一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統的製作方法
2023-10-04 22:42:29 4
本實用新型屬於雷射雷達領域，尤其涉及一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統。
背景技術：
雷射雷達作為一種測距設備，具有精度高、抗幹擾能力強，反應速度快等優點，適用於多種使用環境。
在實際應用中，雷射測距主要包括飛行時間測距以及三角測距兩種，其中，飛行時間測距是通過雷射雷達內部的光學結構，將雷射投射到特定方向上的物體，當雷射接觸到物體上時，會反射回部分光線，雷射雷達接收該反射回的光線以後，可以通過計算雷射在發射到接收到反射光這個過程中的飛行時間，來計算出雷達到所照射物體之間的距離。而當需要通過單一光路獲取多個角度範圍的物體的距離時，只能使用滑環將整個雷射雷達進行轉動，來實現對轉動範圍內所照射到的物體進行測距。
但是，為了對多個角度範圍內所照射到的物體進行測距，採用滑環的方式對雷達進行轉動會產生雷達轉動部分使用壽命短的問題，且現有可轉動雷射雷達的光路設計較為複雜，成本較高。
技術實現要素：
本實用新型實施例提供一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，旨在解決現有技術中，通過對多個角度範圍內所照射到的物體進行測距，採用滑環的方式對雷達進行轉動會產生雷達轉動部分使用壽命短的問題，且現有可轉動雷射雷達的光路設計較為複雜，成本較高的問題。
本實用新型實施例是這樣實現的，一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，包括：
雷射器；
光路掃描裝置，對所述雷射器發射的雷射光路進行偏轉，使其射向目標物體；
聚光組件，將所述光路掃描裝置反射的目標物體反射光進行會聚；以及
光電探測器，接收所述聚光組件會聚的目標物體反射光，並輸出電信號；
其中，所述聚光組件及光電探測器均與所述雷射器發射光軸位於同一軸線。
優選的，所述雷射器包括：
雷射產生元件；以及
設於所述雷射產生元件發射光路上的準直鏡組；
所述準直鏡組包括至少兩個用於對所述雷射進行準直的柱面鏡。
優選的，所述光路掃描裝置包括：
偏轉鏡；以及
與所述偏轉鏡連接，用於對所述偏轉鏡進行轉動控制的轉動機構。
優選的，所述偏轉鏡包括反射鏡或稜鏡。
優選的，所述準直鏡組包括一個用於準直雷射慢軸的慢軸柱面鏡，以及兩個用於準直雷射快軸的快軸柱面鏡。
優選的，所述聚光組件包括一聚光透鏡，所述聚光透鏡在軸心處設有一容納所述雷射器的通孔。
優選的，所述聚光透鏡為非球面透鏡。
優選的，所述聚光透鏡的焦距與口徑的比值小於1。
優選的，所述光學結構還包括一沿所述雷射發射光軸設置，用於遮擋所述偏轉鏡雜散光的遮光部件。
優選的，所述遮光部件的內徑略大於所述雷射的發射光斑直徑。
本實用新型實施例提供了一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，通過雷射器發射雷射，通過光路掃描裝置對所述雷射器發射的雷射光路進行偏轉，使其射向目標物體，並通過聚光組件，將所述光路掃描裝置反射的目標物體反射光進行會聚，然後，通過光電探測器接收所述聚光組件會聚的目標物體反射光，並輸出電信號，實現多角度的雷射掃描，使用方便，本實用新型有效的解決了現有技術中採用滑環的方式對雷達進行轉動，導致雷達轉動部分使用壽命短的問題，還可以簡化可轉動雷射雷達的光路設計，降低雷射雷達的設計及製造成本。
附圖說明
圖1是本實用新型實施例提供的一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統示意圖；
圖2是本實用新型實施例提供的另一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統示意圖；
圖3是本實用新型實施例提供的一種聚光組件的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
本實用新型實施例提供了一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，通過雷射器發射雷射，通過光路掃描裝置對所述雷射器發射的雷射光路進行偏轉，使其射向目標物體，並通過聚光組件，將所述光路掃描裝置反射的目標物體反射光進行會聚，然後，通過光電探測器接收所述聚光組件會聚的目標物體反射光，並輸出電信號，實現多角度的雷射掃描，使用方便，本實用新型有效的解決了現有技術中採用滑環的方式對雷達進行轉動，導致雷達轉動部分使用壽命短的問題，還可以簡化可轉動雷射雷達的光路設計，降低雷射雷達的設計及製造成本。
以下結合實施例對本實用新型的具體實現進行詳細描述。
參見圖1、圖2，本實用新型實施例提供了一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，包括：雷射器10，光路掃描裝置20，對雷射器10發射的雷射光路進行偏轉，使其射向目標物體，聚光組件30，將光路掃描裝置20反射的目標物體反射光進行會聚，以及光電探測器40，接收聚光組件30會聚的目標物體反射光，並輸出電信號，本實用新型通過光路掃描裝置20，對雷射器10發射的雷射光路進行偏轉，實現多角度的雷射掃描，使用方便，有效的解決了現有技術中採用滑環的方式對雷達進行轉動，導致雷達轉動部分使用壽命短的問題，還可以簡化可轉動雷射雷達的光路設計，降低雷射雷達的設計及製造成本。
其中，聚光組件30及光電探測器40均與雷射器10發射光軸位於同一軸線，可以實現無盲區探測，使得雷射探測的更為全面，得到的探測結果更為準確。
在本實用新型實施例中，雷射雷達用於通過測量發射雷射以及接收到目標物體反射回的回波雷射信號之間的時間差來計算出雷射雷達與目標物體的距離信息。而本實用新型實施例中的基於時間飛行法的雷射雷達光學系統設置於與雷射雷達設備上，用於形成雷射發射光路及接收光路，以支持雷射雷達設備的正常工作。
在本實用新型的實施例中，雷射雷達設備可為飛行雷射雷達、基於三角測距原理的雷射雷達、結構光雷射雷達、或者其他類型雷射雷達的任意替換組合，以實現同樣的作用效果，在本實施例中較佳選擇為飛行雷射雷達。
在本實用新型的實施例中，上述飛行雷射雷達光結構通過光路掃描裝置20 可實現270度、360度或其他預設角度的多角度掃描探測，能夠測量100米範圍內的目標物體的距離和方位信息，測量頻率高，且結構簡單，使用方便。
其中，飛行雷射雷達可以通過單線或者多線的方式進行掃描探測，本實用新型具體不做限制。
在本實用新型的一個實施例中，該雷射器10為可發射準直雷射的雷射器，包括但不限於為光纖雷射器，氣體雷射器，固體雷射器，該雷射器可以為單個或者多個雷射器的任一組合，具體根據實際情況設定，本實用新型不做限定。
在本實用新型的另一個實施例中，參見圖1、圖2、該雷射器10包括雷射產生元件11，以及設於雷射產生元件11發射光路上的準直鏡組12，其中，該雷射產生元件11可為雷射二極體，由於雷射二極體發射角比同類產品更小，在通過準直鏡組12進行準直後，可以使得雷射二極體發射的雷射能量更集中，使得發射出的雷射在100米處的光斑直徑小於200mm，從而可以實現遠距離的雷射掃描，使用方便，且成本不高。
在本實用新型實施例中，該雷射二極體的波長可為635nm、650nm、670nm、 860nm、980nm等等，本實用新型優選的，該雷射二極體可為紅外波段的高功率納秒級脈衝雷射二極體。
在本實用新型實施例中，參見圖1、圖2，準直鏡組12包括至少兩個用於對所述雷射進行準直的柱面鏡。通過採用至少兩個柱面鏡對雷射二極體發射的雷射進行準直，可以使雷射二極體的快軸和慢軸都能很好的被準直，準直後的雷射發射角較小，雷射的能量更加集中，能夠實現更遠距離的探測。
在本實用新型實施例中，準直鏡組12包括一個用於準直雷射慢軸的慢軸柱面鏡1211，以及兩個用於準直雷射快軸的快軸柱面鏡1212。由於快軸發散角比較大，單個柱面鏡準直效果會比較差，因此通過慢軸柱面鏡1211以及快軸柱面鏡1212配合使用，分別準直雷射的快軸和慢軸，使得準直後的雷射發射角小，雷射能量更集中，實現更遠距離的探測。
進一步，該準直鏡組12還可以為圓透鏡或者圓透鏡組，但是由於使用單個的園透鏡進行雷射準直時，會產生像差難以消除，發散角很大的情況，當使用使用圓透鏡組進行雷射準直時，會產生無法消除雷射二極體的像散，發散角也比柱面鏡準直差的情況，因此，本實用新型中，優選的準直鏡組12包括至少兩個用於對所述雷射進行準直的柱面鏡。
在本實用新型實施例中，雷射準直鏡組12準直後的雷射的發散角優選為小於10mrd(毫弧度)，可使雷射器10所發射出的雷射能量更集中，實現更遠距離的探測。
參見圖3、在本實用新型實施例中，光路掃描裝置20包括偏轉鏡21以及與偏轉鏡21連接，用於對偏轉鏡21進行轉動控制的轉動機構22。
在本實用新型實施例中，偏轉鏡優選為具有平面反射結構的反射鏡，實際應用中也可以是稜鏡等可對光路進行偏轉以導向目標物體的光路偏轉結構，通過偏轉鏡21對雷射器10發射的雷射光路進行偏轉，進一步，通過轉動機構22 帶動偏轉鏡21進行轉動，可實現270度、360度或其他預設角度的掃描探測，且轉動機構22隻對偏轉鏡21進行轉動，而無需如現有技術通過使用滑環將整個雷射雷達進行轉動實現對轉動範圍內所照射到的物體進行測距，可有效提高雷射雷達的穩定性和使用壽命。
進一步，該轉動機構22可通過電機的方式進行驅動，當進行雷射掃描時，通過電機運行時產生動力，控制轉動機構22進行轉動，進而可實現270度、360 度或其他預設角度的多角度掃描探測，整體結構簡單，操作方便。
在本實用新型實施例中，偏轉鏡21包括但不限於反射鏡或稜鏡。
在本實用新型實施例中，參見圖2，聚光組件30包括一聚光透鏡31，聚光透鏡31在軸心處設有一容納雷射器10的通孔311。通過在聚光透鏡31的中心通孔311放置雷射器10，當雷射器10發射雷射後，通過光路掃描裝置20將雷射器發射的雷射發射到目標物體上，目標物體將照射在其上的雷射折射返回，通過聚光透鏡31接收目標物體返回的回波雷射信號，使得雷射發射系統和回波雷射接收系統共軸，可實現半徑為0-100m範圍的探測，減少光路系統的佔用體積，節省成本，同時保證測距的準確性。
其中，聚光透鏡31為非球面透鏡，接收口徑大，可以接收到的信號能量高，焦距短，裝置的體積小，非球面透鏡的匯聚光斑小，讓進入透鏡的信號能量更好的被光電探測原件接收到，探測靈敏度更高。降低系統體積。非球面透鏡匯聚光斑小，讓進入透鏡的回波雷射更好的被光電探測器40接收到，使得光電探測器40的探測靈敏度更高。能夠接收到100米以外的目標返回信號。
在本實用新型實施例中，非球面透鏡可為塑料透鏡，該塑料透鏡可以直接開模加工，成本遠低於玻璃透鏡，並且不易破碎。
在本實用新型實施例中，聚光透鏡31的焦距與口徑的比值優選為小於1，在保證接收系統口徑的前提下儘可能地減小基於時間飛行法的雷射雷達光學系統的整體體積，且可以降低雷射雷達的設計及製造成本，提高企業效益。
在本實用新型實施中，基於時間飛行法的雷射雷達光學系統還包括一沿雷射發射光軸設置，用於遮擋偏轉鏡21雜散光的遮光部件50。該遮光部件50與偏轉鏡21連接，可根據轉動機構22的帶動下，和偏轉鏡21一體轉動。進一步，該遮光部件50為一L型圓筒，其內徑略大於所述雷射的發射光斑直徑。
在本實用新型實施例中，遮光部件50的一端抵近雷射器10的雷射發射口。當雷射雷達在雷射發射光路上設有透光殼體時，遮光部件50相對雷射發射口的另一端抵近雷射雷達的殼體，以阻擋雷射射在透光殼體上產生的散雜光，避免散雜光對雷射雷達的光電探測器40的幹擾，提高雷射雷達探測反射光時的準確度。
本實用新型實施例提供了一種基於時間飛行法的雷射雷達光學系統，通過雷射器發射雷射，通過可轉動的光路掃描裝置對所述雷射器發射的雷射光路進行偏轉，使其射向多個角度的目標物體，並通過聚光組件，將所述光路掃描裝置反射的目標物體反射光進行會聚，然後，通過光電探測器接收所述聚光組件會聚的目標物體反射光，並輸出電信號，實現多角度的雷射掃描。本實用新型實施例有效的解決了現有技術中採用滑環的方式對雷達進行轉動，導致雷達轉動部分使用壽命短的問題，還可以簡化可轉動雷射雷達的光路設計，降低雷射雷達的設計及製造成本。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。