一种激光雷达发射系统的制作方法

【技术领域】

本发明涉及激光测量技术领域，具体是一种激光雷达发射系统。

背景技术：

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。其是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、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

应用于无人驾驶、轨道交通等领域内的激光雷达需要观察较远的距离，较早的获取目标物体信息，以便预留出足够的处理时间，这对于长距激光雷达提出了要求。但激光雷达使用的激光光束有一定的发散度，长距离下光斑很大，激光能量分散，反射回的激光能量随着光斑范围(光斑范围决定了观察范围)增加而快速减小，这种情况大大限制长距离的实现。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种激光雷达发射系统，减小光束发散度，定向地放大光斑，从而任意调整观察范围和观察距离。

本发明是这样实现的：一种激光雷达发射系统，沿激光光束的发射方向依次设置：

负透镜组，包括至少一个负透镜，通过虚焦让激光光束形成发散光束；

mems振镜，接收所述发散光束并投射出一个观察区域；

正透镜组，包括至少一个正透镜，接收由所述mems振镜投射出的光束并进行准直后出射，减小所述出射光束的发散度。

进一步的，所述负透镜组仅由单负透镜组成，所述单负透镜的光焦度在激光光束的目标发散方向上，该目标发散方向决定了所述出射光束形成的光斑待放大方向。

进一步的，所述负透镜组由第一负透镜和第二负透镜组成，所述第一负透镜和所述第二负透镜均为柱面透镜，且所述第一负透镜和所述第二负透镜的光焦度分别在两个垂直的方向上，该两个垂直的方向共同决定激光光束的目标发散方向，该目标发散方向决定了所述出射光束形成的光斑待放大方向。

进一步的，所述第一负透镜的光焦度和所述第二负透镜的光焦度相等或不相等。

进一步的，所述正透镜组由单正透镜组成，所述单正透镜为球面镜或柱面镜，且所述单正透镜的光焦度方向为所述出射光束的光斑待整形方向。

进一步的，所述正透镜组由第一正透镜和第二正透镜组成，所述第一正透镜和所述第二正透镜的光焦度分别在两个垂直的方向上，该两个垂直的方向共同决定所述出射光束的光斑待整形方向。

本发明的优点在于：本发明的激光雷达发射系统，负透镜组、mems振镜和正透镜组组成，减小光束发散度，定向地放大光斑，从而将光斑控制在合适的范围内，以最大程度地提高观察范围和观察距离。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明激光雷达发射系统的整体原理框图；

图2是本发明激光雷达发射系统的实施例一的y-z轴方向的结构示意图；

图3是本发明激光雷达发射系统的实施例一的x-z轴方向的结构示意图；

图4是本发明激光雷达发射系统的实施例二的y-z轴方向的结构示意图；

图5是本发明激光雷达发射系统的实施例一的x-z轴方向的结构示意图；

图6是本发明激光雷达发射系统的负透镜组的焦距及光焦度方向对最终出射光束的光斑影响情况；

图7是本发明激光雷达发射系统的影响因素调整示意图。

【具体实施方式】

本发明实施例通过提供一种激光雷达发射系统，减小光束发散度，定向地放大光斑，从而可以任意调整观察范围和观察距离。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：在激光雷达发射系统中加入负透镜组和正透镜组，分别位mems振镜的前、后光路中，减小光束发散度，定向地放大光斑，从而将光斑和发散度控制在合适的范围内，即可通过负透镜组和正透镜组的各个透镜的焦距和光焦度方向，来控制最终输出的激光光束的扫描区域，以最大程度地提高观察范围和观察距离。

请参阅图1至图3所示，本发明的激光雷达发射系统，沿激光光束的发射方向依次设置：

负透镜组1，包括至少一个负透镜，通过虚焦让激光光束形成发散光束；

mems振镜2，接收所述发散光束并投射出一个观察区域；

正透镜组3，包括至少一个正透镜，接收由所述mems振镜投射出的光束并进行准直后出射，减小出射光束的发散度。

所述负透镜组1仅由单负透镜组成，所述单负透镜的光焦度在激光光束的目标发散方向上，该目标发散方向决定了所述出射光束形成的光斑待放大方向。

所述负透镜组1由第一负透镜和第二负透镜组成，所述第一负透镜和所述第二负透镜均为柱面透镜，且所述第一负透镜和所述第二负透镜的光焦度分别在两个垂直的方向上，该两个垂直的方向共同决定激光光束的目标发散方向，该目标发散方向决定了所述出射光束形成的光斑待放大方向。

所述第一负透镜的光焦度和所述第二负透镜的光焦度相等或不相等。

所述正透镜组2由单正透镜组成，所述单正透镜为球面镜或柱面镜，且所述单正透镜的光焦度方向为所述出射光束的光斑待整形方向。

所述正透镜组2由第一正透镜和第二正透镜组成，所述第一正透镜和所述第二正透镜的光焦度分别在两个垂直的方向上，该两个垂直的方向共同决定所述出射光束的光斑待整形方向。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

如图2和图3所示，为同一光路不同方向的投影，图2是在坐标轴y上光路结构图，图3是在坐标轴x上光路结构图。该实施例中的mems振镜的作用是把入射光在上述x和y上投射出一个区域，区域内的光线图2和图3分别做了采样显示。

该实施例中的负透镜组1仅由一个负透镜13组成，其将激光光束产生一个虚焦，即可形成发散光束后投射给mems振镜2，所述单负透镜13的光焦度在x轴方向和y轴方向上，即激光光束的目标发散方向包括x轴方向和y轴方向，由于该目标发散方向决定了所述出射光束形成的光斑待放大方向，因此出射光束形成的光斑待放大方向也包括x轴方向和y轴方向。当然，根据观察范围的需求，负透镜13的光焦度还可以只在x轴方向上或只在y轴方向上，以对出射光束的光斑只在x轴方向上或只在y轴方向上进行放大。

该实施例中的正透镜组3由两个正透镜组成，即正透镜31和正透镜32，正透镜31和正透镜32的作用相同，将mems振镜后端的发散光束进行准直，从而使发散度减小，使mems振镜原本的扫描区域内的角度减小，正透镜31和正透镜32的光焦度分别在x轴方向和y轴方向，从而分别在x轴方向和y轴方向上进行准直。

实施例二

如图4和图5所示，为同一光路不同方向的投影，图4是在坐标轴y上光路结构图，图5是在坐标轴x上光路结构图。该实施例中的mems振镜的作用同样是把入射光在上述x和y上投射出一个区域，区域内的光线图4和图5分别做了采样显示。

该实施例中的负透镜组由一个第一负透镜11和一个第二负透镜12组成，第一负透镜11和第二负透镜12的光焦度分别在x轴方向和y轴方向上，从而在x轴方向和y轴方向上将激光光束分别产生一个虚焦，即可形成发散光束后投射给mems振镜，所述第一负透镜11和第二负透镜12对激光光束形成的目标发散方向包括x轴方向和y轴方向，则决定了出射光束的光斑待放大方向也包括x轴方向和y轴方向。

该实施例中的正透镜组则由单正透镜33组成，用于将mems振镜后端的发散光束进行准直，从而使发散度减小，使mems振镜原本的扫描区域内的角度减小，单正透镜33的光焦度分别在x轴方向和y轴方向，从而分别在x轴方向和y轴方向上进行准直。当然，根据观察范围和观察距离的需求，单正透镜33的光焦度还可以只在x轴方向上或只在y轴方向上，以对出射光束只在x轴方向上或只在y轴方向上进行准直。

同样的，选择合适的透镜焦距、光焦度方向、透镜间的间距，以及原本mems振镜扫描区域的角度，就可以控制最终出射光束的扫描区域角度及发散角度。

综上所述，负透镜组1的透镜数量和光焦度方向，与负透镜组3的透镜数量和光焦度方向没有必然联系，负透镜组1和正透镜组3具体由几个透镜组成，以及各透镜的光焦度方向如何，可以根据具体的最终出射光束的水平和垂直方向上扫描角度，以及各采样区域内光斑大小一致性决定。如图6所示，负透镜组1的焦距及光焦度方向对最终出射光束的光斑影响可归结为如下三种：

(1)、如图6中的(a)所示，假设调整前的出射光束的光斑为正圆，当负透镜组1的所有负透镜的光焦度方向在x轴方向上，大小为f1时，调整后的出射光束的光斑则为被在x轴方向拉伸后的圆；

(2)、如图6中的(b)所示，假设调整前的出射光束的光斑为正圆，当负透镜组1的所有负透镜的光焦度方向在y轴方向上，大小为f1时，调整后的出射光束的光斑则为被在y轴方向上拉伸后的圆；

(3)、如图6中的(c)所示，假设调整前的出射光束的光斑为正圆，当负透镜组1的所有负透镜的光焦度方向部分在x轴方向上，部分在y轴方向上，大小分别为f1和f2时，调整后的出射光束的光斑则为被在x轴方向和y轴方向上拉伸后的圆。

本发明中的对光斑进行调整，主要指的是对最终出射光束的束腰大小的调整，光束的束腰指的是能量最为会聚的地方，其与光束发散度成反向相关关系，实际应用中，进入负透镜组1之前通常会设置准直单元4，因此此处的激光光束实际是经过准直单元4后的光束，也称为准直光；结合图7所示，本发明中最终出射光束的束腰大小的影响因素包括：

负透镜组1中各个透镜与准直单元4之间的间距d1大小，当保持其他条件不变时，最终出射光束的束腰大小随该间距d1的增大而增大；

正透镜组3到mems振镜之间的间距d2大小，增加d2大小，增加正透镜组3的焦距，最终出射光束的束腰大小随d2的增大而增大；

负透镜组1和正透镜组3中各个透镜的焦距大小，负透镜组1是用于形成发散光，正透镜组3用于准直光束，可根据具体的情况选择各个透镜的焦距。

但需要说明的是：在其余条件不更改的情况下，经过所述准直单元4后光束束腰越大，最终出射光束的束腰值会更大，但受当前mems振镜加工工艺的限制，mems振镜2的反射面的口径不可能做的很大，因此mems振镜2的反射面的口径反过来会限制准直单元4。准直单元4到负透镜组1的间距越大，在进入负透镜组1之前的光斑就越大，这样其实本发明的本质就是最大程度的避免当前mems振镜反射面口径的制约，提高最终输出光束的束腰值。因此先通过负透镜组1将光束形成发散光，经过mems振镜2后，再通过正透镜组3再次准直，正透镜组3中各个透镜到mems振镜2之间的间距等因素不会受mems振镜反射面口径的限制，当正透镜组3中各个透镜到mems振镜2之间间距越大，光线传播的距离就越大，在发散度一定的条件下，经过正透镜组3准直后的光束束腰越大；输出的在需要所放大光斑水平和(或)垂直方向上，减小需要的角度，也可以获得在该方向上输出光束的束腰。另外，从整个系统来说，各组成部分之间间距也不可能很大，总体体积有一定限制，因此可以根据实际情况选择或调整各个影响因素。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。