[发明专利]一种二维MEMS扫描激光雷达大视场信号接收系统

说明书

本发明属于光学领域，公开了一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收系统，包括：滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥、APD阵列探测器；光线依次经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。所述传像纤维光锥外形为锥形结构；由数千上万根锥形光纤规则排列组合而成，所述APD阵列探测器根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应的回波光线在所述传像纤维光锥输出的光斑位置，选通对应的APD探测器采集信号。可在接收光学系统口径和焦距及探测器面积一定时，扩大MEMS激光雷达的视场，降低环境背景光对系统的干扰，提高激光信号接收的信噪比。

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收系统。

背景技术

MEMS激光雷达是一种以二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，向探测目标发射激光光束，接收和处理探测目标反射的回波信号，得到探测目标的距离、位置和速度等特征信息的雷达系统，具有体积小、帧率高、功耗低、成本低的优点，在自动驾驶、三维建模、地形测绘、军事领域等诸多场合得到广泛应用。

在MEMS激光雷达系统中，接收光学系统的口径和MEMS激光雷达接收到的回波功率成正比，当MEMS激光雷达探测远距离目标时，接受光学系统的口径需要足够大，而大口径的接收光学系统除了接收更多的回波功率之外，也会接收更多的背景光，降低接收系统的信噪比。大口径光学系统也对应着长焦距，接收光学系统的焦距与接收光学系统半视场和像面直径有关，公式如下：

在像面大小一定的情况下，口径越大，焦距越长，接收系统的视场越小，探测器为APD阵列探测器时，其感光面积较小，对角线尺寸通常为1mm-10mm，大大限制了接收光学系统的视场，使其难以覆盖二维MEMS扫描振镜的扫描视场。

发明内容

本发明为解决光学系统口径较大的情况下，APD阵列探测器面积较小限制二维MEMS扫描振镜激光雷达接收光学系统的视场角增大的技术问题，采用的技术方案如下：

一种二维MEMS扫描振镜激光雷达的大视场接收系统，其特征在于，在同一光轴上，从物方至像方依次设置为：窄带滤光片、大口径短焦镜头组、传像纤维光锥、APD阵列探测器；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的传像纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；光线依次经过窄带滤光片、大口径短焦镜头组成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。所述传像纤维光锥具有放大率M，可将传像纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成传像纤维光锥的锥形光纤束相对应的像元，规则排列的锥形光纤束将所携带的像元信息一一对应地传递到传像纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。

所述传像纤维光锥与传统聚光锥不同，所述锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥入射端面到传像纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。

所述大口径短焦镜头组为成像镜头，其相对孔径<1；所述大口径短焦镜头组从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元主要将大视场的光接收进镜头组，第二组元用于压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。

所述APD阵列探测器为线阵APD探测器或面阵APD探测器。APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应的回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，选择对应的APD探测器单元采集信号，可避免其他APD探测器接收到环境背景光对系统造成干扰。

所述传像纤维光锥的入射端面靠近大口径短焦镜头组，出射端面紧贴APD阵列探测器。