光学系统、收发装置及激光雷达的制作方法

1.本发明属于激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种光学系统、收发装置及激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达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，工作原理为：向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数，从而对车辆、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
3.激光雷达一般包括发射模组和接收模组，其中发射模组包括激光光源和发射光学系统，接收模组包括探测器和接收光学系统。但目前的发射光学系统和/或接收光学系统使用的光学系统对应的视场角较小，导致激光雷达的发射视场角和/或接收视场角较小，影响探测精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光学系统、收发装置及激光雷达，旨在解决现有技术中发射光学系统和/或接收光学系统使用的光学系统对应的视场角较小的技术问题。
5.本发明是这样实现的，第一方面，提供了一种光学系统，所述光学系统包括沿光轴方向由物面指向像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜具有负屈折力，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均具有正屈折力；
6.其中，所述第一透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第三透镜为双凸透镜；所述第四透镜为平凸透镜，物侧面为凸面，像侧面为平面。
7.在一个可选的实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的直径依次增大。
8.在一个可选的实施例中，所述光学系统满足关系式：
9.1.5《n1《1.6；2.0《n2《2.1；1.5《n3《1.6；1.8《n4《1.9；
10.其中，n1为所述第一透镜在波长为950nm时的折射率，n2为所述第二透镜在波长为950nm时的折射率，n3为所述第三透镜在波长为950nm时的折射率，n4为所述第四透镜在波长为950nm时的折射率。
11.在一个可选的实施例中，所述光学系统的光程为55-70mm，有效焦距为20-35mm，视场角为80-105
°
，后焦距为0-4mm。
12.第二方面，提供了一种收发装置，所述收发装置包括发射模组和接收模组，所述发射模组包括激光光源和位于所述激光光源出光侧的发射光学系统，所述接收模组包括探测器和位于所述探测器入光侧的接收光学系统；
13.其中，所述发射光学系统和所述接收光学系统中的至少一个光学系统为上述各实
施例提供的光学系统。
14.在一个可选的实施例中，所述发射模组和所述接收模组并排设置且两者的光轴平行，所述收发装置还包括隔光片，所述隔光片位于所述发射模组和所述接收模组之间，所述隔光片用于分隔所述发射模组和所述接收模组各自传导的光线。
15.在一个可选的实施例中，所述收发装置还包括镜筒，所述发射光学系统、所述接收光学系统和所述隔光片均设置在所述镜筒内。
16.在一个可选的实施例中，所述发射光学系统和所述接收光学系统均具有通光区域和不通光区域，其中所述不通光区域位于光学系统的边缘；
17.所述发射光学系统和所述接收光学系统中至少一个光学系统的至少部分不通光区域被去除在该光学系统的外侧壁上形成平面结构。
18.在一个可选的实施例中，所述平面结构包括第一平面，所述第一平面位于所述发射光学系统的光轴和所述接收光学系统的光轴之间，且所述第一平面与所述发射光学系统的光轴和所述接收光学系统的光轴之间的连接线呈预设夹角设置。
19.在一个可选的实施例中，所述平面结构还包括与所述第一平面一一对应的第二平面，相对应的所述第二平面和所述第一平面分设于同一光学系统的两侧。
20.在一个可选的实施例中，所述发射光学系统和所述接收光学系统均采用所述光学系统，且所述发射光学系统和所述接收光学系统的透镜结构相同。
21.在一个可选的实施例中，所述接收光学系统还包括位于所述第三透镜和所述第四透镜之间的第一光阑；
22.和/或，所述接收光学系统还包括位于所述第四透镜和像面之间的第二光阑。
23.在一个可选的实施例中，所述收发装置还包括位于所述接收光学系统和所述探测器之间的滤光片。
24.在一个可选的实施例中，所述激光光源和所述探测器集成于同一电路板上。
25.第三方面，提供了一种激光雷达，包括上述各实施例提供的收发装置。
26.本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的光学系统，包括沿光轴方向由物面指向像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，第一透镜具有负屈折力且为弯月透镜，第二透镜具有正屈折力且为弯月透镜，第三透镜和第四透镜均具有正屈折力且分别为双凸透镜和平凸透镜。通过上述结构，可使得光学系统的整体光程相较传统激光雷达所用光学系统的光程、有效焦距、后焦距等数据减小，进而可有效减小光学系统以及应用本实施例提供的光学系统的激光雷达的体积，同时可增大视场角，实现光线的广角出射或者广角接收，同时使光学系统的结构设计更加简单。
27.可以理解的是，上述第二方面及第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的光学系统的结构示意图；
30.图2是图1所示光学系统的使用状态示意图，图中各透镜为剖面示意图，未示出剖面线；
31.图3是图2所示光学系统的后焦距示意图；
32.图4是本发明一实施例提供的收发装置的结构示意图，图中未示出探测器；
33.图5是本发明另一实施例提供的收发装置的结构示意图，图中未示出激光光源和探测器；
34.图6是图4或图5中接收光学系统的光路示意图。
35.附图标记说明：
36.100、光学系统；110、第一透镜；120、第二透镜；130、第三透镜；140、第四透镜；200、收发装置；210、发射模组；211、激光光源；212、发射光学系统；220、接收模组；221、探测器；222、接收光学系统；230、隔光片；240、镜筒；260、第二平面；270、第一光阑；271、第二光阑；280、滤光片；290、电路板。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
42.激光雷达包括发射模组和接收模组。其中，发射模组包括激光光源和发射光学系统，接收模组包括探测器和接收光学系统。发射光学系统和接收光学系统的结构可以相同，也可以不同，具体可以根据出光效果及接收效果而定。
43.为解决前述发射光学系统和/或接收光学系统存在的问题，本发明一实施例提供了一种光学系统。该光学系统既可以作为发射光学系统使用，也可以作为接收光学系统使
用，还可以作为同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统使用，具体可以根据使用需要灵活选择。当上述光学系统作为发射光学系统使用时，可以加大发射视场角；当上述光学系统作为接收光学系统使用时，可以加大接收视场角。
44.请参照图1及图2所示，光学系统100包括沿光轴方向由物面指向像面依次设置的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140。其中，第一透镜110具有负屈折力，第一透镜110的物侧面为凹面，像侧面为凸面。第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140均具有正屈折力。第二透镜120的物侧面为凹面，像侧面为凸面；第三透镜130为双凸透镜；第四透镜140为平凸透镜，物侧面为凸面，像侧面为平面。
45.本实施例中第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140的物侧面和像侧面可以分别为球面，也可以分别为非球面，具体可以根据出光效果而定。此外，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140的材质可以为玻璃、塑料或玻塑混合材料。
46.为便于描述，下文均以光学系统100作为发射光学系统为例，对光学系统100的结构及使用效果进行说明。应当理解的是，当光学系统100作为接收光学系统或者同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统100时，其原理及效果与光学系统100作为发射光学系统使用时相似。
47.采用本发明实施例提供的光学系统100的发射模组的工作原理为：
48.如图3所示，最外侧激光光源211距离光学系统的中心光轴距离为y，该激光光源211距离最后一片透镜(即第四透镜140)的距离为光学系统100的后焦距(back focal length，bfl)。假设该激光光源211的发散角为θ，第四透镜140的口径为d，此时要想在保证光学系统的准直效率的同时，兼顾镜片口径，根据公式d＝y+bfl*tan(θ/2)，则应当尽量减小光学系统的后焦距。
49.而本实施例中的第四透镜140采用了平凸透镜，使得光学系统100的后焦距变小，同时保证了激光光源211发出的光束可全部通过光学系统100射出，提升了光学系统100的准直效率。
50.另外，本发明实施例提供的光学系统100除第四透镜140采用了平凸透镜外，还包括采用弯月透镜的第一透镜110和第二透镜120，以及采用双凸透镜的第三透镜130，四个透镜相互配合，可以使得光学系统100的光程、有效焦距(effective focal length，efl)均减小，同时可使得视场角增大。
51.经测试，通过对第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140的面型和屈光度进行合理设计，本发明实施例提供的光学系统100相比传统的激光雷达所使用的光学系统100，光程可由120-150mm减小至55-70mm，有效焦距可由80-100mm减小至20-35mm，视场角可由25
°
增大至80-105
°
，后焦距可由60-80mm减小至0-4mm。
52.本发明实施例提供的光学系统100，包括沿光轴方向由物面指向像面依次设置的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140，其中，第一透镜110具有负屈折力且为弯月透镜，第二透镜120具有正屈折力且为弯月透镜，第三透镜130和第四透镜140均具有正屈折力且分别为双凸透镜和平凸透镜。通过上述结构，可使得光学系统100的整体光程相较传统激光雷达所用光学系统100的光程、有效焦距、后焦距等数据减小，进而可有效减小光学系统100以及应用本实施例提供的光学系统100的激光雷达的体积，同时可增大视场
角，实现光线的广角出射或者广角接收，同时使光学系统的结构设计更加简单。
53.使用时，光学系统一般安装于镜筒内，为便于安装，如图1及图2所示，在一个可选的实施例中，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和第四透镜140的直径依次增大。
54.采用本实施例提供的结构，安装时可将各镜片从一个方向装入，以保证装好后光学系统100的光轴和机械轴(即各镜片中心线的延长线)的相对偏心较小，同时也方便镜筒加工，便于保证镜筒的同心度。
55.为降低上述各实施例提供的光学系统的像差，在一个可选的实施例中，光学系统满足关系式：
56.1.5《n1《1.6；2.0《n2《2.1；1.5《n3《1.6；1.8《n4《1.9；
57.其中，n1为第一透镜在波长为950nm时的折射率，n2为第二透镜在波长为950nm时的折射率，n3为第三透镜在波长为950nm时的折射率，n4为第四透镜在波长为950nm时的折射率。
58.设计时，通过对各透镜的面型和屈光度进行合理设计，可使光学系统满足上述关系式，可使得经光学系统发出的光斑尺寸较小，并满足45
°
视场，当上述各透镜不满足上述折射率范围时，则光线聚焦效果差，会导致经光学系统发出的光斑尺寸较大，或者无法满足45
°
视场。
59.另外，本发明各实施例提供的光学系统内未添加柱面镜，而使用时光学系统一般会安装于镜筒内，并在镜筒的前端设置滤光罩，经过该滤光罩的激光光线会发生反射，为降低该反射光对光学系统的不良影响，可通过优化光学系统中各镜片的曲率半径和厚度校正滤光罩柱面对光学系统产生的影响。
60.请参照图4所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种收发装置200，应用于激光雷达。收发装置200包括发射模组210和接收模组220，发射模组210包括激光光源211和位于激光光源211出光侧的发射光学系统212，接收模组220包括探测器和位于探测器入光侧的接收光学系统222。
61.其中，发射光学系统212和接收光学系统222中的至少一个光学系统为上述各实施例提供的光学系统。具体的，本实施例中可仅发射光学系统212采用上述各实施例提供的光学系统，也可以仅接收光学系统222采用上述各实施例提供的光学系统，还可以发射光学系统212和接收光学系统222均采用上述各实施例提供的光学系统，具体可以根据使用需要灵活选择。
62.本实施例中的激光光源211可采用阵列排布的光源，也可以采用单颗光源，具体可以根据使用需要灵活选择。当激光光源211采用阵列排布的光源时，发射模组210用于发射阵列激光，与发射光学系统212相配合可实现广角出射，此时探测器一般也采用阵列排布的多个探测器，用于接收激光能量。本实施例中的接收光学系统222用于汇聚不同视场的激光能量。
63.本发明实施例提供的收发装置200的工作原理如下：
64.激光光源211发出激光光线，激光光线经发射光学系统212准直出射，照射至探测目标上，再将探测目标反射形成回波光信号，之后回波光信号被接收光学系统222接收并会聚至探测器，探测器对该回波光信号进行分析输出相应数据信号至外接数据处理装置，最终经数据处理装置输出探测目标的相关探测数据，如距离、速度、形状等。
65.本发明实施例提供的收发装置200中发射光学系统212和接收光学系统222中的至少一个光学系统为上述各实施例提供的光学系统，当发射光学系统212采用上述各实施例提供的光学系统时，可增大发射视场角并提高激光光线的准直输出效率；当接收光学系统222采用上述各实施例提供的光学系统时，可增大接收视场角并提高回波光信号的会聚能量，最终实现广角探测，提高收发装置200的探测精度。
66.现有技术中一般为避免发射模组对应光路中的光线进入接收模组对应的光路中，影响探测效果，一般会在收发装置中设置反射结构，以拉大发射模组对应光路和接收模组对应光路之间的间距，这样会导致光线在收发装置中传播时间较长，发射光学系统或者接收光学系统长度较大，进而导致收发装置整体体积较大。为避免上述问题，如图5所示，在一个可选的实施例中，发射模组210和接收模组220并排设置且两者的光轴平行。收发装置还包括隔光片230。隔光片230位于发射模组210和接收模组220之间，用于分隔发射模组210和接收模组220各自传导的光线。
67.本实施例中的隔光片230可以为金属片、塑料片、橡胶片等不透光片。使用时，隔光片230可用来隔绝发射模组210与接收模组220的光路。又由于本实施例中发射模组210和接收模组220对应的光路平行，在加装隔光片230后，两个光路可直接传递，无需设置反射结构，即可避免两个光路之间发生相互影响，进而减少探测器接收到干扰信号的量，提高探测精度。
68.另外，由于无需设置反射结构，即激光光线和回波光信号可以无需折返便可走完整个发射光学系统212或接收光学系统222，有效减小了发射光学系统212或接收光学系统222的总长度和体积。
69.如图5所示，在一个可选的实施例中，收发装置200还包括镜筒240，发射光学系统212、接收光学系统222和隔光片230均设置在镜筒240内。通过镜筒240的设置，可将发射光学系统212、接收光学系统222和隔光片230组合成一个整体，便于三者的整体移动和组装，可提高收发装置的组装效率。
70.如图4所示，在一个可选的实施例中，发射光学系统212和接收光学系统222均具有通光区域和不通光区域，其中不通光区域位于光学系统的边缘。具体的，发射光学系统212和接收光学系统222一般均由沿光轴方向依次排列的多个透镜组成。位于同一个光学系统中的所有透镜组成一个镜头，该镜头可看为一个整体，且该镜头的口径一般大于在其内传播的光线的口径，如此光线在发射光学系统212和接收光学系统222中传播时仅会用到光学系统的其中一部分，一般为中部区域，这里我们将该区域称为通光区域，而将使用过程中不会有光线通过的部分，一般为边缘区域，称为不通光区域。需要说明的是，在发射模组的发射视场和接收模组的接收视场确定后，上述通光区域和不通光区域的范围是确定。
71.发射光学系统212和接收光学系统222中至少一个光学系统的至少部分不通光区域被去除在该光学系统的外侧壁上形成平面结构。
72.由于发射光学系统212和接收光学系统222均具有多个透镜，这里所说的平面结构可以通过切除相应光学系统中的至少一个透镜的部分边缘区域形成，也可以通过切除相应光学系统中所有透镜的部分边缘区域形成，具体可以根据通过区域的范围和各透镜的口径大小而定。
73.为便于理解，以在发射光学系统212上形成平面结构为例，对上述描述进行说明。
如根据设计，形成平面结构后发射光学系统212的宽度需要为x，若该发射光学系统212内的所有透镜的直径均大于x，则每个透镜的边缘(一般为未通光部分)均将被切除至少一部分形成一个或者多个平面，之后所有平面组合形成上述平面结构；若发射光学系统212内仅部分透镜(可以为一个、两个等)的直径大于x，其他透镜的直径小于等于x，则仅需将直径大于x的透镜的边缘进行切除，便可形成平面结构。
74.本实施例中平面结构不仅可以通过切除发射光学系统212和/或接收光学系统222中相应镜片的边缘未通光部分形成，也可以一体成型于各透镜上，具体可以根据制作工艺、设计需要灵活选择。
75.采用本实施例提供的结构，可有效减小发射光学系统212和/或接收光学系统222的体积，减小相应光学系统占用的空间以及激光雷达的整机尺寸，实现激光雷达的小型化。
76.上述平面结构存在多种形成方式，如图4所示，在一个可选的实施例中，平面结构包括第一平面。第一平面位于发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的光轴之间，且第一平面与发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的光轴之间的连接线呈预设夹角设置。这里所说的夹角为非0夹角，可以为90
°
、10
°
、45
°
等，具体可以根据设计需要而定。当上述夹角为90
°
时，发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的光轴之间的间距最小。
77.同上，本实施例中第一平面不仅可以通过切除发射光学系统212和/或接收光学系统222中至少一片透镜位于靠近另一光学系统一侧的边缘未通光部分形成，也可以一体成型于各透镜上，具体可以根据制作工艺、设计需要灵活选择。
78.采用本实施例提供的结构，在有效减小发射光学系统212和/或接收光学系统222的体积的同时，还能够拉进发射模组210和接收模组220的光轴中心距，减小激光雷达的盲区。
79.如图4所示，为进一步减小发射光学系统212和/或接收光学系统222的体积，在另一可选的实施例中，平面结构不仅包括上述第一平面，还包括与第一平面一一对应的第二平面260。相对应的第二平面260和第一平面分设于同一光学系统的两侧。
80.上述第一平面和第二平面260的位置一般根据透镜的通光区域而定，即透镜两侧被切除一部分后，不影响其接收并出射激光光线或者接收并出射回波光信号。通常情况下，设有第一平面和第二平面260的光学系统在激光光源所在平面的投影面积一般略大于激光光源的投影面积，同时光学系统在激光光源所在平面的投影面积还与入瞳直径正相关。
81.如图4所示，在一个具体的实施例中，发射光学系统212和接收光学系统222中均形成有第一平面和第二平面260，且第一平面和第二平面260均垂直发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的光轴之间的连接线。采用这一结构既可保证发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的光轴之间的间距较小，又可使得发射光学系统212的光轴和接收光学系统222的体积较小，进而使得收发装置的体积较小，有利于激光雷达的小型化设计。
82.当然，在其他实施例中，平面结构还可以采用其他设置方式，这里不做唯一限定。
83.在一个可选的实施例中，发射光学系统212和接收光学系统222均采用上述各实施例提供的光学系统，且发射光学系统212和接收光学系统222的透镜结构相同。采用这一结构，使得发射光学系统212与接收光学系统222可使用相同的检验装置进行检验，有助于提高检验速率。
84.为减小上述各实施例提供的接收光学系统受环境光以及滤光罩回波的影响，如图
5所示，在一个可选的实施例中，接收光学系统222还包括位于第三透镜130和第四透镜140之间的第一光阑270。在另一个可选的实施例中，接收光学系统222还包括位于第四透镜140和像面之间的第二光阑271。在另一个可选的实施例中，接收光学系统222还包括位于第三透镜130和第四透镜140之间的第一光阑270，以及位于第四透镜140和像面之间的第二光阑271。
85.如图4所示，在一个可选的实施例中，收发装置200还包括位于接收光学系统222和探测器221之间的滤光片280。滤光片280的设置可以降低杂散光进入探测器221的几率，提高探测精度。
86.又由于接收光学系统222采用上述各实施例提供的光学系统100，其主光线角(chief ray angle，cra)小，对滤光片280透过率影响小，可保证滤光片280具有高透过率，同时在考虑滤光片280的带宽时，可以无需考虑入射角的影响，减小滤光片280的带宽，减小杂散光对激光雷达的影响。
87.本实施例提供的接收光学系统222的光路原理如图6所示：
88.图中d为中心视场主光线，c为0.2视场主光线，b为0.6视场主光线，a为1视场主光线，所有进入到滤光片280的主光线均与光轴方向平行，垂直入射至滤光片280，进而可保证滤光片280的高透过率。而当入射角度增大时，滤光片280的透过率会降低，通光波段会向短波方向移动。
89.由此可见，本实施例提供的收发装置200虽加设了滤光片280，但对回波光信号的透过率影响不大，即本实施例提供的收发装置200既具有环境光低穿过率，又具有回波光信号高穿过率，符合使用要求。
90.如图4所示，在一个可选的实施例中，激光光源211和探测器集成于同一电路板290上。相比传统激光雷达收发装置200，本实施例提供的收发装置200采用集成模块化设计，发射器件(激光光源211)和接收器件(探测器)集成在一块电路板290上，可减小器件间的间隔，实现器件密集排布，保证激光雷达高分辨率探测。
91.在本发明的另一实施例中，提供了一种激光雷达，包括上述各实施例提供的收发装置。除此之外，激光雷达一般还包括壳体，收发装置安装于壳体内。
92.本发明实施例提供的激光雷达，采用了上述各实施例提供的收发装置，可以有效提高视场角以及探测精度。
93.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。