一种收发同步激光雷达光学系统的制作方法

本发明属于激光雷达光学设计系统领域，涉及一种收发同步激光雷达光学系统。

背景技术：

激光雷达技术通过对周围环境的探测了解做出像人脑一样灵活的反应与应对决策，是自动驾驶的核心技术。稳定性高、结构简单、分辨率高的激光雷达系统是人们一直想要实现的目标。

激光雷达系统包括扫描式激光雷达，其主要分为传统机械式旋转扫描、全固态扫描和mems(微机电系统)的混合固态扫描。旋转扫描式激光雷达操作灵活，利用单点发射激光光源就可实现面阵视场探测，通过计算发射激光与散射回波信号接收时间差来实现其测距功能。

旋转扫描式激光雷达光学系统根据光路发射与接收是否分离分为收发共轴光学系统与收发异轴光学系统：

收发异轴光学系统操作简单，激光发射光路与接收光路完全分离，排除了发射产生的杂散光对接收系统干扰；缺点是由于机械或微机电扫描实现二维三维的测试视场，接收系统相应的需要大视场和大孔径接收透镜，光学上这两点同时满足难度较大，且收发异轴测试中存在较大测试盲区。

为了解决收发异轴光学系统需要大视场接收透镜的问题，可以采用两套同步振镜实现，如专利cn107526071a提出将光源依次通过两个互相垂直的单轴振镜形成面扫描，散射回波光经另外两个与发射振镜同步旋转的单轴振镜对回波能量进行接收，由接收透镜接收后聚焦至探测器。这个光学系统关键在于实现两套振镜的同步转动，要实现转动的完全同步就要保证两个振镜在频率、幅值、相位等参数高度一致，这个过程操作难度较大，同步误差的存在会直接影响最终的测试结果。

收发共轴光学系统对大视场透镜要求不高，所以设备结构体积可以做到很小，收发共轴光学系统测试盲区较小；缺点是激光发射光路中杂散光很容易直接影响接收系统回波信号，导致测试结果不准确。

如专利cn107153184a提出使用一个单轴振镜和旋转结构组合实现激光的面发射扫描，振镜和机械结构分别控制一维光路的发射，散射回波光原路返回经半透半反镜后被探测器接收。这个收发共轴的光学系统结构简单，但回波光与发射光混在一起，半透半反镜很容易将发射杂散光反射进光电探测器，探测信号会受到发射光信号的干扰，导致测试结果的误差。

技术实现要素：

为了解决因不能精确保证两套振镜的同步转动及收发共轴光学系统容易将发射杂散光反射进光电探测器导致的测试结果不准确的问题，本发明提出一种新的收发同步激光雷达光学系统。将振镜或者旋转电机表面分为完全隔离的上下两部分，激光准直后经上部分表面反射发出组成激光雷达发射系统；下部分表面将回波能量反射回探测器组成激光雷达接收系统，实现收发同步光学系统的同时解决了振镜不同步的问题，提高测试结果的可靠性。

本发明的技术方案是提供一种收发同步激光雷达光学系统，包括激光雷达发射系统与激光雷达接收系统；上述激光雷达发射系统包括激光发射模块与扫描发射振镜；上述激光雷达接收系统包括扫描接收振镜与信号接收模块；激光发射模块对脉冲激光进行光束整形后经扫描发射振镜反射后到达被测物体实现二维面阵扫描探测，被测物体的散射回波光经扫描接收振镜反射至信号接收模块；

其特殊之处在于：

上述扫描发射振镜与扫描接收振镜为同一扫描振镜，其表面设有垂直于镜面的隔离装置，将扫描振镜分为上下两个部分，分别作为扫描发射振镜与扫描接收振镜。

进一步地，上述隔离装置为不透光材料制成的隔离板或隔离罩，利用不透光材料做隔断，将扫描振镜分为两个互不干扰的隔离系统，分别用作激光雷达扫描发射振镜和激光雷达扫描接收振镜，实现收发光学系统各自独立，互不影响。

进一步地，为了有效利用振镜镜面面积，上述扫描接收振镜的激光雷达接收面积大于扫描发射振镜的激光雷达发射面积；扫描发射振镜的激光雷达发射面积大于激光发射模块发射并准直后光斑的大小，扫描接收振镜的接收模块面积较大可获得更多回波能量的接收，增大系统的测试距离。

进一步地，上述激光发射模块包括脉冲激光器与准直透镜组，脉冲激光器出射的激光经准直透镜组准直后入射至扫描发射振镜；

上述信号接收模块包括接收透镜组与光电探测器，散射回波光经扫描接收振镜反射后依次进入接收透镜组与光电探测器，实现收发同步扫描散射回波能量的接收。

进一步地，上述光电探测器主要为雪崩光电二极管(avalanchephotondiode，简称apd)、单光子雪崩二极管(singlephotonavalanchediode，简称spad)、硅光电倍增管(mppc)或pin光电二极管。

进一步地，因扫描发射振镜与扫描接收振镜同步旋转，降低了接收透镜组的视场角，所以上述接收透镜组为常规透镜，即包括至少一片非球面镜或包括多片普通镜片，实现光束聚焦。

进一步地，上述扫描振镜可以为二维mems振镜，通过激光发射点光斑在扫描振镜反射后发射面阵激光；上述准直透镜组包括至少一片非球面镜或至少两个柱面镜或多片普通镜片。

进一步地，上述扫描振镜还可以为两个扭转方向相互垂直的第一单轴扫描振镜与第二单轴扫描振镜，所述隔离装置设置在第二单轴扫描振镜上；所述准直透镜组包括至少一片非球面镜或至少两个柱面镜或多片普通镜片。

进一步地，第一单轴扫描振镜与第二单轴扫描振镜为单轴mems振镜或一维旋转电机。

进一步地，上述扫描振镜还可以为一个单轴扫描振镜；所述准直透镜组包括至少一片非球面镜与至少一个柱面镜，或包括多片普通镜片与至少一个柱面镜，主要作用实现对激光先进行像散的矫正与光斑准直，后再通过柱面镜等扩线透镜对准直光斑进行扩线。激光出射扩线角度方位与扫描振镜扫描方位相互垂直。

进一步地，上述单轴扫描振镜为单轴mems振镜或一维旋转电机。

本发明的有益效果是：

1、本发明收发同步激光雷达光学系统解决了异轴需要大视场接收透镜及同轴系统杂散光很容易直接影响接收系统回波信号的问题，同时解决了同步振镜一致性调节存在的困难。

2、本发明提出的一种收发同步激光雷达光学系统，在扫描振镜上加不透光材料，将扫描振镜完全分割为上下两个互不干扰的扫描模块，分别用作激光雷达扫描发射模块和激光雷达扫描接收模块，实现收发光学系统的互不干扰，排除了共轴收发光路混合产生的杂散光对接收信号的干扰；同时扫描发射振镜与扫描接收振镜是一个整体，实现同步旋转，通过扫描接收振镜的接收扫描面每时刻的同步旋转反射回收不同发射角度的回波能量，降低接收透镜组的视场角，大大简化了接收透镜组的设计难度与结构，并可保证激光扫描系统发射模块与接受模块在频率、幅值、相位完全一致，大大提高测试结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一一种收发同步激光雷达光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直透镜组；3-二维mems振镜；4-扫描视场；5-隔离装置；6-接收透镜组；7-光电探测器。

图2为本发明实施例二一种收发同步激光雷达光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直透镜组；31-单轴扫描振镜振镜；32-单轴扫描振镜振镜；4-扫描视场；5-隔离装置；6-接收透镜组；7-光电探测器。

图3为本发明实施例三一种收发同步激光雷达光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直扩线透镜组；3-单轴扫描振镜振镜；4-扫描视场；5-隔离装置；6-接收透镜组；7-光电探测器。

具体实施方式

本发明通过在振镜表面设置不透光材料，将振镜分为上下两个互不干扰的振镜模块后分别用做激光的发射与接收面，将发射激光与接收激光隔离，实现了收发系统互不干扰，同时达到收发振镜扫描的完全同步。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例一

从图1可以看出，本实施例收发同步激光雷达光学系统，包括激光雷达发射系统与激光雷达接收系统。激光雷达发射系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直透镜组2及二维mems振镜3；激光雷达接收系统包括沿光路依次设置的二维mems振镜3、接收透镜组6和光电探测器7。本实施例中的准直透镜组2包括至少一片非球面镜或至少两个柱面镜或多片普通镜片的组合，主要作用是实现对脉冲激光器1出射激光的光斑整形。因为激光二极管固有像散严重，需要对其出光光斑进行准直。激光经过准直透镜组的准直后激光光斑实现最大程度的能量集中，可提高发射光能量实现更远的测试距离。

本实施例光学系统还包括由不透光材料制成隔离装置5，其垂直于二维mems振镜3的镜面设置，将二维mems振镜3分为上下两部分，上部分二维mems振镜3作为激光雷达发射系统中的扫描发射振镜，下部分二维mems振镜3作为激光雷达接收系统中的激光雷达扫描接收振镜，保证收发光学系统各自独立工作。本实施例中隔离装置5为板状其他形状，只要能够使得收发光学系统各自独立工作即可。

脉冲激光器1出射的激光经过激光准直透镜组2准直后在二维mems振镜3的上部分即扫描发射振镜表面进行反射，同时进行水平和竖直两个方向的扫描，形成扫描视场4，实现三维面视场的测距成像；被测物体散射回波光经二维mems振镜3的下部分即扫描接收振镜反射后进入接收透镜组6进行聚焦，后由光电探测器7(如apd、spad、mppc或pin)进行信号处理。

由于二维mems振镜3表面设置了隔离装置5，激光雷达发射系统与接收系统单独工作，互不干扰，光电探测器7不会受到发射激光产生的杂散光影响。扫描发射振镜与扫描接收振镜同步旋转，通过扫描接收振镜的接收扫描面每时刻的同步旋转反射回收不同发射角度的回波能量，降低接收透镜组的视场角，大大简化了接收透镜组的设计难度与结构。因此，本实施例的接收透镜组为常规接收透镜组，不需要大孔径接收透镜，即包括至少一片非球面镜或多片普通镜片的组合。同时扫描发射振镜与扫描接收振镜可以看做是两个完全同步的扫描振镜，由于振镜本来就是一个整体，两个部分在频率、幅值、相位等参数高度一致，解决了同步振镜调试过程的不稳定性，提高测试结果的准确程度。

为了合理利用扫描振镜面积，扫描接收振镜的接收面积应大于扫描发射振镜的发射面积，扫描发射振镜的发射面积大于激光准直光斑大小即可，扫描接收振镜的接收面积较大可接收更多回波能量，大大增加系统的测试距离。

实施例二

从图2可以看出，本实施例收发同步激光雷达光学系统，包括激光雷达发射系统与激光雷达接收系统。其中激光雷达发射系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直透镜组2、单轴扫描振镜31与单轴扫描振镜32；激光雷达接收系统包括沿光路依次设置的单轴扫描振镜32(该单轴扫描振镜32与激光雷达发射系统中的单轴扫描振镜32为同一个单轴扫描振镜)、接收透镜组6与光电探测器7。其中单轴扫描振镜可以是单轴mems振镜或一维旋转电机。本实施例准直透镜组2包括至少一片非球面或至少两个柱面镜或多片普通镜片的组合，主要作用实现对激光的光斑整形。

本实施例光学系统还包括隔离装置5，由不透光材料制成垂直于单轴扫描振镜32镜面设置，将单轴扫描振镜32分为上下两部分，上部分单轴扫描振镜32作为激光雷达发射系统中的扫描发射振镜，下部分单轴扫描振镜32作为激光雷达接收系统中的扫描接收振镜，保证收发光学系统各自独立工作。本实施例中隔离装置5为板状其他形状，只要能够使得收发光学系统各自独立工作即可。

脉冲激光器1发出的脉冲激光经准直透镜组2以很小的光斑打到单轴扫描振镜31上，单轴扫描振镜31在驱动器的控制下进行垂直方向的扭转，其中心轴绕y轴扭转。由于单轴扫描振镜31不参与接收光路系统，其面积只需要大于光斑面积即可。单轴扫描振镜32的上半部分即扫描发射振镜接收来自单轴扫描振镜31的扫描光后在驱动器的控制下进行水平方向上的扭转，其中心轴绕x轴扭转。扫描光经单轴扫描振镜32的扫描变为二维扫描成面阵激光发射至物体，形成扫描视场4；物体散射回波光经单轴扫描振镜32的下半部分即扫描接收振镜反射后进入接收透镜组6进行聚焦后由光电探测器7(如apd、spad、mppc或pin)进行信号处理。两个单轴扫描振镜的旋转方向可以调换，如单轴扫描振镜31在驱动器的控制下进行水平方向的扭转，其中心轴绕x轴扭转。单轴扫描振镜32接收来自单轴扫描振镜31的扫描光后在驱动器的控制下进行垂直方向上的扭转，其中心轴绕y轴扭转。

由于单轴扫描振镜32表面设置了隔离，激光雷达发射系统与接收系统单独工作，互不干扰，接收探测器不会受到发射激光产生的杂散光影响。扫描发射振镜与扫描接收振镜同步旋转，通过扫描接收振镜的接收扫描面每时刻的同步旋转反射回收不同发射角度的回波能量，降低接收透镜组的视场角，大大简化了接收透镜组的设计难度与结构。因此，本实施例的接收透镜组为常规接收透镜组，不需要大孔径接收透镜，即包括至少一片非球面或多片普通镜片的组合。同时收发扫描振镜可以看做是两个完全同步的扫描振镜，由于振镜本来就是一个整体，两个部分在频率、幅值、相位等参数高度一致，解决了同步振镜调试过程中的不稳定性，提高测试结果的准确程度。为了合理利用扫描振镜面积，被隔断的单轴扫描振镜32激光雷达接收面积应大于激光雷达发射面积，扫描接收振镜面积大于单轴扫描振镜31扫描出的线状光斑光斑大小即可，为保证单轴扫描振镜31扫描出射的线光斑面积小于发射模块表面积，这就需要单轴扫描振镜31与单轴扫描振镜32之间的距离尽可能的小。接收模块面积较大可接收更多回波能量的，增大系统的测试距离。

实施例三

从图3可以看出，本实施例收发同步激光雷达光学系统，包括激光雷达发射系统与激光雷达接收系统。其中激光雷达发射系统包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直扩线透镜组2及单轴扫描振镜3；激光雷达接收系统包括沿光路依次设置的单轴扫描振镜3、接收透镜组6及光电探测器7；其中，单轴扫描振镜可以是单轴mems振镜或单轴旋转电机。

本实施例光学系统还包括隔离装置5，由不透光材料制成垂直于单轴扫描振镜3镜面设置，将单轴扫描振镜3分为上下两部分，上部分单轴扫描振镜3作为激光雷达发射系统中的扫描发射振镜，下部分单轴扫描振镜3作为激光雷达接收系统中的扫描接收振镜，保证收发光学系统各自独立工作。本实施例中隔离装置5为板状其他形状，只要能够使得收发光学系统各自独立工作即可。

本实施例准直透镜组2包括至少一片非球面镜与至少一个柱面镜，或包括多片普通镜片与至少一个柱面镜；主要作用实现对激光先进行像散的矫正与光斑准直，后再通过柱面镜等扩线透镜对准直光斑进行扩线，同时保证出射的线光斑各个角度能量均匀。

脉冲激光器1发射的光斑经准直扩线透镜组2后转化为线光斑，线光斑在单轴扫描振镜3的上部分即扫描发射振镜的表面进行反射，线光斑的角度方位与单轴扫描振镜3的转轴平行，即激光出射扩线角度方位与扫描振镜扫描方位相互垂直，线光斑通过扫描振镜后形成扫描视场4，实现三维面视场的测距成像，散射回波光经单轴扫描振镜3的下部分即扫描接收振镜反射后进入接收光学系统。

由于单轴扫描振镜3表面设置了隔离，激光雷达发射系统与接收系统单独工作，互不干扰，接收探测器不会受到发射激光产生的杂散光影响。扫描发射振镜与扫描接收振镜同步旋转，通过扫描接收振镜的接收扫描面每时刻的同步旋转反射回收不同发射角度的回波能量，降低接收透镜组的视场角，大大简化了接收透镜组的设计难度与结构。因此，本实施例的接收透镜组为常规接收透镜组，不需要大孔径接收透镜，即包括至少一片非球面或多片普通镜片的组合。同时收发扫描振镜可看做是两个完全同步的扫描振镜，由于振镜本来就是一个整体，两个部分在频率、幅值、相位等参数高度一致，解决了同步振镜调试过程中的不稳定性，提高测试结果的准确程度。

为了合理利用单轴扫描振镜3面积，被隔断的扫描振镜激光雷达接收面积应大于激光雷达发射面积，扫描发射振镜面积大于激光准直扩线光斑大小即可。可将激光准直扩线透镜组近距离靠近发射扫描模块，保证近距离的扩线光斑体积小于发射模块表面积。接收模块面积较大可接收更多回波能量的，增大系统的测试距离。