激光回波接收光学系统技术方案

激光回波接收光学系统，涉及激光雷达技术领域。本发明专利技术是为了解决现有激光雷达扫描成像系统中，探测器的光敏面尺寸和带宽难以平衡的问题。本发明专利技术所述的激光回波接收光学系统，N个聚焦透镜的焦点分别位于一个正N边形的N个顶点处，N个InGaAs PIN探测器的光敏面中心分别位于N个聚焦透镜的焦点处，分束器用于将激光回波信号分为N束，每一束均通过一个聚焦透镜入射至对应的InGaAs PIN探测器中。通过分光的方式将回波光束分成多份，然后分别用光学透镜组将每一份聚焦到每一个探测器上，从而有效增加探测器光敏面口径解决探测器小面元实现大视场接收的问题。视场接收的问题。视场接收的问题。

【技术实现步骤摘要】
激光回波接收光学系统


[0001]本专利技术属于激光雷达
，尤其涉及激光雷达的回波接收系统。

技术介绍

[0002]基于MEMS扫描的红外成像激光雷达系统在很多领域都有重要应用价值，是现有激光雷达领域中关注和研究的重点课题。在现有采用直接探测和收发分置方式的高速高清晰1550nm扫描式3D成像激光雷达中，探测器的响应带宽和光敏面大小对扫描成像的实现至关重要。
[0003]要实现激光雷达扫描成像的高速和高清晰度，探测器的响应带宽应尽可能高。因为探测器带宽高，对应陡峭的上升沿响应，可以高速鉴别脉冲信号到来时刻，有助于提高成像帧频。同时，为获得较大的接收视场，接收尽可能多的回波信号，探测器的光敏面应尽量大些为好。但是，目前市场上适合1550nm波段的单个InGaAs PIN管或APD(硅雪崩光电二极管)探测器中，响应速度高的存在有效光敏面太小的问题(响应带宽大于1GHz，光敏面在50μm左右量级)；而光敏面大的(可以达到1mm量级)又存在响应速度低的问题。探测器的带宽和光敏面大小是相反的两个限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决现有激光雷达扫描成像系统中，探测器的光敏面尺寸和带宽难以平衡的问题，现提供激光回波接收光学系统。
[0005]激光回波接收光学系统，包括分束器、N个聚焦透镜和N个InGaAs PIN探测器，N为大于等4的正整数，
[0006]N个聚焦透镜的焦点分别位于一个正N边形的N个顶点处，N个InGaAs PIN探测器的光敏面中心分别位于N个聚焦透镜的焦点处，
[0007]分束器用于将激光回波信号分为N束，每一束均通过一个聚焦透镜入射至对应的InGaAs PIN探测器中。
[0008]进一步的，当N＝4时，所述分束器为四棱锥镜对，所述四棱锥镜对包括两个底面相互正对的四棱锥镜，且两个四棱锥镜底面之间留有间距。
[0009]进一步的，当四棱锥镜对的主轴与入射光夹角为
±5°
时，调整InGaAs PIN探测器的光敏面中心与四棱锥镜对主轴之间的距离R为：
[0010]R＝R1‑
0.5R0，
[0011]其中，R1为四棱锥镜对出射光束的光斑中心与四棱锥镜对主轴之间的实际距离，且满足：
[0012][0013]h1为四棱锥镜的高度，h2为两个四棱锥镜底面之间的间距，α为四棱锥镜底面和侧面之间的夹角，θ2和γ2分别为光束与四棱锥镜底面间的入射角和折射角，R0为四棱锥镜对
入射光束的光斑中心与四棱锥镜对主轴之间的距离。
[0014]进一步的，当N＝7时，所述分束器为六棱锥台镜对，所述六棱锥台镜对包括两个底面相互正对的六棱锥台镜，且两个六棱锥台镜底面之间留有间距。
[0015]进一步的，上述聚焦透镜包括非球面镜和超半球浸没透镜，
[0016]非球面镜将入射光束进行预聚焦并出射至超半球浸没透镜，超半球浸没透镜将入射光聚焦至对应的InGaAs PIN探测器的光敏面。
[0017]进一步的，上述激光回波接收光学系统还包括准直扩束镜，激光回波信号经所述准直扩束镜扩束后入射至分束器，
[0018]当准直扩束镜的入射角θ1＜10
°
时，准直扩束镜的扩束倍数m符合下式：
[0019]θ2＝θ1/m，
[0020]其中，θ2为准直扩束镜的出射角。
[0021]上述激光回波接收光学系统还包括光阑，所述光阑的透射光入射至分束器。
[0022]本专利技术所述的激光回波接收光学系统，通过分光的方式将回波光束分成多份，然后分别用光学透镜组将每一份聚焦到每一个0.5mm的探测器上，探测器组成面阵，从而有效增加探测器光敏面口径至1.0mm，同时将接收视场角增加到了接近10
°
，解决探测器小面元实现大视场接收的问题。本专利技术适用于激光雷达中，作为回波信号接收系统，从而可有助于推动收发分置激光雷达系统的广泛应用。
附图说明
[0023]图1为分光接收光学系统原理示意图；其中，1回波光束，2回波光束四个方位最大接收角，3光阑，4分束器，5聚焦透镜，6InGaAs PIN探测器；
[0024]图2为基于四棱镜对的激光回波接收光学系统结构示意图，其中，7准直扩束镜前镜片，8准直扩束镜后镜片，10四棱锥镜对前镜，11四棱锥镜对后镜，12非球面镜，13超半球浸没透镜，14探测器平面，15准直扩束镜，16四棱锥镜对，17聚焦透镜组；
[0025]图3(a)为四棱镜对的相对位置示意图，图3(b)为非球面镜阵列的排布示意图；
[0026]图4为探测器平面光斑直径随接收视场角张角β的变化关系曲线图；
[0027]图5为四棱镜的结构尺寸示意图；
[0028]图6为四棱镜对对入射角为0
°
的光束分光模拟效果图，其中(a)表示分光光路，(b)表示入射光斑，(c)表示出射光斑；
[0029]图7为基于四棱锥镜对的激光回波接收光学系统效果图；
[0030]图8为基于六棱锥台镜对的激光回波接收的光学系统结构图；
[0031]图9为基于六棱锥台镜对的激光回波接收的光学系统效果图。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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它实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]在相同的带宽条件下，PIN管比APD有较大的光敏面。现有的InGAs PIN管探测器带宽大于300MHz的，其光敏面直径只有0.5mm左右(光敏面φ0.5mm，带宽300MHz；光敏面φ0.3mm，带宽500MHz)。光敏面太小，把尽可能大接收视场内的回波聚焦到较小的探测器光敏面上，则需要设计的相应接收光学系统并不容易。
[0034]而对于InGaAs的阵列式探测器，其光敏面可以较大，比如像素点阵主要有64
×
64和128
×
128，探测器总面积分别为3.2mm
×
3.2mm和6.4mm
×
6.4mm。线阵探测器可以做到1
×
N(N＝2，4,
…
40)，像素点元70μm，处在实验阶段的可以做到1
×
256。但是阵列探测器价格昂贵，信号处理相对较麻烦。而单个探测器，其价格相对便宜，后续信号处理较容易。所以，单个探测器还是现阶段较为合适的选择。因此，本实施方式提出一种增加3D成像激光雷达的接收视场和探测器有效口径的方法，选择目前响应速度较高，光敏面口径较大的InGaAs探测器，研究设计一种接收光学系统，将探测器的光敏面扩大到易于应用的尺寸。
[0035]具体实施方式一、参照图1至图7具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.激光回波接收光学系统，其特征在于，包括分束器(4)、N个聚焦透镜(5)和N个InGaAs PIN探测器(6)，N为大于等4的正整数，N个聚焦透镜(5)的焦点分别位于一个正N边形的N个顶点处，N个InGaAs PIN探测器(6)的光敏面中心分别位于N个聚焦透镜(5)的焦点处，分束器(4)用于将激光回波信号分为N束，每一束均通过一个聚焦透镜(5)入射至对应的InGaAs PIN探测器(6)中。2.根据权利要求1所述的激光回波接收光学系统，其特征在于，当N＝4时，所述分束器(4)为四棱锥镜对(16)，所述四棱锥镜对(16)包括两个底面相互正对的四棱锥镜，且两个四棱锥镜底面之间留有间距。3.根据权利要求2所述的激光回波接收光学系统，其特征在于，当四棱锥镜对(16)的主轴与入射光夹角为
±5°
时，调整InGaAs PIN探测器(6)的光敏面中心与四棱锥镜对(16)主轴之间的距离R为：R＝R1‑
0.5R0，其中，R1为四棱锥镜对(16)出射光束的光斑中心与四棱锥镜对(16)主轴之间的实际距离，且满足：h1为四棱锥镜的高度，h2为两个四棱锥镜底面之间的间距，α为四棱锥镜底面和侧面之间的夹角，θ2和γ2分别为光束与四棱锥镜底面间的入射角和折射角，R0...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小宝，周维龙，欧阳洪波，黄卓冕，宓茜，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：