CN220961846U - 一种激光雷达接收单元的光学系统及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光雷达接收单元的光学系统，该光学系统包括：接收透镜组，该接收透镜组沿激光行进方向包括：第一透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；光阑，设置于该第一透镜与该第二透镜之间；激光接收器阵列，设置于该接收透镜组的焦平面；其中，0.75＜f/ENPD＜1.0；1.2＜(H/2)*tan(semi‑HFOV)＜2.0；1.5＜TTL/ENPD＜2.0。使得该光学系统对激光雷达的回波信号进行高效接收，获得较大视场角。光学系统具有小像高、聚焦能力强、整体体积小，降低成本的优势。在实现光学性能需求的同时，减少透镜数量，降低制造成本。
Description
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，特别是涉及一种激光雷达接收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，需要对接收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。
激光雷达通常需要较大的视场，较小的体积。对应到激光雷达的接收单元中，需要较大的视场角以及较小的像高，对光线的聚焦能力强，以压缩接收端尺寸。而较小的接收端尺寸，为压缩激光雷达的整体体积提供了基础。
而目前激光雷达的接收单元的光学系统设计，通常透镜数量多，成本高，光学系统视场角较小，设备体积大。
故而，本领域的技术人员亟待解决的问题在于，提升光学系统的接收视场角，同时压缩体积，降低成本。
发明内容
本实用新型解决的技术问题在于，提供一种激光雷达接收单元的光学系统，对光线有较强的聚焦能力，使得光学系统获得较大视场角较小像高，使得激光雷达实现结构小型化。
本实用新型公开了一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，该光学系统包括：
接收透镜组，该接收透镜组沿激光行进方向包括：
第一透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；
第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；
光阑，设置于该第一透镜与该第二透镜之间；
激光接收器阵列，设置于该接收透镜组的焦平面；
其中，0.75＜f/ENPD＜1.0；
1.2＜(H/2)*tan(semi-HFOV)＜2.0；
1.5＜TTL/ENPD＜2.0；
f为该接收透镜组的焦距，ENPD为该接收透镜组的入瞳直径，TTL为该接收透镜组的光学总长，H为该焦平面直径，semi-HFOV为半视场角。
所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，2.0＜(D1+D2)/ENPD＜2.5；
D1为该第一透镜的口径，D2为该第二透镜的口径。
所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，
1.5＜f1/f＜2.5；
0.75＜f2/f＜1.25；
1.5＜f1/f2＜2.5；
f1为该第一透镜焦距，f2为该第二透镜焦距。
所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，TTL/f＜2.2。
所述接收透镜组的F数为F/#，满足0.75≤F/#≤1.0。
所述接收透镜组的入瞳直径在10mm-15mm之间，所述接收透镜组的焦距f在9mm-12mm之间,所述接收透镜组的视场角不小于40°。
该光阑为该第一透镜的第二侧面。
本实用新型还公开了一种激光雷达，包括所述的一种激光雷达接收单元的光学系统。
本实用新型提供基于激光雷达接收单元的光学系统，以提高接收光学系统中的能量高效利用。
本实用新型使得该光学系统对激光雷达的回波信号进行高效接收，并获得较大视场角。使得光学系统具有小像高、聚焦能力强、整体体积小，降低成本的优势。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，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所示为本实用新型的一种激光雷达接收单元的光学系统的示意图；
图2所示为本实用新型的一种激光雷达接收单元的光学系统的示意图。
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激光雷达接收单元的光学系统，对光线有较强的聚焦能力，具备较大视场角较小像高，使得激光雷达实现结构小型化。
如图1所示为本实用新型的一种激光雷达接收单元的光学系统的示意图。
激光雷达的接收单元具备接收光学系统100，用于接收激光雷达的回波信号，对回波信号进行聚焦，由接收器接收。该光学系统100包括：接收透镜组20以及激光接收器阵列30。
光学系统100沿回波信号行进方向包括两个透镜：第一透镜201以及第二透镜202。
第一透镜的第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；第二透镜的第一侧面为凸面，第二侧面为凸面。
激光雷达的回波信号从第一透镜的第一侧面一侧进入光学系统。该第一透镜与该第二透镜之间设置有光阑10，该光阑10用于对回波信号的光束进行限制调整，使得仅预定视场范围内的光束进入后续的光学系统。另外，该光阑10的设置有助于降低像散，并可对回波信号进行高度方向进行精确限制，降低像高，降低该光学系统的整体口径，压缩激光雷达的整体体积。
该光阑10可单独设置，也可以该第一透镜的第二侧面作为该光阑10，如图2所示。该光阑的口径与该第一透镜第二侧面的口径相同。
激光接收器阵列30设置于该接收透镜组的焦平面。激光接收器阵列30包括多个激光接收器，该激光接收器包括但不限于：APD、SPAD、SiPM。
该接收透镜组20满足：
0.75＜f/ENPD＜1.0；
1.2＜(H/2)*tan(semi-HFOV)＜2.0；
1.5＜TTL/ENPD＜2.0；
f为该接收透镜组的焦距，ENPD为该接收透镜组的入瞳直径，TTL为该接收透镜组的光学总长，H为该焦平面直径，semi-HFOV为半视场角。
其中，该接收透镜组20通过对光学参数的设置，特别是通过使0.75＜f/ENPD＜1.0，获得较小的F数，从而增大对光线的聚焦能力；
该接收透镜组20通过使1.2＜(H/2)*tan(semi-HFOV)＜2.0，获得更大视场更小像面，增强了对回波信号的接收范围，缩小了对接收器的排布；
该接收透镜组20通过使1.5＜TTL/ENPD＜2.0，压缩光学系统的整体所占据的体积，使得激光雷达实现结构小型化。
本实用新型在接收透镜组的配置方面进行了优化，通过大视场角接收更多光线进入光学系统100，通过较强的聚焦能力，对光路进行偏折，以便于接收器排布，从而压缩激光雷达体积。
在一优化实施例中，本实用新型的光学系统满足：
2.0＜(D1+D2)/ENPD＜2.5；
D1为该第一透镜的口径，D2为该第二透镜的口径，ENPD为该接收透镜组的入瞳直径。
该设计可进一步压缩口径，从而降低光学系统所占据的高度，压缩激光雷达体积。
在一优化实施例中，本实用新型的光学系统满足：
1.5＜f1/f＜2.5；
0.75＜f2/f＜1.25；
1.5＜f1/f2＜2.5；
f1为该第一透镜焦距，f2为该第二透镜焦距，f为该接收透镜组的焦距。
本实用新型的光学系统还满足：TTL/f＜2.2。
同时，所述接收透镜组的F数为F/#，满足0.75≤F/#≤1.0。
根据本实用新型的一个优选实施例，所述接收透镜组的入瞳直径在10mm-15mm之间，所述接收透镜组的焦距f在9mm-12mm之间,所述接收透镜组的视场角不小于40°。
如下为本实用新型的光学系统的参数表。
f＝11.47mm，工作波长905nm，F/#＝0.98，HFOV＝42.4°，ENPD＝11mm。
本实用新型通过调节接收透镜组20的光学参数，使得回波信号得到有效光学调整，获取更大的视场角以及更小像高，以准确聚焦投射到接收器，以提升所能捕获的信号的能量。
本实用新型还公开了一种激光雷达，包括所述的光学系统100。
另外，该激光雷达还包括激光雷达发射单元。发射单元和接收单元相互隔离，避免收发信号的彼此干扰。
本实用新型提供基于激光雷达接收单元的光学系统，以提高接收光学系统中的能量高效利用。
本实用新型使得该光学系统对激光雷达的回波信号进行高效接收，并获得较大视场角。使得光学系统具有小像高、聚焦能力强、整体体积小，降低成本的优势。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。
本实用新型使得回波信号高效率的进入接收透镜组，改善激光能量利用效率，避免能量浪费，并可对回波信号进行高度方向进行精确限制，满足激光接收器单元的精巧型设计需求。
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，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 (8)
1.一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，该光学系统包括：
接收透镜组，该接收透镜组沿激光行进方向包括：
第一透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凹面；
第二透镜，其第一侧面为凸面，第二侧面为凸面；
光阑，设置于该第一透镜与该第二透镜之间；
激光接收器阵列，设置于该接收透镜组的焦平面；
其中，0.75＜f/ENPD＜1.0；
1.2＜(H/2)*tan(semi-HFOV)＜2.0；
1.5＜TTL/ENPD＜2.0；
f为该接收透镜组的焦距，ENPD为该接收透镜组的入瞳直径，TTL为该接收透镜组的光学总长，H为该焦平面直径，semi-HFOV为半视场角。
2.如权利要求1所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，2.0＜(D1+D2)/ENPD＜2.5；
D1为该第一透镜的口径，D2为该第二透镜的口径。
3.如权利要求1所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，1.5＜f1/f＜2.5；
0.75＜f2/f＜1.25；
1.5＜f1/f2＜2.5；
f1为该第一透镜焦距，f2为该第二透镜焦距。
4.如权利要求3所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，TTL/f＜2.2。
5.如权利要求1所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，所述接收透镜组的F数为F/#，满足0.75≤F/#≤1.0。
6.如权利要求1所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，所述接收透镜组的入瞳直径在10mm-15mm之间，所述接收透镜组的焦距f在9mm-12mm之间,所述接收透镜组的视场角不小于40°。
7.如权利要求1所述的一种激光雷达接收单元的光学系统，其特征在于，该光阑为该第一透镜的第二侧面。
8.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一所述的一种激光雷达接收单元的光学系统。
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