一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统的制作方法

1.本发明涉及激光发射光学系统技术领域，是一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。


背景技术：

2.激光雷达作为一种光电传感器，其光学系统一般由发射光学和接收光学两部分组成。发射光学系统与激光器耦合，作为信号光的发射源，该信号光为传输载体，经目标反射返回后的信号光带有目标信息属性；接收光学系统与探测器耦合，用于信号光的接收、探测与还原。
3.由于激光器功率、探测器面阵规模等限制，远距离、高分辨率激光雷达的发射和接收系统的束散角或视场角较小，且很难做大，否则激光传输距离受限或空间分辨率受限。由此，面阵凝视扫描是激光雷达光学系统在保证远距离传输、空间分辨率的同时，扩大视场范围或搜索的一种方法。
4.面阵成像激光雷达为主动探测光电传感器，其发射光学、接收光学等两套光学系统属性，决定其扫描方法不同于传统的单路被动光电成像系统的扫描方法。扫描设计时，需同时考虑发射与接收两光路的近场、远场光学对准、对正问题，对于有限面阵器件来说，此对准、对正精度尤为重要。为保证发射与接收的瞬时视场、探测时间等同步，采用发射与接收分开扫描、电控同步方法，将增加系统体积、增加控制系统难度，无法很好的适应使用需求。因此，需考虑收发支路的共口径或共光轴扫描，采用如快反镜等扫描机构在收发光学系统外部进行扫描，势必造成系统体积较大、控制精度过高、成本较高等限制问题，还需考虑消像旋的复杂硬件设计或软件补偿设计。


技术实现要素：

5.本发明为了可以很好的平衡系统体积、精度、成本等参数与应用需求，本发明提供了一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，本发明提供了以下技术方案：
6.一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，所述系统包括：控制系统、激光器光源发射端、激光apd面阵探测器、一次成像面、激光接收光学系统、光信号合束/隔离器、激光发射光学系统、像面伺服扫描机构、大视场共口径一次成像光学系统；
7.所述控制系统控制激光器光源发射端、激光apd面阵探测器和像面伺服扫描机构；激光器光源发射端与激光发射光学系统耦合；激光apd面阵探测器与激光接收光学系统耦合；激光发射光学系统与激光接收光学系统通过光信号合束/隔离器进行共轴耦合形成后组收发共轴光学系统；
8.大视场共口径一次成像光学系统探测远处景物时，形成平面或球面景物共轭像，前组像面为待扫描像面；后组收发共轴光学系统在像面伺服扫描机构带动下，对待扫描像面进行一定规律扫描；控制系统用于对扫描光学系统及光学扫描伺服机构的控制；
9.当后组收发共轴光学系统不扫描时，为系统瞬时小视场激光成像；当扫描时，为系
统大视场扫描激光成像；当扫描机构快速移动时，为系统瞬时视场在前组大视场范围内的瞬时指向激光成像。
10.优选地，所述像面伺服扫描机构包括平面或球面伺服扫描机构。
11.优选地，激光器光源发射端以激光光源为基础，对vcsel、ld、led光源均适用。
12.优选地，所述一次成像面包括平面或球面一次成像面。
13.优选地，所述激光器光源发射端出射光束束腰参量与激光发射光学系统参量匹配耦合进主光路，激光apd面阵探测器与激光接收光学系统耦合进主光路，且激光发射光学系统与激光接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描。
14.本发明具有以下有益效果：
15.本发明基于像方扫描方法实现激光雷达的发射光学系统、接收光学系统共光轴一致性扫描，进而实现瞬时小视场面阵凝视激光成像，像方扫描大视场累积拼接激光成像或瞬时快速指向激光成像。
16.本发明采取前后组二次成像的方式，前组光学系统为发射、接收光学系统共口径的大视场一次成像系统，将远距离目标/场景成像在其成像面(待扫描)上，该前组待扫描成像面根据系统各项参数可为平面或球面；后组采用合束棱镜、波片等对发射光学系统、接收光学系统进行共轴合束与隔离，实现收发光学系统的共轴像方扫描光学系统；激光器出射光束束腰等参量与发射光学系统参量匹配耦合进主光路，面阵apd探测器或其他激光探测与接收光学系统耦合进主光路，且发射光学系统、接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描；二维或二轴伺服运动机构带动后组共轴(共口径)收发光学系统，以一定状态沿进行平面像方扫描或球面像方扫描，实现激光雷达收发共口径的远距离、高分辨率瞬时面阵凝视成像或大视场扫描成像或大视场内任意指向。
附图说明
17.图1为实际光学系统近轴成像示意图；
18.图2为像方平面扫描面阵成像激光雷达光学系统模型原理图；
19.图3为像方球面平面扫描面阵成像激光雷达光学系统模型原理图；
20.图4为本发明的结构组成框图。
具体实施方式
21.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
22.具体实施例一：
23.根据图1至图4所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，所述系统包括：控制系统、激光器光源发射端、激光apd面阵探测器、一次成像面、激光接收光学系统、光信号合束/隔离器、激光发射光学系统、像面伺服扫描机构、大视场共口径一次成像光学系统；
24.所述控制系统控制激光器光源发射端、激光apd面阵探测器和像面伺服扫描机构；激光器光源发射端与激光发射光学系统耦合；激光apd面阵探测器与激光接收光学系统耦合；激光发射光学系统与激光接收光学系统通过光信号合束/隔离器进行共轴耦合形成后
组收发共轴光学系统；
25.大视场共口径一次成像光学系统探测远处景物时，形成平面或球面景物共轭像，前组像面为待扫描像面；后组收发共轴光学系统在像面伺服扫描机构带动下，对待扫描像面进行一定规律扫描；控制系统用于对扫描光学系统及光学扫描伺服机构的控制；
26.当后组收发共轴光学系统不扫描时，为系统瞬时小视场激光成像；当扫描时，为系统大视场扫描激光成像；当扫描机构快速移动时，为系统瞬时视场在前组大视场范围内的瞬时指向激光成像。
27.所述像面伺服扫描机构包括平面或球面伺服扫描机构。所述一次成像面包括平面或球面一次成像面。所谓“一次像像面”(应分开读“一次像、像面”或一次像的像面，即一次像的像面位置，此设计此处为虚面)是指前组大视场共口径一次成像光学系统在此处有像面，但在该处仅为系统“成像”的中继过程，实际成像要靠伺服扫描机构带动后组扫描或静止或指向时，由后组调制前组该“一次像像面”光信息使其在后组激光apd面阵探测器进行还原成像。
28.所谓“平面或球面一次像像面”是指前组光学系统在此处设计有中继像面，该像面为球面形式或平面形式，本设计此处为虚设“像面”，仅为激光雷达接收光学系统、发射光学系统共口径像方扫描“成像”的中继过程，实际成像要靠伺服扫描机构带动后组扫描或静止或指向时，由后组调制前组该“一次像像面”还原为后组激光apd面阵探测器进行成像。
29.且发射光学系统为照明光学系统，无实际成像面，在此处“一次像像面”是不成像的，但发射光学系统的参数必须经过该“一次像像面”相关校验约束。
30.激光器光源发射端以激光光源为基础，对vcsel、ld、led光源均适用。
31.所述激光器光源发射端出射光束束腰参量与激光发射光学系统参量匹配耦合进主光路，激光apd面阵探测器与激光接收光学系统耦合进主光路，且激光发射光学系统与激光接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描。所述各组成部分，通过后组发射光学系统与接收光学系统的合束/隔离设计，实现大视场共口径高分辨率激光雷达主动成像；且可实现长焦、甚长焦等激光雷达高分辨率成像；且收发光学系统共轴共口径同频扫描成像或快速指向成像。有效减小系统体积或降低控制系统参数等。
32.本发明依据拉赫不变量物像参量关系，采用发射光学系统与接收光学系统共轴(共口径)方案，基于像方扫描原理，建立激光雷达发射光学系统、接收光学系统共轴像方扫描光学系统设计方法及模型。实现激光雷达接发射光学系统、收光学系统共口径的远距离、高分辨率瞬时面阵凝视成像或大视场扫描成像或大视场内任意指向。进而实现远距离、高空间分辨率、小型一体化的面阵探测器型激光成像雷达。
33.本发明所建立的面阵激光雷达像方扫描光学系统方法及模型，不仅用于激光雷达领域，也可应用于高质量光场调控、全息照相、相干光检测等领域，同时也可应用于vcsel(垂直腔面发射激光器)面阵激光器的相关扫描探测领域。
34.全视场扫描或全视场指向的前组为一次大视场成像系统，参数计算、分解设计指标后，根据成像几何光学系统物象原理与物像共轭原理，前组光学系统在像方的像方角度为后组瞬时接收光学系统的入射角度或发射光学系统的出射角度。后组为瞬时高分辨率小视场探测器面阵收发光学系统凝视成像，当成像系统不扫描时，为面阵探测器瞬时凝视成像；当后组沿像方(x,y)平面进行平移扫描或当后组沿像方(x,y,z)球面进行球面扫描时，
可实现激光雷达收发共口径的远距离、高分辨率瞬时面阵凝视成像或大视场扫描成像或大视场内任意指向。根据拉赫不变量关系式，建立像方扫描面阵成像激光雷达光学系统模型，像方平移扫描如图2所示，像方球面扫描如图3所示。
35.激光雷达的发射光学、接收光学在涉及镜头设计时，以几何光学基础理论为基础，几何光学有限大小物体成像，存在放大率三个放大率，垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ，它们之间存在关系如式(1)：
36.αγ＝β.............................................. (1)
37.如图1实际光学系统近轴成像示意图所示，近轴范围内光轴外物点成像，像高与物高之比为垂轴放大率，即式(2)所示：
[0038][0039]
则有几何光学中重要应用的拉赫不变量(lagrange invariant，拉格朗日-赫姆霍兹不变量)，即式(3)：
[0040]
nyu＝n
′y′u′
＝j........................................ (3)
[0041]
式中：j称为拉赫不变量，n、n
′
分别表示物方、像方介质折射率，y、y
′
分别表示物高、像高，u、u
′
分别表示物方孔径角、像方孔径角。
[0042]
拉赫不变量公式以简单代数的形式说明了实际光学系统在近轴区内成像时，在一对物像共轭平面内，物高y、物方孔径角u和介质折射率n的乘积为一常数。像高y
′
和像方u
′
是两个成反比例关系的量，增大(减小)像高，必然减小(增大)像方孔径角；因此拉赫不变量表征了光学系统的成像能力，在不考虑各类像差的情况下，也表示了物像传递过程，是几何光学物像传递的最基础关系式。
[0043]
以上所述仅是一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统的优选实施方式，一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。