CN212379567U - 激光雷达光学系统与激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种激光雷达光学系统及激光雷达，涉及检测技术领域。所述激光雷达光学系统包括：激光发射光学系统，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为

所述第三透镜的光焦度为

其中，

以及，激光接收光学系统，包括沿所述激光光束传播方向依次由前至后设置的第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第四透镜的光焦度为

所述第五透镜的光焦度为

所述第六透镜的光焦度为

其中，

降低了系统工艺性要求，提高了激光雷达的测距性能。

Description

激光雷达光学系统与激光雷达

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，特别涉及一种激光雷达光学系统与激光雷达。

背景技术

激光雷达通过发射一束或多束脉冲激光照射至前方目标，并测量从目标返回(或飞行)至探测器的全部或部分光束，通过光束往返的时间间隔测量目标的位置、速度信息，该测量方法称为飞行时间测量法(Time of Flight，TOF)，当激光雷达采用阵列或面阵探测器时，以一定分辨率获取周围场景的深度图像，当分辨率足够小时就能构建清晰的3D场景图像，在智能感知技术如ADAS防撞预警系统、3D面部识别、智能汽车驾驶、智能机器人等领域中获得广泛应。

目前激光雷达的光源主要为半导体激光器(LD)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)，且前者居多，LD具有发散大且快轴与慢轴发散角不对称的特点，而目前使用的VCSEL功率普遍较低，从光源特性上来说，对激光光束的收集和高效利用是激光雷达系统设计的一个重点，现有激光雷达系统普遍存在光束能量传输效率偏低的情况，制约了激光雷达的测距性能，尤其是多线激光雷达，其边缘视场相对中间视场，存在能量传输效率下降较多的情况，导致边缘视场测距能力远低于中间视场。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种激光雷达光学系统与激光雷达，旨在提高激光雷达的测距性能。

为实现上述目的，本实用新型提出一种激光雷达光学系统，包括：

激光发射光学系统，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为

所述第三透镜的光焦度为

其中，

以及，

激光接收光学系统，包括沿所述激光光束传播方向依次由前至后设置的第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第四透镜的光焦度为

所述第五透镜的光焦度为

所述第六透镜的光焦度为

其中，

可选地，所述激光发射光学系统还包括位于所述第三透镜之后的第一光阑，用于限制所述激光光束的张角；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第四透镜之前的第二光阑，用于限制所述激光光束的张角。

可选地，所述激光发射光学系统还包括位于所述第一透镜之前的第七透镜，用于矫正所述激光光束的角度，使得所述激光光束垂直入射所述第一透镜；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第六透镜之后的第八透镜，用于矫正所述激光光束的角度，使得所述激光光束垂直入射所述第八透镜。

可选地，所述激光发射光学系统还包括位于所述第七透镜和所述第一透镜之间连线的一侧，且与所述第七透镜和所述第一透镜连线相对设置的至少一个反射镜，自所述第七透镜射出的所述激光光束经过所述反射镜的反射后入射所述第一透镜；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第八透镜和所述第六透镜连线的一侧，且与所述第八透镜和所述第六透镜连线相对设置的至少一个反射镜，自所述第六透镜射出的所述激光光束经过所述反射镜的反射后入射所述第八透镜。

本实用新型进一步提出一种激光雷达，包括：

底座；

激光发射组，安装于所述底座上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光发射模块和激光发射光学系统，其中，所述激光发射模块发射激光光束并射入所述激光发射光学系统，所述激光发射光学系统为如上所述的激光发射光学系统；以及，

激光接收组，与所述激光发射组并排设置于所述底座上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光接收光学系统和激光接收模块，其中，所述激光接收光学系统为如上所述的激光接收光学系统，所述激光接收模块接收经所述激光接收光学系统处理后的激光光束。

可选地，所述激光发射模块包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光器和第一微透镜阵列，所述激光器用于发射激光光束，所述第一微透镜阵列用于对所述激光光束进行发射角压缩；

所述激光接收模块包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第二微透镜阵列、滤光片以及探测器，所述第二微透镜阵列用于对所述激光光束进行汇聚，所述滤光片用于滤除杂光，所述探测器用于接收所述激光光束。

可选地，所述激光器设置为多个，每一所述激光器包括一发射通道，所述第一微透镜阵列包括多个微透镜单元，多个所述微透镜单元与多个所述发射通道一一对应；

所述探测器对应所述激光器设置为多个，每一所述探测器包括一接收通道，所述第二微透镜阵列包括多个微透镜本体，多个所述微透镜本体与多个所述接收通道一一对应。

可选地，所述激光发射模块还包括第一光阑阵列，沿所述激光光束的传播方向，所述第一光阑阵列位于所述第一微透镜阵列之后，所述第一光阑阵列包括多个光阑单元，多个所述光阑单元与多个所述发射通道一一对应，且所述光阑单元与对应的所述发射通道互为共轭；和/或，

所述激光接收模块还包括第二光阑阵列，沿所述激光光束的传播方向，所述第二光阑阵列位于所述第二微透镜阵列之前，所述第二光阑阵列包括多个光阑本体，多个所述光阑本体与多个所述接收通道一一对应，且所述光阑本体与对应的所述接收通道互为共轭。

可选地，所述探测器为单光子雪崩二极管，所述激光器的数量为N，所述探测器的数量为M，M＞N。

可选地，所述滤光片为窄带滤光片；和/或，

所述激光器为发光二极管、半导体激光器、垂直腔面发射激光器中的任意一种；和/或，

所述探测器为雪崩光电二极管、硅光电倍增管、单光子雪崩二极管中的任意一种。

本实用新型的技术方案中，设计一种激光雷达光学系统与激光雷达,激光雷达光学系统的激光发射光学系统和激光接收光学系统采用沿激光光束传播方向依次由前至后设置的三个透镜，且相邻两个透镜的光焦度一正一负，光焦度为正值时，透镜对光线有会聚作用，反之，光焦度为负值时，透镜对光线有发散作用，通过分别对激光光束的会聚、发散、再会聚，实现了对发射或接收的激光光束的处理，使得不同视场的中心光线垂直入射于系统像面；激光发射光学系统发射激光光束时，提高中间视场通道以外的光束发射效率，使得发射光束充分照射于周围场景，同时消除激光器单元发射角度误差，降低了系统工艺性要求；激光接收光学系统接收激光光束时，提高中间视场通道以外的光束接收效率，接收光束垂直入射于探测器也降低了探测器间隔容差要求，降低了系统工艺性要求，提高了激光雷达的测距性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的激光雷达的一实施例的结构示意图；

图2a和图2b为图1所示的激光发射组的两个实施例的结构示意图；

图3a和图3b为图1所示的激光接收组的两个实施例的结构示意图；

图4为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的一实施例的结构示意图；

图5为图3a和图3b所示的激光接收光学系统的一实施例的结构示意图；

图6为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的第二实施例的结构示意图；

图7为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的第三实施例的结构示意图；

图8为图6所示的第七透镜的结构示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

现有激光雷达系统普遍存在光束能量传输效率偏低的情况，制约了激光雷达的测距性能，尤其是多线激光雷达，其边缘视场相对中间视场，存在能量传输效率下降较多的情况，导致边缘视场测距能力远低于中间视场。

鉴于此，本实用新型提出一种激光雷达光学系统和激光雷达，旨在提高激光雷达的测距性能。图1为本实用新型提供的激光雷达的一实施例的结构示意图；图2a和图2b为图1所示的激光发射组的两个实施例的结构示意图；图3a和图3b为图1所示的激光接收组的两个实施例的结构示意图；图4为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的一实施例的结构示意图；图5为图3a和图3b所示的激光接收光学系统的一实施例的结构示意图；图6为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的第二实施例的结构示意图；图7为图2a和图2b所示的激光发射光学系统的第三实施例的结构示意图；图8为图6所示的第七透镜的结构示意图。

请参照图1，本实用新型提出的激光雷达，包括底座4、激光发射组1以及激光接收组2，其中，激光发射组1安装于底座4上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光发射模块10和激光发射光学系统11，其中，激光发射模块10发射激光光束并射入激光发射光学系统11；激光接收组2与激光发射组1并排设置于底座4上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光接收光学系统21和激光接收模块20，其中，激光接收模块20接收经激光接收光学系统21接收并处理的激光光束。

激光雷达可以是多线激光雷达及固态激光雷达，适用于智能物流小车、自动驾驶领域、机器人等领域。尤其适用于自动驾驶领域，也适用于地图测绘、无人机、机器人等领域。

本实用新型提出的激光雷达的工作原理为：激光发射模块10发射激光光束，并驱动激光接收模块20上进行激光信号探测，各通道发射光束由激光发射模块10上微光学结构进行光束变换而重新出射，继而进入所述激光发射光学系统11进行准直后，向周围空间发射多路准直光束，所述多路准直光束经目标物体反射，激光发射光学系统11和激光接收光学系统21光轴平行或近似平行；反射光束或部分反射光束进入激光接收光学系统21相对应的视场通道，由所述激光接收光学系统21进行光束汇聚，进入激光接收模块20，经激光接收模块20上微光学结构的光束变换，重新汇聚而被探测到完成各通道信号探测。

此外，请参照图1，激光雷达还包括电路板组件3和外部接口41，电路板组件3包括至少一块电路板，外部接口41设置于底座4的侧面，电路板组件3与激光发射模块10驱动电路和激光接收模块20驱动电路连接，通过外部接口41供电至所述电路板组件3，并驱动激光发射模块10发光和激光接收模块20进行信号探测。需说明的是，图1仅为各部件的框架示意图，对各部件放置的空间位置不作限制，为达到紧凑化设计，电路板组件3可避开放置空间的器件/结构件设置成多种外形或中间开孔，包括非规则孔。

请参照图2a和图2b，激光发射模块10包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光器100和第一微透镜阵列101，箭头方向为激光光束的传输方向，激光器100用于发射激光光束，第一微透镜阵列101用于对所述激光光束进行发射角压缩；上述电路板组件3可与激光器100的驱动电路连接，以使激光器100发射激光光束，发射的激光光束进入第一微透镜阵列101进行发射角压缩。

微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。

具体地，在本实用新型实施例中，请参照图2a和图2b，激光器100设置为多个，每一激光器100包括一发射通道，如发射通道1 1003、发射通道2 1004等，第一微透镜阵列101包括多个微透镜单元，如微透镜单元1 1013、微透镜单元2 1014等，多个所述微透镜单元与多个所述发射通道一一对应，即微透镜单元1 1013对应发射通道1 1003，发射通道1 1003发射的激光光束进入微透镜单元1 1013中进行发射角压缩，微透镜单元2 1014对应发射通道21004，发射通道2 1004发射的激光光束进入微透镜单元2 1014中进行发射角压缩。通过该微光学结构，通过压缩发散角达到减小后续光路中激光发射光学系统11系统口径的目的。

对于第一微透镜阵列101的具体形式，本实用新型不做限制，优选地，第一微透镜阵列101的微透镜单元可采用球面或柱面形式，微透镜单元其中一个光学面为平面，或两个光学面均具有球面或柱面形式；此外，第一微透镜阵列101的阵列结构为矩形，这种方式对于激光光束的处理效果好。

进一步地，在本实用新型实施例中，请参照图2b，激光发射模块10还包括第一光阑阵列102，沿激光光束的传播方向，第一光阑阵列102位于第一微透镜阵列101之后，箭头方向为激光光束的传输方向，第一光阑阵列102包括多个光阑单元，如光阑单元1 1023、光阑单元2 1024等，多个光阑单元与多个发射通道一一对应，且一一对应的每一光阑单元与发射通道互为共轭，即光阑单元1 1023与发射通道1 1003对应并互为共轭，发射通道1 1003发射的激光光束经微透镜单元1 1013进行发射角压缩，进入光阑单元1 1023；光阑单元21024与发射通道2 1004对应并互为共轭，发射通道2 1004发射的激光光束经微透镜单元21014进行发射角压缩，进入光阑单元2 1024，如此光阑单元、微透镜单元以及发射通道一一对应，更有利于激光光束的传播。

光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体，它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面,限制光束或限制视场(成像范围)大小，而在本申请中，第一光阑阵列102的作用是限制光束。

具体地，光线可通过透光区域或近乎无损失通过，光线不可通非透光区域过或极少量通过；第一光阑阵列102可由孔或洞构成透光区域，由非透光材料构成非透光区域；第一光阑阵列102也可为透射式光阑阵列，通过在光学基底上制作微结构，由透射区域构成透光区域，由反射区域或吸收区域构成非透光区域；各发射通道光束经第一微透镜阵列101进行光束汇聚，聚焦于第一光阑阵列102，经第一光阑阵列102进行视场张角定义，避免不同通道的发射光束形成干扰。

第一光阑阵列102的空间位置由第一微透镜阵列101及激光器100发射通道发光面定义，第一微透镜阵列101将第一光阑阵列102的空间位置成像于激光器100发射通道发光面，即第一光阑阵列102的空间位置与激光器100发射通道互为共轭。如此有利于提高激光光束的传输效率。

同理地，由于光路可逆，激光接收模块20可采用近似的结构，具体地，请参照图3a和图3b，箭头方向为激光光束的传输方向，激光接收模块20包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第二微透镜阵列201、滤光片202以及探测器200，第二微透镜阵列201用于对激光光束进行汇聚，滤光片202用于滤除杂光，探测器200用于接收激光光束。

更具体地，请参照图3a和图3b，探测器200对应激光器100设置为多个，每一探测器200包括一接收通道，如接收通道1 2003、接收通道2 2004等，第二微透镜阵列201包括多个微透镜本体，如微透镜本体1 2013、微透镜本体2 2014等，多个微透镜本体与多个接收通道一一对应，即微透镜本体1 2013对应接收通道1 2003，激光光束经微透镜本体1 2013进行光束会聚或准直后，经滤光片202滤除探测波段外干扰杂光，进入接收通道1 2003中，微透镜本体2 2014对应接收通道2 2004，激光光束经微透镜本体2 2014进行光束会聚或准直后，经滤光片202滤除探测波段外干扰杂光，进入接收通道2 2004中。通过该微光学结构，提高了激光光束的传输效率。

对于第二微透镜阵列201的具体形式，本实用新型不做限制，优选地，第二微透镜阵列201的微透镜单元可采用球面或柱面形式，微透镜单元其中一个光学面为平面，或两个光学面均具有球面或柱面形式；此外，第二微透镜阵列201的阵列结构为矩形。

进一步地，请参照图3b，激光接收模块20还包括第二光阑阵列203，沿激光光束的传播方向，第二光阑阵列203位于第二微透镜阵列201之前，第二光阑阵列203包括多个光阑本体，如光阑本体1 2033、光阑本体2 2034等，多个光阑本体与多个接收通道一一对应，且一一对应的每一光阑本体与接收通道互为共轭，即光阑本体1 2033与接收通道1 2003对应并互为共轭，箭头方向为激光光束的传输方向，经光阑本体1 2033消除视场张角外杂光的激光光束进入微透镜本体1 2013会聚或准直后，经滤光片202滤除探测波段外干扰杂光，进入接收通道1 2003中；经光阑本体2 2034消除视场张角外杂光的激光光束进入微透镜本体2 2014会聚或准直后，经滤光片202滤除探测波段外干扰杂光，进入接收通道2 2004中。如此光阑本体、微透镜本体以及接收通道一一对应，更有利于激光光束的传播。

更进一步地，第二光阑阵列203的空间位置由第二微透镜阵列201、滤光片202及探测器200位置定义，第二微透镜阵列201和滤光片202将第二光阑阵列203的空间位置成像于所述探测器200光敏面位置，即第二光阑阵列203的空间位置与探测器200接收通道互为共轭，如此有利于提高激光光束的传输效率。

对于滤光片202的形式，本实用新型不做限制，优选地，滤光片202为窄带滤光片，窄带滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，窄带滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的5％以下，能够有效滤除探测波段外干扰杂光。

对于激光器100和探测器200的具体形式，本实用新型也不做限制，优选地，激光器100为发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的任意一种；探测器200为雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增管(SiPM)、单光子雪崩二极管(SPAD)中的任意一种。

当探测器200为单光子雪崩二极管(SPAD)时，激光器100的数量为N，探测器200的数量为M，M＞N。如N＝6，M＝9，除与激光器100一一对应的个探测器200，采用额外的个辅助探测器200用于测量暗计数，3个辅助探测器200单元置于非透光的暗环境，能够有效消除暗计数对SPAD光子探测器200的影响。

需要说明的是，本实用新型实施例中，激光雷达可采用两种发射模式和两种接收模式：

发射模式一：发射光束经所述激光发射模块10上第一微透镜阵列101进行发散角压缩，形成新的发射光束；

发射模式二：发射光束经第一微透镜阵列101聚焦于第一光阑阵列102所在空间位置，并经第一光阑阵列102定义视场张角进行出射，形成新的发射光束；

接收模式一：激光光束进入第二微透镜阵列201，经进一步收集和压缩，形成新的接收光束，并聚焦于探测器200光敏面；

接收模式二：接收光束首先经第二光阑阵列203对视场张角外光束的杂光消除，而后通过第二微透镜阵列201形成新的接收光束，并聚焦于探测器200光敏面。

上述两种发射模式和两种接收模式可以任意组合。

请参照图4和图5，箭头方向为激光光束的传输方向，本实用新型提出的激光雷达光学系统，包括激光发射光学系统11和激光接收光学系统21，其中，激光发射光学系统11包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第一透镜111、第二透镜112以及第三透镜113，所述第一透镜111的光焦度为

第二透镜112的光焦度为

第三透镜113的光焦度为

其中，

激光接收光学系统21包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第四透镜211、第五透镜212以及第六透镜213，第四透镜211的光焦度为

第五透镜212的光焦度为

第六透镜213的光焦度为

其中，

本实用新型的激光雷达光学系统的激光发射光学系统11和激光接收光学系统21采用沿激光光束传播方向依次由前至后设置的三个透镜，且相邻两个透镜的光焦度一正一负，光焦度为正值时，透镜对光线有会聚作用，反之，光焦度为负值时，透镜对光线有发散作用，通过分别对激光光束的会聚、发散、再会聚，实现了对发射或接收的激光光束的处理，使得不同视场的中心光线垂直入射于系统像面；激光发射光学系统11发射激光光束时，提高中间视场通道以外的光束发射效率，使得发射光束充分照射于周围场景，同时消除激光器100单元发射角度误差，降低了系统工艺性要求；激光接收光学系统21接收激光光束时，提高中间视场通道以外的光束接收效率，接收光束垂直入射于探测器200也降低了探测器200间隔容差要求，降低了系统工艺性要求，提高了激光雷达的测距性能。

优选地，上述六个透镜的材料为光学玻璃或塑料材料，可采用非球面设计，具有高折射率，如此在对激光光束处理时，效果更好。

为了消除杂光，在本实用新型实施例中，请参照图4和图5，箭头方向为激光光束的传输方向，激光发射光学系统11还包括位于第三透镜113之后的第一光阑114，用于限制激光光束的张角，避免光束串扰。

同理地，激光接收光学系统21还包括位于第四透镜211之前的第二光阑214，用于限制激光光束的张角。激光接收光学系统21可采用与激光发射光学系统11完全相同系统构成，激光接收光学系统21可采用其他实现方式以完成整体优化，如采用于所述激光发射光学系统11不同的特征参数，如焦距、系统口径、镜片数量、镜片材料、非球面设计等，以提高系统模块化程度，有利于量化生产及装配。

光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面,限制光束或限制视场(成像范围)大小，而在本申请中，第一光阑114和第二光阑214的作用是限制光束，如此，发射和接收视场张角以1:1的方式有效减少了探测器200间的信号串扰。

对于激光器100、第一微透镜阵列101、第一光阑阵列102以及激光发射光学系统11的位置关系，请参照图2a和图2b，激光器100的发光面A经所述第一微透镜阵列101成像为发光面B，即所述发光面A与B互为共轭，图2a的情况下发光面B位于发光面A远离所述第一微透镜阵列101的一方，图2b的情况下发光面B位置即为所述第一光阑阵列102定义的空间位置。

具体地，激光发射模块10与激光发射光学系统11对接方式为，发光面B与发射系统像面110重合，激光发射模块10上激光器100的发射光束A经微光学结构第一微透镜阵列101、第一光阑阵列102的光束变换形成以发光面B为发射起点的发射光束B，发射光束B再经所述激光发射光学系统11准直，发射近乎准直的发射光束，照射至激光雷达前方的目标物体。

类似地，对于探测器200、第二微透镜阵列201以及激光接收光学系统21的位置关系，请参照图3a和图3b，探测器200的光敏面或接收面A经第二微透镜阵列201和滤光片202成像为探测面B，即探测面A与B互为共轭，图3a的情况下探测面B位于探测面A远离所述第二微透镜阵列201的一方，图3b的情况下探测面B位置即为所述第二光阑阵列203203定义的空间位置。

具体地，激光接收模块20与激光接收光学系统21的对接方式为，接收面B与接收系统像面210重合，激光光束经激光接收光学系统21汇聚，形成以接收面B为焦面的接收光束B，接收光束B经激光接收模块20的微光学结构的光束变换形成以探测器200光敏面即接收面A为焦面的接收光束A，最终探测器200对返回光束进行光信号探测，接收通道与发射通道一一对应，如发射通道1 1003对应于接收通道，发射通道2 1004对应于接收通道2 2004。

进一步地，激光发射光学系统11还包括位于第一透镜111之前的第七透镜115，用于矫正激光光束的角度，使得激光光束垂直入射所述第一透镜111；和/或，

激光接收光学系统21还包括位于第六透镜213之后的第八透镜，用于矫正激光光束的角度，使得激光光束垂直入射所述第八透镜。

由于光路可逆，以激光发射光学系统11为例，请参照图6，激光发射光学系统11的第二实施例的结构示意图中，箭头方向为激光光束的传输方向，激光发射光学系统11还包括位于第一透镜111之前的第七透镜115，用于矫正激光光束的角度，使得激光光束垂直入射所述第一透镜111；第七透镜115的功能在于将带角度入射至发射系统像面110的光束进行矫正，使得光束中心垂直入射并聚焦于发射系统像面110。通过第七透镜115对系统的优化，可使系统具有像方远心光学系统特征，提高系统对中间视场通道以外的激光光束的能量传输效率。

对于第七透镜115的形式，本实用新型不做限制，优选地，第七透镜115可采取非圆对称外型，可根据有效通光区域进行切边，见图8，将图8a中的区域A、B、C和D切除，形成图8b、图8b中的透镜，节省激光雷达的空间。

更进一步地，激光发射光学系统11还包括位于第七透镜115和第一透镜111连线的一侧，且与第七透镜115和第一透镜111连线相对设置的至少一个反射镜，自第七透镜115射出的激光光束经过反射镜的反射后入射第一透镜111；和/或，

激光接收光学系统21还包括位于第八透镜和第六透镜213连线的一侧，且与第八透镜和第六透镜213连线相对设置的至少一个反射镜，自第六透镜213射出的激光光束经过反射镜的反射后入射第八透镜。

以激光发射光学系统11为例，请参照图7，箭头方向为激光光束的传输方向，激光发射光学系统11的第三实施例的结构示意图中，激光发射光学系统11还包括位于第七透镜115和第一透镜111连线的一侧，且与第七透镜115和第一透镜111连线相对设置的至少一个反射镜，如反射镜1 116、反射镜2117，自第七透镜115射出的激光光束依次经过反射镜1116、反射镜2 117的反射后入射第一透镜111。通过反射镜1 116和反射镜2 117对激光发射光学系统11进行光路折叠，使得激光雷达系统具有更紧凑的结构形式。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达光学系统，其特征在于，包括：

激光发射光学系统，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为

所述第三透镜的光焦度为

其中，

以及，

激光接收光学系统，包括沿所述激光光束传播方向依次由前至后设置的第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第四透镜的光焦度为

所述第五透镜的光焦度为

所述第六透镜的光焦度为

其中，

2.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光发射光学系统还包括位于所述第三透镜之后的第一光阑，用于限制所述激光光束的张角；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第四透镜之前的第二光阑，用于限制所述激光光束的张角。

3.如权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光发射光学系统还包括位于所述第一透镜之前的第七透镜，用于矫正所述激光光束的角度，使得所述激光光束垂直入射所述第一透镜；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第六透镜之后的第八透镜，用于矫正所述激光光束的角度，使得所述激光光束垂直入射所述第八透镜。

4.如权利要求3所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光发射光学系统还包括位于所述第七透镜和所述第一透镜连线的一侧，且与所述第七透镜和所述第一透镜连线相对设置的至少一个反射镜，自所述第七透镜射出的所述激光光束经过所述反射镜的反射后入射所述第一透镜；和/或，

所述激光接收光学系统还包括位于所述第八透镜和所述第六透镜连线的一侧，且与所述第八透镜和所述第六透镜连线相对设置的至少一个反射镜，自所述第六透镜射出的所述激光光束经过所述反射镜的反射后入射所述第八透镜。

5.一种激光雷达，其特征在于，包括：

底座；

激光发射组，安装于所述底座上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光发射模块和激光发射光学系统，其中，所述激光发射模块发射激光光束并射入所述激光发射光学系统，所述激光发射光学系统为如权利要求1-4任意一项所述的激光发射光学系统；以及，

激光接收组，与所述激光发射组并排设置于所述底座上，包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光接收光学系统和激光接收模块，其中，所述激光接收光学系统为如权利要求1-4任意一项所述的激光接收光学系统，所述激光接收模块接收经所述激光接收光学系统处理后的激光光束。

6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的激光器和第一微透镜阵列，所述激光器用于发射激光光束，所述第一微透镜阵列用于对所述激光光束进行发射角压缩；

所述激光接收模块包括沿激光光束传播方向依次由前至后设置的第二微透镜阵列、滤光片以及探测器，所述第二微透镜阵列用于对所述激光光束进行汇聚，所述滤光片用于滤除杂光，所述探测器用于接收所述激光光束。

7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器设置为多个，每一所述激光器包括一发射通道，所述第一微透镜阵列包括多个微透镜单元，多个所述微透镜单元与多个所述发射通道一一对应；

所述探测器对应所述激光器设置为多个，每一所述探测器包括一接收通道，所述第二微透镜阵列包括多个微透镜本体，多个所述微透镜本体与多个所述接收通道一一对应。

8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块还包括第一光阑阵列，沿所述激光光束的传播方向，所述第一光阑阵列位于所述第一微透镜阵列之后，所述第一光阑阵列包括多个光阑单元，多个所述光阑单元与多个所述发射通道一一对应，且所述光阑单元与对应的所述发射通道互为共轭；和/或，

所述激光接收模块还包括第二光阑阵列，沿所述激光光束的传播方向，所述第二光阑阵列位于所述第二微透镜阵列之前，所述第二光阑阵列包括多个光阑本体，多个所述光阑本体与多个所述接收通道一一对应，所述光阑本体与对应的所述接收通道互为共轭。

9.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述探测器为单光子雪崩二极管，所述激光器的数量为N，所述探测器的数量为M，M＞N。

10.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述滤光片为窄带滤光片；和/或，

所述激光器为发光二极管、半导体激光器、垂直腔面发射激光器中的任意一种；和/或，

所述探测器为雪崩光电二极管、硅光电倍增管、单光子雪崩二极管中的任意一种。

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