适用于输出图案化光束的系统和光路结构的制作方法
本发明涉及激光雷达领域，具体地，涉及适用于输出图案化光束的系统和光路结构。尤其是采用光学结构将扫描范围扩大的激光雷达系统。
背景技术：
激光雷达是激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。
现有激光雷达采用多组激光器、旋转式机械结构或复杂的光学结构器件扩大扫描范围。需要控制系统把控精度，难度较大，同时占用的体积大，成本也比较高。少数固态激光雷达目前也无法实现量产化。
此外，led领域中常采用配光结构，这种结构可以使得改变光线的传播路径，使得光线分布更均匀或者实现分布更广。但是，led领域中的配光结构，主要是为了提高光的利用率、均匀性和分布范围，但其光学上属于非成像光学，即不考虑图像质量。对于雷达如果使用led配光结构将无法打出线型的扫描光束而是一块光斑，会损失大量精度，且能量也会分散导致测量距离缩短。
现有技术中虽然已有凸面反射镜，但是这些凸面反射镜绝大多数运用于马路上的反光镜、汽车行业中，通过凸面反射镜可以扩大视场让驾驶员看到更多的信息，但都存在较大像差，如畸变。目前凸面反射镜没有运用于雷达行业。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于输出图案化光束的系统和光路结构。
根据本发明提供的一种适用于输出图案化光束的系统，包括发射系统、控制系统、接收系统；控制系统通过电路分别连接发射系统、接收系统；
所述发射系统包括凸面反射镜、光源，所述凸面反射面镜是回转体或自由曲面反射镜；光源发出的光束通过所述凸面反射面镜输出，其中，通过所述凸面反射面镜的反射向周围场景发出面、线、点光束的至少其中之一。
优选地，所述回转体是球面反射镜、非球曲面反射镜或者锥面反射镜。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型满足：扫描光束在反射前角度变化量与反射后角度变化量呈正比。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型使输入输出光束满足：
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
αmax、αmin分别为α的最大值、最小值；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
θ为反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角，其中θmax≥θ≥θmin≥0。
优选地，将θmax-θmin分为多个角度dθ，所述回转体的非球面反射镜的面型的曲线上第n个点的公式满足：
yn-1表示θ＝(n-1)dθ时的y坐标，即第(n-1)个点的y坐标；
yn表示θ＝ndθ的y坐标，即第n个点的y坐标；
xn-1表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第(n-1)个点的x坐标；
xn表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第n个点的x坐标；
θ表示反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
l为反射前扫描光束视场角反向延长线的焦点到非球面顶点的距离；
所述曲线绕y轴旋转一周得到非球面反射镜的面型。
优选地，所述光源包括：半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、垂直腔面激光器、二氧化碳激光器中的任一种或任多种。
优选地，所述光源包括光学系统，所述光学系统进行扩束和/或对准直光源发出的光矫正像差。
优选地，所述发射系统包括：扫描光束生成模块；
所述扫描光束生成模块包括：空间光调制器、振镜、硅光器件、运动式波浪镜、运动式光栅中的任一种或任多种；
所述光源的光束经过所述扫描光束生成模块输出。
优选地，所述空间光调制器是数字微镜元件、透射式硅基液晶或者反射式硅基液晶。
优选地，所述凸面反射镜的表面斜率f'(x)≤cot(θmax)的范围为有效范围，θmax为扫描光束生成模块调制产生的扫描光束的最大扫描范围半角，x为凸面反射镜上任意一点至其旋转中心线的垂直距离。
优选地，所述扫描光束生成模块生成的动态扫描光束形式为如下任一种或任多种形式：
-一个或多个同心圆收缩；
-一个或多个同心圆外扩；
-一条或多条直线绕中心点旋转；
-一条或多条射线绕中心点旋转；
-一条或多条线段绕中心点旋转；
-一条或多条平行直线向设定方向做平移；
-一条或多条平行射线向设定方向做平移；
-一条或多条平行线段向设定方向做平移。
优选地，光源发出的光通过扫描光束生成模块，生成动态扫描光束投到凸面反射镜上，通过凸面反射镜反射向周围场景发出动态扫描光束，场景中的反馈信号回到接收系统。
优选地，所述控制系统用于控制并同步发射系统中的光源、扫描光束生成模块同步。
优选地，接收系统包括用于接收场景反馈信号的光传感器。
根据本发明提供的一种适用于输出图案化光束的光路结构，包括凸面反射面镜；
凸面反射面镜是回转体或自由曲面反射镜；光源发出的光束通过所述凸面反射面镜输出，其中，通过所述凸面反射面镜的反射向周围场景发出面光。
优选地，所述回转体是球面反射镜、非球曲面反射镜或者锥面反射镜。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型满足：扫描光束在反射前角度变化量与反射后角度变化量呈正比。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型使输入输出光束满足：
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
αmax、αmin分别为α的最大值、最小值；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
θ为反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角，其中θmax≥θ≥θmin≥0。
优选地，将θmax-θmin分为多个角度dθ，所述回转体的非球面反射镜的面型的曲线上第n个点的公式满足：
yn-1表示θ＝(n-1)dθ时的y坐标，即第(n-1)个点的y坐标；
yn表示θ＝ndθ的y坐标，即第n个点的y坐标；
xn-1表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第(n-1)个点的x坐标；
xn表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第n个点的x坐标；
θ表示反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
l为反射前扫描光束视场角反向延长线的焦点到非球面顶点的距离；
所述曲线绕y轴旋转一周得到非球面反射镜的面型。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结构合理简单，易于维护制造。
2、本发明采用了扩大激光雷达扫描范围的光学器件，即一个凸面反射镜。能够将小角度的扫描范围扩大。有效的简化了为了得到大扫描范围的激光雷达光路结构。
3、本发明通过简单的光路结构就得以扩大了扫描范围，可以解决体积大、成本高的问题，减轻控制器的负担，易实现量产化。
4、本发明中的凸面反射镜结合控制像差或者配合光学系统控制像差，能够满足雷达的测量精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为适用于输出图案化光束的系统
图2为反射式空间光调制器生成扫描光束的结构示意图
图3为仅由激光器作光源的发射系统示意图
图4至图9分别为生成的扫描光束的不同形式。
图10为扫描光束反射的原理示意图。图10中，左侧虚线为反射后光束上任意一点与凸面反射镜旋转中心线平行的直线，右侧虚线为反射前光束上任意一点与凸面反射镜旋转中心线平行的直线。
图中示出：
发射系统1
控制系统2
接收系统3
场景9
反馈信号10
凸面反射镜4
光源5
扫描光束生成模块6
二分之一波片11
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种适用于输出图案化光束的系统，包括发射系统1、控制系统2、接收系统3；控制系统2通过电路分别连接发射系统1、接收系统3；
所述发射系统1包括凸面反射镜4、光源5，所述凸面反射面镜4是回转体或自由曲面反射镜；光源5发出的光束通过所述凸面反射面镜4输出，其中，通过所述凸面反射面镜4的反射向周围场景9发出面、线、点光束的至少其中之一。
优选地，所述回转体是球面反射镜、非球曲面反射镜或者锥面反射镜。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型满足：扫描光束在反射前角度变化量与反射后角度变化量呈正比。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型使输入输出光束满足：
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
αmax、αmin分别为α的最大值、最小值；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
θ为反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角，其中θmax≥θ≥θmin≥0。
优选地，将θmax-θmin分为多个角度dθ，所述回转体的非球面反射镜的面型的曲线上第n个点的公式满足：
yn-1表示θ＝(n-1)dθ时的y坐标，即第(n-1)个点的y坐标；
yn表示θ＝ndθ的y坐标，即第n个点的y坐标；
xn-1表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第(n-1)个点的x坐标；
xn表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第n个点的x坐标；
θ表示反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
l为反射前扫描光束视场角反向延长线的焦点到非球面顶点的距离；
所述曲线绕y轴旋转一周得到非球面反射镜的面型。
优选地，所述光源5包括：半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、垂直腔面激光器、二氧化碳激光器中的任一种或任多种。
优选地，所述光源5包括光学系统，所述光学系统进行扩束和/或对准直光源发出的光矫正像差。
优选地，所述发射系统1包括：扫描光束生成模块6；
所述扫描光束生成模块6包括：空间光调制器、振镜、硅光器件、运动式波浪镜、运动式光栅中的任一种或任多种；
所述光源5的光束经过所述扫描光束生成模块6输出。
优选地，所述空间光调制器是数字微镜元件、透射式硅基液晶或者反射式硅基液晶。
优选地，所述凸面反射镜4的表面斜率f'(x)≤cot(θmax)的范围为有效范围，θmax为扫描光束生成模块6调制产生的扫描光束的最大扫描范围半角，x为凸面反射镜上任意一点至其旋转中心线的垂直距离。
优选地，所述扫描光束生成模块6生成的动态扫描光束形式为如下任一种或任多种形式：
-一个或多个同心圆收缩；
-一个或多个同心圆外扩；
-一条或多条直线绕中心点旋转；
-一条或多条射线绕中心点旋转；
-一条或多条线段绕中心点旋转；
-一条或多条平行直线向设定方向做平移；
-一条或多条平行射线向设定方向做平移；
-一条或多条平行线段向设定方向做平移。
优选地，光源5发出的光通过扫描光束生成模块6，生成动态扫描光束投到凸面反射镜4上，通过凸面反射镜4反射向周围场景9发出动态扫描光束，场景中的反馈信号10回到接收系统3。
优选地，所述控制系统2用于控制并同步发射系统1中的光源5、扫描光束生成模块6同步。
优选地，接收系统3包括用于接收场景9反馈信号10的光传感器11。
根据本发明提供的一种适用于输出图案化光束的光路结构，包括凸面反射面镜4；
凸面反射面镜4是回转体或自由曲面反射镜；光源5发出的光束通过所述凸面反射面镜4输出，其中，通过所述凸面反射面镜4的反射向周围场景9发出面光。
优选地，所述回转体是球面反射镜、非球曲面反射镜或者锥面反射镜。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型满足：扫描光束在反射前角度变化量与反射后角度变化量呈正比。
优选地，所述回转体的非球面反射镜的面型使输入输出光束满足：
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
αmax、αmin分别为α的最大值、最小值；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
θ为反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角，其中θmax≥θ≥θmin≥0。
优选地，将θmax-θmin分为多个角度dθ，所述回转体的非球面反射镜的面型的曲线上第n个点的公式满足：
yn-1表示θ＝(n-1)dθ时的y坐标，即第(n-1)个点的y坐标；
yn表示θ＝ndθ的y坐标，即第n个点的y坐标；
xn-1表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第(n-1)个点的x坐标；
xn表示θ＝(n-1)dθ时的x坐标，即第n个点的x坐标；
θ表示反射前扫描光束与凸面反射镜旋转中心线方向夹角；
θmax为扫描光束的最大范围半角；
θmin为扫描光束的最小范围半角；
α为经过非球面反射镜的反射光与凸面反射镜旋转中心线方向的夹角；
l为反射前扫描光束视场角反向延长线的焦点到非球面顶点的距离；
所述曲线绕y轴旋转一周得到非球面反射镜的面型。
更为具体地，本发明尤其是一种用于获取场景距离无需旋转式机械结构的激光雷达。控制系统，用于控制激光器发射脉冲光束，控制空间光调制器上的全息图变化，控制发射与全息图变化同步；激光器，作为光源；空间光调制器，通过芯片控制将光源发出的光通过干涉衍射的方式形成所需的动态光束；凸面反射镜，用于将扫描光束反射向周围360°或是大范围的场景中。利用此系统达到在空间中形成一道或多道扫描光束。测量时仅需修改空间光调制器调制的全息图，而无需运动系统结构。
非球面反射镜可被换成球面反射镜，这样可以较少此原件的加工检测难度，在空间光调制器上做一定补偿，也可以达到相同的效果。若扫描角度在经反射镜反射前已满足，非球面反射镜可被换成锥面反射镜。非球面反射镜还可被换成自由曲面反射镜，以满足一些特殊扫描范围需求。
在变化例中，空间光调制器可被换成运动式光栅，可以提高扫描频率。可在激光器与空间光调制器之间加一组透镜，先将光束准直后再进入空间光调制器，可以简化空间光调制器的算法。或者，控制系统控制激光器，发出面型光，直接经过反射体反射到周围360°或大范围的场景中，接收器接收场景中的反馈信号。可最大化扫描频率。
下面结合各个优选例，对本发明进行更为具体的说明。
空间光调制器生成扫描光束方案的优选例
本发明的一种激光雷达扫描接收系统如图1所示，包含发射系统1、控制系统2、接收系统3。其中，发射系统1如图2所示，包含凸面反射镜4、光源5、扫描光束生成模块6。其中，凸面反射镜4一般采用非球面反射镜，光源5一般采用半导体激光器或者采用半导体激光器和一组准直透镜对光学进行准直，扫描光束生成模块6一般采用反射式空间光调制器。其中接收系统3一般采用光传感器。
在此方案中激光器可以安装在非球面反射镜的侧后方或下方。若放在下方，则在反射式空间光调制器与非球面反射镜之间加一个二分之一波片，使光的偏振方向旋转90°，非球面反射镜设计为一个偏振方向全反，另一个偏振方向全透。结构如图2所示。
控制系统2控制光源5发出一连串脉冲式激光经过透镜组准直后，再经过反射式空间光调制器调制生成如图4-图9所示的一些动态扫描光束全息图，例如圆形光线相邻半径的输出夹角为0.4°，以非球面反射镜旋转对称轴做扩散运动，光束扩散角0.0025°，每个圆每1ms扩大0.003°，扫描光束范围全角4°。再经过构成凸面反射镜4的非球面反射镜反射后向场景9，扩散的圆形扫描光束经凸面反射镜4的面型为
控制系统2同步控制光源、空间光调制器、光传感器。以1ms为一个周期，在每个1ms内的前0.5ms控制系统2控制光源发出一串脉冲光束，同时控制系统空间光调制器调制的全息图在这1ms内静止，光传感器在这个1ms内接收到反馈信号，根据返回信号的方向、时间与发射的方向、时间，计算出物体的方向、距离。在下一个周期，控制系统2控制空间光调制器改变全息图，使每条扫描光束移动到下一个角度，其余步骤重复。
若在一个周期内，光传感器接收到某几个方向的扫描光束的返回信号，则控制系统2控制空间光调制器在下一个周期内再向这些方向额外各生成一条扫描光束。若额外生成的扫描光束在之后的某一个周期内不再获得反馈信号，则控制系统2控制空间光调制器在后续周期内不再在这个方向上生成扫描光束。
面扫描方案的优选例
不用到扫描光束生成模块6，控制系统2控制激光器发出一个面型光，经过凸面反射镜4反射到场景9中，接收器接收各个方向的反馈信号，根据返回时间与反馈信号的方向判断物体的距离与方向。本方案可最大频率的扫描场景9，但光束能量分散，扫描距离较近。
光栅生成扫描光束方案优选例
激光器照射在一个绕圆盘中心旋转的圆盘边缘，圆盘边缘印有连续变化的光栅，光线通过光栅后形成了如图8所示垂直交叉绕中心点旋转的动态扫描光束，此扫描光束经非球面反射镜反射，向周围360°场景输出6条横向移动的纵向扫描光束，每两条光束夹角60°，每10ms偏转60°便完成一次全景扫描，1s可扫描100次。
此方案过程中，控制系统控制步进电机与激光器同步，每当一个微结构转到非球面反射镜旋转对称轴所在直线，激光器发出一束光。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！