CN116224297A - 一种远距离激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离激光测距系统，出射激光首先经快轴准直非球面柱透镜作用，使其在快轴方向上的核心能量被准直，发散角收敛且不对慢轴方向产生影响;再经过慢轴准直非球面柱透镜作用，对其在慢轴方向能量在长距离焦距处进行准直，收敛其在慢轴方向上的核心能量的发散角而不对快轴方向产生影响；经过快轴准直非球面柱透镜和慢轴准直非球面柱透镜作用后，光斑被整形为近似方形的小尺寸光斑，且光束能量在快轴和慢轴两个方向上的发散角均得到了良好的准直，在较远的距离内仍旧可以保持光斑能量的集中度，可以有较强的回射光进入同轴的接收系统，同时发射系统采用垂直结构组合形式，实现了满足远距离测距的要求且不过多的增加系统体积的效果。

Description

一种远距离激光测距系统

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体地说，是涉及一种远距离激光测距系统。

背景技术

激光测距雷达是近年来得到广泛应用的一类光电传感设备，主要使用激光测距技术实现功能，较为典型的一类激光测距雷达通过计算脉冲激光的飞行时间（DTOF）进行距离测量。

激光测距雷达一般包含一个测距单元和一个扫描单元，其中，测距单元进行激光的发射，同时接收从被测物体表面返回的漫反射光，并完成相应的飞行时间测算和距离计算；扫描单元一般包含一个或多个绕轴运动的反射镜，对激光光线进行角度偏转，从而可以完成不同位置的距离探测。

一般性的，测距单元可描述为使用发射接收共轴结构的激光测距单元或者为使用发射接收异轴结构的激光测距单元。共通性的，测距单元都包含有至少一个发射模块和至少一个接收模块，发射模块包含激光发射器，一般设有光学透镜对出射光线进行准直。

激光发射器可选用垂直腔面激光器（VCSEL）、边发射激光器（EEL）或者光纤激光器。相比较而言，VCSEL峰值功率较低，不适宜远距离脉冲激光测距；光纤激光器的效果最为理想，但系统复杂成本高昂；EEL具有高功率密度和高脉冲峰值功率，是非常适合使用APD（雪崩光电二极管）探测器的激光雷达系统，也是目前常见的激光测距系统的光源方案，但EEL的发射结一般为长条形，且发散角较大，使用短焦准直系统出射激光能出射更多的能量，但准直后的发散角仍较大，在飞行一段距离后光斑尺寸变大能量分散，无法准确完成远距离目标的探测；使用长焦准直系统出射激光的发散角可以减小，但经准直出射的能量较低，在进行远距离目标探测时回光能量太弱，也无法满足使用要求。而且，长条形状的光斑经过扫描反射镜反射后在不同探测角度上呈现出不同的光斑形态（随着反射镜的旋转在不同旋转角度上的光斑长短轴是不断旋转变化的），这种光斑的变化对于测距系统也是不利的，因此需要新的技术方案进行改进。

发明内容

本发明提出一种使用边发射激光器（EEL）的远距离激光测距系统，使EEL激光器的出射激光以较为规则的方形光斑和较小的发散角飞向被测目标，在较远的距离内均可以保持光斑能量的集中度，可以有较强的回射光进入接收系统，而且光斑的形状接近方形，在反射镜扫描时在不同探测角度呈现出的光斑基本没有变化，从而实现稳定的远距离激光测距，同时又不过多的增加系统体积。

本发明采用以下技术方案予以实现：

提出一种远距离激光测距系统，包括：

远距离激光测距装置；

测距单元，用于根据出射和接收信号的时间差计算被探测物体的距离；

所述远距离激光测距装置包括：

激光发射单元，包括激光器、快轴准直非球面柱透镜、和慢轴准直非球面柱透镜；其中，所述激光器设置于所述快轴准直非球面柱透镜的焦点上；所述慢轴准直非球面柱透镜设置于所述快轴准直非球面柱透镜的出射光方向上；且，所述快轴准直非球面柱透镜和所述慢轴准直非球面柱透镜被限定于光隔离准直镜筒中；

接收单元，包括接收器和接收透镜；其中，所述接收器设置于所述接收透镜的焦点上；且所述激光器和所述接收器设置于整个光学系统的轴线上；

其中，所述快轴准直非球面柱透镜和所述慢轴准直非球面柱透镜为在柱透镜的基础上进行高阶曲面优化得到具有非球面优化特性的柱透镜，以及，针对激光器的快轴、慢轴准直的设定要求分别优化得到。

在本发明一些实施例中，所述快轴准直非球面柱透镜的柱面轴线与所述慢轴准直非球面柱透镜的柱面轴线相互垂直。

在本发明一些实施例中，所述光隔离准直镜筒由可拆分的快轴准直镜筒和慢轴准直镜筒构成。

在本发明一些实施例中，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒呈直线形组合，使得二者同心共轴。

在本发明一些实施例中，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒之间设计有调节间隙。

在本发明一些实施例中，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒呈垂直结构组合；其中，所述快轴准直镜筒为横向，所述慢轴准直镜筒为纵向，在所述快轴准直镜筒与所述慢轴准直镜头衔接处配置有呈45度倾斜角的平面反光镜；所述激光器设置于所述快轴准直镜筒的入射端，其发出的激光束经过所述快轴准直非球面柱透镜初次准直后入射所述平面反光镜，光束经反射后进入所述慢轴准直镜筒，所述慢轴准直镜筒的末端设置所述慢轴准直非球面柱透镜，光束经过所述慢轴准直非球面柱透镜二次准直后出射。

在本发明一些实施例中，所述系统还包括：

扫描单元，用于对所述远距离激光测距装置出射的激光光线进行角度偏转，以进行不同方向或位置的距离探测。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的远距离激光测距系统中，激光器出射的激光首先经快轴准直非球面柱透镜作用，使其在快轴方向上的核心能量被准直，发散角收敛，且不对慢轴方向产生影响;再经过慢轴准直非球面柱透镜作用，对其在慢轴方向能量在长距离焦距处进行准直，收敛其在慢轴方向上的核心能量的发散角，而不对快轴方向产生影响；经过快轴准直非球面柱透镜和慢轴准直非球面柱透镜作用后，光斑被整形为近似方形的小尺寸光斑，且光束能量在快轴和慢轴两个方向上的发散角均得到了良好的准直，在较远的距离内仍旧可以保持光斑能量的集中度，可以有较强的的回射光进入接收系统，实现了满足远距离测距的要求，同时又不过多的增加系统体积的技术效果。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明提出的远距离激光测距装置的结构示意图；

图2为本发明提出的又一远距离激光测距装置的结构示意图；

图3为本发明提出的远距离激光测距装置的局部结构示意；

图4为本发明提出的远距离激光测距系统的系统架构；

图5为经现有常用球透镜准直后得到的光斑能量分布示意；

图6为图5所示光斑在慢轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

图7为图5所示光斑在快轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

图8为经本发明给出的远距离激光测距装置作用后在3米远位置得到的光斑能量分布示意；

图9为图8所示光斑在慢轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

图10为图8所示光斑在快轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

图11为经本发明给出的远距离激光测距装置作用后在30米远位置得到的光斑能量分布示意；

图12为图10所示光斑在慢轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

图13为图10所示光斑在快轴方向上光斑大小与能量分布关系曲线示意；

附图标号说明：1-远距离激光测距装置，10-激光发射单元，11-接收单元，12-测距单元，13-扫描单元；20-激光器，21-接收器，22-快轴准直非球面柱透镜，220-快轴准直非球面柱透镜的柱面轴线，23-慢轴准直非球面柱透镜，230-慢轴准直非球面柱透镜的柱面轴线，24-接收透镜，25-光隔离准直镜筒，251-慢轴准直镜筒，252-快轴准直镜筒，253-调节间隙；30-平面反光镜。

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、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

鉴于边发射激光器（EEL）具有高功率密度和高脉冲峰值功率的有点，本发明提出一种远距离激光测距系统，将EEL激光器产生的长条形且发散角较大的激光整形准直为光斑集中且发散角小的激光束，以实现远距离飞行而不发生较大的能量发散。

具体的，本发明提出的远距离激光测距系统，如图4所示，包括：

远距离激光测距装置1和测距单元12；测距单元12用于根据出射和接收信号的时间差计算被探测物体的距离。其中，如图1所示，该远距离激光测距装置1具体包括：

激光发射单元10，包括激光器20、快轴准直非球面柱透镜22、和慢轴准直非球面柱透镜23；其中，激光器20设置于快轴准直非球面柱透镜22的焦点上；慢轴准直非球面柱透镜23设置于快轴准直非球面柱透镜22的出射光方向上；且，快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23被限定于光隔离准直镜筒25中。

接收单元11，包括接收器21和接收透镜24；其中，接收器21设置于接收透镜24的焦点上；且激光器20和接收器21设置于整个光学系统的轴线上。

在本发明申请中，通过快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23的组合达到改变光斑形状，同时对光束进行准直的效果。

快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23为在柱透镜的准直特性基础上进行高阶曲面优化得到的具有非球面优化特性的柱透镜，以及，针对半导体激光器的快、慢轴准直的不同要求分别优化得到。

在本发明实施例中，该高阶曲面优化过程是通过Zemax（光学产品设计与仿真软件）软件根据设定参数进行的；首先对快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23按照其工作方向和工作距离，分别设置工作焦距和在对应激光器快慢轴方向上的发散角要求，然后分别设置设定参数，该设定参数包括但不限定于焦距、中心厚度、视场角、透镜材质、工作波长、边缘厚度、数值孔径角等的优选范围值，然后给定设计预期的目标效果值，如最终的各方向准直角度，光斑尺寸等，Zemax软件根据优选参数范围，通过模拟求解给出最接近目标效果的最优解。

本发明实施例中，快轴准直非球面柱透镜22靠近激光器20的位置布设，对激光器发射激光的快轴方向（发散角较大的方向）激光在短距离焦距处进行准直，使其在快轴方向上的核心能量被准直且发散角收敛，且不对慢轴方向（发散角较小的方向）产生影响。

慢轴准直非球面柱透镜23在远离激光器20的位置布设，对激光器发射激光的慢轴方向激光在长距离焦距处进行准直，收敛其在慢轴方向上的核心能量的发散角，而不对快轴方向产生影响。

因此，经过由快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23构成的透镜组准直后的光斑，被分别从两个方向整形而成为近似方形的小尺寸光斑，且光束能量在两个方向上的发散角均得到了良好的准直，在反射镜扫描时再不同探测角度呈现出的光斑基本没有变化，从而可以实现稳定的测距，可以满足远距离测距的一般要求。

因为半导体激光器的快轴和慢轴相互垂直，为了对快轴和慢轴分别进行准直，本发明实施例中，设置快轴准直非球面柱透镜22的柱面轴线（如图3中所示的220）与慢轴准直非球面柱透镜23的柱面轴线（如图3中所示的230）相互垂直，布置在具有光隔离特性（采用不透光材料制作）的光隔离准直镜筒25中。

如图3所示，在本发明一些实施例中，为保证良好的透镜组的准直特性，光隔离准直镜筒25由可拆分的快轴准直镜筒252和慢轴准直镜筒251构成，二者之间设计有调节间隙253，基于该可拆分结构以及调节间隙，结合预设的光学校准手段，可以完成快轴准直非球面柱透镜22的柱面轴线与慢轴准直非球面柱透镜23的柱面轴线的垂直调节和二者同心共轴的调节，以使整个透镜组达到最优的准直效果。

为实现较小的远场发散角，由快轴准直非球面柱透镜22和慢轴准直非球面柱透镜23组成的发射准直系统的总焦距一般较长，会导致整个测距系统在出射方向上的体积大幅度增加，为了优化该问题，在本发明一些实施例中，如图2所示，对如图1所示的部分光路进行了改进，将快轴准直镜筒252和慢轴准直镜筒251呈垂直结构组合；其中，快轴准直镜筒252为横向，慢轴准直镜筒251为纵向，并在快轴准直镜筒252与慢轴准直镜筒251衔接处配置有呈45度倾斜角的平面反光镜30。

激光器20布置在快轴准直镜筒252的入射端，其发出的激光束经过快轴准直非球面柱透镜22初次准直后入射平面反光镜30，该平面反光镜30呈45度布置，光束经反射后进入慢轴准直镜筒251，慢轴准直镜筒251的末端布置慢轴准直非球面柱透镜23，光束经过慢轴准直非球面柱透镜23二次准直后出射。该实施例利用了平面镜反光将长焦的发射准直系统进行了空间折叠，充分利用了横向的空间尺寸，可以在不增加系统体积的情况下实现远距离激光测距系统的搭建。

在本发明一些实施例中，该远距离激光测距系统还包括扫描单元13，用于对远距离激光测距装置1出射的激光光线进行角度偏转，使得系统既可以实现单点激光测距，也可以实现单线激光测距，或者形成各种形式的远距离激光测距雷达系统以进行不同方向或位置的距离探测。

下面通过光学仿真实验来对比本发明提出的远距离激光测距装置和现有激光测距装置的光斑形状。

如图5至图7所示为现有常用的球透镜准直仿真效果，其中，图5为经常用球透镜作用后形成的光斑能量分布，图6和图7分别从X截面（方向，代表慢轴方向）和Y截面（方向，代表快轴方向）示意了光斑在快轴和慢轴上的能量，从图中可以看出，经常用球透镜准直后的光斑在慢轴和快轴方向的能量是不均衡的，因此形成的图5所示的光斑能量分布不均衡，不利于远距离激光测距。

如图8至图10所示为本发明给出的远距离激光测距装置的仿真效果，其中，图8为经本发明给出的远距离激光测距装置作用后在3m远的位置形成的光斑能量分布，图9和图10从X截面（方向，代表慢轴方向）和Y截面（方向，代表快轴方向）示意了光斑在快轴和慢轴上的能量，从图中可以看出，经本发明给出的远距离激光测距装置准直后的光斑在慢轴和快轴方向的能量分布是均衡的，因此形成的图8所示的光斑能量分布均衡且集中，有利于远距离激光测距。

图11至图13所示为本发明给出的远距离激光测距装置的仿真效果，其中，图11为经本发明给出的远距离激光测距装置作用后在30m远的位置形成的光斑能量分布，图12和图13从X截面（方向，代表慢轴方向）和Y截面（方向，代表快轴方向）示意了光斑在快轴和慢轴上的能量，从图中可以看出，经本发明给出的远距离激光测距装置准直后的光斑在慢轴和快轴方向的能量分布即使在远距离情况下也是均衡的，形成的图11所示的光斑能量分布均衡且集中，有利于远距离激光测距。

需要说明的是，在具体实现过程中，上述的控制部分可以通过硬件形式的处理器执行存储器中存储的软件形式的计算机执行指令实现，此处不予赘述，而上述控制电路所执行的动作所对应的程序均可以以软件形式存储于系统的计算机可读存储介质中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

上文中的计算机可读存储介质可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器；也可以包括非易失性存储器，例如只读存储器、快闪存储器、硬盘或固态硬盘；还可以包括上述种类的存储器的组合。

上文所提到的处理器，也可以是多个处理元件的统称。例如，处理器可以为中央处理器，也可以为其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者可以是任何常规的处理器等等，还可以为专用处理器。

应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种远距离激光测距系统，包括：

远距离激光测距装置；

测距单元，用于根据出射和接收信号的时间差计算被探测物体的距离；

其特征在于，所述远距离激光测距装置包括：

激光发射单元，包括激光器、快轴准直非球面柱透镜、和慢轴准直非球面柱透镜；其中，所述激光器设置于所述快轴准直非球面柱透镜的焦点上；所述慢轴准直非球面柱透镜设置于所述快轴准直非球面柱透镜的出射光方向上；且，所述快轴准直非球面柱透镜和所述慢轴准直非球面柱透镜被限定于光隔离准直镜筒中；

接收单元，包括接收器和接收透镜；其中，所述接收器设置于所述接收透镜的焦点上；且所述激光器和所述接收器设置于整个光学系统的轴线上；

其中，所述快轴准直非球面柱透镜和所述慢轴准直非球面柱透镜为在柱透镜的基础上进行高阶曲面优化得到具有非球面优化特性的柱透镜，以及，针对激光器的快轴、慢轴准直的设定要求分别优化得到。

2.根据权利要求1所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述快轴准直非球面柱透镜的柱面轴线与所述慢轴准直非球面柱透镜的柱面轴线相互垂直。

3.根据权利要求1所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述光隔离准直镜筒由可拆分的快轴准直镜筒和慢轴准直镜筒构成。

4.根据权利要求3所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒呈直线形组合，使得二者同心共轴。

5.根据权利要求4所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒之间设计有调节间隙。

6.根据权利要求3所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述快轴准直镜筒和所述慢轴准直镜筒呈垂直结构组合；其中，所述快轴准直镜筒为横向，所述慢轴准直镜筒为纵向，在所述快轴准直镜筒与所述慢轴准直镜头衔接处配置有呈45度倾斜角的平面反光镜；所述激光器设置于所述快轴准直镜筒的入射端，其发出的激光束经过所述快轴准直非球面柱透镜初次准直后入射所述平面反光镜，光束经反射后进入所述慢轴准直镜筒，所述慢轴准直镜筒的末端设置所述慢轴准直非球面柱透镜，光束经过所述慢轴准直非球面柱透镜二次准直后出射。

7.根据权利要求1所述的远距离激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：

扫描单元，用于对所述远距离激光测距装置出射的激光光线进行角度偏转，以进行不同方向或位置的距离探测。

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