CN217425688U - 光学透镜、激光发射系统及激光收发装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光学透镜、激光发射系统及激光收发装置，光学透镜适于设置于一光束的传递路径上，其特征在于，所述光学透镜包括呈阵列排布的多个微透镜，各个所述微透镜具有位于同侧呈平面的出光面，各个所述微透镜还具有准直功能的入光面；所述光学透镜用于将光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子光束。光束以不同的角度出射至各个微透镜后，经过微透镜进行准直发射出多个呈阵列的子光束，这些子光束以不同的角度随着传播距离增加各子光束会分开来，形成点阵光束。

Description

光学透镜、激光发射系统及激光收发装置

技术领域

本申请涉及一种光学透镜、激光发射系统及激光收发装置。

背景技术

相关技术中，空间定位与测距技术随着元器件的小型化，成本的低廉化，已经越来越普及到普通消费级市场中，其中最典型的应用场景为家用小型机器人，无人机等移动端的自主导航领域。空间测距技术中，光学测距较其他测距方式如超声波测距，射频电路测距等具有精度高，响应快，抗干扰性相对较强等优势，因此被广泛采纳。

目前，绝大部分扫地机器人、服务机器人采用单线激光雷达探测空间的距离信息，获取空间点云数据进行导航或者避障。其激光雷达往往是基于单点测距，故只能探测一个水平面的空间距离信息，难以适应复杂场景的导航和避障。

相关技术中要实现多线激光雷达的多点测距应用，则需要激光发射系统能够发射多个激光束，多线激光雷达测距能够提升点云空间覆盖范围及空间密度，非常适合扫地机器人、服务机器人的空间导航及避障。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请旨在提供一种光学透镜，能够将经过光学透镜的光束分开为多个呈阵列的子光束。

本申请是通过如下的技术方案来实现的。

本技术方案是提供一种光学透镜，适于设置于一光束的传递路径上，所述光学透镜包括呈阵列排布的多个微透镜，各个所述微透镜具有位于同侧呈平面的出光面，各个所述微透镜具有准直功能的入光面；所述光学透镜用于将光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子光束。

本技术方案的光学透镜，光束以不同的角度出射至各个微透镜后，经过微透镜进行准直发射出多个呈阵列的子光束，这些子光束以不同的角度随着传播距离增加各子光束会分开来，形成点阵光束。

在上述技术方案的一个实施方式中，各个所述微透镜具有相对于所述出光面的入光面，所述入光面呈曲面，且各个所述微透镜的曲面的曲率不相同。

在上述技术方案的一个实施方式中，各个所述微透镜具有相对于所述出光面的入光面，所述入光面呈曲面，且各个所述微透镜的曲面的曲率相同。

在上述技术方案的一个实施方式中，各个所述微透镜的曲面为球面。

在上述技术方案的一个实施方式中，多个所述微透镜呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。

在上述技术方案的一个实施方式中，各个所述微透镜为具有曲面的透镜部以及光楔部组合构建而成，光束在经过所述微透镜的透镜部进行准直，之后经过所述光楔部进行折射。

本申请的第二技术方案是提供一种激光发射系统，包括：

激光源，用于发出一激光束；以及

如上技术方案中所述的光学透镜，设置于所述激光束的传递路径上，所述光学透镜用于将所述激光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子激光束。

本技术方案的激光发射系统，其激光束以不同的角度出射至光学透镜各个微透镜后，经过微透镜进行准直发射出多个呈阵列的子激光束，这些子激光束以不同的角度随着传播距离增加各子激光束会分开来，形成点阵激光光束。

在上述技术方案的一个实施方式中，所述激光源以不同的发射角度将所述激光束照射于各个所述微透镜的入光面，以使多个所述子激光束具有不同的出射角度。

本申请的第二技术方案是一种激光收发装置，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元包括：

激光源，用于发出一激光束；以及

如上技术方案中所述的光学透镜，设置于所述激光束的传递路径上，所述光学透镜用于将所述激光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子激光束；

所述激光接收单元用于接收多个呈阵列的所述子激光束。

本技术方案的激光收发装置，其激光束以不同的角度出射至光学透镜各个微透镜后，经过微透镜进行准直发射出多个呈阵列的子激光束，这些子激光束以不同的角度随着传播距离增加各子激光束会分开来，形成点阵激光光束，激光收发装置适于多点激光测距的应用。

在上述技术方案的一个实施方式中，所述激光源以不同的发射角度将所述激光束照射于各个所述微透镜的入光面，以使多个所述子激光束具有不同的出射角度。

在上述技术方案的一个实施方式中，所述激光收发装置还包括固定件，所述固定件设有第一凹槽；

所述激光发射单元还包括激光发射管，所述激光源设于所述激光发射管的一端，所述光学透镜设于所述激光发射管的另一端，所述激光发射管固定于所述第一凹槽中。

在上述技术方案的一个实施方式中，光收发装置还包括固定件，所述固定件设有第二凹槽；

所述激光接收单元包括设有光感应元件的电路板和镜头，所述镜头连接于所述第二凹槽中，所述镜头包括镜筒和连接于镜筒中的镜片，所述电路板连接于所述固定件上，所述光感应元件用于接收经所述镜头的多个呈阵列的所述子激光束。

在上述技术方案的一个实施方式中，所述光感应元件为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请一实施例中示出的光学透镜的整体结构示意图之一。

图2是本申请一实施例中示出的光学透镜的正面结构示意图之一。

图3是本申请一实施例中示出的光学透镜的整体结构示意图之二。

图4是本申请一实施例中示出的光学透镜的正面结构示意图之二。

图5是本申请一实施例中示出的光学透镜的剖面结构及光路原理示意图。

图6是本申请一实施例中示出的光学透镜的将光束分开为多个光束的光路原理示意图。

图7是本申请一实施例中示出的激光收发装置的整体结构示意图。

图8是本申请一实施例中示出的激光收发装置的剖面结构示意图。

附图标记说明：

100、激光收发装置；

110、光学透镜；111、微透镜；112、出光面；113、入光面；114、透镜部；115、光楔部；116、间隙；117、边缘；

120、激光源；130、激光发射管；140、固定件；141、第一凹槽；142、第二凹槽；150、电路板；160、镜头；161、镜筒；1611、透镜安装部；1612、光通道部；162、镜片；170、光感应元件。

具体实施方式

下面将结合本申请一些实施例中的附图，对本申请一些实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态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。还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者也可以是通过居中元件间接连接另一个元件。

另外，在本申请中涉及“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，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，也不在本申请要求的保护范围之内。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附的权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的”一”、”一个”及”该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语”和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

以下结合附图与具体实施例详细描述本申请的技术方案。

本申请的第一实施例提供一种光学透镜110，能够将经过光学透镜110的光束分开为多个呈阵列的子光束。

参照图1至图6所示，本实施例的光学透镜110，光学透镜110适于设置于一光束的传递路径上，光学透镜110包括呈阵列排布的多个微透镜111，各个微透镜111具有位于同侧呈平面的出光面112，各个微透镜111具有准直功能的入光面113；光学透镜110用于将光束经过多个微透镜111后分开为多个呈阵列的子光束。

可以理解地，光学透镜110具有微透镜阵列，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的多个微透镜111组成的阵列，各个微透镜111形成于光学透镜110上，各个微透镜111都可以有自己特定参数，如面型，厚度，偏芯和倾斜等。假定光束的波面为理想的平面波面,那么根据不同发射角度或者孔径等参数，光束经过光学透镜110的微透镜阵列后，可以得到跟阵列相关的多个子光束，光学透镜110还可以具有传统透镜的聚焦、成像、准直等基本功能，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，并能构成的光学发射系统。

可选地，各个微透镜111具有相对于出光面112的入光面113，入光面113呈曲面，且各个微透镜111的曲面的曲率不相同。

可选地，各个微透镜111具有相对于出光面112的入光面113，入光面113呈曲面，且各个微透镜111的曲面的曲率相同。示列性地，各个微透镜111的曲面为球面。

参照图5至图6中所示，可理解地，当光源发出光束，照射在光学透镜110的微透镜阵列上，微透镜阵列具有n个微透镜111，每个微透镜111的入光面113为曲面，其出光面112为平面，且各个微透镜111的出光面112与光学透镜110的外表面处于同一平面，每个微透镜111的曲面有自己的曲率半径Rn，分别记为R1，R2，R3，......，Rn，例如，当曲面为球面时，曲面半径Rn为球面的半径。

光束照射在光学透镜110的微透镜阵列上，微透镜阵列中的各个微透镜111的曲面光轴Ln在也是不同的，所以在不同位置的微透镜111的曲面光轴Ln与出光面112的法线Pn具有夹角θi，分别记为θi1，θi2，θi3......θin，其中各个微透镜111的夹角θi也是不同的。从另一个角度来看，微透镜阵列含有n个具有曲面的微透镜111，每个微透镜111均为一个准直透镜，各个微透镜111可以看作为具有曲面的的透镜部114以及光楔部115组合构建而成，从光源发射的光束在经过微透镜111的透镜部114进行准直，在之后经过光楔部115进行折射。

光源发射的光束分别照射在不同的微透镜111的曲面上，发射至各个微透镜111光束具有不同的出射角度为θ，分别记为θ1，θ2，θ3，......，θn，需要说明地是，光源发射的光束是一个光斑，其实质上是由许多光线组合起来的光斑，θn就是发射至某个微透镜111的光线之间的夹角，这里的夹角θ定义为发射到微透镜阵列中各个微透镜111边沿两端的光线之间的夹角，发射至微透镜111的这此光线中的主光线与微透镜111的透镜部114的光轴重合，所以微透镜111的曲面对光束中的这些光线就行准直，准直成平行光线后，再经过光楔部115进行折射后以一条子光束出射，子光束具有出射角度θj，分别记为θj1，θj2，θj3......θjn，出射角度θj可以理解为子光束与出光面112的法线Pn之间的夹角。

由于发射至各个微透镜111的这些光线的夹角θi的不同，经各个微透镜111后出射的子光束的的出射角度θj也是不相同的，并且各相邻的子光束的出射角度之间会存在一定的夹角，所以随着子光束传播距离增加，各条子光束会分开来，因此可以由光源发出的一条光束在经过微透镜阵列后出射多束子光束，并且子光束以不同的出射角度θj出射，所有的子光束形成一个点阵光束。

可选地，多个微透镜111呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。

参照图1至图4中所示，可以理解地，光学透镜110的微透镜阵列中的多个微透镜111呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。各个微透镜111的曲面之间可以是相连接，也可以是存在间隙116的，117当各个微透镜111的曲面之间具有间隙116时，在光学透镜110的间隙116或微透镜111的边缘117的表面涂覆不透光的遮光层，防止光源发射的光束从间隙116处穿过。

本实施例的光学透镜110，能够将光源发射光束以不同的角度至各个微透镜111后，经过微透镜111进行准直发射出多个呈阵列的子光束，这些子光束以不同的角度出射后随着传播距离增加各子光束会分开来，形成点阵光束。

参照图1至图8中所示，本申请的第二实施例是提供一种激光发射系统，包括：

激光源120，用于发出一激光束；以及

光学透镜110，设置于激光束的传递路径上，光学透镜110用于将激光束经过多个微透镜111后分开为多个呈阵列的子激光束。

其中，本实施例的光学透镜110采用的是第一实施例中的学光透镜。

可以理解地，光学透镜110具有微透镜阵列，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的多个微透镜111组成的阵列，各个微透镜111形成于光学透镜110上，各个微透镜111都可以有自己特定参数，如面型，厚度，偏芯和倾斜等。假定激光束的波面为理想的平面波面,那么根据不同发射角度或者孔径等参数，激光束经过光学透镜110的微透镜阵列后，可以得到跟阵列相关的多个子激光束，光学透镜110还可以具有传统透镜的聚焦、成像、准直等基本功能，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，并能构成的光学发射系统。

可选地，各个微透镜111具有相对于出光面112的入光面113，入光面113呈曲面，且各个微透镜111的曲面的曲率不相同。

可选地，各个微透镜111具有相对于出光面112的入光面113，入光面113呈曲面，且各个微透镜111的曲面的曲率相同。示列性地，各个微透镜111的曲面为球面。

可理解地，当激光源120发出激光束，照射在光学透镜110的微透镜阵列上，微透镜阵列具有n个微透镜111，每个微透镜111的入光面113为曲面，其出光面112为平面，且各个微透镜111的出光面112与光学透镜110的外表面处于同一平面，每个微透镜111的曲面有自己的曲率半径Rn，分别记为R1，R2，R3，......，Rn，例如，当曲面为球面时，曲面半径Rn为球面的半径。

激光束照射在光学透镜110的微透镜阵列上，微透镜阵列中的各个微透镜111的曲面光轴Ln在也是不同的，所以在不同位置的微透镜111的曲面光轴Ln与出光面112的法线Pn具有夹角θi，分别记为θi1，θi2，θi3......θin，其中各个微透镜111的夹角θi也是不同的。从另一个角度来看，微透镜阵列含有n个具有曲面的微透镜111，每个微透镜111均为一个准直透镜，各个微透镜111可以看作为具有曲面的的透镜部114以及光楔部115组合构建而成，从激光源120发射的激光束在经过微透镜111的透镜部114进行准直，在之后经过光楔部115进行折射。

激光源120发射的激光束分别照射在不同的微透镜111的曲面上，发射至各个微透镜111的激光束具有不同的出射角度为θ，分别记为θ1，θ2，θ3，......，θn，需要说明地是，激光源120发射的激光束是一个光斑，其实质上是由许多光线组合起来的光斑，θn就是发射至某个微透镜111的光线之间的夹角，这里的夹角θ定义为发射到微透镜阵列中各个微透镜111边沿两端的光线之间的夹角，发射至微透镜111的这此光线中的主光线与微透镜111的透镜部114的光轴重合，所以微透镜111的曲面对激光束中的这些光线就行准直，准直成平行光线后，再经过光楔部115进行折射后以一条子激光束出射，子激光束具有出射角度θj，分别记为θj1，θj2，θj3......θjn，出射角度θj可以理解为子激光束与出光面112的法线Pn之间的夹角。

由于发射至各个微透镜111的这些光线的夹角θi的不同，经各个微透镜111后出射的子激光束的的出射角度θj也是不相同的，并且各相邻的子激光束的出射角度之间会存在一定的夹角，所以随着子激光束传播距离增加，各条子激光束会分开来，因此可以由激光源120发出的一条激光束在经过微透镜阵列后出射多束子激光束，并且子激光束以不同的出射角度θj出射，所有的子激光束形成一个点阵激光束。

可选地，多个微透镜111呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。

可以理解地，光学透镜110的微透镜阵列中的多个微透镜111呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。各个微透镜111的曲面之间可以是相连接，也可以是存在间隙116的，当各个微透镜111的曲面之间具有间隙116时，在光学透镜110的间隙116或微透镜111的边缘117的表面涂覆不透光的遮光层，防止激光源120发射的激光束从间隙116处穿过。

可选地，激光源120以不同的发射角度将激光束照射于各个微透镜111的入光面113，以使多个子激光束具有不同的出射角度。

本实施例的激光发射系统，光学透镜110能够将激光源120发射激光束以不同的角度至各个微透镜111后，经过微透镜111进行准直发射出多个呈阵列的子激光束，这些子激光束以不同的角度出射后随着传播距离增加各子激光束会分开来，形成点阵光束。

参照图1至图8中所示，本申请的第三实施例是提供一种激光收发装置100，包括激光发射单元和激光接收单元，激光发射单元包括：

激光源120，用于发出一激光束；以及

光学透镜110，设置于激光束的传递路径上，光学透镜110用于将激光束经过多个微透镜111后分开为多个呈阵列的子激光束；

激光接收单元用于接收多个呈阵列的子激光束。

其中，本实施例的光学透镜110采用的是第一实施例中的光学透镜110，对光学透镜110的说明请参考第二实施例，在此不再累赘。

可选地，激光源120以不同的发射角度将激光束照射于各个微透镜111的入光面113，以使多个子激光束具有不同的出射角度。

可选地，激光收发装置还包括固定件140，固定件140设有第一凹槽141；激光发射单元还包括激光发射管130，激光源120设于激光发射管130的一端，光学透镜110设于激光发射管130的另一端，激光发射管130固定于第一凹槽141中。

可选地，光收发装置还包括固定件140，固定件140设有第二凹槽142；激光接收单元包括设有光感应元件170的电路板150和镜头160，镜头160连接于第二凹槽142中，镜头160包括镜筒161和连接于镜筒161中的镜片162，电路板150连接于固定件140上，光感应元件170用于接收经镜头160的多个呈阵列的子激光束。

可以理解地，固定件140上设置有一个第二凹槽142，第二凹槽142具有可以使镜筒161自由移动的空间，镜筒161包括透镜安装部1611以及光通道部1612，透镜安装部1611直径大于光通道部1612的外壁直径，很好的起到了聚光以及限位作用，镜筒161的光通道部1612外壁直径小于第二凹槽142的内壁直径，以便于光通道部1612能够在第二凹槽142内自由移动，在进行光斑调试过程中，光通道部1612在第二凹槽142内沿x轴，y轴或z轴方向调试，调试完后通过打胶进行固定。

可选地，光感应元件170为CMOS图像传感器或CCD图像传感器，光感应元件170电连接于电路板150上，此外，激光源120也可与电路板150电性连接，电路板150上还可集成有处理器，用于控制光感应元件170及激光源120的工作。

本实施例的激光收发装置，光学透镜110能够将激光源120发射激光束以不同的角度至各个微透镜111后，经过微透镜111进行准直发射出多个呈阵列的子激光束，这些子激光束以不同的角度出射后随着传播距离增加各子激光束会分开来，形成点阵光束。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (13)

1.一种光学透镜，适于设置于一光束的传递路径上，其特征在于，所述光学透镜包括呈阵列排布的多个微透镜，各个所述微透镜具有位于同侧呈平面的出光面，各个所述微透镜还具有准直功能的入光面；所述光学透镜用于将光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子光束。

2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，各个所述微透镜具有相对于所述出光面的入光面，所述入光面呈曲面，且各个所述微透镜的曲面的曲率不相同。

3.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，各个所述微透镜具有相对于所述出光面的入光面，所述入光面呈曲面，且各个所述微透镜的曲面的曲率相同。

4.根据权利要求3所述的光学透镜，其特征在于，各个所述微透镜的曲面为球面。

5.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，多个所述微透镜呈矩形阵列排布或圆周阵列排布。

6.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，各个所述微透镜为具有曲面的透镜部以及光楔部组合构建而成，光束在经过所述微透镜的透镜部进行准直，之后经过所述光楔部进行折射。

7.一种激光发射系统，其特征在于，包括：

激光源，用于发出一激光束；以及

如权利要求1-6任意一项所述的光学透镜，设置于所述激光束的传递路径上，所述光学透镜用于将所述激光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子激光束。

8.根据权利要求7所述的激光发射系统，其特征在于，所述激光源以不同的发射角度将所述激光束照射于各个所述微透镜的入光面，以使多个所述子激光束具有不同的出射角度。

9.一种激光收发装置，其特征在于，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元包括：

激光源，用于发出一激光束；以及

如权利要求1-6任意一项所述的光学透镜，设置于所述激光束的传递路径上，所述光学透镜用于将所述激光束经过多个所述微透镜后分开为多个呈阵列的子激光束；

所述激光接收单元用于接收多个呈阵列的所述子激光束。

10.根据权利要求9所述的激光收发装置，其特征在于，所述激光源以不同的发射角度将所述激光束照射于各个所述微透镜的入光面，以使多个所述子激光束具有不同的出射角度。

11.根据权利要求9所述的激光收发装置，其特征在于，所述激光收发装置还包括固定件，所述固定件设有第一凹槽；

所述激光发射单元还包括激光发射管，所述激光源设于所述激光发射管的一端，所述光学透镜设于所述激光发射管的另一端，所述激光发射管固定于所述第一凹槽中。

12.根据权利要求9所述的激光收发装置，其特征在于，光收发装置还包括固定件，所述固定件设有第二凹槽；

所述激光接收单元包括设有光感应元件的电路板和镜头，所述镜头连接于所述第二凹槽中，所述镜头包括镜筒和连接于镜筒中的镜片，所述电路板连接于所述固定件上，所述光感应元件用于接收经所述镜头的多个呈阵列的所述子激光束。

13.根据权利要求12所述的激光收发装置，其特征在于，所述光感应元件为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

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