CN112099241B - 一种光束准直系统及方法、激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光束准直系统，系统包括设置在二极管激光器与MEMS振镜之间的前置处理模块，用于将二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜进行谐振反射；设置在MEMS振镜之后的后置处理模块，用于对反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。通过前置处理模块将激光器发射的激光整形为各个方向均匀传输的光束，这样即使MEMS振镜进行转动扫描，不会由于光斑旋转导致边缘视场的光束准直效果下降，使得边缘视场和中心视场的探测能力能够保持一致。由于后置处理模块只需要对振镜反射的激光进行准直，因此采用市面上的准直透镜即可实现，无需特别定制，可以降低对光束准直系统的设计难度和成本。

Description

一种光束准直系统及方法、激光雷达

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光束准直系统及方法、激光雷达。

背景技术

在激光雷达系统中，对激光束进行准直是一项很重要的工作，尤其对于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)激光雷达，激光束的准直效果直接影响着激光雷达的探测距离和系统分辨率。

目前所采用的光束质量较好的固体激光器或光纤激光器发射激光并经光学准直系统直接准直，虽然具有良好的准直效果，但这类激光器的尺寸和体积很大且造价也高，不利于系统集成和小型化且成本也高。为了满足激光雷达小型化的要求，一般采用尺寸比较小的二极管激光器，但二极管激光器的固有像散导致其快慢轴发光面不在同一平面上，在进行激光准直整形时，不能同时将快慢轴的光束准直整形好，导致在远处的光斑发散，进而导致测距能力不足，系统分辨率低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种光束准直系统及方法，以解决MEMS激光雷达远场测距能力不足的问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种光束准直系统，所述系统包括设置在二极管激光器与MEMS振镜之间的前置处理模块、设置在所述MEMS振镜之后的后置处理模块：

所述前置处理模块，用于将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射；

所述后置处理模块，用于对所述MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种光束准直方法，所述方法应用于上述第一方面所述的光束准直系统，包括：

通过所述前置处理模块将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射；

通过所述后置处理模块对所述MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种激光雷达，包括上述第一方面所述的光束准直系统。

应用本申请实施例，通过前置处理模块对二极管激光器发射的快慢轴激光(光斑形态为椭圆形)进行整形，使得原本快慢轴属性不相同的光束变为各个方向均匀传输的光束(光斑形态为圆形)，这样即使MEMS振镜进行转动扫描时，不会由于光斑旋转导致边缘视场的光束准直效果下降，进而使得边缘视场和中心视场的探测能力能够保持一致。由于后置处理模块只需要对MEMS振镜反射的激光进行准直，因此采用市面上的准直透镜即可实现，无需进行特别定制，可以大大降低对光束准直系统的设计难度和设计成本。

附图说明

图1A为本申请根据一示例性实施例示出的一种激光雷达光束准直系统结构图；

图1B为本申请根据图1A所示实施例示出的一种光束准直仿真系统示意图；

图1C为本申请根据图1B所示实施例示出的一种仿真结果示意图；

图2A为本申请根据一示例性实施例示出的一种光束准直系统结构图；

图2B为本申请根据图2A所示实施例示出的一种MEMS振镜设置在不同位置处时的激光传输路径示意图；

图2C为本申请根据图2A所示实施例示出的一种光路结构示意图；

图2D为本申请根据图2C所示实施例示出的一种光束准直仿真系统示意图；

图2E为本申请根据图2D所示实施例示出的一种仿真结果示意图；

图3为本申请根据一示例性实施例示出的一种光束准直方法的实施例流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

出于成本控制和激光雷达小型化的需求，目前最适合用于激光雷达的激光器为二极管激光器，但二极管激光器出射的激光质量相对较差，存在较大的发散角，由于固有像差导致的快慢轴两个方向的发散角不同，出射的光斑为椭圆形。同时，如果激光雷达中的MEMS振镜要保持较高的振动频率，MEMS振镜的镜面尺寸通常会在5毫米以下，在实现扫描探测过程中，MEMS振镜的有效口径还会因为摆放位置以及转动角度等因素进一步减小，因此很容易出现光斑直径大于MEMS振镜的尺寸的情况，使得激光能量无法被完全利用。

如图1A所示为激光雷达目前普遍应用的准直系统整体框架结构，二极管激光器发射出的激光，先通过前置处理光学系统对激光进行处理，使其在到达MEMS振镜时保持较小的光斑直径，提升系统整体的能量利用率，然后MEMS振镜对入射的激光进行谐振反射后，通过后置处理光学系统对反射的激光进行准直，保持能量的集中，以提升系统的探测距离，MEMS振镜在按照一定的信号规律摆动过程中，使后置处理光学系统出射的光斑在待测目标上形成有规律的探测点，从而完成对待测目标的扫描。

由于二极管激光器出射的激光在快慢轴两个方向上具有不同的性质，在使用时，需要在两个方向上进行分别处理.

具体处理过程为：通过在前置处理光学系统中设置非球面透镜或多个球面透镜组或者相应等价的光学系统，以对发散角较大的快轴方向的激光进行准直，减小激光的发散程度，由于二极管激光器固有像差的存在，此时慢轴方向的激光会呈现会聚状态，进而使得到达MEMS振镜上的光斑尺寸较小，然后通过MEMS振镜对快慢轴方向的激光进行谐振反射后进入后置处理光学系统，通过在后置处理光学系统中设置复曲面镜，以对慢轴方向的激光进行准直，在快轴方向的激光，由于MEMS振镜的转动，激光经过复曲面镜的各个区域形成中心视场和边缘视场，为了使各个部分距离MEMS振镜上的光斑出射点的光程相等，同时也对慢轴单个方向进行准直，因此复曲面镜需要一个面为柱面，另一个面为球面，这样的镜子结构较为复杂，需要进行单独定制加工，不仅加工成本高，加工难度也比较大。

基于上述所述的处理过程，激光到达MEMS振镜时，由于快轴方向的激光经过准直后发散角很小，而慢轴方向的激光发散角还很大，因此快慢轴之间的光束状态不同，在MEMS振镜上形成的光斑形状接近一条狭长的线光源，这样在MEMS振镜二维转动(X轴和Y轴转动)扫描时，边缘视场的光斑会发生光斑旋转的问题，进而使得边缘视场的光束的准直效果大打折扣，导致边缘视场的探测能力远远低于中心视场的探测能力。

如图1B所示的光束准直仿真系统结构，由二极管激光器、前部预处理非球面透镜、MEMS振镜以及后端复曲面镜组成。在仿真过程中，通过控制MEMS振镜在不同的倾斜状态下，分别采集入射到MEMS振镜上的光斑形态和从复曲面镜出射的光斑形态来进行对比。

如图1C所示为光束准直仿真系统的仿真结果，图(a)为入射到MEMS振镜上的光斑形态，图(b)为从复曲面镜出射100米远处的光斑形态，其中，图(a)中的中心光斑为MEMS振镜倾斜45°/0°(即与X轴方向夹角为45°，与Y轴方向夹角为0°)时的入射光斑形态，对应在图(b)中的中心光斑为MEMS振镜倾斜45°/0°时的出射光斑形态，可以看到，当MEMS振镜位于原始形态时，激光光斑的准直效果良好，整体能量也较为集中，但当MEMS振镜旋转一定角度后，如图(a)中的左上角光斑为MEMS振镜倾斜35°/20°(即与X轴方向夹角为35°，与Y轴方向夹角为20°)时的入射光斑形态，对应图(b)中的右上角光斑为MEMS振镜倾斜35°/20°时的出射光斑形态，可以发现整体MEMS扫描视场边缘的光束发生了一定程度的旋转，慢轴的激光无法得到较好的准直，导致整体光斑较大，能量分布离散，大大降低了边缘视场的探测能力。

出现上述问题的原因主要是由于二极管激光器快慢轴之间的发散程度不同，需要分别进行处理，而MEMS振镜在转动扫描时，需要在两个方向维度上均进行偏转所致。因此，若直接对二极管激光器的光束进行处理，则出现边缘视场探测能力减弱的概率很大，这样在很大程度上限制了MEMS振镜的扫描角度。

基于此，本申请提出一种光束准直系统，图2A为本申请根据一示例性实施例示出的一种光束准直系统结构图，包括：二极管激光器、MEMS振镜、设置在二极管激光器与MEMS振镜之间的前置处理模块、设置在MEMS振镜之后的后置处理模块；

所述前置处理模块，用于将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射；

所述后置处理模块，用于对MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。

在本申请中，二极管激光器相对固体激光器或光纤激光器的尺寸小很多，二极管激光器发射的激光的光斑形态为椭圆形。

示例性的，二极管激光器可以采用发射大功率、窄脉宽的激光二极管。

在本实施例中，通过前置处理模块对二极管激光器发射的快慢轴激光(光斑形态为椭圆形)进行整形，使得原本快慢轴属性不相同的光束变为各个方向均匀传输的光束(光斑形态为圆形)，这样即使MEMS振镜进行转动扫描时，不会由于光斑旋转导致边缘视场的光束准直效果下降，进而使得边缘视场和中心视场的探测能力能够保持一致。由于后置处理模块只需要对MEMS振镜反射的激光进行准直，因此采用市面上的准直透镜即可实现，无需进行特别定制，可以大大降低对光束准直系统的设计难度和设计成本。

在一可选实现方式中，前置处理模块可以包括激光耦合单元、会聚透镜以及设置在所述激光耦合单元和所述会聚透镜之间的光纤；其中，所述激光耦合单元，用于将所述激光耦合进入光纤；所述光纤，用于将所述激光整形为沿各个方向均匀传输的激光；所述会聚透镜，用于对所述光纤输出的激光进行会聚。

其中，激光器发射的快慢轴的激光从光纤入射端面进入光纤后，被整形为朝着各个方向均匀传输的激光，从光纤出射端面输出的激光各方向均相同，从而使得激光变得更加容易处理，不需要对两个方向的激光分别进行处理，降低了对光学系统的要求。另外，通过会聚透镜可以将整形后的激光进行会聚，以将光斑压缩得更小，进一步提升能量利用率，降低对MEMS振镜的尺寸要求，进而降低系统成本。

在一可选实现方式中，光束耦合单元光束耦合单元可以是一个耦合透镜，或者也可以是由多个耦合透镜组成的耦合透镜组。

在本申请中，光纤可以采用单模光纤，或者也可以采用多模光纤，并且本申请对光纤的长度没有具体限定。

下面对前置处理模块中的各个结构之间的位置关系进行说明：

1)二极管激光器的激光发射端与激光耦合单元的距离L1、激光耦合单元与光纤入射端面的距离L2以及光束耦合单元的焦距f1之间的关系为：

其中，L1为激光耦合单元的物距，L2为激光耦合单元的像距。

在本申请中，当激光耦合单元包括一个耦合透镜时，f1为该耦合透镜的焦距；当激光耦合单元包括由多个耦合透镜组成的耦合透镜组时，f1为耦合透镜组的焦距。

在实际工程应用中，根据系统布设需求，通常是先固定二极管激光器的激光发射端与激光耦合单元的距离L1，然后由f1和L1得到激光耦合单元与光纤入射端面的距离L2。

2)光纤出射端面与会聚透镜的距离L3、会聚透镜与会聚透镜的像平面之间的距离L4以及会聚透镜的焦距f2之间的关系为：

其中，L3为会聚透镜的物距，L2为会聚透镜的像距。

在实际工程应用中，根据系统布设需求，通常是先固定光纤出射端面与会聚透镜的距离L3，然后由f2和L3得到会聚透镜与会聚透镜的像平面之间的距离L4。

本领域技术人员可以理解的是，前置处理模块也可以是由任何能够将激光整形为沿各个方向均匀传输的激光的整形结构组成。

在一可选实现方式中，上述所述的光学准直系统还包括振镜驱动电路，用于驱动控制MEMS振镜进行偏转以及振动，以实现对待测目标的扫描。

在本申请中，对于MEME振镜的设置位置需要考虑两方面因素，一方面需要考虑不能使入射到MEMS振镜上的光斑过大，造成能量损失，另一方面要考虑整体系统的扫描范围需求。

以后置处理模块包括一个准直非球面透镜为例，如图2B所示，为MEMS振镜设置在不同位置处时的激光传输路径示意图，其中，图(a)为MEMS振镜位于会聚透镜的像平面处，图(b)为MEMS振镜位于会聚透镜的像平面前方，图(c)为MEMS振镜位于会聚透镜的像平面后方，(a)、(b)、(c)中的虚线为MEMS振镜转动到不同角度时的激光传输路径。

由图(a)可以看出，无论MEMS振镜旋转到什么位置，经过准直非球面透镜准直后的激光光束一直都是与准直非球面透镜平行的，这样就达不到视场的扫描效果，不符合工程应用需求。

由图(b)可以看出，激光光束经过准直非球面透镜之后会首先产生一个焦点，这对于最后激光光束的角度计算以及近场盲区的控制都是不利的，不符合工程应用需求。

由图(c)可以看出，激光光束经过准直非球面透镜之后的激光光束的出射角度与MEMS振镜的扫描角度具有很好的对应性，这样可以保证近场盲区小。

基于上述分析，为了保证控制MEMS振镜按一定规律进行偏转后，后置处理模块的出射光斑在待测目标上形成有规律的探测点，因此MEMS振镜不能位于会聚透镜的像平面处，也不能位于会聚透镜的像平面前方，而是需要位于会聚透镜的像平面后方的预设距离L5处。

其中，该预设距离为一个比较小的数值，可以根据前述两方面因素设置。

在一可选实现方式中，后置处理模块可以是一个准直非球面透镜，或者也可以是由多个透镜组成的准直透镜组。为了增加扫描范围，准直非球面透镜可以采用大口径的透镜即可。

在本申请中，MEMS振镜与会聚透镜的像平面后方的距离L5、MEMS振镜与后置处理模块的距离L6以及后置处理模块的焦距f3之间的关系为：L5+L6＝f3。

其中，L6为后置处理模块的物距。

在本申请中，当后置处理模块包括一个准直非球面透镜时，f3为该准直非球面透镜的焦距；当后置处理模块包括由多个透镜组成的准直透镜组时，f3为准直透镜组的焦距。

在实际工程应用中，根据系统布设需求，通常是先固定MEMS振镜与会聚透镜的像平面后方的距离L5，然后由f3和L5得到后置处理模块与MEMS振镜的距离L6。

针对上述实施例的描述，如图2C所示的光路结构，耦合透镜首先将二极管激光器发射的快慢轴方向的激光耦合到光纤中进行传输，之后会聚透镜再对光纤出射的各个方向相同的激光进行会聚，使到达MEMS振镜时保持一个较小的圆形光斑状态，通过MEMS振镜对激光进行谐振反射，最后通过准直非球面透镜对反射的激光进行准直后在待测目标上形成探测点，在对待测目标进行扫描过程中，通过控制MEMS振镜进行二维转动，使得从准直非球面透镜出射的激光在待测目标上形成有规律的探测点。

如图2D所示的光束准直仿真系统结构，由会聚透镜、MEMS振镜以及后端准直非球面透镜组成，图2D中未体现二极管激光器、耦合透镜和光纤。在仿真过程中，通过控制MEMS振镜在不同的倾斜状态下，分别采集入射到MEMS振镜上的光斑形态和从准直非球面透镜出射的光斑形态来进行对比。

如图2E所示为图2D的光束准直仿真系统的仿真结果，图(a)为入射到MEMS振镜上的光斑形态，图(b)为从准直非球面透镜出射100米远处的光斑形态，其中，图(a)中的中心光斑为MEMS振镜倾斜45°/0°(即与X轴方向夹角为45°，与Y轴方向夹角为0°)时的入射光斑形态，对应在图(b)中的中心光斑为MEMS振镜倾斜45°/0°时的出射光斑形态，可以看到，当MEMS振镜位于原始形态时，激光光斑的准直效果良好，整体能量也较为集中。另外，图(a)中的左上角光斑为MEMS振镜倾斜35°/20°(即与X轴方向夹角为35°，与Y轴方向夹角为20°)时的入射光斑形态，对应图(b)中的左上角光斑为MEMS振镜倾斜35°/20°时的出射光斑形态。

由上述仿真结果可以看出，边缘视场的光斑与中心视场的光斑的准直效果基本没有差异，此时，中心视场的探测能力与边缘视场的探测能力基本保持一致。

图3为本申请根据一示例性实施例示出的一种光束准直方法的实施例流程图，在上述图2A所示实施例的基础上，所述光束准直方法包括如下步骤：

步骤301：通过所述前置处理模块将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射。

步骤302：通过所述后置处理模块对所述MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。

针对上述步骤301至步骤302的过程，可以参见上述图2A所示实施例的相关描述，不再赘述。

在本申请实施例中，通过前置处理模块对二极管激光器发射的快慢轴激光(光斑形态为椭圆形)进行整形，使得原本快慢轴属性不相同的光束变为各个方向均匀传输的光束(光斑形态为圆形)，这样即使MEMS振镜进行转动扫描时，不会由于光斑旋转导致边缘视场的光束准直效果下降，进而使得边缘视场和中心视场的探测能力能够保持一致。由于后置处理模块只需要对MEMS振镜反射的激光进行准直，因此采用市面上的准直透镜即可实现，无需进行特别定制，可以大大降低对光束准直系统的设计难度和设计成本。

本申请另一实施例还提供了一种激光雷达，包括上述实施例所述的光束准直系统。

本实施例提供的激光雷达由于包括上述实施例所述的光束准直系统，因此其技术原理和有益效果参见上述实施例，此处不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种光束准直系统，其特征在于，所述系统包括设置在二极管激光器与微机电系统MEMS振镜之间的前置处理模块、设置在所述MEMS振镜之后的后置处理模块，所述后置处理模块包括一个准直非球面透镜或者多个透镜组成的准直透镜组：

所述前置处理模块，用于将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射；其中，整形前激光的光斑形态为椭圆形，整形后激光的光斑形态为圆形；

所述后置处理模块，用于对所述MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标；

所述前置处理模块包括：激光耦合单元、会聚透镜以及设置在所述激光耦合单元和所述会聚透镜之间的光纤；

所述激光耦合单元，用于将所述激光耦合进入光纤；

所述光纤，用于将所述激光整形为沿各个方向均匀传输的激光；

所述会聚透镜，用于对所述光纤输出的激光进行会聚；

所述二极管激光器的激光发射端与所述激光耦合单元的距离L1、所述激光耦合单元与光纤入射端面的距离L2以及所述激光耦合单元的焦距f1之间的关系为：

光纤出射端面与所述会聚透镜的距离L3、所述会聚透镜与所述会聚透镜的像平面之间的距离L4以及所述会聚透镜的焦距f2之间的关系为：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光耦合单元包括一个耦合透镜或者多个耦合透镜组成的耦合透镜组。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MEMS振镜位于所述会聚透镜的像平面后方的预设距离L5处。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述L5、所述MEMS振镜与所述后置处理模块的距离L6以及所述后置处理模块的焦距f3之间的关系为：L5+L6＝f3。

5.一种光束准直方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1-4任一所述的光束准直系统，包括：

通过所述前置处理模块将来自所述二极管激光器的激光整形为沿各个方向均匀传输并输出至MEMS振镜上进行谐振反射；

通过所述后置处理模块对所述MEMS振镜反射的激光进行准直并输出准直后的激光，以用于探测待测目标。

6.一种激光雷达，其特征在于，包括上述权利要求1-4任一所述的光束准直系统。