光学系统及激光雷达探测系统技术方案

本申请公开了一种光学系统和包括该光学系统的激光雷达探测系统。该光学系统包括：发射前端、扫描组件和整形组件。其中，发射前端包括：光源，用于发射探测光束；至少一个准直透镜，对探测光束进行准直。探测光束被扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束。整形组件用于整形扩束反射光束。形组件用于整形扩束反射光束。形组件用于整形扩束反射光束。

【技术实现步骤摘要】
光学系统及激光雷达探测系统


[0001]本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种光学系统及激光雷达探测系统。

技术介绍

[0002]激光雷达，是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其以微波雷达原理为基础，向目标物体发射激光束作为探测信号，然后将接收到的从目标物体反射回来的信号与发射信号进行分析处理，就可获得目标物体的特征参数，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，也能够获得目标物体的三维图像。激光雷达充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、单色性和相干性的特点，使激光雷达具备了分辨率高、探测距离远、抗观测背景的干扰性强以及能够实现全天时观测等技术优势，从而被广泛应用于国防、航天航空、工业和医学等多个领域。
[0003]但是，所述传统的扫描成像激光雷达系统一般采用转鼓加摆镜、双摆镜或是双振镜的扫描方式，由于这些光学元件所构成的扫描系统体积庞大且笨重，通常需要耗费较多的电能，而且由于惯性等原因难以实现高速扫描，因而不适于高速成像应用。另外，所述传统的激光雷达存在的成本昂贵，体积大、产能低、电机的可靠性随着工作时间的加长而降低等缺陷也在实际应用中日益突出。
[0004]随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，微芯片技术、激光器技术、微电机系统(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，简称MEMS)、和光学技术的高速发展，为激光雷达不断向小型化、低功率和低成本的方向发展提供了相应的器件。尤其是MEMS振镜的使用，在光学系统中加入MEMS扫描振镜，可以使光路发生预期改变，从而达到对目标物体扫描的目的。
[0005]但是，常规的技术中，为避免在扫描大角度的时候，出射光束为弧形，会严重降低探测精度，同时会严重增加软件算法处理难度的问题，通常将MEMS振镜放置在成像镜头组的后面，这样导致MEMS振镜的尺寸较大，成本高昂。

技术实现思路

[0006]本申请提供一种光学系统，该光学系统包括：发射前端、扫描组件和整形组件。其中，发射前端包括：光源，用于发射探测光束；至少一个准直透镜，对探测光束进行准直。探测光束被扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束。整形组件用于整形扩束反射光束。
[0007]在一些实施方式中，整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1、整形组件在扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2以及整形组件的厚度d满足：0.7≤(R1+d)/R2≤1.3。
[0008]在一些实施方式中，扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R与整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1满足：0.8≤|R/R1|≤1.5。
[0009]在一些实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源至准
直透镜在光轴上的距离L1满足：0.5≤D1/L1≤2。
[0010]在一些实施方式中，准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W满足：D1/W≥3。
[0011]在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W与准直透镜的焦距F1满足：W/F1≤0.5。
[0012]在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜在扫描组件的扫描方向上的有效口径D1满足：W*Θ/D1≤0.5。
[0013]在一些实施方式中，光源在扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、光源的发散全角度Θ与准直透镜的焦距F1满足：W*Θ/F1≤0.5。
[0014]在一些实施方式中，探测光束在光源至整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T与光源至扫描组件中心的距离L满足：T/L＞1。
[0015]在一些实施方式中，整形组件包括：基层，基层呈弯曲状；以及微透镜阵列，包括多个柱透镜单元，形成在基层朝向反射光束的一侧。
[0016]在一些实施方式中，柱透镜单元的焦距F2与柱透镜单元的口径D2满足：|F2|/D2≤2。
[0017]在一些实施方式中，整形组件包括一双锥柱透镜；双锥柱透镜为圆形或方形，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上为负透镜。其中，发射前端还包括：匀光组件，用于匀化在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的探测光束；以及正透镜，用于压缩经过匀光组件后探测光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的发散角。
[0018]在一些实施方式中，匀光组件为柱形微透镜阵列，
[0019]其中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5与正透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的口径D3满足：D5/D3≤0.3。
[0020]在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的焦距F4与双锥柱透镜的口径D4满足：F4/D4＞
‑
1。
[0021]在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第二侧的曲率半径R4、光源至扫描组件中心的距离L与扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：R4/(L+R)＜1。
[0022]在一些实施方式中，双锥柱透镜在扫描组件的扫描方向的垂直方向上第一侧的曲率半径R3、光源至扫描组件中心的距离L与扫描组件的中心到整形组件的第一侧在扫描组件的扫描方向上中心的距离R满足：|R3|/(L+R)＜1。
[0023]在一些实施方式中，柱形微透镜阵列的柱透镜单元的焦距F5与柱形微透镜阵列的柱透镜单元的口径D5满足：|F5|/D5≤2。
[0024]在一些实施方式中，光源包括LD或VCSEL。
[0025]在一些实施方式中，准直透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的至少之一。
[0026]在一些实施方式中，扫描组件为MEMS振镜组。
[0027]一种激光雷达探测系统，包括：如上的光学系统，向目标场景发射探测光束；以及接收端，接收探测光束中被目标场景返回的部分。
[0028]本申请的光学系统，采用扫描组件偏折探测光束的方向，实现扫描，并将扫描组件设置在光学系统的中间部位，可减小扫描组件的尺寸，从而降低光学系统的成本。此外，本
申请采用整形组件可矫正大角度扫描时的弧形出射光束，将反射光束整形扩束成一条线形出射光束，提高光学系统的探测精度。
附图说明
[0029]结合附图，通过以下实施方式的详细描述，本实用申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
[0030]图1是根据本申请实施例1的光学系统的结构示意图；
[0031]图2是图1中的A处局部结构示意图；
[0032]图3是根据本申请实施例1的光学系统的光束远场出射效果示意图；
[0033]图4是根据本申请实施例2的光学系统在光束在扫描组件的扫描方向的垂直方向上的结构示意图；
[0034]图5是图4中的B处局部结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光学系统，其特征在于，包括：发射前端，包括：光源，用于发射探测光束；至少一个准直透镜，对所述探测光束进行准直；扫描组件，所述探测光束被所述扫描组件反射，并形成具有初始扫描角度的反射光束；以及整形组件，用于整形扩束所述反射光束。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1、所述整形组件在所述扫描组件的扫描方向上第二侧的曲率半径R2以及所述整形组件的厚度d满足：0.7≤(R1+d)/R2≤1.3。3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述扫描组件的中心到所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上中心的距离R与所述整形组件的第一侧在所述扫描组件的扫描方向上的曲率半径R1满足：0.8≤|R/R1|≤1.5。4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与所述光源至所述准直透镜在光轴上的距离L1满足：0.5≤D1/L1≤2。5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1与所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W满足：D1/W≥3。6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W与所述准直透镜的焦距F1满足：W/F1≤0.5。7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、所述光源的发散全角度Θ与所述准直透镜在所述扫描组件的扫描方向上的有效口径D1满足：W*Θ/D1≤0.5。8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光源在所述扫描组件的扫描方向上的发光尺寸W、所述光源的发散全角度Θ与所述准直透镜的焦距F1满足：W*Θ/F1≤0.5。9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述探测光束在所述光源至所述整形组件的第一侧中心在扫描平面的垂直方向上传输的距离T与所述光源至所述扫描组件中心的距离L满足：T/L＞1。10.根据权利要求1
‑
9任一所述的光学系统，其中，所述整形组件包括：基层，所述基层呈弯曲状；以及微透镜阵列，包括多个柱透镜单元，形成在所述基层朝向所述反射光束的一侧。11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述柱透镜单元的焦距F2与所述柱透镜单元的口径D2满足：|F2|/D2≤2。12.根据权利要求1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳，张俊明，范娜娜，徐超，
申请(专利权)人：宁波舜宇车载光学技术有限公司，
类型：新型
国别省市：