[发明专利]激光回波接收光学系统

说明书

激光回波接收光学系统，涉及激光雷达技术领域。本发明是为了解决现有激光雷达扫描成像系统中，探测器的光敏面尺寸和带宽难以平衡的问题。本发明所述的激光回波接收光学系统，N个聚焦透镜的焦点分别位于一个正N边形的N个顶点处，N个InGaAs PIN探测器的光敏面中心分别位于N个聚焦透镜的焦点处，分束器用于将激光回波信号分为N束，每一束均通过一个聚焦透镜入射至对应的InGaAs PIN探测器中。通过分光的方式将回波光束分成多份，然后分别用光学透镜组将每一份聚焦到每一个探测器上，从而有效增加探测器光敏面口径解决探测器小面元实现大视场接收的问题。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及激光雷达的回波接收系统。

背景技术

基于MEMS扫描的红外成像激光雷达系统在很多领域都有重要应用价值，是现有激光雷达领域中关注和研究的重点课题。在现有采用直接探测和收发分置方式的高速高清晰1550nm扫描式3D成像激光雷达中，探测器的响应带宽和光敏面大小对扫描成像的实现至关重要。

要实现激光雷达扫描成像的高速和高清晰度，探测器的响应带宽应尽可能高。因为探测器带宽高，对应陡峭的上升沿响应，可以高速鉴别脉冲信号到来时刻，有助于提高成像帧频。同时，为获得较大的接收视场，接收尽可能多的回波信号，探测器的光敏面应尽量大些为好。但是，目前市场上适合1550nm波段的单个InGaAs PIN管或APD(硅雪崩光电二极管)探测器中，响应速度高的存在有效光敏面太小的问题(响应带宽大于1GHz，光敏面在50μm左右量级)；而光敏面大的(可以达到1mm量级)又存在响应速度低的问题。探测器的带宽和光敏面大小是相反的两个限制。

发明内容

本发明是为了解决现有激光雷达扫描成像系统中，探测器的光敏面尺寸和带宽难以平衡的问题，现提供激光回波接收光学系统。

激光回波接收光学系统，包括分束器、N个聚焦透镜和N个InGaAs PIN探测器，N为大于等4的正整数，

N个聚焦透镜的焦点分别位于一个正N边形的N个顶点处，N个InGaAs PIN探测器的光敏面中心分别位于N个聚焦透镜的焦点处，

分束器用于将激光回波信号分为N束，每一束均通过一个聚焦透镜入射至对应的InGaAs PIN探测器中。

进一步的，当N＝4时，所述分束器为四棱锥镜对，所述四棱锥镜对包括两个底面相互正对的四棱锥镜，且两个四棱锥镜底面之间留有间距。

进一步的，当四棱锥镜对的主轴与入射光夹角为±5°时，调整InGaAs PIN探测器的光敏面中心与四棱锥镜对主轴之间的距离R为：

R＝R₁-0.5R₀，

其中，R₁为四棱锥镜对出射光束的光斑中心与四棱锥镜对主轴之间的实际距离，且满足：

h₁为四棱锥镜的高度，h₂为两个四棱锥镜底面之间的间距，α为四棱锥镜底面和侧面之间的夹角，θ₂和γ₂分别为光束与四棱锥镜底面间的入射角和折射角，R₀为四棱锥镜对入射光束的光斑中心与四棱锥镜对主轴之间的距离。

进一步的，当N＝7时，所述分束器为六棱锥台镜对，所述六棱锥台镜对包括两个底面相互正对的六棱锥台镜，且两个六棱锥台镜底面之间留有间距。

进一步的，上述聚焦透镜包括非球面镜和超半球浸没透镜，

非球面镜将入射光束进行预聚焦并出射至超半球浸没透镜，超半球浸没透镜将入射光聚焦至对应的InGaAs PIN探测器的光敏面。

进一步的，上述激光回波接收光学系统还包括准直扩束镜，激光回波信号经所述准直扩束镜扩束后入射至分束器，