CN217820822U - 光学系统及激光雷达探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统和包括该光学系统的激光雷达探测系统。该光学系统包括：发射前端、扫描组件和整形组件。其中，发射前端包括：光源，用于发射探测光束；至少一个准直透镜，对探测光束进行准直。探测光束被扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束。整形组件用于整形扩束反射光束。

Description

光学系统及激光雷达探测系统

技术领域

本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种光学系统及激光雷达探测系统。

背景技术

激光雷达，是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其以微波雷达原理为基础，向目标物体发射激光束作为探测信号，然后将接收到的从目标物体反射回来的信号与发射信号进行分析处理，就可获得目标物体的特征参数，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，也能够获得目标物体的三维图像。激光雷达充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、单色性和相干性的特点，使激光雷达具备了分辨率高、探测距离远、抗观测背景的干扰性强以及能够实现全天时观测等技术优势，从而被广泛应用于国防、航天航空、工业和医学等多个领域。

但是，所述传统的扫描成像激光雷达系统一般采用转鼓加摆镜、双摆镜或是双振镜的扫描方式，由于这些光学元件所构成的扫描系统体积庞大且笨重，通常需要耗费较多的电能，而且由于惯性等原因难以实现高速扫描，因而不适于高速成像应用。另外，所述传统的激光雷达存在的成本昂贵，体积大、产能低、电机的可靠性随着工作时间的加长而降低等缺陷也在实际应用中日益突出。

随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，微芯片技术、激光器技术、微电机系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)、和光学技术的高速发展，为激光雷达不断向小型化、低功率和低成本的方向发展提供了相应的器件。尤其是MEMS振镜的使用，在光学系统中加入MEMS扫描振镜，可以使光路发生预期改变，从而达到对目标物体扫描的目的。

但是，常规的技术中，为避免在扫描大角度的时候，出射光束为弧形，会严重降低探测精度，同时会严重增加软件算法处理难度的问题，通常将MEMS振镜放置在成像镜头组的后面，这样导致MEMS振镜的尺寸较大，成本高昂。

发明内容

本申请提供一种光学系统，该光学系统包括：发射前端、扫描组件和整形组件。其中，发射前端包括：光源，用于发射探测光束；至少一个准直透镜，对探测光束进行准直。探测光束被扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束。整形组件用于整形扩束反射光束。

在一些实施方式中，整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1、整形组件在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2以及整形组件的厚度d满足：0.7≤(R1+d)/R2≤1.3。

在一些实施方式中，扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R与整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1满足：0.8≤|R/R1|≤1.5。

在一些实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源至准直透镜在光轴上的距离L1满足：0.5≤D1/L1≤2。

在一些实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W满足：D1/W≥3。

在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W与准直透镜的焦距F1满足：W/F1≤0.5。

在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1满足：W*Θ/D1≤0.5。

在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜的焦距F1满足：W*Θ/F1≤0.5。

在一些实施方式中，探测光束在光源至整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T与光源至扫描组件中心的距离L满足：T/L＞1。

在一些实施方式中，整形组件包括：基层，基层呈弯曲状；以及微透镜阵列，包括多个柱透镜单元，形成在基层朝向反射光束的一侧。

在一些实施方式中，柱透镜单元的焦距F2与柱透镜单元的口径D2满足：|F2|/D2≤2。

在一些实施方式中，整形组件包括一双锥柱透镜；双锥柱透镜为圆形或方形，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上为负透镜。其中，发射前端还包括：匀光组件，用于匀化在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的探测光束；以及正透镜，用于压缩经过匀光组件后探测光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的发散角。

在一些实施方式中，匀光组件为柱形微透镜阵列，

其中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5与正透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的口径D3满足：D5/D3≤0.3。

在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距F4与双锥柱透镜的口径D4满足：F4/D4＞-1。

在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径R4、光源至扫描组件中心的距离L与扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：R4/(L+R)＜1。

在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径R3、光源至扫描组件中心的距离L与扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：|R3|/(L+R)＜1。

在一些实施方式中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的焦距F5与柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5满足：|F5|/D5≤2。

在一些实施方式中，光源包括LD或VCSEL。

在一些实施方式中，准直透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的至少之一。

在一些实施方式中，扫描组件为MEMS振镜组。

一种激光雷达探测系统，包括：如上的光学系统，向目标场景发射探测光束；以及接收端，接收探测光束中被目标场景返回的部分。

本申请的光学系统，采用扫描组件偏折探测光束的方向，实现扫描，并将扫描组件设置在光学系统的中间部位，可减小扫描组件的尺寸，从而降低光学系统的成本。此外，本申请采用整形组件可矫正大角度扫描时的弧形出射光束，将反射光束整形扩束成一条线形出射光束，提高光学系统的探测精度。

附图说明

结合附图，通过以下实施方式的详细描述，本实用申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1是根据本申请实施例1的光学系统的结构示意图；

图2是图1中的A处局部结构示意图；

图3是根据本申请实施例1的光学系统的光束远场出射效果示意图；

图4是根据本申请实施例2的光学系统在光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的结构示意图；

图5是图4中的B处局部结构示意图；

图6是根据本申请实施例2的发射前端在光束在扫描组件的扫描方向上的结构示意图；

图7是根据本申请实施例2的整形组件在光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的结构示意图；

图8是根据本申请实施例2的整形组件在光束在扫描组件的扫描方向上的结构示意图；

图9示出了根据本申请实施例2的光学系统的光束远场出射效果示意图；

图10是根据本申请实施例1的光学系统的三维结构示意图；以及

图11是根据本申请实施例2的光学系统的三维结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一侧也可被称作第二侧，反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个元件最靠近第一侧的表面称为该元件的第一侧面，每个元件最靠近第二侧的表面称为该元件的第二侧面。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度形式化意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下对本申请的特征、原理和其它方面进行详细描述。

在示例性实施方式中，光学系统沿光轴由第一侧至第二侧依序包括发射前端、扫描组件和整形组件。其中，发射前端包括光源和至少一个准直透镜。其中，光源用于发射探测光束，探测光束经过准直透镜的准直后进入扫描组件。扫描组件例如为MEMS振镜组。探测光束被MEMS振镜组反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束。整形组件将反射光束整形扩束成一条线形光束。上述方案中，采用MEMS振镜组偏折探测光束的方向，实现扫描，并将MEMS振镜组设置在光学系统的中间部位，可减小MEMS振镜组的尺寸，从而降低光学系统的成本。此外，本申请采用整形组件可矫正大角度扫描时的弧形出射光束，将反射光束整形扩束成一条近似线形的出射光束，提高光学系统的探测精度。

在示例性实施方式中，整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1、整形组件在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2以及整形组件的厚度d满足：0.7≤(R1+d)/R2≤1.3。R1、R2和d进一步可满足：0.8≤(R1+d)/R2≤1.2。本申请的光学系统中，通过控制整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径、整形组件在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径以及整形组件的厚度之间的关系在合理范围内，可使整形组件在光源在扫描组件的扫描方向上为近似的同心圆形状，从而使MEMS振镜组扫描的不同角度探测光束经过后不会改变探测光束的准直性，进而实现矫正大角度扫描时的弧形出射光束的目的。

在示例性实施方式中，MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R与整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1满足：0.8≤|R/R1|≤1.5。R和R1进一步可满足：0.9≤|R/R1|≤1.2。本申请的光学系统中，通过控制MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离与整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径之间的关系在合理范围内，可使MEMS振镜组的反射面中心位于整形组件同心圆的圆心位置，进一步提高矫正效果。

在示例性实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源至准直透镜在光轴上的距离L1满足：0.5≤D1/L1≤2。D1和L1进一步可满足：1≤D1/L1≤1.5。本申请的光学系统中，通过控制准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径与光源至准直透镜在光轴上的距离之间的关系在合理范围内，有利于实现光学系统的小型化。

在示例性实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W满足：D1/W≥3。D1和W进一步可满足：D1/W≥5。本申请的光学系统中，通过控制准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径远大于光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸，有利于提高准直透镜的准直度。

在示例性实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W与准直透镜的焦距F1满足：W/F1≤0.5。W和F1进一步可满足：W/F1≤0.2。本申请的光学系统中，通过控制准直透镜的焦距远大于光源的发光尺寸，有利于提高准直透镜的准直度。

在示例性实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1满足：W*Θ/D1≤0.5。W、Θ和D1进一步可满足：W*Θ/D1≤0.3。本申请的光学系统中，在光源尺寸与光源发散角度确定的情况下，较大的有效口径有利于提高准直透镜的准直度。

在示例性实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜的焦距F1满足：W*Θ/F1≤0.5。W、Θ和F1进一步可满足：W*Θ/F1≤0.3。本申请的光学系统中，在光源尺寸与光源发散角度确定的情况下，增大准直透镜的焦距有利于提高准直透镜的准直度。

在示例性实施方式中，探测光束在光源至整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T与光源至MEMS振镜组的距离L满足：T/L＞1。本申请的光学系统中，控制扫描器件MEMS振镜组位于整形组件前，有利于实现光学系统的小型化。示例性的，探测光束在光源至整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T为光源至MEMS振镜组中心的距离L与MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R之和。

在示例性实施方式中，整形组件包括：基层和微透镜阵列，基层呈弯曲状，微透镜阵列包括多个柱透镜单元，形成在基层朝向反射光束的一侧。本申请的光学系统中，通过将整形组件设置为弯曲柱形微透镜阵列的形式，有利于将经过MEMS振镜组的不同方向的探测光束整形扩束成一条线形光束。

在示例性实施方式中，柱透镜单元的焦距F2与柱透镜单元的口径D2满足：|F2|/D2≤2。F2和D2进一步可满足：|F2|/D2≤1.5。本申请的光学系统中，柱透镜单元口径确定的情况下，较小的柱透镜单元焦距，有利于探测光束经过弯曲柱形微振镜阵列后在扫描组件的扫描方向的垂直方向扩散成较大的角度，有利于实现光学系统的大视场。

在示例性实施方式中，整形组件包括一双锥柱透镜；双锥柱透镜为圆形或方形，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上为负透镜。其中，发射前端还包括：匀光组件和正透镜。正透镜的形状例如可以为双凸、凸凹、凹凸。匀光组件用于匀化在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的探测光束。正透镜用于压缩经过匀光组件后探测光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的发散角。本申请的光学系统中，通过将整形组件设置为双锥柱透镜的形式，有利于将经过MEMS振镜组的不同方向的探测光束整形扩束成一条线形光束。而且，通过设置匀光组件和正透镜，可匀化扫描组件的扫描方向的垂直方向上的探测光束并压缩探测光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向的发散角，有利于减小MEMS振镜组在扫描组件的扫描方向的垂直方向的尺寸。

在示例性实施方式中，匀光组件为柱形微透镜阵列，其中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5与正透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的口径D3满足：D5/D3≤0.3。D5和D3进一步可满足：D5/D3≤0.2。本申请的光学系统中，通过控制柱形微透镜阵列的柱透镜单元透镜口径小于准直透镜的口径，有助于柱形微透镜阵列排布更多的柱透镜单元数量，有利于使探测光束经过柱形微透镜阵列后能量分布更均匀。

在示例性实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距F4与双锥柱透镜的口径D4满足：F4/D4＞-1。F4和D4进一步可满足：F4/D4≥-0.8。本申请的光学系统中，通过控制双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距与双锥柱透镜的口径之间的关系在合理范围内，有利于探测光束经过双锥透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向扩散成较大的角度，从而实现光学系统的大视场。

在示例性实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径R4、光源至MEMS振镜组中心的距离L与MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：R4/(L+R)＜1。R4、L和R进一步可满足：R4/(L+R)≤0.8。本申请的光学系统中，通过控制双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径、光源至MEMS振镜组中心的距离与MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离之间的关系在合理范围内，有利于探测光束经过双锥透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向扩散成较大的角度，从而实现光学系统的大视场。

在示例性实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径R3、光源至MEMS振镜组中心的距离L与MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：|R3|/(L+R)＜1。R3、L和R进一步可满足：|R3|/(L+R)≤0.5。本申请的光学系统中，通过控制双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径、光源至MEMS振镜组中心的距离与MEMS振镜组的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离之间的关系在合理范围内，有利于探测光束经过双锥透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向扩散成较大的角度，从而实现光学系统的大视场。

在示例性实施方式中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的焦距F5与柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5满足：|F5|/D5≤2。F5与D5进一步可满足：|F5|/D5≤1.5。本申请的光学系统中，在柱透镜单元口径确定的情况下，通过设置焦距绝对值小的柱透镜单元，有利于探测光束经过弯曲柱形微振镜阵列扩散成较大的角度，特别是在扫描组件的扫描方向的垂直方向。

在示例性实施方式中，光源可以是LD、VCSEL等单颗或者组合的面阵光源，其发散角度-能量分布为类高斯分布，边缘能量较弱。

在示例性实施方式中，准直透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的至少之一。准直透镜的面型可以例如是旋转对称结构、双锥结构等，但本申请不限定准直透镜的结构类型。准直透镜例如可为大尺寸透镜，准直透镜例如还可为一枚透镜或多枚透镜组成的透镜组。

本申请提供的光学系统可用作例如激光雷达探测系统的发射端。此时，该光学系统的第一侧可为成像侧，第二侧可为像源侧。采用MEMS振镜组偏折探测光束的方向，实现扫描，并将MEMS振镜组设置在光学系统的中间部位，可减小MEMS振镜组的尺寸，从而降低激光雷达探测系统的成本。此外，采用整形组件可矫正大角度扫描时的弧形出射光束，将反射光束整形扩束成一条线形出射光束，提高激光雷达探测系统的探测精度。

在示例性实施方式中，本申请提供的光学系统可用作例如投影镜头，此时，该光学系统的第一侧可为成像侧，第二侧可为像源侧。

在示例性实施方式中，本申请提供的光学系统可用作例如车载镜头，此时，该光学系统的第一侧可为物侧，第二侧可为像侧。来自物侧的光线可在像侧成像。

下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的光学系统的具体实施例。

实施例1

以下参照图1至图3和图10描述了根据本申请实施例1的光学系统100。图1示出了根据本申请实施例1的光学系统100的结构示意图。图2示出了根据本申请实施例1的光学系统100的整形组件的局部结构示意图。图3示出了根据本申请实施例1的光学系统100的光束远场出射效果示意图。图10示出了根据本申请实施例1的光学系统100的三维结构示意图。

如图1和图10所示，光学系统100沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括发射前端110、MEMS振镜组120和整形组件130。

其中，发射前端110包括光源111和准直透镜112。可以理解的是，虽然图1中仅示例性示出一个准直透镜112，但是本申请不限定准直透镜112的具体数量。

光源111可以是半导体光源，用于发射探测光束，光源111可以是LD、VCSEL等单颗或者组合的面阵光源。在本实施例中，光源111的整体发散全角度Θ为40°，光源111的在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W为0.010mm。

准直透镜112将光源发出的探测光束在扫描组件的扫描方向上进行准直，如图1所示，准直透镜112在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1为3.600mm，准直透镜112的焦距F1为3.09mm。光源111至准直透镜112的面向光源111的一侧在光轴上的距离L1为2.870mm。

在实施例1中，如图1和图10所示，准直透镜112的一侧为平面，另一侧为凸面。根据本申请的光学系统100中的准直透镜112的面型可以包括但不限于是球面、非球面或自由曲面中的至少之一。准直透镜112的结构类型可以例如是旋转对称结构、双锥结构等，但本申请不限定准直透镜112的结构类型。本申请也不限定准直透镜112的面型，准直透镜112的物侧面和像侧面可以是凸面、凹面以及平面的任意组合。

MEMS振镜组120用于反射经准直透镜112准直后的探测光束，并形成具有初始扫描角度的反射光束。如图1所示，光源111至MEMS振镜组120中心的距离L为6.91mm。MEMS振镜组120为方形或矩形，MEMS振镜组120为一维MEMS扫描振镜。

整形组件130用于将反射光束整形扩束成一条线形光束。整形组件130的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1为4.4mm，整形组件130在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2为4.9mm，整形组件130的厚度d为0.5mm。MEMS振镜组120的中心到整形组件130的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R为4.4mm。

在本实施例中，如图1和图2所示，整形组件130包括呈弯曲状的基层131；以及形成在基层131朝向反射光束的一侧的微透镜阵列，微透镜阵列包括多个柱透镜单元132。从图1可以看出弯曲的柱形微振镜阵列在光源扫描组件的扫描方向为同心圆。

其中，如图2所示，柱透镜单元132的焦距F2为0.06mm，柱透镜单元132的口径D2为0.1mm。

实施例1的光学系统100在扫描组件的扫描方向的出射全角度FOV为0.3°，光学系统100在扫描组件的扫描方向的垂直方向的出射全角度FOV为120°。

图3示出了光学系统100的光束远场出射效果示意图，从图3可以看出，光学系统100的出射光束为一近似线性光束。

本申请提供的光学系统100可用作例如投影镜头或激光雷达发射端镜头，此时，来自发射前端110的光被MEMS振镜组120扫描反射后穿过整形组件130并最终投射至设置于第二侧的投影面(未示出)或目标物(未示出)上。应理解，本申请提供的光学系统100也可用作例如投影镜头，此时，该光学系统100的第一侧可为成像侧，第二侧可为像源侧。光学系统100还可用作例如车载镜头，此时，该光学系统100的第一侧可为物侧，第二侧可为像侧。来自物侧的光线可在像侧成像。

实施例2

以下参照图4至图9和图11描述了根据本申请实施例2的光学系统200。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图4示出了根据本申请实施例2的光学系统200在光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向的结构示意图，图6示出了根据本申请实施例2的发射前端210在光束在扫描组件的扫描方向的结构示意图。图11示出了根据本申请实施例2的光学系统200的三维结构示意图。

如图4所示，光学系统200沿着光轴由第一侧至第二侧依序包括发射前端210、MEMS振镜组220和整形组件230。

其中，如图6和图11所示，发射前端210包括光源211、准直透镜212、匀光组件213以及双凸柱透镜214。

光源211可以是半导体光源，用于发射探测光束。在本实施例中，光源211的整体发散全角度Θ为40°，光源211的在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W为0.010mm。

准直透镜212将光源发出的探测光束在扫描组件的扫描方向上进行准直，如图6所示，准直透镜212在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1为3.600mm，准直透镜212的焦距F1为3.09mm。光源211至准直透镜212的面向光源211的一侧在光轴上的距离L1为2.870mm。

匀光组件213用于匀化在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的探测光束。匀光组件213为柱形微透镜阵列，即在平板表面分布许多相同或者不同的微小柱透镜阵列，参照图5所示。柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5为0.1mm，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的焦距F5为0.12mm。

双凸柱透镜214用于压缩经过匀光组件213后探测光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的发散角。双凸柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的口径D3为2.4mm，双凸柱透镜的焦距F3为3.19mm。

MEMS振镜组220用于反射经双凸柱透镜214压缩后的探测光束，并形成具有初始扫描角度的反射光束。如图4所示，光源211至MEMS振镜组220中心的距离L为9.91mm。

整形组件230用于将反射光束整形扩束成一条线形光束。在本实施例中，如图7和图8所示，整形组件230为双锥柱透镜。双锥柱透镜的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1为-6.000mm，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2为-7.000mm，双锥柱透镜的厚度d为0.8mm。双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径R3为-4.000mm，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径R4为10.000mm。双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距F4为-3.3mm，双锥柱透镜的口径D4为6.000mm。从图7中可以看出双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向为负透镜，从图8可以看出双锥柱透镜在光源扫描组件的扫描方向为近似同心圆形状。

MEMS振镜组200的中心到双锥柱透镜的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R为6mm。

实施例2的光学系统200在扫描组件的扫描方向的出射全角度FOV为0.3°，光学系统200在扫描组件的扫描方向的垂直方向的出射全角度FOV为120°。

图9示出了光学系统200的光束远场出射效果示意图，从图9可以看出，光学系统200的出射光束为一近似线性光束。

本申请提供的光学系统200可用作例如投影镜头或激光雷达发射端镜头，此时，来自发射前端210的光被MEMS振镜组220扫描反射后穿过整形组件230并最终投射至设置于第二侧的投影面(未示出)或目标物(未示出)上。应理解，本申请提供的光学系统200也可用作例如投影镜头，此时，该光学系统200的第一侧可为成像侧，第二侧可为像源侧。光学系统200还可用作例如车载镜头，此时，该光学系统200的第一侧可为物侧，第二侧可为像侧。来自物侧的光线可在像侧成像。

综上，实施例1至实施例2中各参数如表1所示，在表1中，表示距离、半径、口径、焦距、厚度等长度的单位为毫米(mm)，表示角度的单位为度(°)。

实施例1至实施例2各条件式根据表1中数据计算结果如表2所示。

表1

条件式	实施例1	实施例2
			(R1+d)/R2	1.000	0.971
|R/R1|	1.000	-1.000
			D1/L1	1.254	1.254
D1/W	360.000	360.000
			W/F1	0.003	0.003
W*Θ/D1	0.111	0.111
			W*Θ/F1	0.129	0.129
|F2|/D2	0.600
			|F5|/D5	/	1.200
D2/D3	/	0.042
			F4/D4	/	-0.550
R4/(L+R)	/	0.628535512
			|R3|/(L+R)	/	0.251414205

表2

本申请还提供了一种激光雷达探测系统。该激光雷达探测系统包括根据本申请提供的光学系统及接收端，光学系统向目标场景发射探测光束，接收端用于接收探测光束中被目标场景返回的部分。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (21)

1.光学系统，其特征在于，包括：

发射前端，包括：

光源，用于发射探测光束；

至少一个准直透镜，对所述探测光束进行准直；

扫描组件，所述探测光束被所述扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束；以及

整形组件，用于整形扩束所述反射光束。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1、所述整形组件在所述扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2以及所述整形组件的厚度d满足：0.7≤(R1+d)/R2≤1.3。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述扫描组件的中心到所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上中心的距离R与所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1满足：0.8≤|R/R1|≤1.5。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与所述光源至所述准直透镜在光轴上的距离L1满足：0.5≤D1/L1≤2。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W满足：D1/W≥3。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W与所述准直透镜的焦距F1满足：W/F1≤0.5。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、所述光源的发散全角度Θ与所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1满足：W*Θ/D1≤0.5。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、所述光源的发散全角度Θ与所述准直透镜的焦距F1满足：W*Θ/F1≤0.5。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

所述探测光束在所述光源至所述整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T与所述光源至所述扫描组件中心的距离L满足：T/L＞1。

10.根据权利要求1-9任一所述的光学系统，其中，所述整形组件包括：

基层，所述基层呈弯曲状；以及

微透镜阵列，包括多个柱透镜单元，形成在所述基层朝向所述反射光束的一侧。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，

所述柱透镜单元的焦距F2与所述柱透镜单元的口径D2满足：|F2|/D2≤2。

12.根据权利要求1-9任一所述的光学系统，其中，所述整形组件包括双锥柱透镜；

所述双锥柱透镜为圆形或方形，所述双锥柱透镜在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上为负透镜；

其中，所述发射前端还包括：

匀光组件，用于匀化在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上的所述探测光束；以及

正透镜，用于压缩经过所述匀光组件后所述探测光束在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上的发散角。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，

所述匀光组件为柱形微透镜阵列，

其中，所述柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5与所述正透镜在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上的口径D3满足：D5/D3≤0.3。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其中，

所述双锥柱透镜在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距F4与所述双锥柱透镜的口径D4满足：F4/D4＞-1。

15.根据权利要求12所述的光学系统，其中，

所述双锥柱透镜在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径R4、所述光源至所述扫描组件中心的距离L与所述扫描组件的中心到所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：R4/(L+R)＜1。

16.根据权利要求12所述的光学系统，其中，

所述双锥柱透镜在所述扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径R3、所述光源至所述扫描组件中心的距离L与所述扫描组件的中心到所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：|R3|/(L+R)＜1。

17.根据权利要求13所述的光学系统，其中，

所述柱形微透镜阵列的柱透镜单元的焦距F5与所述柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5满足：|F5|/D5≤2。

18.根据权利要求1-9任一所述的光学系统，其中，

所述光源包括LD或VCSEL。

19.根据权利要求1-9任一所述的光学系统，其中，

所述准直透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的至少之一。

20.根据权利要求1-9任一所述的光学系统，其中，

所述扫描组件为MEMS振镜组。

21.一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-20中任一项所述的光学系统，向目标场景发射探测光束；以及

接收端，接收所述探测光束中被所述目标场景返回的部分。

Images