CN105487237A - 一种多束激光雷达的分光元件、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多束激光雷达的分光元件、装置及方法，属于分光元件、装置以及方法领域。本发明保护的分光装置包含激光光源，准直柱透镜以及多面柱棱镜；所述激光光源以及所述准直柱透镜组成准直光路，该光路在远场形成一个聚焦的强点光斑；所述多面柱棱镜为本发明保护的分光光学元件。本发明的有益效果为：分光容易实现，成本低，不需要成本高的分光元件，采用本发明方法的零件结构简单易。克服了现有技术中的能量利用率低的问题。实现了光束射能量分离，具有集成度高、能量利用率高的特点。与现有技术相比，这种分发可以节约光源LD的个数，实现低成本。

Description

一种多束激光雷达的分光元件、装置及方法

技术领域

本发明涉及分光元件、装置及方法，特别是一种多束激光雷达的分光元件、装置及方法。

背景技术

分光技术是光学技术的一类重要技术，根据光学原理，有镀膜分光、棱镜分光、散射分光等,不同的分光原理都有其各自的特点。现有的激光雷达激光发射光路，有的对光源进行二分，有的不分但是变换成线条光斑出射。在实现多线探测的激光雷达中，接收部分一般由一个接收物镜完成，以多个探测元进行探测，各个探测元对被探测视场进行分割，由于各个探测元之间存在一定的间隙，因此必定会有一部分光虽然进入接收透镜但未被利用，因此这种方案能量损失严重。

发明内容

为克服现有技术的不足，发明专利设计了一种基于多面棱镜折射分光零件,其设计原理是对光源，特别是半导体激光器或激光二级管，在发射空间立体角内的辐射通量分割N等分分区。本发明旨在提供一种多束分光装置及方法，采取技术方案如下所述：

一种用在多束激光雷达装置中的分光光学元件，包含：第一分光单位：第一本体第一入射表面以及第一出射表面；所述第一入射表面的面积小于所述第一出射表面的面积；所述第一出射表面不连续地邻接于所述第一入射表面；所述分光光学元件包含两个或两个以上第一分光单位。

优选方式下，所述分光光学元件包含四个第一分光单位，所述第一入射表面与第一入射表面连续邻接，所述第一出射表面与所述第一出射表面连续邻接；所述第一入射表面及第一出射表面在垂直方向上的高度大于被分光波的波长。

进一步的优选方式下，所述分光光学元件还包括：第二分光单位：第二本体，第二入射表面以及第二出射表面；所述第二入射表面的面积等于所述第二出射表面的面积；所述第二出射表面不连续地邻接于所述第二入射表面；所述分光光学元件包含一个或一个以上所述第二分光单位。

进一步的优选方式下，所述分光光学元件包含两个第一分光单位和一个第二分光单位，所述第一入射表面分别与所述第二入射表面连续邻接，所述第一出射表面分别与所述第二出射表面连续邻接；所述分光光学元件包含四个第一分光单位以及一个第二分光单位；所述第二分光单位的第二入射表面与两个第一分光单位的第一入射表面连续邻接，第二出射表面与两个第一出射表面连续邻接；其余两个第一分光单位的第一入射表面与第一入射表面连续邻接，第一出射表面与第一出射表面连续邻接；所述第一入射表面、第一出射表面、第二入射表面以及第二出射表面在垂直方向上的高度大于被分光波的波长。

进一步的优选方式下，所述第一入射表面、第一出射表面、第二入射表面以及第二出射表面均为平面。

本发明还发明了一种多束激光雷达的分光装置，包括：激光光源，准直柱透镜以及多面柱棱镜；所述激光光源以及所述准直柱透镜组成准直光路，该光路在远场形成一个聚焦的强点光斑；所述多面柱棱镜为上文所述的任意一种多束激光雷达的分光光学元件。

本发明还发明了一种多束激光雷达的分光方法，该方法使用上文所述的多束激光雷达的分光装置。

本发明的优点和积极效果是：该分光方案分光容易实现，成本低，不需要分光膜等工艺、也不需要成本高的光栅分光元件，采用本发明方法的零件结构简单易。本发明克服了现有技术中的能量利用率低的问题、如果说雷达需要将光路进行N分束，则本发明可实现N束等分,分束后在探测平面会形成N个集中的光斑亮点。实现了光束射能量分离，具有集成度高、能量利用率高的特点。与现有技术相比，这种分发可以节约光源LD的个数，实现低成本。

附图说明

图1为分光原理示意图；

图2为分光光学元件外形图；

图3为本发明四路分光实施例一示意图；

图4为本发明四路分光实施例二示意图；

图5为未分光前准直的远场辐照度；

图6为四束等功率分光后的远场辐照度。

附图标记说明：

1-激光光源，2、3-准直柱透镜，4、5、6-分光光学元件。

具体实施方式

下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

发明专利设计了一种基于多面棱镜折射分光零件,其设计原理是对光源，特别是半导体激光器或激光二级管，在发射空间立体角内的辐射通量分割N等分分区。

Φ_i＝∫I(θ_x，θ_y)dΩ_i

在上式中，表示光源在空间方向的光强，其是水平方向角度、垂直方向角的函数，表示分割区域内的球面度立体角,上式积分表明是在被分割的第i个分区的辐射通量。同时，在垂直于发射轴线的任一平面光强分布也为高斯分布，其光强的分布也可以用下式描述:

$I({\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)=I_0{e}^{-2(k_x{\mathrm{\θ}}_x^2+k_y{\mathrm{\θ}}_y^2)}$

${\mathrm{d\Ω}}_i={\∫}_{a1}^{a2}{\mathrm{d\θ}}_x{\∫}_{b1}^{b2}{\mathrm{sin\θ}}_y{\mathrm{d\θ}}_y$

在上式中，以激光发射点为原点建立坐标系，Kx为x轴方向激光发散角的倒数；Ky为y轴方向激光发散角的倒数；θ_x为激光沿x轴方向偏转的角度；θ_y为激光沿y轴方向偏转的角度；I₀为光源延轴线方向的辐射强度。a1、a2分别为在x轴偏转角度的积分的上下限，b1、b2分别为在y轴偏转角度的积分的上下限。

本发明的分光光学元件基于上述两个公式的物理意义进行分光，其分光原理如图1所示。

入射光进入分光光学元件前首先对其进行准直，然后由入射表面进入分光光学元件，由于多面棱镜具有不同的偏向角α，即面对光源的立体角，出射光被分为N子分，且这些N子分分别指向不同的角度，朝向预先设计的方向射出。本发明的分光光学元件也可以看作为由多个梯形台和或一个或多个正四棱柱堆积而成，每个梯形台有一定的高度h和偏向角α，这两个结构参数控制各个分束的辐射通量。h越高、面向光源的立体角就越大，通过调整h实现光束的等分或不等分。h的高度远大于分光光波的波长，因此排除基于衍射原理的光学元件。偏向角α为面向光源的立体角,分束后的各N子分的偏向角度由各个梯形台的α决定。分光光学元件可能具有的形状如图2所示。

本发明所保护的分光光学元件不限于实施例或附图说明中所述的形状，本发明保护的分光光学元件可以实现对光的二分三分四分五分或者多分，并对分光实现等分或不等分。

下面以第一分光单位为梯形台、第二分光单位为正四棱柱为例阐述具体实施方式。

(一)实施例1

分光光学元件由两个第一分光单位组成，按照上述物理公式的原理按分光需求选取高度为h1和h2的两个第一分光单位，实现光束的二等分或二不等分。按出射光偏转方向的需要选取偏向角α1和α2。两个第一分光单位的入射表面连续邻接，两个第一分光单位的出射表面连续邻接。分光光学元件可实现光束的二分。

(二)实施例2

分光光学元件由两个第一分光单位和一个第二分光单位组成，根据上述物理公式的原理按分光需求选取高度为h1、h2、h3的两个第一分光单位和一个第二分光单位,实现光束的等分或不等分，按出射光偏转方向的需要选取偏向角α1、α2、α3。两个第一分光单位的入射表面分别与第二分光单位的入射表面连续邻接，两个分光单位的出射表面分别与第二分光单位1出射表面连续邻接。分光光学元件可实现光束的三分。

(三)实施例3

分光光学元件由四个第一分光单位组成，按照上述物理公式的原理按分光需求选取高度为h1、h2、h3、h4的四个第一分光单位，实现光束的四等分或四不等分。按出射光偏转方向的需要选取偏向角α1、α2、α3、α4。四个第一分光单位的入射表面连续邻接，四个第一分光单位的出射表面连续邻接，四个第一分光单位以中间棱线对称。分光光学元件可实现光束的四分。

(四)实施例4

分光光学元件由实施例1的元件与实施例2中的元件组合使用，实现5分束，组合使用时，实施例1的元件与实施例2中的元件组合，其相接的部分正好在光源光轴的平面内。如果实施例1的元件对光源实现二等分，实施例2的原件对光源实现三等分，则组合使用后形成对光源1/6、1/6、1/6、1/4、1/4的分光比例。

本发明以四等分分光光学元件为例对激光光源LD进行了四等分，实现方式有以下两种。本发明所保护的分光光学元件不限于实施例或附图说明中所述的形状，本发明保护的分光光学元件可以实现对光的二分三分四分五分或者多分，并对分光实现等分或不等分。

(五)实施例5

如图3所示，第一种方式是进行四象限法，其中包括激光光源1,准直柱透镜2、3，分光光学元件4、5。其中光源1以及准直柱透镜2、3组成准直光路，该光路在远场形成一个准直激光束。结果如图5所示。分光光学元件4、5为实施例1中描述的两个分光光学元件的组合，二者并排放置，形成一个等分四面，这四个面的每一个面对光源1的立体角α相等，且四个面的交点位于光源的轴线上，分光光学元件4、5组合后形成四个等面积的相互邻接的第一入射表面以及四个等面积的相互邻接的第一出射表面，因此对光源1所发出的功率进行四等分，这种排布所达成的分光效果为在远场形成四个能量相等的亮点。

(六)实施例6

如图4所示，分光装置包含激光光源1,准直柱透镜2、3以及分光光学元件6。其中光源1与准直柱透镜2、3组成准直光路，该光路在远场形成一个准直激光束。结果如图5所示。分光光学元件6为实施例3中描述的分光光学元件，其分光面由四个相互邻接的第一入射表面组成，以中间棱线对称，单侧的两个分光单元的h和α都不相等，距离光轴近的第一入射表面因为接收的光强大，所以分光单元的h较小，第一入射表面面积较小。因此，四个分光单元的面向光源1的立体角α也不相等。根据积分计算各个面的光辐射通量是相等的。

实施案例5和实施案例6都可以达到如图6所示的分光结果。

Claims (10)

1.一种用在多束激光雷达装置中的分光光学元件，包含：

第一分光单位：第一本体，第一入射表面以及第一出射表面；所述第一入射表面的面积不等于所述第一出射表面的面积；所述第一出射表面不连续地邻接于所述第一入射表面；

其特征在于，所述分光光学元件包含两个或两个以上第一分光单位。

2.根据权利要求1所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述分光光学元件还包括：

第二分光单位：第二本体，第二入射表面以及第二出射表面；所述第二入射表面的面积等于所述第二出射表面的面积；所述第二出射表面不连续地邻接于所述第二入射表面；

所述分光光学元件包含一个或一个以上所述第二分光单位。

3.根据权利要求2所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述分光光学元件包含两个第一分光单位和一个第二分光单位，所述第一入射表面分别与所述第二入射表面连续邻接，所述第一出射表面分别与所述第二出射表面连续邻接。

4.根据权利要求1所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述分光光学元件包含四个第一分光单位，所述第一入射表面连续邻接，所述第一出射表面连续邻接。

5.根据权利要求2所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述分光光学元件包含四个第一分光单位以及一个第二分光单位；所述第二分光单位的第二入射表面与两个第一分光单位的第一入射表面连续邻接，第二出射表面与两个第一出射表面连续邻接；其余两个第一分光单位的第一入射表面与第一入射表面连续邻接，第一出射面与第一出射表面连续邻接。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述第一入射表面、第一出射表面、第二入射表面以及第二出射表面均为平面。

7.根据权利要求1或4任一权利要求所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述第一入射表面及第一出射表面在垂直方向上的高度大于被分光波的波长。

8.根据权利要求2、3或5任一权利要求所述的一种分光光学元件，其特征在于，所述第一入射表面、第一出射表面、第二入射表面以及第二出射表面在垂直方向上的高度大于被分光波的波长。

9.一种包含权利要求1-5任一权利要求所述的分光光学元件的多束激光雷达的分光装置，包括：激光光源，准直柱透镜以及多面柱棱镜；

所述激光光源以及所述准直柱透镜组成准直光路，该光路在远场形成一个聚焦的强点光斑；

其特征在于，所述多面柱棱镜为权利要求1-5中所描述的任意一种分光光学元件。

10.一种多束激光雷达的分光方法，其特征在于，使用权利要求9所述的多束激光雷达的分光装置。