CN220584397U - 一种基于激光雷达发射单元的光学系统及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光雷达发射单元的光学系统及激光雷达，该光学系统包括：远心透镜组，该远心透镜组沿激光发射方向包括：第一透镜，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；激光发射器阵列，其中，4＜f₁/L＜6；1.5＜f₂/D₂＜1.8；f₁为该第一透镜焦距，L为该激光发射器阵列相距该第一透镜的距离，f₂为该第二透镜的焦距，D₂为该第二透镜的口径。本实用新型提高了发射光学系统的能量利用效率。使激光发射器阵列发出的激光信号高效率的进入远心透镜组，避免能量浪费，对激光信号光束进行高度方向进行精确限制。对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的强度。

Description

一种基于激光雷达发射单元的光学系统及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及基于光电探测的激光雷达技术领域，特别是涉及一种基于激光雷达发射单元的光学系统及激光雷达。

背景技术

激光雷达由于其高精度、高分辨率等测量优势已被广泛应用于各个领域。特别是在自动驾驶汽车领域，无论是标定、测试还是实际场景应用，激光雷达作为核心传感器都是必不可少的。

光学系统是激光雷达的重要组成部分，为了提高激光雷达的测距等方面的表现，需要对发射单元所发出激光信号的能量进行高效利用，特别是通过在光学系统中进行合理的设计，以避免激光信号能量的浪费。

通常发射单元中设置有激光器阵列10，每个激光器的发射光束都存在发散角θ1，如图1所示，此时可见边缘的激光器的部分发射光束A并未进入透镜20，存在能量的浪费。如欲透镜能够接收激光器的全部能量，则需要透镜具有较大的口径，但这会增加光学设计及加工的难度。

现有技术中，曲面激光器阵列23也能够解决边缘激光器的发射光束能量利用率低的问题，如图2所示，边缘激光器的发射光束向透镜中心投射，以充分利用透镜22的口径，对发射光束能量利用率高，每个激光器的发散角θ1均可进入透镜20，但此工艺较为复杂，成本较高。

另外，目前激光雷达的光学系统设计，通常包括三到四个具有屈光度的透镜，各个透镜的参数不同，种类各异，数量大成本高，在制造与批产中透镜组占据激光雷达的成本就很高。

故而，本领域的技术人员亟待解决的问题在于，提升光学系统中的能量高效利用，同时降低成本。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于，提供基于激光雷达发射单元的光学系统，以提高发射光学系统中的能量高效利用。

更进一步的，使得更多激光信号进入远心透镜组。

更进一步的，对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的能量。

更进一步的，在实现光学性能需求的同时，减少透镜数量，降低制造成本。

本实用新型公开了一种基于激光雷达发射单元的光学系统，该光学系统包括：

远心透镜组，该远心透镜组沿激光发射方向包括：

第一透镜，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；

第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；

激光发射器阵列，其中，4＜f₁/L＜6；1.5＜f₂/D₂＜1.8；

f₁为该第一透镜焦距，L为该激光发射器阵列相距该第一透镜的距离；f₂为该第二透镜的焦距，D₂为该第二透镜的口径。

所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其中1.0<(H+D)/D’<1.4

D’为该远心透镜组的通光口径，D为该远心透镜组的入瞳直径，H为该激光发射器阵列的高度。

该激光发射器阵列包括VCSEL激光器。

所述远心透镜组的F数为F/#，满足1.75≤F/#≤2.9。

所述远心透镜组焦距f与所述第一透镜的焦距f₁、所述第二透镜的焦距f₂分别满足：1.6＜f₁/f＜2.0；1.2＜f₂/f＜1.5；0.6＜f₂/f₁＜0.9。

该光学系统还包括：

扫描镜，该激光发射器阵列相距该扫描镜的镜面的距离R使得该激光发射器阵列中不同位置的激光器发出的激光信号均聚焦在该扫描镜上，以避免光通量损失；

R>1.1*f，f为该远心透镜组焦距。

1.5<R/(L+L’)<2.5，其中L’为第二透镜至扫描镜的镜面的距离。

所述远心透镜组的入瞳直径在25mm-35mm之间，所述远心透镜组的焦距f在55mm-100mm之间,所述远心透镜组的垂直视场不小于30°。

0.45<S/f<0.65；

S为所述第一透镜、第二透镜之间的距离。

本实用新型还公开了一种激光雷达，包括所述的基于激光雷达发射单元的光学系统。

本实用新型提供基于激光雷达发射单元的光学系统，以提高发射光学系统的能量利用效率。

本实用新型使得激光发射器阵列发出的激光信号高效率的进入远心透镜组，避免能量浪费，并可对激光信号光束进行高度方向进行精确限制，以满足在应用场景中的特定需求。同时，对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的强度。

本实用新型采用较少的透镜(2片)，缩短了光学总长，同时根据合理的距离配置，提升了光学系统的适配性，使得光学系统具有较大的排布灵活性，有助于进一步压缩激光雷达的设备整体体积，并降低了制造成本。

附图说明

图1所示为现有技术的基于激光雷达发射单元的光学系统的示意图；

图2所示为现有技术的基于激光雷达发射单元的光学系统的光路示意图；

图3所示为本实用新型的基于激光雷达发射单元的光学系统的示意图；

图4所示为本实用新型的基于激光雷达发射单元的光学系统的光路示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本实用新型的技术方案的实现过程，不作为对本实用新型的限制。

为了提高光学系统的能量利用效率，本实用新型提供了一种基于激光雷达发射单元的光学系统，以使得光学系统中的能量高效利用。

另外，本实用新型对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的能量。

如图3所示为本实用新型的基于激光雷达发射单元的光学系统的示意图。

该光学系统包括：激光发射器阵列10以及远心透镜组20。

该激光发射器阵列10由VCSEL激光器组成。各个VCSEL激光器设置在同一承载平面上，出光方向(主光线)相同且垂直该承载平面，也可参考图1。

该远心透镜组20沿激光发射方向包括两个透镜。

第一透镜201，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；

第二透镜202，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。VCSEL激光器的全角发散角例如为20°，在排布成阵列时，发光面积较大且叠加发散角。

为了提高激光发射器阵列10所发出的激光的能量利用效率，本实用新型分别在透镜组的配置以及透镜组与光源的相对关系方面着手进行优化，以降低能量浪费。

本实用新型的透镜组选用远心透镜组。远心透镜是指主光线在物空间和/或像空间为平行的透镜。远心透镜具有放大性能恒定以及成像透视图不变的优点。

通过选用远心透镜组,使得收入远心透镜组的光线在传输过程中能够保证远心透镜组的全视场的激光能量均能够充分出射，保证传输中的能量利用效率。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述远心透镜组20以及激光发射器阵列10满足如下关系：

4＜f₁/L＜6

其中，f₁为所述第一透镜201的焦距；L为该激光发射器阵列10相距该第一透镜201的距离，即L为第一透镜201面向激光发射器阵列10一侧的外表面相对激光发射器阵列10的距离，如图3所示。

该远心透镜组为像方远心镜头设计，主要通过控制第一透镜201的焦距f₁及L，根据激光器发散角调整各视场主光线在像方与像面法线的夹角，以便作为发射端镜头，能够使得VCSEL激光器发出的更多激光信号进入远心透镜组20，改善激光能量利用效率。

更进一步的，所述远心透镜组20满足如下关系：

1.0<(H+D)/D’<1.4

其中，D’为该远心透镜组的通光口径，D为该远心透镜组的入瞳直径，H为该激光发射器阵列的高度。

通过对透镜口径以及阵列高度进行适配性设计，以提高远心透镜组20接收激光发射器阵列10所发射的激光能量的能力，保证位于边缘的VCSEL激光器的激光光束(发散角θ1)能够被远心透镜组所接收，如图4所示。

另外，还可设置远心透镜组的远心度，远心度限定为小于等于9°，从而保证激光发射器阵列中每一个激光器的出射信号的能量有效利用，特别是经过扫描镜出射至环境中。

所述第一、第二透镜均为球面镜，所述远心透镜组的F数为F/#，满足如下关系：1.75≤F/#≤2.9。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述远心透镜组的入瞳直径在25mm-35mm之间，包括入瞳直径为25mm或35mm，所述远心透镜组的焦距f在55mm-100mm之间,包括焦距f为55mm或100mm，所述远心透镜组的VFOV视场不小于30°，优选为40°，所述激光器的波长为905nm。

所述远心透镜组焦距f与所述第一透镜201的焦距f₁、所述第二透镜202的焦距f₂分别满足：1.6＜f₁/f＜2.0；1.2＜f₂/f＜1.5；0.6＜f₂/f₁＜0.9。

其中，第一透镜201用于接收入射的激光信号光束，进行光路调整，对发散角进行收紧，修正光斑位置，消除像差，第二透镜202再次进行发散角的偏折压缩，对激光信号光束进行高度方向进行精确限制，以满足在应用场景中的特定需求。

同时，本实用新型仅采用两个透镜，缩短了光学总长。且为了光学系统可以适用于不同的激光雷达的产品型号以及内部空间尺寸限制，所述第一透镜、第二透镜之间的距离S可以设置为如下：

0.45<S/f<0.65。

使得所述第一透镜、第二透镜之间可以容置一个或两个反射镜，对光路进行弯折，以使得远心透镜组具有更大的排布灵活性，有助于进一步压缩激光雷达的设备整体体积。且可以增加同一套光学系统对不同激光雷达产品的适配度。所述第一透镜、第二透镜的材质为玻璃，具体可采用H-ZF52。

如果不通过本实用新型的上述光学系统进行发散角的偏折压缩，将有部分光线未作为正常出射光进入环境中，则在发射阶段就将损失约50％出射能量。本实用新型选择远心透镜组，同时调整激光发射器阵列与远心透镜组20的距离，以降低能量损耗。通过调整激光发射器阵列尺寸与远心透镜组20的口径的相对关系，增强光学系统中的能量利用效率。

该光学系统还可进一步包括扫描镜30。扫描镜30在旋转过程中将激光器发出的激光信号反射至环境中形成扫描线。也就是说，只有经过扫描镜30反射出去的才能作为工作信号加以使用，未经扫描镜反射的将在激光雷达内产生噪声。

该激光发射器阵列10相距该扫描镜30的镜面的距离使得该激光发射器阵列中不同位置的激光器发出的激光信号均可聚焦在该扫描镜上，对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的能量。避免激光器发出的激光信号大于该扫描镜30的镜面面积，造成在激光雷达设备内部的激光能量的浪费。

具体来说，该激光发射器阵列10相对该扫描镜30的镜面的距离为R，R>1.1*f。进而使得激光器发出的激光信号可以作为工作信号出射至环境中，从而避免光通量损失。该距离R为光程距离，本领域技术人员可知，扫描镜30在旋转中同一镜面相对该激光发射器阵列10具有光程的最近距离和最远距离，该R可以视为该激光发射器阵列10相对扫描镜30的在光程上的最近距离。

在另一优选实施例中，该光学系统可进一步满足：

1.5＜f₂/D₂＜1.8；

f₂为所述第二透镜202的焦距，D₂为所述第二透镜202的口径。

通过调节第二透镜202的焦距与口径之间的关系，可进一步压缩激光发射器阵列10发出的激光信号的光束，进行有效准直，有助于控制光束投射在扫描镜上的光斑面积，避免激光信号照射面积超出扫描镜，造成激光能量的浪费。

1.5<R/(L+L’)<2.5，其中L’为第二透镜至扫描镜的镜面的距离。通过调节激光发射器阵列10、远心透镜组20、扫描镜30三者的位置关系，使得激光发射器阵列10发出的激光信号得到有效准直，光强度在通过该远心透镜组20时得到最大化的保留，以准确聚焦投射到扫描镜30，以提升出射信号的能量。

如下为本实用新型的光学系统的参数表。

本实用新型还公开了一种激光雷达，包括所述的基于激光雷达发射单元的光学系统。

另外，该激光雷达还包括激光雷达接收单元。发射单元和接收单元相互隔离，避免收发信号的彼此干扰。

本实用新型的光学系统为收发一体镜头，也可同样的透镜结构反置(以激光发射器的位置设置激光接收器)，以作为接收单元的透镜组，以降低量产成本。

本实用新型提供基于激光雷达发射单元的光学系统，以提高发射光学系统中的能量高效利用。

本实用新型使得激光发射器阵列发出的激光信号高效率的进入远心透镜组，改善激光能量利用效率，避免能量浪费，并可对激光信号光束进行高度方向进行精确限制，以满足在应用场景中的特定需求。同时，对发射信号进行聚焦，以提升出射信号的能量。

本实用新型采用较少的透镜(2片)，缩短了光学总长，同时根据合理的距离配置，提升了光学系统的适配性，使得光学系统具有较大的排布灵活性，有助于进一步压缩激光雷达的设备整体体积，并降低了制造成本。

上述实施例仅用于描述本实用新型的技术方案，不视为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，该光学系统包括：

远心透镜组，该远心透镜组沿激光发射方向包括：

第一透镜，其第一侧面为凹面，第二侧面为凸面；

第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；

激光发射器阵列，其中，4＜f₁/L＜6；1.5＜f₂/D₂＜1.8；

f₁为该第一透镜焦距，L为该激光发射器阵列相对该第一透镜的距离；f₂为该第二透镜的焦距，D₂为该第二透镜的口径。

2.如权利要求1所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，

1.0<(H+D)/D’<1.4

其中，D’为该远心透镜组的通光口径，D为该远心透镜组的入瞳直径，H为该激光发射器阵列的高度。

3.如权利要求1所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，

该激光发射器阵列包括VCSEL激光器。

4.如权利要求1所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，所述远心透镜组的F数为F/#，满足1.75≤F/#≤2.9。

5.如权利要求1所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，

所述远心透镜组焦距f与所述第一透镜的焦距f₁、所述第二透镜的焦距f₂分别满足：1.6＜f₁/f＜2.0；1.2＜f₂/f＜1.5；0.6＜f₂/f₁＜0.9。

6.如权利要求3所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，该光学系统还包括：

扫描镜，该激光发射器阵列相距该扫描镜的镜面的距离R使得该激光发射器阵列中不同位置的激光器发出的激光信号均聚焦在该扫描镜上，以避免光通量损失；

R>1.1*f，f为该远心透镜组焦距。

7.如权利要求6所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，

1.5<R/(L+L’)<2.5，其中L’为第二透镜至扫描镜的镜面的距离。

8.如权利要求1或6或7所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，所述远心透镜组的入瞳直径在25mm-35mm之间，所述远心透镜组的焦距f在55mm-100mm之间,所述远心透镜组的垂直视场不小于30°。

9.如权利要求1所述的基于激光雷达发射单元的光学系统，其特征在于，

0.45<S/f<0.65；

S为所述第一透镜、第二透镜之间的距离，f为该远心透镜组焦距。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一所述的基于激光雷达发射单元的光学系统。