CN218497137U - 一种激光雷达发射光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光雷达发射光源，所述雷达发射光源由沿光路方向依次设置的脉冲半导体激光器、耦合透镜系统、传输光纤、扩束准直镜组、扫描反射镜组成，所述耦合透镜系统由沿光路方向依次设置的非球柱面镜、自聚焦透镜构成，所述扩束准直镜组为非球面镜。本实用新型结构设计合理，解决现有激光器的光束质量较差，导致远场的光功率密度较低，最终影响了探测距离和探测效果的问题，提高激光雷达的使用性能。

Description

一种激光雷达发射光源

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，特别是一种激光雷达发射光源。

背景技术

激光雷达的基本组成包括发射、接收和信号处理三部分，激光雷达的工作原理是，激光器驱动电路产生电信号使激光器发射激光，发射的激光向目标物出射，目标物反射的激光经过接收系统接收后将光信号转化为电信号，经过信号处理和计算就可获得目标物的有关信息，实现了对目标物的探测、识别和跟踪。

在固态激光雷达中，通过使用Mems扫描反射镜，可实现等效线束的快速扫描，减少脉冲激光二极管的使用数量，有效降低成本。受限于Mems的结构特性及可靠性的要求，大孔径的Mems目前还难以实现。在激光雷达测距中，远场光功率密度是决定测距能力的重要因素之一，其主要与发射系统的发射效率及准直发散角相关。经扩束准直镜组准直后的发射激光，准直发散角越小，远场光斑越小；与之相对应的，准直发散角越小，近场光斑越大；当近场光斑超出mems孔径，超出的光斑包含的能量不能被扫描发射，进而降低了光发射效率。综合以上，远场光功率密度取决于近场光斑大小及准直发散角，而这两种因素，则取决于激光器的光束参量乘积(BPP)。现有技术中，通常是使用光纤耦合的峰值功率为75W的905nm波长脉冲激光二极管，在这种功率水平下，都是采用纤芯直径d为100um或200um、数值孔径NA为0.22的光纤，虽然其耦合效率比较高，发射的功率比较大，但因为其BPP值(BPP＝asin(NA)*d/2)比较大，所以其光束质量较差，导致远场的光功率密度较低，最终影响了探测距离和探测效果。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种激光雷达发射光源，解决现有技术存在的问题。

本实用新型采用以下方案实现：一种激光雷达发射光源，所述雷达发射光源由沿光路方向依次设置的脉冲半导体激光器、耦合透镜系统、传输光纤、扩束准直镜组、扫描反射镜组成，所述耦合透镜系统由沿光路方向依次设置的非球柱面镜、自聚焦透镜构成，所述扩束准直镜组为非球面镜。

进一步的，所述脉冲半导体激光器为905nm脉冲半导体激光器，脉冲峰值功率75W，慢轴条宽0.22mm，发散角10°,快轴条宽0.01mm，发散角25°。

进一步的，所述非球柱面镜与自聚焦透镜之间的空气间隔为4.9mm。

进一步的，所述传输光纤纤芯直径为30-62.5um，包层直径125um，数值孔径0.11-0.22。

进一步的，所述扫描反射镜为MEMS反射镜，其直径为5mm。

进一步的，所述非球柱面镜与非球面镜的非球面的面型方程：

其中：z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为非球面近轴的曲率，c＝1/R,R为曲率半径，c为曲率半径的倒数，k为圆锥系数，a1为非球面第2阶系数，a2为非球面第4阶系数，a3为非球面第6阶系数，a4为非球面第8阶系数，a5为非球面第10阶系数，a6为非球面第12阶系数，a7为非球面第14阶系数，a8为非球面第16阶系数。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：设计合理，解决现有激光器的光束质量较差，导致远场的光功率密度较低，最终影响了探测距离和探测效果的问题，提高激光雷达的使用性能。

附图说明

图1为本实用新型的一种激光雷达发射光源的结构示意图。

图2为本实用新型的使用不同参数传输光纤的耦合效率和功率密度数据图。

图中：101-脉冲半导体激光器；102-非球柱面镜；103-自聚焦透镜；104-传输光纤；105-扩束准直镜组；106-扫描反射镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种激光雷达发射光源，所述雷达发射光源由沿光路方向依次设置的脉冲半导体激光器101、非球柱面镜102、自聚焦透镜103、传输光纤104、扩束准直镜组104105、扫描反射镜106组成，所述非球柱面镜与自聚焦透镜用于改变传输光纤输出的光束发散角和光斑大小，所述扩束准直镜组为非球面镜。

在本实施中，所述脉冲半导体激光器为905nm脉冲半导体激光器，脉冲峰值功率75W，慢轴条宽0.22mm，发散角10°,快轴条宽0.01mm，发散角25°,用于主动发射激光光束。

在本实施中，所述非球柱面镜与自聚焦透镜之间的空气间隔为4.9mm,所述非球柱面镜与自聚焦透镜用于对脉冲半导体激光器发射的光束进行整形并耦合到所述传输光纤中。

在本实施中，为了设计合理，所述传输光纤为阶跃折射率光纤，最佳的BPP值为3.44+/-0.5mrad*mm，所以其他相关参数的优选值为：纤芯直径为62.5um，包层直径125um，数值孔径0.11，或者纤芯直径为50um、数值孔径为0.14；或者纤芯直径为30um、数值孔径为0.22；光纤用于收集传导所述脉冲半导体激光器发射的光束。

在本实施中，所述扫描反射镜为MEMS反射镜，其直径为5mm，用于扫描输出压缩发散角后的光束。

本实施例中，非球柱面镜与自聚焦透镜的镜片参数，见下表1：

表1

本实施例中，自聚焦透镜折射率分布是沿径向渐变的，本实施例中，折射率分布常数为0.1。

本实施例中，扩束准直镜组的镜片参数，见下表2：

表2

表1与表2的各个镜面按数字顺序沿光路方向设置。

在本实施中，所述非球柱面镜与非球面镜的非球面的面型方程：

其中：z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为非球面近轴的曲率，c＝1/R,R为曲率半径，c为曲率半径的倒数，k为圆锥系数，a1为非球面第2阶系数，a2为非球面第4阶系数，a3为非球面第6阶系数，a4为非球面第8阶系数，a5为非球面第10阶系数，a6为非球面第12阶系数，a7为非球面第14阶系数，a8为非球面第16阶系数。

序号*2、*6为非球面，参数见下表3：

表3

面号

K

a1

a2

a3

a4

a5

a6

a7

a8

*2

-0.9962

-45.4122

-2701.3212

*6

-1.1394

-2.8E-005

-1.129E-008

3.8988E-012

表4是使用不同参数传输光纤的耦合效率和功率密度数据

由图2与上表4可知，随着传输光纤的BPP值的增加，耦合效率会随之增加；而远场功率密度是先增加后减小，在BPP值约为3.44时最高，即本方案能获得最佳的远场功率密度，从而获得最佳的探测效果。

905nm脉冲半导体激光器发射激光束，经由所述非球柱面镜与自聚焦透镜整形，然后耦合至所述传输光纤，经所述传输光纤传输后，再经过所述扩束准直镜组进行准直，准直后的激光束入射到所述扫描反射镜，并被所述扫描反射镜反射后输出。

上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系例如“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，且上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的形状。

本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种激光雷达发射光源，其特征在于，所述雷达发射光源由沿光路方向依次设置的脉冲半导体激光器、耦合透镜系统、传输光纤、扩束准直镜组、扫描反射镜组成，所述耦合透镜系统由沿光路方向依次设置的非球柱面镜、自聚焦透镜构成，所述扩束准直镜组为非球面镜。

2.根据权利要求1所述的激光雷达发射光源，其特征在于，所述脉冲半导体激光器为905nm脉冲半导体激光器，脉冲峰值功率75W，慢轴条宽0.22mm，发散角10°,快轴条宽0.01mm，发散角25°。

3.根据权利要求1所述的激光雷达发射光源，其特征在于，所述非球柱面镜与自聚焦透镜之间的空气间隔为4.9mm。

4.根据权利要求1所述的激光雷达发射光源，其特征在于，所述传输光纤纤芯直径为30-62.5um，包层直径125um，数值孔径0.11-0.22。

5.根据权利要求1所述的激光雷达发射光源，其特征在于，所述扫描反射镜为MEMS反射镜，其直径为5mm。

6.根据权利要求1所述的激光雷达发射光源，其特征在于，所述非球柱面镜与非球面镜的非球面的面型方程：

其中：z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为非球面近轴的曲率，c＝1/R,R为曲率半径，c为曲率半径的倒数，k为圆锥系数，a1为非球面第2阶系数，a2为非球面第4阶系数，a3为非球面第6阶系数，a4为非球面第8阶系数，a5为非球面第10阶系数，a6为非球面第12阶系数，a7为非球面第14阶系数，a8为非球面第16阶系数。

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