CN210835219U - 一种mems激光雷达接收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学领域，公开了一种MEMS激光雷达接收器，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：滤光片、大口径短焦镜头组、纤维光锥、APD阵列探测器；光线依次经过滤光片、大口径短焦镜头组聚焦在纤维光锥入射端面上，纤维光锥将光斑缩小并传递到APD阵列探测器表面。所述纤维光锥外形为锥形结构；由锥形光纤束排列而成，所述APD阵列探测器根据MEMS扫描振镜的扫描角度和所述纤维光锥输出的光斑大小，选通对应的APD探测器采集信号。可在接收光学系统口径一定时，扩大MEMS激光雷达接收光学系统的视场，降低背景光对系统的干扰，提高激光信号接收的信噪比。

Description

一种MEMS激光雷达接收器

技术领域

本实用新型属于光学领域，具体涉及一种MEMS激光雷达接收器。

背景技术

MEMS激光雷达是一种以二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，向探测目标发射激光光束，接收和处理探测目标反射的回波信号，得到探测目标的距离、位置和速度等特征信息的雷达系统，具有体积小、帧率高、功耗低、成本低的优点，在自动驾驶、三维建模、地形测绘、军事领域等诸多场合得到广泛应用。

在MEMS激光雷达系统中，接收光学系统的口径和MEMS激光雷达接收到的回波功率成正比，当MEMS激光雷达探测远距离目标时，接受光学系统的口径需要足够大，而大口径的接收光学系统除了接收更多的回波功率之外，也会接收更多的背景光，降低接收系统的信噪比。大口径光学系统也对应着长焦距，接收光学系统的焦距

与接收光学系统半视场

和像面直径

有关，公式如下：

在像面大小一定的情况下，口径越大，焦距越长，接收系统的视场越小，探测器为APD阵列探测器时，其感光面积相比CCD相机等器件较小，通常为1mm左右，大大限制了接收光学系统的视场，使其难以覆盖二维MEMS扫描振镜的扫描视场。

实用新型内容

为解决光学系统口径较大的情况下，APD阵列探测器面积较小限制一种MEMS激光雷达接收器光学系统的视场角增大的技术问题，采用的技术方案如下：

一种MEMS激光雷达接收器，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：滤光片、大口径短焦镜头组、纤维光锥、APD阵列探测器；所述的纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；光线依次经过滤光片、大口径短焦镜头组聚焦在纤维光锥入射端面上，纤维光锥将光斑缩小并传递到APD阵列探测器表面；所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器，所述纤维光锥两端的横截面形状为圆形、长方形、矩形。

上述方案得工作原理：所述纤维光锥具有放大率，可将纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成纤维光锥的锥形光纤束相对应的像元，规则排列的锥形光纤束将所携带的像元信息一一对应地传递到纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。

所述纤维光锥与传统聚光锥不同，所述锥形光纤的直径从所述纤维光锥入射端面到纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。

大口径短焦镜头组为非成像镜头，其相对孔径≤1，所述大口径短焦镜头组从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元主要将大视场的光接收进镜头组，第二组元用于压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于矫正球差。

所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器。APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和所述纤维光锥的输出端面输出的光斑大小，选择对应的APD探测器单元采集信号，可避免其他APD探测器接收到背景光对系统造成干扰。

所述纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器。

所述纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的像方焦平面位置。

本技术方案适用于光源波长为1550nm和905nm的激光雷达。

本技术方案与现有技术相比，其显著优点为：（1）引入纤维光锥作为大口径短焦镜头组和APD阵列探测器之间的传光器件，纤维光锥相当于放大了APD阵列探测器的面积，可在口径一定的条件下，将视场扩大与纤维光锥放大倍数相同的倍数。（2）相比于使用聚光锥作为镜头和APD阵列探测器的中继元件，回波光束和背景光照亮整个探测器，纤维光锥可将镜头焦平面的光斑缩小并传递到APD阵列探测器选通的某个或某几个APD单元上，可有效降低背景光的干扰，提高接收系统的信噪比。（3）所使用大口径短焦镜头组，为非成像镜头，校正球差。

附图说明

图1为MEMS激光雷达接收器光学系统结构示意图；

图2为纤维光锥结构示意图；

图3为组成纤维光锥的单根光纤的示意图；

图4为MEMS激光雷达接收器和二维MEMS扫描振镜的位置关系示意图；

图5为APD阵列探测器的分组示意图；

图6为APD阵列探测器分组与二维MEMS扫描振镜的扫描视场分组对应关系的示意图；

其中：1为滤光片，2为大口径短焦镜头组，3为纤维光锥，4为APD阵列探测器，5为纤维光锥口径大的一端横截面，6为纤维光锥口径小的一端横截面，7为光纤包层，8为光纤纤芯，9为二维MEMS扫描振镜，10为二维MEMS扫描振镜的扫描视场，11为MEMS激光雷达接收器的视场范围。

具体实施方式

下面结合附图作进一步描述。

实施例

一种MEMS激光雷达接收器，如图1所示，在同一光轴上，从物方至像方依次包括：滤光片1、大口径短焦镜头组2、纤维光锥3、APD阵列探测器4；光线经过滤光片、大口径短焦镜头组聚焦在纤维光锥口径大的一端横截面5处，纤维光锥将光斑缩小后从纤维光锥口径小的一端横截面6射出并传递到APD阵列探测器表面；所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器；APD阵列根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和所述纤维光锥的输出端面输出的光斑大小，选择对应的APD探测器单元采集信号，可避免其他APD探测器单元接收到背景光对系统造成干扰。

本实施例采用的纤维光锥与传统聚光锥不同，传统聚光锥为圆台式结构，其将接收到的回波光线和背景光经过多次全反射传递到探测器表面，照亮整个APD阵列探测器，受背景光干扰大；本实施例采用的纤维光锥可以将大口径短焦镜头组会聚的光斑缩小后传递到APD阵列探测器中对应选通的APD阵列探测器单元，大大减小背景光对系统的干扰，提高系统的光学信噪比。

本实施例所述纤维光锥外形为锥形结构，如图2所示，其口径大的一端为入射端面5，直径22mm，口径小的一端为出射端面6，直径10mm；所述纤维光锥为由数千万根锥形光纤规则排列组合而成；所述纤维光锥具有放大倍率2.2，可将纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成纤维光锥的数千万根锥形光纤相对应的像元，规则排列的锥形光纤将所携带的像元信息一一对应地传递到纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随锥形光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。

值得注意的是，图1和图2为光学系统的结构示意图，示意元件之间的位置关系、旋转对称结构；其图尺寸以及各个部件之间比例关系不构成对本方案的具体限定。纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；锥形光纤束的外形为锥台，其两侧端面可根据APD阵列探测器形状排列为矩形或圆形。

本实例所述纤维光锥由数千万根规则排列的锥形光纤组成，每根锥形光纤的直径从所述纤维光锥口径大的一端到纤维光锥口径小的一端逐渐变小，丝径≤6µm；每根光纤都由纤芯7和包层8组成，里层为折射率为n1的纤芯，外层为折射率为n2的包层，n1>n2，如图3。

本实施例所述MEMS激光雷达接收器和二维MEMS扫描振镜激光雷达发射系统在使用时为非共轴光路，如图4所示，9为二维MEMS扫描振镜，10为二维MEMS扫描振镜的扫描视场，11为MEMS激光雷达接收器的视场范围。

更优的方案为：所述大口径短焦镜头组，为非成像镜头，包括5片镜片，由物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。系统总长为94.35mm，有效焦距为11.01mm；其垂直光锥方向视场角大于±20°，水平方向视场角为±6°，不同视场的光经过镜头组后，被会聚到所述纤维光锥的入射端面，光斑直径≤1mm。

所述APD阵列探测器可以是线阵APD探测器，也可以是面阵APD探测器；本实施例采用1×16线阵APD探测器，单个APD探测器单元面积为1mm×0.45mm，将16个APD探测器单元根据所述纤维光锥的输出端面输出的光斑大小，以相邻两个APD探测器单元为一组，共15组，依次为A、B、C、…、O组，如图5所示。

所述APD阵列探测器采用选通信号采集，如图6所示，将二维MEMS扫描振镜的扫描视场均分为a、b、c、…、o共15组，每一组二维MEMS扫描振镜扫描视场依次对应APD阵列探测器的A、B、C、…、O组；随着二维MEMS扫描振镜扫描角度的变化，单次选通对应的一组APD探测器单元采集信号，可避免其他组APD阵列探测器单元接收到背景光对系统造成干扰，改善接收系统的光学信噪比。

所述纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器，两者用光学胶粘结。

所述纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的焦平面位置。

所述纤维光锥的两端可加工为圆形也可为长方形，其有效面积可覆盖APD阵列探测器面积即可。

所述滤光片为905nm或1550nm的窄带滤光片，根据MEMS激光雷达发射系统的发射激光波长而定，用以滤除其他波段的干扰光。

所述滤光片位于接收系统的最前端。

上述技术方案的MEMS激光雷达接收器利用纤维光锥作为大口径短焦镜头组和APD阵列探测器之间的中继元件，通过纤维光锥缩小并传递大口径短焦镜头组会聚的光斑到APD阵列探测器表面，在MEMS激光雷达接受光学系统口径一定的条件下，可扩大MEMS激光雷达接收器光学系统的视场。APD阵列探测器根据MEMS激光雷达的扫描方位采用选通模式，可降低背景光对系统的干扰，提高回波信号接收的光学信噪比。

Claims (9)

1.一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：滤光片、大口径短焦镜头组、纤维光锥、APD阵列探测器；所述的纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；

光线依次经过滤光片、大口径短焦镜头组聚焦在纤维光锥入射端面上，纤维光锥将光斑缩小并传递到APD阵列探测器表面；所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器；所述纤维光锥两端的横截面形状为圆形、长方形、矩形。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述锥形光纤的直径从所述纤维光锥入射端面到纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述大口径短焦镜头组为非成像镜头，其相对孔径≤1，从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元用于将大视场的光接收进镜头组，第二组元压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述的APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成。

5.根据权利要求4所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器。

6.根据权利要求5所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述纤维光锥与APD阵列探测器之间由光学胶粘结。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的像方焦平面位置。

8.根据权利要求1至7之一所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，工作波长为1550nm或905nm。

9.根据权利要求1至7之一所述的一种MEMS激光雷达接收器，其特征在于，所述大口径短焦镜头组包括5片镜片，自物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。

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