自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置的制作方法

本实用新型涉及雷达测量技术领域，具体来说是一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置。

背景技术：

目前单线式激光雷达，其光学发射和接收系统主要有两块平面反射镜加两个准直透镜(组)构成，两准直透镜(组)分别用于LD光源的准直和激光回波的准直。如专利公开号CN105652261A，其存在问题是：其一，用于接收的准直透镜(组)会反射，吸收部分雷达的回波能量，增加系统损失；其二，准直透镜(组)的安装需要对准光轴，增加调试难度。

又如专利CN206546432U，虽然减少了一块平面反射镜，并将LD光源的准直透镜(组)和激光回波的准直准直透镜(组)合并，但带来的问题是：其一，因为需要在接收透镜上开孔装LD准直镜，其加工难度增加了很多；其二，将LD准直模组植入接收透镜，其结构限制遮挡了更多光线进入，同样会造成更多能量损失。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供了一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置，用于解决上述问题。

本实用新型的技术方案是通过以下技术措施来实现的：一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置，包括第一自由曲面反射镜、准直激光光源、第二平面反射镜、光线接收传感器，所述第一自由曲面反射镜的开口向上且第一自由曲面反射镜的中心位置设置有中心孔，准直激光光源设置在第一自由曲面反射镜的底部且准直激光光源的光线发射口对准中心孔位置设置，第二平面反射镜设置在第一自由曲面反射镜的正上方，所述光线接收传感器与第二平面反射镜位于同一水平面上。

下面是对上述实用新型技术方案的进一步的优化或/和改进：

优选的，还包括滤光片，所述滤光片设置在第一自由曲面反射镜与光线接收传感器之间，滤光片与第一自由曲面反射镜、光线接收传感器均设置于同一水平面上。

优选的，所述中心孔的直径为2mm至8mm。

优选的，光线接收传感器为APD传感器，用于接收汇聚第一自由曲面反射镜的反射光线并将光信号转换为电信号。

本实用新型通过准直激光光源的光源发射口发射出的激光通过在第一自由曲面反射镜的中心位置处设置的中心孔，有效减少了第一自由曲面反射镜的开口损失，当接收目标反射回来的回波激光时，只需通过第二平面反射镜进行反射至第一自由曲面反射镜的自由曲面上，再经过第一自由曲面反射镜的再次反射后即可汇聚到光线接收传感器上，提高了激光雷达接收效率，减少了激光雷达的光学系统零件数，减少累计公差项。本实用新型可以用于矫正非旋转对称窗口带来的像差，减少接收损失，有利于大规模生产，批量生产时价格低廉。

附图说明

附图1为本实用新型的实施例1的结构示意图。

附图2为本实用新型实施例1中的第一自由曲面反射镜的立体结构示意图。

附图3为本实用新型的制作方法流程图。

附图中的编号分别为：1、第一自由曲面反射镜，2、准直激光光源，3、第二平面反射镜，4、光线接收传感器，5、中心孔，6、滤光片，7、目标。

具体实施方式

本实用新型不受下列实施例的限制，可根据本实用新型的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本实用新型做进一步的描述：

实施例1：如图1、2所示，一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置包括第一自由曲面反射镜1、准直激光光源2、第二平面反射镜3、光线接收传感器4，所述第一自由曲面反射镜1的开口向上且第一自由曲面反射镜1的中心位置设置有中心孔5，准直激光光源2设置在第一自由曲面反射镜1的底部且准直激光光源2的光线发射口对准中心孔5位置设置，第二平面反射镜3设置在第一自由曲面反射镜1的正上方，所述光线接收传感器4与第二平面反射镜3位于同一水平面上。

上述的第一自由曲面发射镜1的镜面呈不透光的自由曲面。

本实用新型的工作原理是：准直激光光源2的光源发射口发射出的激光通过在第一自由曲面反射镜1的中心位置处设置的中心孔5，有效减少了第一自由曲面反射镜1的开口损失，当接收目标反射回来的回波激光时，只需通过第二平面反射镜3进行反射至第一自由曲面反射镜1的自由曲面上，再经过第一自由曲面反射镜1的再次反射后即可汇聚到光线接收传感器4上，提高了激光雷达接收效率，减少了激光雷达的光学系统零件数，减少累计公差项。本实用新型可以用于矫正非旋转对称窗口带来的像差，减少接收损失，有利于大规模生产，批量生产时价格低廉。

实际使用时，准直激光光源2的发射口发射出激光，激光经过第一自由曲面反射镜1的中心孔5后，发射至第二平面反射镜3上，经过第二平面反射镜3的发射至目标7上，经过目标7将光线反射回第二平面反射镜3并经其再次反射到第一自由曲面反射镜1，再经第二自由曲面反射镜1反射后汇聚到光线接收传感器4上，光线接收传感器4将接收到的光信号转换为电信号。

可根据实际需要对上述一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置进行进一步的优化或/和改进：

如附图1、2所示，还包括滤光片6，所述滤光片6设置在第一自由曲面反射镜1与光线接收传感器4之间，滤光片6与第一自由曲面反射镜1、光线接收传感器4均设置于同一水平面上。上述滤光片6根据需要可采用窄带滤光片。

如附图1、2所示所述中心孔的直径为2mm至8mm。

如附图1、2所示光线接收传感器为APD传感器，用于接收汇聚第一自由曲面反射镜1的反射光线并将光信号转换为电信号。

如附图1、2、3所示，本实用新型的自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置的制作方法，包括以下步骤：

S1：由超精密加工车床进行模具加工，用电动注塑机生产样件；

S2：将样件进行真空蒸镀，形成需要的反射特性；

S3：通过计算筛选出需要的第一自由曲面反射镜；

这里的第一自由曲面反射镜镜面对于激光的窄波段来说，只需要镀很少的膜层数即可达到需要的反射效果；

S4：将准直激光光源2、第一自由曲面反射镜1、滤光片6、光线接收传感器4进行组装成一种自由曲面反射式激光雷达的反射与接收装置。

在S3中，设x,y,z是自由曲面上各点在xyz坐标系中的坐标，则求解第一自由曲面反射镜中各点的计算表达公式为：

其中，c为顶点曲率，k为圆锥系数,Ai为多项式第i项系数，Ei(x,y)为多项式的第i项，其中E1(x,y)＝x，E2(x,y)＝y,E3(x,y)＝x²,E4(x,y)＝xy,E5(x,y)＝y²,E6(x,y)＝x³,E7(x,y)＝x²y,E8(x,y)＝xy²,E9(x,y)＝y³,E10(x,y)＝x⁴,E11(x,y)＝x³y,E12(x,y)＝x²y²；

根据上述公式(1)和公式(2)求解得到第一自由曲面反射镜中各点的坐标。

根据实际设计需要，可根据上述公式(1)和公式(2)，将以下实例参数c＝1.31254052E-2,k＝5.9977287,A1＝5.51556E-4,A2＝-1.23322E-1,A3＝6.3467717E-3,A4＝-8.162756E-6,A5＝1.588818E-3,A6＝9.894914E-8,A7＝-1.895533E-4,A8＝1.74651165E-7,A9＝-1.2094745E-4,A10＝-9.4491515E-7,A11＝-2.105428E-9,A12＝-1.1249721E-7，输入ZMAX软件中最终求解得到自由曲面各点的集合，从而得到第一自由曲面反光镜的大小。

以上技术特征构成了本实用新型最佳的实施例，其具有较强的适应性和最佳的实施效果，可根据实际需要增加或减少非必要的技术特征，来满足不同的需求。