[发明专利]一种用于MEMS微镜激光雷达的凝视成像接收光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种凝视成像接收光学系统，特别是涉及一种用于MEMS微镜激光雷达的凝视成像接收光学系统。

背景技术

MEMS微镜扫描激光雷达通过光束的扫描和同步距离测量获取目标的轮廓信息。由于具有体积小、功耗低的特点，MEMS微镜扫描激光雷达在城市建模、地形测绘和无人驾驶等领域有着广泛的应用前景。

单元凝视成像接收光学系统简化了MEMS微镜扫描激光雷达的设计，提高了其可实现性。常用的大视场成像镜头如鱼眼透镜、广角/超广角物镜等，在常规条件下可以实现超过180°以上的成像视场，但是在MEMS微镜激光雷达应用中，感光元件不是常规的CCD器件，而是快响应的雪崩光电探测器件，其感光面远小于CCD靶面的大小，接收视场受相对孔径和探测器光敏面限制，在探测器光敏面直径不大于2mm和有效通光孔径不小于10mm的前提下，难以实现接收视场大于等于30°的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于MEMS微镜激光雷达的凝视成像接收光学系统，在探测器光敏面直径不大于2mm和有效通光孔径不小于10mm的前提下，接收视场大于等于30°。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于MEMS微镜激光雷达的凝视成像接收光学系统，包括镜头压圈、滤光片、隔圈、平凸透镜、聚光锥、光电探测器和光学镜筒，其中镜头压圈、滤光片、隔圈、平凸透镜、聚光锥、光电探测器依次设置在光学镜筒内，滤光片、平凸透镜、聚光锥和光电探测器的光轴位于同一直线上，光线经滤光片、平凸透镜、聚光锥聚焦到光电探测器上，所述平凸透镜的凸面朝向滤光片的一侧，平凸透镜的平面朝向聚光锥的一侧，所述聚光锥为圆台结构，圆台的大端靠近平凸透镜，圆台的小端靠近光电探测器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明引入聚光锥作为接收透镜和光电探测器光敏面之间的光路中继，直接放大了光电探测器光敏面的收光面积，在使用单元APD探收器的情况下，凝视成像接收视场可达到30°以上；(2)本发明将聚光锥的大端与物镜最后一个面紧贴放置，大幅降低了物镜成像质量对光学接收效率的影响，使用简单的平凸透镜作为成像接收物镜即可达到很高的光学接收效率，大幅地简化了成像接收的光路设计，使其具有体积小、调试简单和成本低等突出优势；(3)本发明采用平凸单透镜作为接收物镜，且将平凸透镜的平面与聚光锥的大端面紧贴放置，巧妙利用聚光锥的数值孔径，限制光学系统接收视场外的背景光干扰，改善了激光信号接收的光学信噪比。

附图说明

图1为本发明的凝视成像接收光学系统的结构示意图。

图2为本发明的凝视成像接收光学系统的光学镜筒剖面示意图。

图3为本发明的凝视成像接收光学系统的聚光锥结构示意图。

图4为本发明在光学软件LightTools中模拟30度视场角的光斑分布图。

具体实施方式

一种用于MEMS微镜激光雷达的凝视成像接收光学系统，包括镜头压圈1、滤光片2、隔圈3、平凸透镜4、聚光锥5、光电探测器6和光学镜筒7，其中镜头压圈1、滤光片2、隔圈3、平凸透镜4、聚光锥5、光电探测器6依次设置在光学镜筒7内，滤光片2、平凸透镜4、聚光锥5和光电探测器6的光轴位于同一直线上，光线经滤光片2、平凸透镜4、聚光锥5聚焦到光电探测器6上，所述平凸透镜4的凸面朝向滤光片2的一侧，平凸透镜4的平面朝向聚光锥5的一侧，所述聚光锥5为圆台结构，圆台的大端8靠近平凸透镜4，圆台的小端9靠近光电探测器6。

所述隔圈3与平凸透镜4的凸面紧贴放置。

所述平凸透镜4的平面与聚光锥5的大端8紧贴放置，所述聚光锥5的小端9与光电探测器6的光敏面紧贴放置。

所述光学镜筒7的中间部分为锥孔结构，锥孔的大小与聚光锥5的大小相同。

所述滤光片2为905nm窄带滤光片。

所述平凸透镜4的材料为BK7玻璃，直径D＝10mm，焦距f＝15mm。

所述聚光锥5的材料为BK7玻璃，长度L＝16mm，大端8的端面直径D₁＝10mm，小端9的端面直径D₂＝2mm。

所述光电探测器6的光敏面直径D₃＝2mm。

下面结合附图和实施步骤对本发明做进一步说明。