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CN107015237A - 一种回波探测光学系统 - Google Patents

一种回波探测光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种回波探测光学系统。该回波探测光学系统包括：激光光源、通孔反射镜、反射棱镜和光接收系统；所述激光光源发射的激光光束穿过所述通孔反射镜的通孔，经过所述反射棱镜的反射后照射到目标探测空间，当所述激光光束照射到所述目标探测空间中的探测目标，所述探测目标的回波依次被所述反射棱镜和通孔反射镜反射后，照射到所述光接收系统。实现了简化测距光学系统，缩小体积，降低成本的技术效果。

Description

一种回波探测光学系统
技术领域
本发明实施例涉及测距技术领域，尤其涉及一种回波探测光学系统。
背景技术
在使用激光进行远距离扫描测距的设备中，为实现测距的功能，其光学设计中通常采用振镜、多个激光器和多个接收器形成多收多发的光路，由于采用了多个激光器和多个接收器，导致远距离测距设备的结构复杂，尺寸大，使得整体设备笨重，且加工成本高。同时，多个发射电路和接收电路和时序算法等也较难处理。
比如，美国verlodyne公司的激光雷达VLP-16，测量范围200米，测量频率最高320khz，能够探测周围360°环境信息。但是，这样的配置，导致激光雷达VLP-16需要多达16个激光器进行发射和16个接收器进行接收。
发明内容
本发明提供一种回波探测光学系统，以简化测距光学系统，缩小体积，降低成本。
本发明实施例提供了一种回波探测光学系统，包括：激光光源、通孔反射镜、反射棱镜和光接收系统；所述激光光源发射的激光光束穿过所述通孔反射镜的通孔，经过所述反射棱镜的反射后照射到目标探测空间，当所述激光光束照射到所述目标探测空间中的探测目标，所述探测目标的回波依次被所述反射棱镜和通孔反射镜反射后，照射到所述光接收系统。
优选地，所述反射棱镜能够旋转以实现竖直方向的扫描，所述回波探测光学系统能整体上在水平面内旋转。
优选地，所述反射棱镜为反射三棱镜。
优选地，还包括准直光学子系统，位于所述激光光源和通孔反射镜之间，用于对所述激光光束进行准直。
优选地，所述准直光学子系统由三片透镜组成，沿着激光光束的传播方向从左至右依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述准直光学子系统的口径为20mm，总长为35mm。
优选地，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的厚度依次为：2.016mm、3.904mm和3.038mm；所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隙为17.812mm，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隙为1.541；组成所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的六个面的曲率半径从左至右依次为：-3mm-1、3mm-1、-555.445mm-1、-14.231mm-1、-276.456mm-1和-31.06mm-1。
优选地，所述光接收系统包括聚焦光学子系统和光电探测器，所述聚焦光学子系统用于将所述探测目标的回波进行聚焦后照射到所述光电探测器。
优选地，所述聚焦光学子系统由四片透镜和光阑组成，沿着所述回波的传播方向从左至右依次包括第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜和第七透镜，所述聚焦光学子系统的口径为40mm，焦距为40mm，总长为45mm。
优选地，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的厚度依次为：4.558mm、5mm、4.559mm和2.271mm；所述第四透镜和第五透镜之间的空气间隙为2mm、所述第五个透镜和光阑之间的空气间隙为4.656mm，所述光阑和第六个透镜之间的空气间隙为2.353mm，所述第六个透镜和第七透镜之间的空气间隙为7.603mm；组成所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的八个面的曲率半径从左至右依次为：66.503mm-1、373.521mm-1、49.402mm-1、249.402mm-1、26.82mm-1、76.82mm-1、-40.64mm-1和38.767mm-1。
优选地，所述光接收系统还包括滤光片，位于所述聚焦光学子系统和光电探测器之间。
本发明提供的一种回波探测光学系统，通过采用将激光光源、发射光路与接收光路同轴设置的技术手段，使激光光源发射的激光光束通过通孔反射镜的通孔射向反射棱镜，经过反射棱镜的反射，使得激光光束照射到目标探测空间。当激光光束在照射到目标探测空间中的探测目标时，该激光光束经过探测目标的散射，产生后向散射光。来自探测目标的后向散射光依次经过反射棱镜和通孔反射镜反射后，进入光接收系统。这样一发一收就完成了多线的发射和接收，使得本发明提供的回波探测光路系统中根本不存在多发多收的问题，如果远距离激光扫描测距设备中采取本发明提供的回波探测光路系统，则可以解决现有技术光学中的远距离测距系统由于多收多发而导致的结构复杂，尺寸大，加工成本高的技术问题，实现了简化测距光学系统，缩小体积，降低成本的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种回波探测光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中的准直光学子系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中的聚焦光学子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在不冲突的情况下，以下实施例和实施例中的特征可以相互组合。
本实施例提供的回波探测光学系统可应用于高精度扫描激光测绘雷达，属于其核心部件。采用本实施例提供的回波探测光学系统，可以基于飞行时间法，计算调制激光发射和返回的时间差，得到光程，进而得到探测目标的距离信息。
如图1所示，回波探测光学系统包括：激光光源11、通孔反射镜12、反射棱镜13和光接收系统14；激光光源11发射的激光光束，穿过通孔反射镜12的通孔，经过反射棱镜13的反射后照射到目标探测空间，当激光光束在目标探测空间照射到探测目标时，该激光光束经过探测目标散射，形成的回波依次被反射棱镜13和通孔反射镜12反射后，照射到光接收系统14上。
本实施例提供的光学系统选用同轴光接收方式，使得接收视场不成问题，且采用一收一发，减少了光学元件，降低了光接收系统的设计难度，同时，使得整个回波探测光学系统体积小，结构紧凑。
进一步地，反射棱镜13能够旋转，以实现竖直方向(即图1中示出z轴方向)的扫描，回波探测光学系统能整体上在水平面内(即图1中示出的x轴和y轴组成的x-y平面)旋转。具体地，反射棱镜13为反射三棱镜。反射三棱镜可将其中心对称轴作为其旋转轴。
发射激光通过通孔反射镜12的通孔入射到反射三棱镜，反射三棱镜旋转方向为如图1所示的A方向，实现如图1所示的z轴方向一维的100°视场内激光光束的垂直扫描，即从-40°至+60°；同时，整个回波探测光学系统能绕360°水平旋转，实现激光光束的水平扫描，以z轴为旋转轴，在x-y平面内旋转，旋转方向为如图1所示的B方向。光接收系统14整体相对于z轴偏转了10度，是为实现目标探测空间中的-40°—+60°垂直扫描，即反射三棱镜实现-20°—+30°的偏转。因此，本实施例提供的光学系统扫描视场大。
反射棱镜13选择设置为反射三棱镜。这种设置的原因是：现普遍的激光雷达中选用的振镜，导致现有激光雷达的扫描角度受限，且由于光束反射的固有特性不能同时满足两个扫描器均匀扫描的条件，会造成扫描图像的畸变。而本光学系统中要求机械扫描角度为50度，而反射三棱镜理想情况下可扫描120度。考虑到发射激光光斑的大小，从这个角度似乎可以考虑增加棱镜的反光面的面数，提高扫描角度的利用率和电机的利用率。然而，自主加工的反射三棱镜的同轴度往往不能完全保证，若反射三棱镜的三个棱镜面都同时进行扫描，将出现扫描视野的偏差，因而，为保证扫描视场的同轴度，选择只利用其中一个棱镜面来扫描。再结合考虑到尺寸问题，选择用反射三棱镜。
在上述技术方案的基础上，进一步地，回波探测光学系统还可以包括准直光学子系统(图1中未示出)，该准直光学子系统位于激光光源11和通孔反射镜12之间，用于对激光光束进行准直。
具体地，如图2所示，准直光学子系统可以由三片透镜组成，沿着激光光束的传播方向，从左至右依次为第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，准直光学子系统的口径为20mm，总长为35mm。
其中，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的厚度依次为：2.016mm、3.904mm和3.038mm；第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隙为17.812mm，第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隙为1.541；组成第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的六个面的曲率半径从左至右依次为：-3mm-1、3mm-1、-555.445mm-1、-14.231mm-1、-276.456mm-1和-31.06mm-1。
更进一步地，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3可以均为球面透镜，激光光源11可采用光纤激光器。
本实施例提供的回波探测光学系统，通过采用由一组三片球面透镜和一个光纤激光器组成光发射系统的技术手段，经光纤发射激光，经第一片球面透镜准直，第二片球面透镜镜扩束，第三片球面透镜准直发射。发射激光的发射光斑大小为10mm，发散角为0.148mrad，得到接近圆形的高斯光斑，发散角非常小，能量集中，500m处光斑大小为140mm，使得接收信号更加容易。因此，通过该回波探测光学系统，能够实现500米内扫描测距。而美国verlodyne公司的激光雷达VLP-16的激光器使用激光二极管，激光器功率最大峰值为75W，测量距离为200m时，若探测目标反射率较小，则无回波信号，探测很难完成。
此外，在本发明其它具体实施方式中，根据实际应用场景中对探测距离的不同要求，本领域技术人员知晓激光光源11可以不采用光纤激光器，可以使用其它激光器如：激光二极管，气体激光器，固体激光器等来替代。同理，准直光学子系统的三片球面透镜组也可以用非球面透镜组替代。
进一步地，继续参考图1，光接收系统14还可以包括聚焦光学子系统141和光电探测器142，聚焦光学子系统141用于将探测目标的回波进行聚焦后照射到光电探测器142上，使得光电探测器142接收到返回的光信号。
具体地，如图3所示，所述聚焦光学子系统141由四片透镜和光阑8组成，沿着回波的传播方向，从左至右依次包括第四透镜4、第五透镜5、光阑8、第六透镜6和第七透镜7，聚焦光学子系统141的口径为40mm，焦距为40mm，总长为45mm。
其中，第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7的厚度依次为：4.558mm、5mm、4.559mm和2.271mm；第四透镜4和第五透镜5之间的空气间隙为2mm、第五透镜5和光阑8之间的空气间隙为4.656mm，光阑8和第六透镜6之间的空气间隙为2.353mm，第六透镜6和第七透镜7之间的空气间隙为7.603mm；组成第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7的八个面的曲率半径，从左至右依次为：66.503mm-1、373.521mm-1、49.402mm-1、249.402mm-1、26.82mm-1、76.82mm-1、-40.64mm-1和38.767mm-1。
需要指出的是，聚焦光学子系统141的四片球面透镜组也可以用非球面透镜组替代，只要能够完成探测目标回波的聚焦即可。
进一步地，如图3所示，光接收系统14还包括滤光片9，位于聚焦光学子系统141和光电探测器142之间。激光的回波信号能通过滤光片9，而其它波长的光都被滤除，提高了系统信噪比，增加系统在强光下的探测距离。其中，滤光片9的具体参数如下：尺寸：3×3×3mm，镀膜要求为：1550±0.5nm，T>90％(1550nm中心波长带宽为±0.5nm，透过率T大于90％)；600-1700nm，T<0.1％。由于本方案中使用的光电探测器为InGaAs APD，它不仅对1550nm感光，对600～1700nm中的所有波段都有不同程度的感光灵敏度，因此，需将600～1700nm波段中除去1550nm波段的其它波长都滤除掉，即使其透过率小于0.1％；50％带宽<5nm(半带宽小于5nm)；1％带宽<15nm。
本实施例提供的聚焦光学子系统141、滤光片9和光电探测器142组成光学接收系统14，提高了回波信号的信噪比，能够获得更准确的测量结果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种回波探测光学系统，其特征在于，包括：激光光源、通孔反射镜、反射棱镜和光接收系统；所述激光光源发射的激光光束穿过所述通孔反射镜的通孔，经过所述反射棱镜的反射后照射到目标探测空间，当所述激光光束照射到所述目标探测空间中的探测目标，所述探测目标的回波依次被所述反射棱镜和通孔反射镜反射后，照射到所述光接收系统。
2.根据权利要求1所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述反射棱镜能够旋转以实现竖直方向的扫描，所述回波探测光学系统能整体上在水平面内旋转。
3.根据权利要求1或2所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述反射棱镜为反射三棱镜。
4.根据权利要求1所述的回波探测光学系统，其特征在于，还包括准直光学子系统，位于所述激光光源和通孔反射镜之间，用于对所述激光光束进行准直。
5.根据权利要求4所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述准直光学子系统由三片透镜组成，沿着激光光束的传播方向从左至右依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述准直光学子系统的口径为20mm，总长为35mm。
6.根据权利要求5所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的厚度依次为：2.016mm、3.904mm和3.038mm；所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隙为17.812mm，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隙为1.541；组成所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的六个面的曲率半径从左至右依次为：-3mm-1、3mm-1、-555.445mm-1、-14.231mm-1、-276.456mm-1和-31.06mm-1。
7.根据权利要求1所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述光接收系统包括聚焦光学子系统和光电探测器，所述聚焦光学子系统用于将所述探测目标的回波进行聚焦后照射到所述光电探测器。
8.根据权利要求7所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述聚焦光学子系统由四片透镜和光阑组成，沿着所述回波的传播方向从左至右依次包括第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜和第七透镜，所述聚焦光学子系统的口径为40mm，焦距为40mm，总长为45mm。
9.根据权利要求8所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的厚度依次为：4.558mm、5mm、4.559mm和2.271mm；所述第四透镜和第五透镜之间的空气间隙为2mm、所述第五个透镜和光阑之间的空气间隙为4.656mm，所述光阑和第六个透镜之间的空气间隙为2.353mm，所述第六个透镜和第七透镜之间的空气间隙为7.603mm；组成所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的八个面的曲率半径从左至右依次为：66.503mm-1、373.521mm-1、49.402mm-1、249.402mm-1、26.82mm-1、76.82mm-1、-40.64mm-1和38.767mm-1。
10.根据权利要求7所述的回波探测光学系统，其特征在于，所述光接收系统还包括滤光片，位于所述聚焦光学子系统和光电探测器之间。
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