CN115656977B - 一种基于vcsel阵列激光器的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括：VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，所述准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；所述第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸，该激光雷达可有效减小VCSEL阵列激光器发散角，提高激光亮度，实现VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积的匹配，提高了激光雷达的能量利用效率和探测效率。

Description

一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，尤其是涉及一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达。

背景技术

激光雷达具有高精度、高分辨率等优势，同时能够获取周围三维点云信息，已经成为未来自动驾驶不可或缺的关键传感器，其工作原理是先向探测区域发射用于探测的出射激光，然后将接收到的从探测区域内的物体反射回来的反射激光与出射激光进行比较，获取物体的距离、速度、方位等的相关信息。激光雷达采用主动光探测，通常包括激光发射模块、光学透镜、接收成像模块、控制模块和信号处理模块，其中，激光发射模块对光源进行脉冲调制之后再进行发射，接收成像模块用来在不同时间采样反射光线，控制模块对传感器电荷执行读出和转换，信号处理模块可以记录精确的深度图。深度图通常是灰度图，其中的每个值代表光反射表面和相机之间的距离。为了得到更好的效果，通常会进行数据校准。如图1所示为VCSEL阵列激光器的示意图，为了提高VCSEL阵列激光器的亮度以增大探测距离，因此需要提高每个电极的最大电流，现有技术中，通过增加晶体管数量来提高电流的方式往往导致VCSEL阵列激光器像素面积过大，大于探测器的像素面积，一方面导致芯片尺寸过大，不利于设备小型化，另一方面，因VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积不匹配，导致光束能量不集中、多余的能量造成浪费。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，可解决VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积不匹配的技术问题。

基于上述技术目的，本发明提供一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，所述VCSEL阵列激光器发射至少两路光束且直接输入至所述准直透镜阵列的入射面，所述准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；所述第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸；所述分束棱镜组对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向所述探测器射出；所述镜头透镜组对入射光进行汇聚后向探测物射出，并接收所述探测物的反射光进行汇聚后向所述分束棱镜组的第二入射面射出。

借由上述技术方案，本申请提供基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，所述VCSEL阵列激光器发射至少两路光束且直接输入至所述准直透镜阵列的入射面，所述准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；所述第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸；所述分束棱镜组对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向所述探测器射出；所述镜头透镜组对入射光进行汇聚后向探测物射出，并接收所述探测物的反射光进行汇聚后向所述分束棱镜组的第二入射面射出，本发明的发明点在于实现VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积的匹配，提高了激光雷达的能量利用效率和探测效率，在不增加VCSEL阵列激光器面积的同时提高激光雷达的探测距离和探测精度。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特列举本申请的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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。

图1示出了本申请实施例中提供的VCSEL阵列激光器的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中提供的光学透镜组结构示意图；

图3示出了本申请实施例中提供的准直透镜阵列的结构示意图；

图4示出了本申请实施例中提供的准直透镜阵列的局部结构示意图；

图5示出了本申请实施例中光束经透镜产生艾里斑的示意图；

图6示出了本申请实施例中第一光学透镜组对光束产生艾里斑的示意图；

图7示出了本申请实施例中光束经不同焦距透镜产生艾里斑的示意图；

图8示出了本申请实施例中提供的一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达的结构示意图；

图9示出了本申请实施例中提供的一种镜头透镜组的结构示意图；

图10示出了本申请实施例中提供的另一种镜头透镜组的结构示意图；

图11示出了本申请实施例中提供的另一种镜头透镜组的等效结构示意图；

图12示出了本申请实施例中提供的另一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达的结构示意图；

图13示出了本申请实施例中提供的另一种第一光学透镜组的结构示意图；

图14示出了本申请实施例中提供的第一光学透镜组的等效结构示意图；

附图中标记：1-VCSEL阵列激光器；2-准直透镜；3-光学透镜组、4-分束棱镜组；5-镜头透镜组；6-探测器；7-信号处理电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，VCSEL阵列激光器发射至少两路光束且直接输入至准直透镜阵列的入射面，准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配探测器的单元尺寸；分束棱镜组对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向探测器射出；镜头透镜组对入射光进行汇聚后向探测物射出，并接收探测物的反射光进行汇聚后向分束棱镜组的第二入射面射出。

其中，VCSEL阵列激光器为垂直腔面发射激光器阵列，如图1所示为VCSEL阵列激光器1发出的激光示意图，多个VCSEL发出多条光束，在光束切面上形成了矩形网格排列的发光面。VCSEL阵列激光器具备较强的抗静电能力，出射的光斑成圆形，大功率VCSEL阵列激光器往往由若干独立的发光点组成，其远场的光斑天生具备抑制激光散斑的效果，使得VCSEL阵列激光器在夜视、照明等领域的用途越来越大。然而，VCSEL阵列激光器在远距离照射时，其光斑的发散角较大。因此，本发明实施例中可通过准直透镜对光路进行准直，以减少发散角。分束棱镜组，用于穿过来自VCSEL阵列激光器发射的激光信号并射向镜头透镜组，还用于将接收到的来自镜头透镜组的反射激光偏转至探测器，分束棱镜组可以为非偏振分束立方由两个直角棱镜构成，其中一个直角棱镜斜面镀有介质非偏振分光膜，立方体四周都可以作为入射面且按照分光比分离透射光和反射光，为达到最佳分光性能，一般要求入射光从镀有非偏振分光膜的棱镜直角边入射，由于分束棱镜组需要对来自探测物的光进行反射至探测器，因此，分束棱镜组的第二入射面为镀有非偏振分光膜的棱镜直角边。探测器为单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）阵列，其对光的敏感度高，只要有微弱的光信号就能产生电流，通过信号处理模块进行光子计数，以实现对微弱光信号的测量获得光的飞行时间（ToF，Time of flight），例如：索尼的IMX459、ibeo公司的ibeoNEXT均属于SPAD探测器。准直透镜阵列可以为微透镜阵列或复眼透镜。

为了实现将类似如图1所示矩形网格排列的发光面与SPAD探测器的单元尺寸匹配，需要对单个光束进行汇聚缩小以匹配SPAD探测器的单元尺寸，实际应用中可针对不同探测器的型号进行单独设计，例如：对于索尼出品的IMX459堆栈式SPAD距离传感器而言，探测单元的尺寸为3 x 3像素（SPAD单元尺寸为10.08 μm x 10.08 μm ，H x V）的情况下，需要将光斑直径汇聚缩小到10.08 μm的三倍即30.24μm，以实现与IMX459单元尺寸的匹配，这样就可以在不增加VCSEL阵列激光器发光功率或尺寸的情况下提高探测器IMX459的探测距离，相应地，需要对透镜的焦距以及距离分束棱镜组的距离进行相应的控制。

本发明实施例提供的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，采用收发共光路设计，包括VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，所述VCSEL阵列激光器发射至少两路光束且直接输入至所述准直透镜阵列的入射面，准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸；分束棱镜组对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向所述探测器射出；镜头透镜组对入射光进行汇聚后向探测物射出，并接收所述探测物的反射光进行汇聚后向分束棱镜组的第二入射面射出，该技术方案可有效减小VCSEL阵列激光器发散角，提高激光亮度，实现VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积的匹配，提高了激光雷达的能量利用效率和探测效率。

为实现本发明实施例中的VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积的匹配，针对第一光学透镜组3的位置及透镜组合可以有多种实现方式：

如图2所示，第一光学透镜组3自入射面到出射面依次包括透镜L1和透镜L2，其中，透镜L1为凸透镜，透镜L2为凹透镜，这里所说的凸透镜可以为普通凸透镜、平凸透镜或弯凸透镜，凹透镜可以为普通凹透镜、平凹透镜或弯凹透镜，为实现光斑与探测器单元尺寸匹配，透镜L1的焦距f1、L2的焦距f2、透镜中心点之间的距离d需要满足一定的关系，具体推导如下：

根据高斯公式以及相似三角形推导，这里为兼顾激光雷达尺寸要求，透镜L1与准直透镜之间的距离小于透镜L1的焦距f1，相当于透镜L1的物距u小于一倍焦距，透镜L1对光斑的缩小比例等于(f1-d)/f1，透镜L2对光斑的缩小比例等于f2/(f2+d)，两者的乘积即为光斑的缩小比例，假设VCSEL阵列激光器1的单个VCSEL发出光束的光斑大小为（准直透镜2出射面射出光束的光斑大小）为M1，SPAD单元尺寸为M2，则满足M1 * (f1-d)/f1 * f2/(f2+d) = M2的条件下可实现VCSEL阵列激光器像素面积与探测器像素面积的匹配。

如图3所示，准直透镜阵列2的结构有两种分别为如图3中的（a）和(b)，其中，每个阵列中每个透镜单元如图4所示，每相当于一个平凸透镜，准直透镜阵列2上的每个透镜单元为了实现每个VCSEL发出的散射光束可变成特定直径的光斑，根据高斯公式，需要满足单个VCSEL位于透镜焦距处才能实现光束准直功能，同时需要满足，VCSEL阵列激光器到透镜中心平面的距离d等于透镜焦距f，f=出射光束光斑D/2*tan(θ/2)，θ为单个VCSEL发出激光的散射角。

如图5所示，第一光学透镜组还可以为微透镜阵列或复眼透镜，微透镜阵列由若干微透镜按照一定的规则排列而成的阵列，微透镜是一种典型的微光学器件，直径范围从几微米到几十毫米不等，一般常用的微透镜尺寸是几十到几百微米之间，微透镜阵列的整体效果相当于每个微透镜单独作用时的叠加。单个激光束通过单个透镜时，通过衍射受限透镜成像，焦点处可形成光斑即艾里斑（如图6所示，中央是明亮的圆斑，周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹，其中以第一暗环为界线的中央亮斑称作艾里斑）。利用艾里斑光能量分布特性（大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各级明环上），利用各级明环以及相邻明环的叠加实现了均光的效果、并填补了相邻激光线束之间的空白区域。如图7所示，为三种不同艾里斑中心距离情况下的示意图，（a）为单个艾里斑示意图，（b）为两个艾里斑距离大于瑞利判据时的示意图，（c）为两个艾里斑距离小于瑞利判据的示意图，通过设置透镜的焦距f，已确保相邻两个艾里斑的中心距离大于瑞利判据，以便能分辨不同的激光光束。

为更好的说明本发明实施例在实际应用中的应用方式，结合具体的VCSEL阵列激光器像素面积尺寸与探测器像素面积尺寸进行说明。例如：探测单元的尺寸为3 x 3像素（SPAD单元尺寸为10.08 μm x 10.08 μm ，H x V）进行感知的情况下，探测器像素面积尺寸为30.24μm，为了满足特定的探测距离要求，将VCSEL阵列激光器像素面积尺寸设计为60.48μm，中间需要通过本发明实施例中的光路设计将VCSEL阵列激光器像素面积60.48μm汇聚缩小2倍为30.24μm，以匹配探测器像素面积尺寸；当探测距离要求不高时，可以将VCSEL阵列激光器像素面积尺寸设计为45.36μm，中间需要通过本发明实施例中的光路设计将VCSEL阵列激光器像素面积45.36μm汇聚缩小1.5倍为30.24μm，以匹配探测器像素面积尺寸。

进一步地，镜头透镜组可以为扩束镜，通过扩束镜将出射激光进行扩束准直，在激光发射过程中，由于发射模组发射功率一定，通过扩束镜可减小出射激光的发散角，进而使得出射激光能量聚集，提高出射激光的能量密度，在一定程度上提高了激光雷达的测距能力，提高了测距距离；在激光接收过程中，经过扩束镜接收的反射激光，由于扩束镜的直径大，接收到的反射激光增加，且扩束镜接收到的反射激光会聚后均能够由探测器接收，即大接收口径的扩束镜能够接收到更多反射激光，进而也提高了测距能力，因此在同等发射功率和探测器的情况下，明显提高了激光雷达的测距能力。

实施例二

在本发明实施例一中的一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达在实施例一的基础上对镜头透镜组的一种具体结构进行如下具体说明。

第一光学透镜组3设置于准直透镜阵列2出射面与第一光学透镜组3入射面之间，对VCSEL阵列激光器的出射光进行汇聚缩小，如图8所示，一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括VCSEL阵列激光器1、准直透镜阵列2、第一光学透镜组3、分束棱镜组4、镜头透镜组5、探测器6以及信号处理电路7。

其中，VCSEL阵列激光器1发射至少两路光束且直接输入至准直透镜阵列2的入射面，准直透镜阵列2对入射的光束进行准直后射出，准直透镜阵列2的每个透镜单元为平凸透镜，平凸透镜的凸面为入射面，平凸透镜的平面为出射面，VCSEL阵列激光器到准直透镜阵列2的中心平面距离d等于透镜焦距f，透镜焦距f等于D1/2*tan(θ/2)，D1为准直透镜阵列2准直后激光光斑的直径，θ为单个VCSEL发出激光的散射角；

第一光学透镜组3采用伽利略望远系统，当高斯光束经过缩束系统后，输出束腰直径小于输入束腰直径，利用这一原理对来自准直透镜阵列2的入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配探测器6的单元尺寸，并向分束棱镜组4第一入射面发出，第一光学透镜组3自入射面到出射面依次包括透镜L1和透镜L2，透镜L1为凸透镜，透镜L2为凹透镜，这里所说的凸透镜可以为普通凸透镜、平凸透镜或弯凸透镜，凹透镜可以为普通凹透镜、平凹透镜或弯凹透镜，为实现准直透镜阵列2准直后激光光斑的直径D1与探测器单元尺寸D2匹配透镜L1的焦距f1、L2的焦距f2、透镜中心点之间的距离d需要满足D1 * (f1-d)/f1 * f2/(f2+d) = D2；

分束棱镜组4对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向探测器6射出，分束棱镜组4的第二入射面为镀有非偏振分光膜的棱镜直角边；

镜头透镜组5为扩束透镜组，如图9所示，包括凸透镜L1和微透镜阵列MLA1，根据截距与孔径角成反比的原理可知，在光学系统共轭距数不变时，通过选择一定的物像距和焦距，可将对应孔径的细光束有效地变换为所需的宽光束孔径，单位微透镜经扩束后，每个部分光束叠加就产生了最终的宽光束，从宏观上来看，相当于是达到了扩束的目的。入射激光束经一定口径镜头会聚后的光束入射到微透镜阵列上，被微透镜阵列发散开来，在距其一定距离探测物体，光束的口径变得宽大，扩大了可探测的范围，通过调整微透镜阵列的相关参数可以控制光束的口径扩大范围。入射光进行扩束后向探测物射出，并接收探测物的反射光进行汇聚后向分束棱镜组4的第二入射面射出，镜头透镜组5对入射光进行扩束后并不改变每个光束光斑的大小。在本实施例中设计微透镜阵列时要选取适宜的子孔径数目和大小，要尽量依据透镜数、探测器SPAD单元尺寸、大口径透镜（凸透镜L1）尺寸等指标选取最佳的微透镜，包括最佳的曲率半径、焦距、冠高、以及衬底高度等参数。

镜头透镜组5还可以采用伽利略望远镜结构，其中，激光雷达的光路部分作为凸透镜组选用长焦距远距系统结构，分别对共光路系统设计前后两组镜头，结合匹兹万镜头与柯克镜头的优点，选择了前组“两正一负”三分离透镜、后组“一正一负”双分离的透镜结构，来平衡像差，进行成像接收系统的结构设计。成像接收端也需设置可移动装置，用于系统变焦调节，如图10所示，为镜头透镜组的整体系统结构示意图。为了方便对镜头透镜组5的各项参数进行分析，根据成像接收系统结构，将整体等效为前后两个薄透镜，如图11所示，基于共光路的设计原理，入射光束和出射光束均为平行光束，实现对来自分束棱镜组4的入射光束进行扩束，对来自探测物反射的入射光进行缩束。设2个透镜组焦距分别为

和 />

，h1为光线在前透镜组的入射高度，h2为光线在后透镜组上的入射高度，透镜组间间隔为d，整个结构的焦距为 />

，这些参数之间满足公式：

基于前后两个透镜组的焦距

和 />

，设计前组“两正一负”三分离透镜、后组“一正一负”双分离的具体结构，分离出的物镜材料一般选分离后的两块凸透镜为相同材料，且凹凸透镜的阿贝常数和折射率偏差要大，可以方便校正像差。因此前组透镜选取正透镜在前，负透镜在后的方式组成，为减小高级球差，正透镜应考虑折射率较高、色散较低的玻璃材料，考虑到制造成本及工艺性，选取氟冕玻璃FK61，负透镜选用镧火石玻璃LAF53。

选取ZLAF71和ZFl3两种玻璃材料作为后透镜组，胶合透镜组负透镜(ZLAF71)在前，正透镜(ZFl3在后，求解过程与前组类似，同理得后组双胶合透镜初始结构参数。本实施例中由于系统通光口径为260mm，可假设：h1=120mm，f=2400mm（对于激光雷达的尺寸而言可以近似认为是无穷远），h2=60mm，d=600mm，则f1=1200mm，f2=-600mm。相应地，经过ZEMAX软件进行迭代优化之后，各部分镜片的参数如下表所示：

本发明实施例二中通过镜头透镜组对出射的激光束进行扩束，扩大了激光的探测范围，同时使大视场倾斜入射光束经衍射后转为平行光束，以便于通过第一光学透镜组3聚焦到探测器上，从而获得宽视场的探测接收性能。

实施例三

在本发明实施例一中的一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达在实施例一的基础上对第一光学透镜组的一种具体结构进行如下具体说明。

第一光学透镜组3设置于分束棱镜组4第一出射面与探测器6之间，对探测物反射的激光进行汇聚缩小，如图12所示，一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，包括VCSEL阵列激光器1、准直透镜阵列2、第一光学透镜组3、分束棱镜组4、镜头透镜组5、探测器6以及信号处理电路7。

其中，VCSEL阵列激光器1发射至少两路光束且直接输入至准直透镜阵列2的入射面，准直透镜阵列2对入射的光束进行准直后向分束棱镜组4对第一入射面射出，准直透镜阵列2的每个透镜单元为平凸透镜，平凸透镜的凸面为入射面，平凸透镜的平面为出射面，VCSEL阵列激光器到准直透镜阵列2的中心平面距离d等于透镜焦距f，透镜焦距f等于D1/2*tan(θ/2)，D1为准直透镜阵列2准直后激光光斑的直径，θ为单个VCSEL发出激光的散射角；

分束棱镜组4对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向探测器6射出，分束棱镜组4的第二入射面为镀有非偏振分光膜的棱镜直角边；

第一光学透镜组3采用伽利略望远系统，当高斯光束经过缩束系统后，输出束腰直径小于输入束腰直径，利用这一原理对来自分束棱镜组4的第一出射面的光束进行汇聚，可以配合简易大孔径照相机镜头对入射激光束的束腰进行缩放，并通过平凹透镜将汇聚光束变为平行光束，以匹配探测器6的单元尺寸，并向探测器6发出，其中，简易大孔径照相机镜头可以有多种结构包括匹兹万镜头光学结构、柯克镜头光学结构以及双高斯镜头光学结构等，例如：为了更有利于像差校正，本实施中第一光学透镜组3采用双高斯镜头结构，如图12所示，第一光学透镜组3自入射面到出射面一共经过7个透镜，7个透镜分别为透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4、透镜L5、透镜L6、透镜L7，透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4、透镜L5、透镜L6组合为一个双高斯物镜，透镜L2和透镜L3组合为一个胶合透镜，透镜L4和透镜L5组合为一个胶合透镜，透镜L7为平凹透镜，主要是将汇聚光束变为平行光，这些光学面的曲率半径和厚度作为双高斯透镜的结构参数，决定着透镜组的各种光学特性，本实施例中设定了边界条件后，通过ZEMAX软件对光路进行自动优化，为实现匹配探测器6的单元尺寸需要满足一定的边界条件，本实施例为更加清楚说明该方法的具体原理，将如图13中双高斯物镜等效为一个单透镜进行分析，如图14所示，

为物距， />

为像距，D入射光束腰半径，d为出射光束腰半径，设双高斯物镜等效焦距为F，λ为激光波长，f为高斯光的共焦参数，这些变量满足以下公式：

/>

上述公式中d需等于匹配探测器6的单元尺寸，以此为条件，通过ZEMAX软件对光路进行自动优化，将结构参数分成光学面曲率半径、玻璃厚度和空气厚度三类分步进行迭代优化，具体地，对于索尼出品的IMX459堆栈式SPAD距离传感器而言，探测单元的尺寸为3 x3像素（SPAD单元尺寸为10.08 μm x 10.08 μm ，H x V）进行感知的情况下，探测器像素面积尺寸为30.24μm即上述公式中的d为30.24μm，参考光学设计手册和一般双高斯物镜设计方案，设定玻璃介质的厚度为 2.000～20.000 mm、空气介质的厚度为 0～1 000.000 mm作为边界条件，玻璃型号采用一般标准，此时等效焦距设定为7.2mm，选取ZLAF71和ZF13两种玻璃材料，胶合透镜组负透镜（透镜L3、透镜L4）为ZLAF71，正透镜（透镜L2、透镜L5）为ZF13，经过ZEMAX软件进行迭代优化后，双高斯透镜的最终参数如下表：

镜头透镜组5对入射光进行扩束后向探测物射出，并接收探测物的反射光进行汇聚后向分束棱镜组4的第二入射面射出，镜头透镜组5对入射光进行扩束后并不改变激光腰束的大小。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

本发明实施例三中通过双高斯透镜对激光腰束进行缩放匹配探测器的单元尺寸的同时，非常好的校正多种像差，有效改善了激光雷达的像差特性。

以上所述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实质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，包括VCSEL阵列激光器、准直透镜阵列、第一光学透镜组、分束棱镜组、镜头透镜组、探测器以及信号处理电路，其中，所述VCSEL阵列激光器发射至少两路光束且直接输入至所述准直透镜阵列的入射面，所述准直透镜阵列对入射的光束进行准直后射出；所述第一光学透镜组对入射光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸；所述分束棱镜组对第一入射面的入射光直接透射后从第二入射面射出，对第二入射面的入射光进行反射后由第一出射面向所述探测器射出；所述镜头透镜组对入射光进行汇聚后向探测物射出，并接收所述探测物的反射光进行汇聚后向所述分束棱镜组的第二入射面射出；

其中，所述第一光学透镜组自入射面到出射面包括7个透镜，分别为透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4、透镜L5、透镜L6、透镜L7，所述透镜L1、所述透镜L2、所述透镜L3、所述透镜L4、所述透镜L5和所述透镜L6组合为一个双高斯物镜，所述透镜L7为平凹透镜。

2.根据权利要求1所述的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，当所述第一光学透镜组设置在准直透镜阵列出射面与所述分束棱镜组第一入射面之间时，所述第一光学透镜组对所述准直透镜阵列射出的光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，当所述第一光学透镜组设置在所述分束棱镜组第一出射面与所述探测器之间时，所述第一光学透镜组对所述分束棱镜组第一出射面射出的光束进行汇聚，缩小入射光束的光斑以匹配所述探测器的单元尺寸。

4.根据权利要求1所述的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，所述镜头透镜组为扩束镜，以将入射激光束进行扩束准直后向探测物射出。

5.根据权利要求1所述的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，所述镜头透镜组为伽利略望远镜结构，所述镜头透镜组自入射面到出射面包括透镜 L1、透镜 L2、透镜L3、透镜 L4 和透镜 L5，所述镜头透镜组的入射光束和出射光束均为平行光束，以实现对来自所述分束棱镜组的15入射光束进行扩束，对来自探测物反射的入射光进行缩束。

6.根据权利要求1所述的基于VCSEL阵列激光器的激光雷达，其特征在于，所述探测器型号为IMX459。

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