[发明专利]用于激光雷达的MEMS微镜二维扫描准直发射光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光雷达发射光学系统，特别是一种用于激光雷达的MEMS微镜二维扫描准直发射光学系统。

背景技术

激光雷达使用激光作为探测光束，从而使其具有空间分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等突出优势，在无人驾驶、数字化城市和地形地貌测量等领域有着广泛的应用前景。

激光雷达通过光束扫描和同步距离测量获取成像的点云数据，因此激光束扫描是激光雷达系统设计的核心环节之一。传统的振镜扫描存在体积大、功耗高、速度慢等局限性，MEMS微镜技术的出现为解决激光束二维高速扫描系统的小型化、低功耗设计提供了新的思路，但是MEMS微镜的反射面尺寸较小，这给激光准直扫描发射光学系统的设计带来了很大的技术难度。专利申请号2016103089919(申请公布号CN 105807421A) 报道了一种平行光出射的角放大扫描光学系统，它由正透镜、MEMS微镜和负透镜组成，解决了基于MEMS微镜的激光雷达扫描角小的问题，它通过设置在MEMS微镜前面的正透镜和MEMS微镜后面的负透镜组成一个伽利略望远镜，且负透镜焦距远小于正透镜，这种光路结构只能适用于出射光束准直性较好的气体或固体激光源，难以应用到发散角较大且存在像散的半导体激光源的准直扫描发射，更为重要的是上述光路虽然通过伽利略望远镜结构实现扫描角度的放大，解决了MEMS微镜扫描角小的问题，但是它极大地牺牲了激光器发射光束的准直性能，由上述光路发射的激光束的发散角度将远大于从激光器出射时的发散角，这不符合激光雷达的应用条件。此外，MEMS微镜扫描时的中继像点构成的是一个曲面，这将导致MEMS微镜偏离扫描平衡位置时伽利略望远镜存在一定的视差(正透镜的像点和负透镜的焦点不重合)，从而极大影响最终发射光束的准直性能。事实上，随着MEMS微镜技术的发展，光束扫描角度范围范围已经可以达到±15°，因此，扫描角度的覆盖已经不是难题，而设计一种能适用于传统固体、气体激光器和半导体激光器的基于MEMS微镜二维扫描的具有高准直效果的激光发射光学系统是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于激光雷达的MEMS微镜二维扫描准直发射光学系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于激光雷达的MEMS微镜二维扫描准直发射光学系统，包括脉冲激光二极管、消像散镜组、光束变换镜组、MEMS微镜、像点位置补偿镜组、准直物镜组和MEMS微镜驱动电路，脉冲激光二极管发射的激光依次经过消像散镜组和光束变换镜组到达MEMS微镜反射面，MEMS微镜在MEMS微镜驱动电路的控制下进行角度摆动形成激光扫描面，激光扫描面的光束再经过像点位置补偿镜组和准直物镜组实现准直出射。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明引入了消像散镜组补充半导体激光器发射光束的像散问题，一方面改善了发射激光束的光束质量，另一方面提高了发射光学系统的耦合效率；2)本发明通过光束变换镜组将大发散角的半导体激光束变换为弱会聚(小会聚角)的光束与MEMS微镜的反射面进行匹配，大幅度降低了光束扫描对MEMS微镜镜面尺寸大小的要求；3)本发明引入了像点位置补偿镜组，将MEMS 微镜扫描形成的曲面像点变换成平面像点，有效补充了MEMS微镜偏离平衡位置时光路的失配问题，保证了MEMS微镜扫描过程中发射光束的准直度；4)本发明引入了正透镜组作为准直物镜组，在保证出射光束准直性的同时，可以通过改变正透镜组焦距灵活改变系统的扫描视场角。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构示意图。

图2为光束变换镜组原理示意图。

图3为系统的角放大原理示意图。

图4是实施例1的非序列模式下激光器消像散光路ZEMAX仿真图，其中(a)为快轴方向(即垂直于激光二极管发光结的平面方向)，(b)为慢轴方向(即平行于激光二极管发光结的平面方向)。

图5是实施例1的非序列模式下激光器出射光束的光线追迹图(a)无消像散透镜组，(b)通过消像散透镜组。

图6是实施例1的序列模式部分光路ZEMAX仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施步骤对本发明做进一步说明。