激光雷达调试镜头的设计方法技术

本发明专利技术属于激光雷达领域，涉及一种激光雷达调试镜头的设计方法。包括以下步骤：首先将激光雷达接收模组中的光学探测器作为调试镜头的观测对象；光学探测器出射光线经激光雷达接收模组中的光学接收透镜组后以平行光出射；平行光进入光学聚光透镜组后，在光电传感器上形成放大倒立实A'B'像；其次计算调试镜头的视场角与焦距；最后进行光路设计及优化。根据此方案可以设计出适合不同激光雷达的调试镜头，使得调试镜头能有效地会聚发射光斑，确定激光发射光路光斑位置，同时可清晰的观测接收光路。解决了现有方法中，利用光学相机无法清晰地、高精度地完成激光雷达光路调试的问题。对于激光雷达的量化和市场推广有着重要的意义。于激光雷达的量化和市场推广有着重要的意义。于激光雷达的量化和市场推广有着重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达调试镜头的设计方法


[0001]本专利技术属于激光雷达领域，具体涉及一种激光雷达调试镜头的设计方法。

技术介绍

[0002]激光雷达为一种高精度、复杂的探测设备。主要包括激光雷达发射模组和激光雷达接收模组。激光雷达发射模组包括激光发射光源、准直透镜组、分光器件及驱动电路等。激光雷达接收模组包括：接收透镜组、光学接收器件及信号读出电路等。精准的光路调试直接影响激光雷达的探测距离和探测精度。常规光路调试方法一般采取激光雷达接收模组回波信号阈值与预设回波信号阈值对比的方法。这种方法无法直观的观测发射光斑位置、透镜位置以及光探测器件位置，增加了调试位置的不确定性，使得调试过程较为复杂。且批量调试的难度大，耗时长。为了克服上述问题，可以采用光学相机直观的观测光路，从而达到精确调试的目的。但由于激光雷达接收模组和激光雷达发射模组往往含有多片透镜，破坏了光学相机本身的成像系统，使得光学相机很难会聚光线和清晰成像，因此无法精准调试激光光路。
[0003]基于此，本专利技术提出一种激光雷达调试镜头设计方法，使得调试镜头与激光雷达接收模组和激光雷达发射模组共同组成一套光学系统。可精确调试光路，调试过程简单，减少激光雷达的调试误差，促进了激光雷达的进一步发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种激光雷达调试镜头设计方法，调试镜头能与激光雷达接收模组和激光雷达发射模组共同组成一套光学系统，能有效地会聚发射光斑，确定激光发射光路光斑位置，同时可清晰的观测接收光路。解决了现有方法中，利用光学相机无法清晰地、高精度地完成激光雷达光路调试的问题。提高了激光雷达的光路调试精度和效率，对于激光雷达的量化和市场推广有着重要的意义。
[0005]本专利技术的技术方案是提供一种激光雷达调试镜头的设计方法，其特殊之处在于，调试镜头包括光学聚光透镜组与光电传感器，激光雷达调试镜头为聚光系统，能够将激光雷达发射模组发射的准直激光经光学聚光透镜组会聚后，在光电传感器的光学面中心聚焦成一个光斑；激光雷达调试镜头与激光雷达接收模组构成一个有限共轭的光学系统；能通过调试处于固定安装位的激光接收器件在光电传感器上的位置和成像效果，从而调试激光雷达接收模组；
[0006]包括以下步骤：
[0007]步骤1、将激光雷达接收模组中的光学探测器作为调试镜头的观测对象；光学探测器出射光线经激光雷达接收模组中的光学接收透镜组后以平行光出射；平行光进入光学聚光透镜组后，在光电传感器上形成放大倒立实A'B'像；
[0008]步骤2、计算调试镜头的视场角与焦距；
[0009]步骤3、光路设计及优化；
[0010]步骤3.1、结合步骤2计算的视场角和焦距在光学设计软件中进行调试镜头的模型搭建和光路设计；
[0011]步骤3.2、将激光雷达接收模组与调试镜头作为一套有限共轭光学系统，对有限共轭光学系统进行光路优化，完成调试镜头的最终设计。
[0012]进一步地，步骤2具体为：
[0013]调试镜头中光学聚光透镜组的焦距f2为：
[0014]f2＝nf1[0015]其中，f1为光学接收透镜组的焦距，n为系统放大倍率；
[0016]调试镜头的视场角ω2为：
[0017][0018]其中，b为光电传感器件的尺寸，此尺寸包括部分外围观测结构区域尺寸。
[0019]进一步地，为了适用于像面尺寸比较大光学传感器，上述调试镜头还可包括至少一个光学中转系统；光学中转系统与光学聚光透镜组共同构成调试镜头中的光学聚光透镜组；
[0020]步骤1具体为：将激光雷达接收模组中的光学探测器作为调试镜头的观测对象；光学探测器出射光线经激光雷达接收模组中的光学接收透镜组后以平行光出射进入光学中转系统与光学聚光透镜组共同构成的光学聚光透镜组后在光电传感器上成像A'B'，其中：
[0021][0022]AB为需要观测的含光学探测器区域的高度。A'B'位于光学中转系统的一倍焦距内，因此可在同侧形成一个倒立放大的虚像A
″
B
″
：
[0023][0024]进一步地，调试镜头总的放大倍率：
[0025]Στ＝N*N'*N
″
*......N
κ
,
[0026]其中N
k
为插入第K光学中转系统的像高与插入第K
‑
1个光学中转系统时系统的像高的比值，K为光学中转系统的数量。
[0027]进一步地，光学中转系统包括1片、2片或3片及以上的多片透镜，透镜面型为球面、非球面或柱面。
[0028]进一步地，步骤3.1中的光学设计软件为Zemax或CodeV光学仿真软件。
[0029]进一步地，光学聚光透镜组的光焦度为正，可以包括1片、2片或3片及以上的多片透镜，透镜面型可以为球面、非球面或柱面等光学面型。
[0030]进一步地，光电传感器为COMS或者CCD等光电转化器件。
[0031]进一步地，光学接收透镜组可以包括1片、2片或3片及以上的多片透镜，透镜面型可以为球面、非球面或柱面等光学面型。
[0032]进一步地，光学探测器可以为光电倍增管或者雪崩二极管等光电探测器件。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034]本专利技术提供了一种激光雷达调试镜头的设计方法，根据此方案可以设计出适合不同激光雷达的调试镜头，使得调试镜头与激光雷达接收模组和激光雷达发射模组共同组成一套光学系统，能有效地会聚发射光斑，确定激光发射光路光斑位置，同时可清晰的观测接收光路。解决了现有方法中，利用光学相机无法清晰地、高精度地完成激光雷达光路调试的问题。促进了激光雷达调试的精准化、精细化，提高了激光雷达的光路调试效率，对于激光雷达的量化和市场推广有着重要的意义。
附图说明
[0035]图1为本专利技术一种激光雷达调试方案原理图。
[0036]图2为本专利技术一种激光雷达调试镜头设计原理图。
[0037]图3为本专利技术另一种激光雷达调试镜头设计原理图。
[0038]图4为实施例1中一种激光雷达接收模组光路示意图。
[0039]图5为实施例1中一种激光雷达调试镜头的光路图。
[0040]图6a为实施例1中一种激光雷达调试镜头的MTF曲线图。
[0041]图6b为实施例1中一种激光雷达调试镜头的场曲和畸变图。
[0042]图6c为实施例1中一种激光雷达调试镜头的弥散斑图。
[0043]图7为实施例1中二合光学系统光路图。
[0044]图8a为实施例1中二合光学系统的弥散斑图。
[0045]图8b为实施例1中二合光学系统的场曲和畸变图。
[0046]图8c为实施例1中二合光学系统的MTF曲线图。
[0047]图9为发射激光过光学调试镜头光路图。
具体实施方式
[0048]传统调试激光雷达接收系统是根据调试激光雷达接收模组回波信号阈值与预设激光雷达接收模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达调试镜头的设计方法，其特征在于，激光雷达调试镜头包括光学聚光透镜组(5)与光电传感器(6)，激光雷达调试镜头为聚光系统，能够将激光雷达发射模组发射的准直激光经光学聚光透镜组(5)会聚后，在光电传感器(6)的光学面中心聚焦成一个光斑；激光雷达调试镜头与激光雷达接收模组构成一个有限共轭的光学系统；能通过调试处于固定安装位的激光接收器件在光电传感器上的位置和成像效果，从而调试激光雷达接收模组；包括以下步骤：步骤1、将激光雷达接收模组中的光学探测器(4)作为调试镜头的观测对象；光学探测器(4)出射光线经激光雷达接收模组中的光学接收透镜组(3)后以平行光出射；平行光进入光学聚光透镜组(5)后，在光电传感器(6)上形成放大倒立实A'B'像；步骤2、计算调试镜头的视场角与焦距；步骤3、光路设计及优化；步骤3.1、结合步骤2计算的视场角和焦距在光学设计软件中进行调试镜头的模型搭建和光路设计；步骤3.2、将激光雷达接收模组与调试镜头作为一套有限共轭光学系统，对有限共轭光学系统进行光路优化，完成调试镜头的最终设计。2.根据权利要求1所述的激光雷达调试镜头的设计方法，其特征在于，步骤2具体为：调试镜头中光学聚光透镜组(5)的焦距f2为：f2＝nf1其中，f1为光学接收透镜组(3)的焦距，n为系统放大倍率；调试镜头的视场角ω2为：其中，b为光电传感器件(6)的尺寸，此尺寸包括部分外围观测区域结构尺寸。3.根据权利要求2所述的激光雷达调试镜头的设计方法，其特征在于，调试镜头还包括至少一个光学中转系统(7)；光学中转系统(7)与光学聚光透镜组(5)共同构成调试镜头中的光学聚光透镜组；步骤1具体为：将激光雷达接收模组中的光学探测器(4)作为调试镜头的观测对象；光学探测器(4)出射光线经激光雷达接收模组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳妮，范乔丹，郑文会，夏长锋，
申请(专利权)人：西安知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：