路激光，分别传输到集成了N个发射接收通道的后端组件300，形成N个发射接收光路，对环境周围的物体进行探测，探测环境物体的距离和/或速度，其中，N为大于1的自然数，可选的N为1-16的自然数。在一些实施例中，所述后端组件300可以选用：硅光芯片、Ⅲ-Ⅴ族光芯片、铌酸锂光芯片等。
在一些实施例中，如图6所示，所述激光收发装置3101（其余激光收发装置结构相同）包括通过光学连接的分光器311、模式复用器312、混频器313、平衡探测器314以及第一接口315。所述光学连接可以是光纤、光波导等光学传输介质连接。
其中，分光器311包括三个端口，其中，分光器第一端口3111接收从光分配网络200输入的激光子光束，并经分光器311将所述子光束分成第一子光束和第二子光束；所述第一子光束作为探测激光信号经分光器第二端口3112传输至模式复用器312，所述第二子光束作为本征激光信号经分光器第三端口3113传输至混频器313。
可选的，所述本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例可以是固定的，例如本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例为3:7，本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例也可以是可调的，例如当探测目标距离稍远时，应当适当提高探测激光信号的功率，但本振激光信号的功率应当满足其进行混频的最低阈值，例如本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例调整为1:9，且本振激光信号的功率满足最低阈值，例如1mw，对阈值不做具体限定。
在一些实施例中，所述分光器311包括以下任一项可供选择应用：定向耦合器、非对称多模干涉器、Y型分束器、绝热型分束器、热光开关或电光开关。对任一器件的选择可根据光分配网络分配的激光传输信号的功率、波长等因素选择应用，对此不做赘述。
所述模式复用器312包括三个端口，其中，模式复用器第一端口3121与分光器第二端口3112光连接，用于接收所述第一子光束后传输至模式复用器第二端口3122，第一子光束作为探测激光信号经模式复用器第二端口3122发射出去，模式复用器第二端口3122接收基于所述第一子光束经过环境物体反射后形成的第一探测光束，并将反射的所述第一探测光束传输至模式复用器第三端口3123，其中，第一子光束与反射后形成的第一探测光束的光学性质不同，因此，模式复用器312仅能使具有模式一的第一子光束从模式复用器第一端口3121传输至模式复用器第二端口3122，且模式复用器312仅能使具有模式二的第一探测光束从模式复用器第二端口3122传输至模式复用器第三端口3123，并不能传输至模式复用器第一端口3121，即第一子光束和第一探测光束为模式不同的光，可选的，第一子光束和第一探测光束偏振方向不同，例如o光或e光；或者，第一子光束和第一探测光束的光学模式不同，例如为横电模或横磁模。
在一些实施例中，所述模式复用器包括偏振模式复用器；其中，所述偏振模式复用器包括以下至少之一：基于耦合波导的偏振分束器、基于亚波长光栅结构的偏振分束器、基于多模干涉结构的偏振分束器、基于槽型波导的偏振分束器或基复合波导的偏振分束器；采用上述波导型偏振模式复用器，能够保证激光互不干扰的单向传输的同时，可以提高器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
在一些实施例中，所述模式复用器包括模式转换器。其中，模式转换器中，第一子光束的光学模式为TEn或TMn模式，第一探测光束的光学模式为TEm或TMm模式，其中n≠m，且n、m为大于3的自然数。采用上述模式转换器，由于光学模式发生了变化，能够保证激光互不干扰的单向传输，减小了器件尺寸，提高了器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
在一些实施例中，所述模式复用器包括非互易模式复用器。其中，所述非互易模式复用器包括以下至少之一：基于钇铁石榴石磁光波导的非互易模式复用器、基于光学非线性效应的非互易模式复用器或基于时空调制的非互易模式复用器。探测光由端口1到端口2和反射光由端口2到端口1的过程中具有不同的损耗，由此可以得到该光学非互易模式复用器的非互易比率。非互易模式复用器的非互易性体现在正向和反向传播通路的损耗不同。正向传播时模式复用器第一端口3121到模式复用器第二端口3122的损耗很小，反向传播时模式复用器第二端口3122到模式复用器第一端口3121的损耗极大，模式复用器第二端口3122到模式复用器第三端口3123的损耗很小，因此出射激光和返回激光可以互不干扰的在各自的路径中传输。采用上述非互易模式复用器，能够保证激光互不干扰的单向传输的同时，可以提高器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
所述混频器313包括三个端口，混频器第一端口3131与分光器第三端口3113光连接，配置为接收所述第二子光束；混频器第二端口3132与模式复用器第三端口3123光连接，配置为接收所述反射后的所述第一探测光束，第二子光束与第一探测光束形成混频光束从混频器第三端口3133输出；其中，所述混频器313可以是定向耦合器或多模干涉器。
所述平衡探测器314包括两个端口，平衡探测器输入端口与混频器第三端口3133光连接，配置为接收所述混频光束后获取所述第二子光束和所述第一探测光束的频率差，然后将该频率差通过输出端口输出至处理器，处理器可以计算出激光雷达装置到环境物体的距离和速度。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于激光雷达的光学收发组件，其特征在于，包括：
第一透镜组件，所述第一透镜组件为具有第一曲率半径的球形结构；
第二透镜组件，与所述第一透镜组件形成一体结构，包括：
第三透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的一侧；
第四透镜，沿光路轴线方向设置于所述第一透镜组件的与所述第三透镜相反的一侧；
其中，所述第二透镜组件与所述第一透镜组件共球心；
光波导组件，配置为发射和接收光信号，所述光波导组件具有与所述第四透镜间隔设置的弧形端面，其中，所述弧形端面具有第三曲率半径；所述光波导组件包括：沿所述弧形端面法线方向设置的至少一个光波导，所述至少一个光波导的光信号收发方向指向所述球心。
2.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述第一透镜组件包括：沿光路轴线方向设置的第一透镜和第二透镜，其中，所述第一透镜和所述第二透镜具有相同的所述第一曲率半径。
3.根据权利要求2所述的光学收发组件，其特征在于，
所述第三透镜具有第一表面和第二表面，所述第四透镜具有第三表面和第四表面，其中，所述第一表面和所述第三表面具有相同的所述第一曲率半径，所述第二表面和所述第四表面具有相同的第二曲率半径。
4.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜由第一材料形成，所述第三透镜和第四透镜由第二材料形成，其中，所述第一材料和所述第二材料的折射率不同。
5.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述弧形端面与所述第二透镜组件、所述第一透镜组件共球心。
6.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述光学收发组件的光学口径为7-9mm，所述光学收发组件的视场角为±30°。
7.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜分别胶合地设置在所述第一透镜组件的两侧。
8.根据权利要求1所述的光学收发组件，其特征在于，所述光学收发组件在视场范围内的波前差为0.02λ，艾里斑半径为1.34 um-1.98um，其中，λ为光信号波长。
9.一种激光雷达装置，包括权利要求1-8任一项所述的光学收发组件。
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