CN220357243U - 一种光学微结构和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种光学微结构和激光雷达。光学微结构包括第一屏蔽件和支撑件；第一屏蔽件上设有通孔阵列，通孔阵列中的通孔包括相对的第一孔口和第二孔口，第一孔口的孔径大于第二孔口的孔径，第一孔口为光线的入射口，第一屏蔽件的材料为吸光材料；支撑件与设有第二孔口的第一屏蔽件的侧面连接，支撑件的材料为透明材料。本实用新型提供的上述结构，能够屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。

Description

一种光学微结构和激光雷达

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种光学微结构和激光雷达。

背景技术

激光雷达一般包括发射系统和接收系统，发射系统中的激光器发出的激光经发射光学系统照射到探测目标上，反射光线经接收光学系统照射到接收系统的探测器，发射系统的激光器阵列中的激光器与接收系统的探测器阵列中的探测器通常是一一对应的关系，如图1所示。激光器阵列和探测器阵列可以是一维阵列、二维阵列等形式。

通常，图1中激光器L1发出的激光脉冲可以经发射光学系统照射到探测目标上，相应的反射光线经接收光学系统照射到探测器P1上，这样信号光传输的路径我们称为通道。理想情况下，探测器P1只接收来自激光器L1的光线。但实际上，其他激光器的光线也有可能照射到探测器P1上，如图2所示，激光器L2发射的光线照射到了探测器P1上，这种情况我们称为不同通道之间的串扰；另外来自环境光等方面的光线也有可能照射到探测器P1上，这种情况我们称为背景噪声干扰。

不同通道之间的串扰信号和背景噪声干扰信号都是对探测系统不利的噪声信号，均会对探测结果带来负面影响，为了降低串扰信号和背景噪声干扰信号，提高信噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SNR)，目前通过在接收光学系统与探测器阵列之间增加孔板、透镜管组件(如图3所示)。其中，孔板上开设有圆柱形的通孔，孔板一般由吸光材料制造，从而使得只有经过圆柱形通孔的光线才能顺利通过，这样可屏蔽部分串扰光和背景光；参阅图4，透镜管两侧为透镜，管壁为吸光材料，从而可以进一屏蔽该透镜的不允许通过的串扰光和背景光，进一步提高信噪比，但图4所示的结构仍存在对串扰光和背景光屏蔽效果差的缺点，进而使得激光雷达系统的信噪比仍较低。

实用新型内容

本实用新型要解决的是现有技术中的光学结构对串扰光和背景光屏蔽效果差，信噪比低的技术问题。

为解决上述技术问题，于一方面，本申请公开了一种光学微结构，其包括第一屏蔽件和支撑件；

第一屏蔽件上设有通孔阵列，通孔阵列中的通孔包括相对的第一孔口和第二孔口；第一孔口的孔径大于第二孔口的孔径；第一孔口为光线的入射口；第一屏蔽件的材料为吸光材料；支撑件与设有第二孔口的第一屏蔽件的侧面连接；支撑件的材料为透明材料。

于一种可行的实施例中，还包括第二屏蔽件；

支撑件包括相对的第一侧面和第二侧面；第一侧面与设有第二孔口的第一屏蔽件的侧面连接；第二侧面上设有第二屏蔽件；

第二屏蔽件包括菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列中的菲涅尔透镜与通孔阵列中的通孔一一对应。

于一种可行的实施例中，通孔为锥形孔；

通孔的横截面由依次连接第一竖边、第一侧边、第二竖边和第二侧边构成；

第一侧边与第二竖边形成第一夹角，第一夹角为钝角；射入到光学微结构的目标信号光线的最大入射角度等于第一夹角与90°的差值；

第一竖边的长度等于第一孔口的直径；第二竖边的长度等于第二孔口的直径。

于一种可行的实施例中，目标信号光线能够依次通过通孔阵列、支撑件和第二屏蔽件照射到探测器阵列；探测器阵列中的探测器与通孔阵列中的通孔一一对应。

于一种可行的实施例中，还包括微透镜阵列；

微透镜阵列位于第二屏蔽件与探测器阵列之间；微透镜阵列中的微透镜与探测器阵列中的探测器一一对应。

于一种可行的实施例中，还包括滤光件；

滤光件位于第二屏蔽件与探测器阵列之间；滤光件用于过滤不属于预设波长范围的光线；目标信号光线的波长属于预设波长范围。

于一种可行的实施例中，菲涅尔透镜的数值孔径角大于依次经过第一屏蔽件和支撑件的噪声光线的入射角。

于一种可行的实施例中，支撑件的厚度与第二屏蔽件的厚度之和大于零且小于1毫米。

于另一方面，本申请公开了一种激光雷达，其包括上述的光学微结构。

于一种可行的实施例中，激光雷达还包括接收光学系统和探测器阵列；

光学微结构设于接收光学系统与探测器阵列之间；

通孔阵列中的通孔与探测器阵列中的探测器一一对应。

采用上述技术方案，本申请提供的光学微结构具有如下有益效果：

该光学微结构包括第一屏蔽件和支撑件；第一屏蔽件上设有通孔阵列，通孔阵列中的通孔包括相对的第一孔口和第二孔口；第一孔口的孔径大于第二孔口的孔径；第一孔口为光线的入射口；第一屏蔽件的材料为吸光材料；支撑件与设有第二孔口的第一屏蔽件的侧面连接；支撑件的材料为透明材料；由于该通孔可以是锥形孔，与现有的圆柱形通孔相比，能够屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种现有技术中激光雷达的结构简图；

图2是本申请实施例提供的一种噪声信号传播的光路图；

图3是本申请实施例提供的另一种现有技术中激光雷达的结构简图；

图4是本申请实施例提供的一种透镜管的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的第一种光学微结构的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种通孔的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的第二种光学微结构的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的第三种光学微结构的结构示意图；

图9是基于图8所示的光学微结构进行仿真实现的结果图。

以下对附图作补充说明：

1-第一屏蔽件；11-通孔；111-第一竖边；112-第一侧边；113-第二竖边；114-第二侧边；2-支撑件；3-第二屏蔽件；4-微透镜阵列。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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作出创造性劳动的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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。

实施例1

参阅图5-6，图5是本申请实施例提供的第一种光学微结构的结构示意图；图6是本申请实施例提供的一种通孔的结构示意图。光学微结构包括第一屏蔽件1和支撑件2；第一屏蔽件1上设有通孔阵列，通孔阵列中的通孔11包括相对的第一孔口和第二孔口，第一孔口的孔径大于第二孔口的孔径，第一孔口为光线的入射口，第一屏蔽件1的材料为吸光材料；支撑件2与设有第二孔口的第一屏蔽件1的侧面连接，支撑件2的材料为透明材料。本申请提供的上述结构，能够屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。

于一种可行的实施例中，参阅图6，通孔11为锥形孔，该通孔11的横截面由依次连接第一竖边111、第一侧边112、第二竖边113和第二侧边114构成；第一侧边112与第二竖边113形成第一夹角，第一夹角为钝角；射入到光学微结构的目标信号光线的最大入射角度等于第一夹角与90°的差值(如图6中的ɑ)；第二侧面与第二竖边113形成第二夹角，第二夹角与90°的差值可以为图6中的β，第二夹角与第一夹角相等，即ɑ与β相等。第一竖边111的长度等于第一孔口的直径；第二竖边113的长度等于第二孔口的直径，也就是说，该通孔11的横截面可以是一个等腰梯形，由于侧边为斜边，从而可以屏蔽入射角度大于ɑ的串扰光以及环境光，提高了激光雷达系统的信噪比。当然，根据实际目标信号光线的射入特点，第一夹角与第二夹角也可以不相等；可选的，第一侧边112和第二侧边114可以是直边，也可以是具有一定弧度或者凹凸度的线条，在此不做限制。

可选的，本申请提供的该光学微结构应用于激雷达中，激光雷达的基本结构参阅图1。于一种可行的实施例中，目标信号光线能够依次通过通孔阵列和支撑件2照射到探测器阵列；探测器阵列中的探测器与通孔阵列中的通孔11一一对应。

于一种可行的实施例中，透明材料包括无机透明材料和有机透明材料；无机透明材料包括玻璃。实际上，该支撑件2主要起到支撑作用，不仅可以给制备第一屏蔽件1时提供支撑，还可以将第一屏蔽件1与下述实施例中的第二屏蔽件3集成连接，实现激光雷达系统的小型化，因而支撑件2的透明材料需要满足具有一定的支撑强度，且具有较好的透光率，不损耗信号光的性能。

实施例2

参阅图7，图7是本申请实施例提供的第二种光学微结构的结构示意图。该光学微结构还包括第二屏蔽件3，支撑件2包括相对的第一侧面和第二侧面；第一侧面与设有第二孔口的第一屏蔽件1的侧面连接；第二侧面上设有第二屏蔽件3；第二屏蔽件3包括菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜的数值孔径角大于依次经过第一屏蔽件1和支撑件2的噪声光线的入射角。从而使得通过第一屏蔽件1的噪声光线绝大部分由于入射角度较大超出菲涅尔透镜的数值孔径角，被菲涅尔透镜所吸收，无法照射到探测器上，进一步屏蔽了一部分噪声，提高了激光雷达系统的信噪比。第二屏蔽件3还可以包括其他光学元件，以进一步屏蔽噪声。

为了更好的说明本申请实施例提供的光学微结构的有益效果，以下将对现有技术中的具体结构、屏蔽原理以及本申请的屏蔽原理进行阐述。

参阅图3，现有技术中的孔板具有一定的厚度，孔板上设有圆柱形通孔，且为了使绝大部分信号光通过，其上通孔11的孔径不能过小，这使得来自其他通道和背景噪声的光线仍有少部分通过通孔11。而本申请提供的该通孔11为锥形孔，且锥形孔的大孔端面向信号光入射方向，小孔端面向探测器方向，参阅图6，锥形孔的ɑ和β与目标信号光线的最大入射角度相等，因而与圆柱形通孔相比，锥形孔可屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，进一步提高信噪比。

另外，图3中所示的孔板和透镜管均为独立的光学元件，加工制造成本较高，且安装时需对每台设备进行装调，工作量较大；为了达到比较理想的信噪比，透镜管的长度通常较长，增大了激光雷达系统整体结构的尺寸，对设备的小型化带来不利影响。参阅图7，在本申请提供的方案中，信号光首先通过带有锥形孔的第一屏蔽件1，然后通过支撑件2右侧的第二屏蔽件3照射到探测器上，而通过第一屏蔽件1的噪声光线绝大部分由于入射角度较大超出菲涅尔透镜的数值孔径角，被菲涅尔透镜所吸收，无法照射到探测器上，进一步屏蔽了部分噪声信号，从而提升信噪比，且第一屏蔽件1、支撑件2以及第二屏蔽件3依次连接，为一体结构，不仅使得整个激光雷达系统厚度小，且成型加工简单，有利于激光雷达系统小型化。

于一种可行的实施例中，支撑件2的厚度与第二屏蔽件3的厚度之和大于零且小于1毫米，通常，现有技术中的透镜管的长度范围为1-3毫米，采用本申请提供的该结构能够有利于激光雷达系统的小型化。可选的，第一屏蔽件1的厚度可以是0.2毫米，支撑件2的厚度可以是0.5毫米。

于一种可行的实施例中，可以采用如下成型加工方式制备如图7所示的光学微结构。先在支撑件2的一面涂覆吸光材料，然后通过纳米压印或者光刻等方式对该吸光材料进行加工，从而制备出通孔阵列；其中，纳米压印是指利用相应的模具压印支撑件2以加工出通孔阵列；光刻加工方式是指采用光刻工艺在涂覆好的吸光材料上光刻出通孔阵列。可选的，还可以采用3D打印方式在支撑件2上制备第一屏蔽件1，具体通过直接在支撑件2的一面用吸光材料打印出带通孔阵列的第一屏蔽件1。

然后，继续可以通过在支撑件2的另一面涂覆透光材料，采用光刻工艺制作出菲涅尔透镜阵列。

与图3所示的现有方案相比，本申请实施例提供的方案中的光学元件为一个整体，不需要对分立元件进行单独装调，且工艺易于实现，能够降低制造和装调成本；另外，该方案中不需要长度较长的透镜管阵列，因此整体尺寸可大幅减小，对减小激光雷达系统尺寸具有重要价值。

实施例3

参阅图8，图8是本申请实施例提供的第三种光学微结构的结构示意图。本实施例提供的该光学微结构除了包含图7所示的结构，还包括微透镜阵列4，微透镜阵列4位于第二屏蔽件3与探测器阵列之间，微透镜阵列4中的微透镜与探测器阵列中的探测器一一对应，在实际应用中，通孔阵列中的通孔11、菲涅尔透镜阵列中的菲涅尔透镜、微透镜阵列4中的微透镜以及探测器阵列中的探测器一一对应，微透镜可以提高照射到单位面积探测器上光子的数量，即提高信噪比。其中，微透镜阵列4可采用光刻工艺直接加工在探测器表面上。

参阅图9，图9是基于图8所示的光学微结构进行仿真实现的结果图。每个激光器对应的几乎所有的目标信号光线能够依次通过第一屏蔽件1中对应的通孔阵列、支撑件2、第二屏蔽件3中对应的菲涅尔阵列照射到微透镜阵列4中对应的微透镜上，进一步表明本申请提供的该光学微结构能够屏蔽较大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。

实施例4

本实施例提供的该光学微结构除了包含图7所示的结构，还包括滤光件，滤光件位于第二屏蔽件3与探测器阵列之间；滤光件用于过滤不属于预设波长范围的光线；目标信号光线的波长属于预设波长范围，由于该滤光件具有带通特性，仅允许目标信号光附近波长范围的光线通过，从而降低背景噪声信号的干扰，提高了信噪比。

需要说明的是，本申请不限于上述实施例1-4所提及的组合结构，其他变形的相关组合结构仍属于本申请的保护范围。例如，可以是包含实施例3以及滤光件的光学微结构，滤光件位于第二屏蔽件3与微透镜阵列4之间。

实施例5

本申请实施例提供了一种激光雷达，其包括上述实施例中的光学微结构。

于一种可行的实施例中，激光雷达还包括接收光学系统和探测器阵列，光学微结构设于接收光学系统与探测器阵列之间，通孔阵列中的通孔11与探测器阵列中的探测器一一对应。该激光雷达还包括激光器阵列和发射光学系统，具体的排布方式参阅图1以及上述描述，在此不再赘述。应用于上述光学微结构的激光雷达不仅具有加工结构简单、可实现小型化的优点，还能够屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。

综上所述，本申请通过第一屏蔽件1上的锥形孔，使锥形孔的大孔端面向信号光入射方向，小孔端面向探测器方向，锥形孔的ɑ和β与目标信号光线的最大入射角度相等(参阅图6)，因而与圆柱形通孔相比，锥形孔可屏蔽更大比例的串扰光和背景光噪声信号，提高了激光雷达系统的信噪比。并通过设置在支撑件2右侧的菲涅尔透镜(参阅图7)，通过了第一屏蔽件1的噪声光线绝大部分由于入射角度较大超出菲涅尔透镜的数值孔径角，被菲涅尔透镜所吸收，无法照射到探测器上，进一步屏蔽了噪声信号，从而提升信噪比；本申请方案中的第一屏蔽件1可通过纳米压印、3D打印、光刻等方式加工，菲涅尔透镜可通过光刻方式加工，该方案中的光学元件为一个整体，不需要对分立元件进行单独装调，且工艺易于实现，能够降低制造和装调成本，与上述现有技术中图3所示的方案相比，不需要长度较长的透镜管阵列，因此整体尺寸可大幅减小，对减小激光雷达系统尺寸具有重要价值。后续可以根据需要，在上述实施例2的基础上，可以在菲涅尔透镜阵列和探测器阵列之间增设微透镜阵列4，使信号光进一步聚焦在探测器上，提高照射到单位面积探测器上光子的数量，即提高了信噪比，增加的微透镜阵列4可用光刻工艺直接加工在探测器表面上，每个微透镜与探测器阵列中的探测器一一对应。也可以在菲涅尔透镜阵列和探测器阵列间增加滤光件，滤光件具有带通特性，仅允许目标信号光附近波长范围的光线通过，从而进一步降低了背景噪声信号的干扰，提高了信噪比。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学微结构，其特征在于，包括第一屏蔽件(1)和支撑件(2)；

所述第一屏蔽件(1)上设有通孔阵列，所述通孔阵列中的通孔(11)包括相对的第一孔口和第二孔口；所述第一孔口的孔径大于所述第二孔口的孔径；所述第一孔口为光线的入射口；所述第一屏蔽件(1)的材料为吸光材料；所述通孔为内径由所述第一孔口向所述第二孔口逐渐减小的通孔结构；

所述支撑件(2)与设有所述第二孔口的第一屏蔽件(1)的侧面连接；所述支撑件(2)的材料为透明材料。

2.根据权利要求1所述的光学微结构，其特征在于，还包括第二屏蔽件(3)；

所述支撑件(2)包括相对的第一侧面和第二侧面；

所述第一侧面与设有所述第二孔口的第一屏蔽件(1)的侧面连接；

所述第二侧面上设有所述第二屏蔽件(3)；

所述第二屏蔽件(3)包括菲涅尔透镜阵列，所述菲涅尔透镜阵列中的菲涅尔透镜与所述通孔阵列中的通孔(11)一一对应_。

3.根据权利要求2所述的光学微结构，其特征在于，所述通孔(11)为锥形孔；

所述通孔(11)的横截面由依次连接第一竖边(111)、第一侧边(112)、第二竖边(113)和第二侧边(114)构成；

所述第一侧边(112)与所述第二竖边(113)形成第一夹角，所述第一夹角为钝角；射入到所述光学微结构的目标信号光线的最大入射角度等于所述第一夹角与90°的差值；

所述第一竖边(111)的长度等于所述第一孔口的直径；所述第二竖边(113)的长度等于所述第二孔口的直径。

4.根据权利要求3所述的光学微结构，其特征在于，所述目标信号光线能够依次通过所述通孔阵列、所述支撑件(2)和所述第二屏蔽件(3)照射到探测器阵列；所述探测器阵列中的探测器与所述通孔阵列中的通孔(11)一一对应。

5.根据权利要求4所述的光学微结构，其特征在于，还包括微透镜阵列(4)；

所述微透镜阵列(4)位于所述第二屏蔽件(3)与所述探测器阵列之间；所述微透镜阵列(4)中的微透镜与所述探测器阵列中的探测器一一对应。

6.根据权利要求4所述的光学微结构，其特征在于，还包括滤光件；

所述滤光件位于所述第二屏蔽件(3)与所述探测器阵列之间；所述滤光件用于过滤不属于预设波长范围的光线；所述目标信号光线的波长属于所述预设波长范围。

7.根据权利要求2所述的光学微结构，其特征在于，所述菲涅尔透镜的数值孔径角大于依次经过所述第一屏蔽件(1)和所述支撑件(2)的噪声光线的入射角。

8.根据权利要求2所述的光学微结构，其特征在于，所述支撑件(2)的厚度与所述第二屏蔽件(3)的厚度之和大于零且小于1毫米。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的光学微结构。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括接收光学系统和探测器阵列；

所述光学微结构设于所述接收光学系统与所述探测器阵列之间；

所述通孔阵列中的通孔与所述探测器阵列中的探测器一一对应。