CN110488246A - 一种二维mems扫描激光雷达大视场信号接收*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域，公开了一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，包括：滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥、APD阵列探测器；光线依次经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。所述传像纤维光锥外形为锥形结构；由数千上万根锥形光纤规则排列组合而成，所述APD阵列探测器根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应的回波光线在所述传像纤维光锥输出的光斑位置，选通对应的APD探测器采集信号。可在接收光学***口径和焦距及探测器面积一定时，扩大MEMS激光雷达的视场，降低环境背景光对***的干扰，提高激光信号接收的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***。
背景技术
MEMS激光雷达是一种以二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，向探测目标发射激光光束，接收和处理探测目标反射的回波信号，得到探测目标的距离、位置和速度等特征信息的雷达***，具有体积小、帧率高、功耗低、成本低的优点，在自动驾驶、三维建模、地形测绘、军事领域等诸多场合得到广泛应用。
在MEMS激光雷达***中，接收光学***的口径和MEMS激光雷达接收到的回波功率成正比，当MEMS激光雷达探测远距离目标时，接受光学***的口径需要足够大，而大口径的接收光学***除了接收更多的回波功率之外，也会接收更多的背景光，降低接收***的信噪比。大口径光学***也对应着长焦距，接收光学***的焦距与接收光学***半视场和像面直径有关，公式如下：
在像面大小一定的情况下，口径越大，焦距越长，接收***的视场越小，探测器为APD阵列探测器时，其感光面积较小，对角线尺寸通常为1mm-10mm，大大限制了接收光学***的视场，使其难以覆盖二维MEMS扫描振镜的扫描视场。
发明内容
本发明为解决光学***口径较大的情况下，APD阵列探测器面积较小限制二维MEMS扫描振镜激光雷达接收光学***的视场角增大的技术问题，采用的技术方案如下：
一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：窄带滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥、APD阵列探测器；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的传像纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；光线依次经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。所述传像纤维光锥具有放大率M，可将传像纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成传像纤维光锥的锥形光纤束相对应的像元，规则排列的锥形光纤束将所携带的像元信息一一对应地传递到传像纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。
所述传像纤维光锥与传统聚光锥不同，所述锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥入射端面到传像纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。
所述大口径短焦镜头组为成像镜头，其相对孔径<1；所述大口径短焦镜头组从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元主要将大视场的光接收进镜头组，第二组元用于压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。
所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器。APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应的回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，选择对应的APD探测器单元采集信号，可避免其他APD探测器接收到环境背景光对***造成干扰。
所述传像纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器。
所述传像纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的像方焦平面位置。
所述传像纤维光锥横截面可以为圆形、方形等形状。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）本发明引入传像纤维光锥作为大口径短焦镜头组和APD阵列探测器之间的传光器件，传像纤维光锥相当于放大了APD阵列探测器的面积，可在口径一定的条件下，将视场扩大与传像纤维光锥放大倍数相同的倍数。（2）相比于使用聚光锥作为镜头和APD阵列探测器的中继元件，回波光束和背景光照亮整个探测器，传像纤维光锥可将镜头焦平面的光斑缩小并传递到APD阵列探测器选通的某个或某几个APD单元上，可有效降低背景光的干扰，提高接收***的信噪比。（3）本发明所使用大口径短焦镜头组，相对孔径<1。
附图说明
图1为二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***光学***结构示意图；
图2为传像纤维光锥结构示意图；
图3为组成传像纤维光锥的单根光纤的示意图；
图4为二维MEMS扫描振镜激光雷达的***结构图，Ⅰ区为发射***，Ⅱ区为大视场接收***；
图5为APD阵列探测器的分组示意图；
其中：1为窄带滤光片，2为大口径短焦镜头组，3为传像纤维光锥，4为APD阵列探测器，5为传像纤维光锥口径大的一端横截面，即入射端面；6为传像纤维光锥口径小的一端横截面，即出射端面；7为光纤包层，8为光纤纤芯，9为锥形光纤，10为脉冲半导体激光器，11为半导体激光器准直***，12为二维MEMS扫描振镜，13为滤光片，14为大口径短焦接收镜头，15为传像纤维光锥，16为APD阵列探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述。
实施例
一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，如图1所示，在同一光轴上，从物方至像方依次包括：窄带滤光片1、大口径短焦镜头组2、传像纤维光锥3、APD阵列探测器4；光线经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥口径大的一端横截面5处，传像纤维光锥进一步将光线从传像纤维光锥口径小的一端横截面6传递到APD阵列探测器表面；APD阵列探测器根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，选择对应的APD探测器单元采集信号，可避免其他APD探测器单元接收到环境背景光对***造成干扰。
本实施例采用的传像纤维光锥与传统聚光锥不同，传统聚光锥为圆台式结构，其将接收到的回波光线和背景光经过多次全反射传递到探测器表面，照亮整个APD阵列探测器，受背景光干扰大；本实施例采用的传像纤维光锥可以将大口径短焦镜头组所成的像缩小后传递到APD阵列探测器中对应选通的APD阵列探测器单元，大大减小环境背景光对***的干扰，提高***的信噪比。
本实施例所述传像纤维光锥外形为锥形结构，如图2所示，其由数千万根锥形光纤规则排列组合而成；所述传像纤维光锥口径大的一端为入射端面5，直径22mm，口径小的一端为出射端面6，直径10mm；所述传像纤维光锥具有放大倍率2.2，可将传像纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成传像纤维光锥的数千万根锥形光纤相对应的像元，规则排列的锥形光纤9将所携带的像元信息一一对应地传递到传像纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随锥形光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。
值得注意的是，图1和图2为光学***的结构示意图，示意元件之间的位置关系、旋转对称结构；其图尺寸以及各个部件之间比例关系不构成对本方案的具体限定。传像纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；锥形光纤束的外形为锥台，其两侧端面可根据APD阵列探测器形状加工为矩形或圆形。
本实例所述传像纤维光锥由数千万根规则排列的锥形光纤组成，每根锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥口径大的一端到传像纤维光锥口径小的一端逐渐变小，丝径≤6µm；如图3，每根锥形光纤都由纤芯7和包层8组成，里层为折射率为n1的纤芯，外层为折射率为n2的包层，n1>n2。
本实施例所述二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***和二维MEMS扫描振镜激光雷达发射***在使用时可为非共轴光路，如图4所示，10为脉冲半导体激光器，11为半导体激光器准直***，12为二维MEMS扫描振镜，13为滤光片，14为大口径短焦接收镜头，15为传像纤维光锥，16为APD阵列探测器。更优的方案为：所述大口径短焦镜头组，包括5片镜片，由物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。***总长为94.35mm，有效焦距为11.01mm；其垂直光锥方向视场角大于±20°，水平方向视场角为±6°，不同视场的光经过镜头组后，被会聚到所述传像纤维光锥的入射端面，光斑直径≤1mm。
所述APD阵列探测器可以是线阵APD探测器，也可以是面阵APD探测器；本实施例采用1×16线阵APD探测器，单个APD探测器单元面积为1mm×0.45mm，将16个APD探测器单元根据所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑大小，以相邻两个APD探测器单元为一组，共15组，依次为A、B、C、…、O组，如图5所示。
所述APD阵列探测器采用选通信号采集，如图4所示，当二维MEMS扫描振镜的扫描角度对应目标1时，由目标1反射的回波信号经由窄带滤光片进入大口径短焦镜头组，接着成像在传像纤维光锥的入射端面上，由传像纤维光锥进一步将光线传递到某组APD探测器单元上，如图4中实线所示，当二维MEMS扫描振镜的扫描角度对应目标2时，由目标2反射的回波信号由窄带滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥传递到另一组APD探测器单元上，如图4中虚线所示。随着二维MEMS扫描振镜扫描角度的变化，单次选通对应的一组APD探测器单元采集信号，可避免其他组APD阵列探测器单元接收到背景光对***造成干扰，改善接收***的信噪比。
所述传像纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器，两者用光学胶粘结。
所述传像纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的焦平面位置。
所述传像纤维光锥的两端可加工为圆形也可为长方形，其有效面积可覆盖APD阵列探测器面积即可。
所述窄带滤光片为905nm或1550nm的窄带窄带滤光片，根据MEMS激光雷达发射***的发射激光波长而定，用以滤除其他波段的干扰光。
所述窄带滤光片位于接收***的最前端。
上述技术方案的MEMS激光雷达大视场光学***利用传像纤维光锥作为大口径短焦镜头组和APD阵列探测器之间的中继元件，通过传像纤维光锥缩小并传递大口径短焦镜头组所成的像到APD阵列探测器表面，在MEMS激光雷达接受光学***口径和焦距及探测器面积一定的条件下，可扩大MEMS激光雷达的视场。APD阵列探测器根据MEMS激光雷达的扫描方位采用选通模式，可降低环境背景光对***的干扰，提高回波信号接收的光学信噪比。
Claims (8)
1.一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：窄带滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥、APD阵列探测器；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的传像纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；
激光雷达回波光线依次经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。
2.根据权利要求书1所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥入射端面到传像纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。
3.根据权利要求书1所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述大口径短焦镜头组从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元用于将大视场的光接收进镜头组，第二组元压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。
4.根据权利要求书1所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述的APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应的回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，选择对应的APD探测器单元采集信号。
5.根据权利要求书1所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述传像纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器。
6.根据权利要求书5所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述传像纤维光锥与APD阵列探测器之间由光学胶粘结。
7.根据权利要求书1所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述传像纤维光锥的入射端面位于大口径短焦镜头组的像方焦平面位置。
8.根据权利要求书1至7之一所述的一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收***，其特征在于，所述大口径短焦镜头组包括5片镜片，自物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191122 |
|
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