[发明专利]一种用于激光雷达的光束整形装置及其对远场光斑的整形方法

说明书

本申请提供一种用于激光雷达的光束整形装置及其对远场光斑的整形方法，其中，所述光束整形装置包括：用于对快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直的第一准直镜，用于对慢轴方向激光光束进行第二次准直的第二准直镜，以及孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处。本申请有效增加了激光雷达的激光利用率，从而显著提高激光雷达的测距能力；且激光光束的远场光斑形状为正方形或者近似正方形的矩形，提高激光雷达的测量精度。

技术领域

本发明涉及激光雷达的光学领域，尤其涉及激光雷达的光束整形装置及其整形方法。

背景技术

随着光学技术的发展和应用，激光雷达被广泛应用于各种测量领域，例如导航定位技术领域、工程测距技术领域等。现有技术中的激光雷达主要包括发射端和接收端两个模块，通过分析接收的信号来获得所需的各种二维和三维信息。

因为半导体激光器输出的激光光束在传输过程中具有不对称性，慢轴方向激光光束和快轴方向激光光束的发光区并非是一个点，而是具有一定大小的区域，随着激光光束的不断传输，激光光束的光斑尺寸会越来越大，因此，在许多应用中必须采用特殊的光学系统对激光光束进行光束准直整形。现有技术中的激光光束准直系统单独采用同一准直透镜对激光光源进行准直。以现有技术中的激光雷达的激光光束源发射出的905nm激光光束经过准直透镜20进行准直为例，图1为用软件模拟出来的现有技术中慢轴方向激光光束111的模拟光学追迹图，图2为现有技术中快轴方向激光光束121的模拟光学追迹图，图1和图2中的激光光束均采用同一准直透镜20进行准直整形，准直透镜20的长短轴方向的准直焦距是一样的，准直整形后的远场光斑见图3所示的用软件模拟的远场光斑形状图，远场光斑为狭长的长条形光斑。慢轴方向发光区11对应于图3中的远场光斑的Y轴方向，快轴方向发光区12对应于图3中的远场光斑的X轴方向。对同一准直透镜，发光区大的方向，其对应的远场光斑的对应方向的尺寸大。因为慢轴方向的发光区域大，所以经过准直透镜20准直后的发散角大，所以远场光斑的Y轴方向的尺寸较大；快轴方向的发光区小，对应远场光斑的X轴方向的尺寸较小。现有技术中的激光雷达准直系统发射出的激光的远场光斑呈狭长的长条形，由图3可知，光斑在X轴和Y轴上的分布十分不均衡，这意味着现有技术中的激光雷达的扫描精度较差，即雷达扫描出的每个点的位置精度差，就是说激光雷达每次转到同一个位置时，测到的却不一定是同一个点的信息。

此外，对半导体激光进行准直后进行激光测距，激光功率的利用率(光通量/发射光通量)尤其重要，利用率高则出射激光的功率高，测距能力就强，反之则弱。现在所用的准直系统，在有限的尺寸范围内，如果所用准直透镜20的焦距大，则激光的利用率就会低(激光利用角度θ＝arc(透镜直径/透镜焦距))，例如，由图3可知，上述现有技术中的准直系统的激光利用率仅为0.14203。如果所用准直透镜的焦距小，则激光利用率就高，但远场的光斑就会大，使得测量精度变差。

因此，现有技术中准直系统使激光雷达存在测距能力和测量精度无法兼顾的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中准直系统使激光雷达存在测距能力和测量精度无法兼顾的问题，根据本申请的第一个方面，本申请提供一种用于激光雷达的光束整形装置，其中，所述激光雷达包括用于发射激光光束的激光光束源，所述激光光束包括快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束，所述光束整形装置包括：

第一准直镜，所述第一准直镜用于对快轴方向激光光束和慢轴方向激光光束进行第一次准直；

第二准直镜，所述第二准直镜用于对慢轴方向激光光束进行第二次准直；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，且设置于所述慢轴方向激光光束的束腰处；

所述孔径光阑和所述第二准直镜共同压缩所述慢轴方向激光光束的发散角度；所述激光光束源、所述激光光束、所述第一准直镜、所述孔径光阑、以及所述第二准直镜同轴。