CN117491976B - 一种收发同轴的激光探测系统及其调节方法、激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种收发同轴的激光探测系统，包括激光器、探测器、透镜和棱镜，激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上，透镜布置在激光器之前，棱镜布置在透镜之前，棱镜的中心处设有导光结构。激光器的出射光经透镜准直后，先射向并完全通过棱镜上所设导光结构，再射向探测区域，在探测区域中遇到探测物后形成返回光，射向棱镜，导光结构的轮廓之外的返回光经棱镜折射后，射向透镜，经透镜聚焦至探测器的收光点。本发明的激光探测系统在实现收发同轴的基础上，可以将激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上，进而在应用至激光雷达后，可以将激光器与探测器安装在同一电路板上，从而达到发射系统与接收系统一体化封装的目的。

Description

一种收发同轴的激光探测系统及其调节方法、激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种收发同轴的激光探测系统及其调节方法、激光雷达。
背景技术
相较于旁轴激光雷达，同轴激光雷达具有更小体积、更简单工艺及更低成本等特点，被广泛应用于激光测距、安全防护、智慧物流等领域。
目前，激光雷达收发同轴的实现方式主要是利用共焦光学系统，这就意味着激光雷达的发射端和接收端必须位于分光元件的两侧，其发射点与接收点必须严格共轭，这是当前同轴激光雷达最为显著的特点，但若同轴激光雷达采用了上述共焦光学系统方案，其发射端和接收端就不得不分别进行对准封装，封装效率低，人工成本高，不利于降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种收发同轴的激光探测系统及其调节方法、激光雷达，本发明的激光探测系统在实现收发同轴的基础上，可以将激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上，进而在应用至激光雷达后，可以将激光器与探测器安装在同一电路板上，从而达到发射系统与接收系统一体化封装的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种收发同轴的激光探测系统，包括激光器、探测器、透镜和棱镜；
所述激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上；
所述透镜布置在激光器之前，透镜用于将激光器的出射光准直；
所述棱镜布置在透镜之前，且其靠近透镜的一侧面与透镜的中轴线垂直、远离透镜的一侧面与透镜的中轴线非垂直，棱镜的中心处设有导光结构；
激光器的出射光经透镜准直后，先射向并完全通过棱镜上所设导光结构，且其通过导光结构前后，光路无变化，再射向探测区域，在探测区域中遇到探测物后形成返回光，射向棱镜，导光结构的轮廓之外的返回光经棱镜折射后，射向透镜，经透镜聚焦至探测器的收光点。
进一步的，所述导光结构为沿透镜的中轴线贯穿棱镜的通孔。
进一步的，所述通孔为圆形孔或椭圆形孔。
进一步的，所述导光结构为设置在棱镜远离透镜的一侧面上的切面，所述切面与透镜的中轴线垂直。
进一步的，所述棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角为θ，0＜θ≤20°。
上述一种收发同轴的激光探测系统的调节方法，包括以下步骤：
当需要增大激光器的出光点与探测器的收光点的布置间距时，增大棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角和/或增大透镜的焦距；
当需要减小激光器的出光点与探测器的收光点的布置间距时，减小棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角和/或减小透镜的焦距。
一种激光雷达，包括上述一种收发同轴的激光探测系统，所述激光器、探测器安装在同一电路板上。
本发明的有益效果为：
本发明的激光探测系统在实现收发同轴的基础上，可以将激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上，进而在应用至激光雷达后，可以将激光器与探测器安装在同一电路板上，从而达到发射系统与接收系统一体化封装的目的，极大地提高了生产效率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明一种收发同轴的激光探测系统的光学原理图（导光结构为通孔）；
图2为本发明一种收发同轴的激光探测系统的光学原理图（导光结构为切面）；
图3为本发明一种激光雷达中激光器、探测器安装在同一电路板上的结构示意图。
标注说明：1、激光器，2、探测器，3、透镜，4、棱镜，4-1、通孔，4-2、切面，5、电路板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
请参阅图1所示，一种收发同轴的激光探测系统，包括激光器1、探测器2、透镜3和棱镜4。
激光器1的出光点与探测器2的收光点布置在同一平面上。
透镜3布置在激光器1之前，透镜3用于将激光器1的出射光准直。
棱镜4布置在透镜3之前，且其靠近透镜3的一侧面与透镜3的中轴线垂直、远离透镜3的一侧面与透镜3的中轴线非垂直，棱镜4的中心处设有沿透镜3的中轴线贯穿棱镜4的通孔4-1。
其中：若激光器1选型为VCSEL激光器（垂直腔面发射激光器），通孔4-1加工为圆形孔；若激光器1选型为EEL激光器（边缘发射激光器），通孔4-1则加工为椭圆形孔。
激光器1的出射光经透镜3准直后，先射向并完全通过棱镜4上所设通孔4-1，即激光器1的出射光经透镜3准直后完全处于通孔4-1的轮廓范围内，且其通过通孔4-1前后，光路无变化，再射向探测区域，在探测区域中遇到探测物后形成返回光，射向棱镜4，通孔4-1的轮廓之外的返回光经棱镜4折射后，射向透镜3，经透镜3聚焦至探测器2的收光点。
按照上述设计，激光器1的出射光与其在探测区域中遇到探测物后形成的返回光在待测区域内同光轴，也就是收发同轴，之后利用棱镜4的折射功能，使返回光的光轴发生变化，再利用透镜3的聚焦功能，使返回光聚焦至探测器2的收光点，既保证了激光器1的出光点与探测器2的收光点处于同一平面，又使激光器1的出光点与探测器2的收光点之间不重合，具有一定间隔，从而满足COB（板上芯片封装）快速封装要求。
具体的，上述一种收发同轴的激光探测系统的调节方法，包括以下步骤：
当需要增大激光器1的出光点与探测器2的收光点的布置间距时，增大棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角和/或增大透镜3的焦距；
当需要减小激光器1的出光点与探测器2的收光点的布置间距时，减小棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角和/或减小透镜3的焦距。
上述技术方案中，考虑棱镜4的制造成本及其聚焦光斑像质，优选的是，棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角为θ，0＜θ≤20°。需要说明的是，理论上，棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角可以取0~90°之间的任意值。
实施例2：
请参阅图2所示，一种收发同轴的激光探测系统，包括激光器1、探测器2、透镜3和棱镜4。
激光器1的出光点与探测器2的收光点布置在同一平面上。
透镜3布置在激光器1之前，透镜3用于将激光器1的出射光准直。
棱镜4布置在透镜3之前，且其靠近透镜3的一侧面与透镜3的中轴线垂直、远离透镜3的一侧面与透镜3的中轴线非垂直，棱镜4远离透镜3的一侧面上的中心处设有切面4-2，切面4-2与透镜3的中轴线垂直。
激光器1的出射光经透镜3准直后，先射向并完全通过棱镜4上所设切面4-2，即激光器1的出射光经透镜3准直后完全处于切面4-2的轮廓范围内，且其通过切面4-2前后，光路无变化，再射向探测区域，在探测区域中遇到探测物后形成返回光，射向棱镜4，切面4-2的轮廓之外的返回光经棱镜4折射后，射向透镜3，经透镜3聚焦至探测器2的收光点。
按照上述设计，激光器1的出射光与其在探测区域中遇到探测物后形成的返回光在待测区域内同光轴，也就是收发同轴，之后利用棱镜4的折射功能，使返回光的光轴发生变化，再利用透镜3的聚焦功能，使返回光聚焦至探测器2的收光点，既保证了激光器1的出光点与探测器2的收光点处于同一平面，又使激光器1的出光点与探测器2的收光点之间不重合，具有一定间隔，从而满足COB（板上芯片封装）快速封装要求。
此外，切面4-2相比于通孔4-1，可以保留棱镜4的主体结构，避免其中心被掏空。
具体的，上述一种收发同轴的激光探测系统的调节方法，包括以下步骤：
当需要增大激光器1的出光点与探测器2的收光点的布置间距时，增大棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角和/或增大透镜3的焦距；
当需要减小激光器1的出光点与探测器2的收光点的布置间距时，减小棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角和/或减小透镜3的焦距。
上述技术方案中，考虑棱镜4的制造成本及其聚焦光斑像质，优选的是，棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角为θ，0＜θ≤20°。需要说明的是，理论上，棱镜4靠近透镜3的一侧面与其远离透镜3的一侧面之间的夹角可以取0~90°之间的任意值。
实施例3：
请参阅图3所示，作为应用，一种激光雷达，包括上述实施例1或实施例2中的一种收发同轴的激光探测系统，激光器1、探测器2安装在同一电路板5上。
总的来说，本发明的激光探测系统在实现收发同轴的基础上，可以将激光器1的出光点与探测器2的收光点布置在同一平面上，进而在应用至激光雷达后，可以将激光器1与探测器2安装在同一电路板5上，从而达到发射系统与接收系统一体化封装的目的，极大地提高了生产效率，降低了生产成本。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种收发同轴的激光探测系统，其特征在于：包括激光器、探测器、透镜和棱镜；
所述激光器的出光点与探测器的收光点布置在同一平面上；
所述透镜布置在激光器之前，透镜用于将激光器的出射光准直；
所述棱镜布置在透镜之前，且其靠近透镜的一侧面与透镜的中轴线垂直、远离透镜的一侧面与透镜的中轴线非垂直，棱镜的中心处设有导光结构；
激光器的出射光经透镜准直后，先射向并完全通过棱镜上所设导光结构，且其通过导光结构前后，光路无变化，再射向探测区域，在探测区域中遇到探测物后形成返回光，射向棱镜，导光结构的轮廓之外的返回光经棱镜折射后，射向透镜，经透镜聚焦至探测器的收光点。
2.根据权利要求1所述的一种收发同轴的激光探测系统，其特征在于：所述导光结构为沿透镜的中轴线贯穿棱镜的通孔。
3.根据权利要求2所述的一种收发同轴的激光探测系统，其特征在于：所述通孔为圆形孔或椭圆形孔。
4.根据权利要求1所述的一种收发同轴的激光探测系统，其特征在于：所述导光结构为设置在棱镜远离透镜的一侧面上的切面，所述切面与透镜的中轴线垂直。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种收发同轴的激光探测系统，其特征在于：所述棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角为θ，0＜θ≤20°。
6.权利要求1至5任意一项所述的一种收发同轴的激光探测系统的调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
当需要增大激光器的出光点与探测器的收光点的布置间距时，增大棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角和/或增大透镜的焦距；
当需要减小激光器的出光点与探测器的收光点的布置间距时，减小棱镜靠近透镜的一侧面与其远离透镜的一侧面之间的夹角和/或减小透镜的焦距。
7.一种激光雷达，其特征在于：包括权利要求1至5任意一项所述的一种收发同轴的激光探测系统，所述激光器、探测器安装在同一电路板上。
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