一種用于MEMS微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統的制作方法

本發明涉及一種凝視成像接收光學系統，特別是涉及一種用于mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統。

背景技術：

mems微鏡掃描激光雷達通過光束的掃描和同步距離測量獲取目標的輪廓信息。由于具有體積小、功耗低的特點，mems微鏡掃描激光雷達在城市建模、地形測繪和無人駕駛等領域有著廣泛的應用前景。

單元凝視成像接收光學系統簡化了mems微鏡掃描激光雷達的設計，提高了其可實現性。常用的大視場成像鏡頭如魚眼透鏡、廣角/超廣角物鏡等，在常規條件下可以實現超過180°以上的成像視場，但是在mems微鏡激光雷達應用中，感光元件不是常規的ccd器件，而是快響應的雪崩光電探測器件，其感光面遠小于ccd靶面的大小，接收視場受相對孔徑和探測器光敏面限制，在探測器光敏面直徑不大于2mm和有效通光孔徑不小于10mm的前提下，難以實現接收視場大于等于30°的要求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，在探測器光敏面直徑不大于2mm和有效通光孔徑不小于10mm的前提下，接收視場大于等于30°。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種用于mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，包括鏡頭壓圈、濾光片、隔圈、平凸透鏡、聚光錐、光電探測器和光學鏡筒，其中鏡頭壓圈、濾光片、隔圈、平凸透鏡、聚光錐、光電探測器依次設置在光學鏡筒內，濾光片、平凸透鏡、聚光錐和光電探測器的光軸位于同一直線上，光線經濾光片、平凸透鏡、聚光錐聚焦到光電探測器上，所述平凸透鏡的凸面朝向濾光片的一側，平凸透鏡的平面朝向聚光錐的一側，所述聚光錐為圓臺結構，圓臺的大端靠近平凸透鏡，圓臺的小端靠近光電探測器。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：(1)本發明引入聚光錐作為接收透鏡和光電探測器光敏面之間的光路中繼，直接放大了光電探測器光敏面的收光面積，在使用單元apd探收器的情況下，凝視成像接收視場可達到30°以上；(2)本發明將聚光錐的大端與物鏡最后一個面緊貼放置，大幅降低了物鏡成像質量對光學接收效率的影響，使用簡單的平凸透鏡作為成像接收物鏡即可達到很高的光學接收效率，大幅地簡化了成像接收的光路設計，使其具有體積小、調試簡單和成本低等突出優勢；(3)本發明采用平凸單透鏡作為接收物鏡，且將平凸透鏡的平面與聚光錐的大端面緊貼放置，巧妙利用聚光錐的數值孔徑，限制光學系統接收視場外的背景光干擾，改善了激光信號接收的光學信噪比。

附圖說明

圖1為本發明的凝視成像接收光學系統的結構示意圖。

圖2為本發明的凝視成像接收光學系統的光學鏡筒剖面示意圖。

圖3為本發明的凝視成像接收光學系統的聚光錐結構示意圖。

圖4為本發明在光學軟件lighttools中模擬30度視場角的光斑分布圖。

具體實施方式

一種用于mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，包括鏡頭壓圈1、濾光片2、隔圈3、平凸透鏡4、聚光錐5、光電探測器6和光學鏡筒7，其中鏡頭壓圈1、濾光片2、隔圈3、平凸透鏡4、聚光錐5、光電探測器6依次設置在光學鏡筒7內，濾光片2、平凸透鏡4、聚光錐5和光電探測器6的光軸位于同一直線上，光線經濾光片2、平凸透鏡4、聚光錐5聚焦到光電探測器6上，所述平凸透鏡4的凸面朝向濾光片2的一側，平凸透鏡4的平面朝向聚光錐5的一側，所述聚光錐5為圓臺結構，圓臺的大端8靠近平凸透鏡4，圓臺的小端9靠近光電探測器6。

所述隔圈3與平凸透鏡4的凸面緊貼放置。

所述平凸透鏡4的平面與聚光錐5的大端8緊貼放置，所述聚光錐5的小端9與光電探測器6的光敏面緊貼放置。

所述光學鏡筒7的中間部分為錐孔結構，錐孔的大小與聚光錐5的大小相同。

所述濾光片2為905nm窄帶濾光片。

所述平凸透鏡4的材料為bk7玻璃，直徑d＝10mm，焦距f＝15mm。

所述聚光錐5的材料為bk7玻璃，長度l＝16mm，大端8的端面直徑d1＝10mm，小端9的端面直徑d2＝2mm。

所述光電探測器6的光敏面直徑d3＝2mm。

下面結合附圖和實施步驟對本發明做進一步說明。

如圖1‐3所示，用于mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，由物側至像側依次設置鏡頭壓圈1、濾光片2、隔圈3、平凸透鏡4、聚光錐5、光電探測器6，具體的，濾光片2后方設置平凸透鏡4，平凸透鏡4的凸面朝向入射光方向，在濾光片2與平凸透鏡4之間用隔圈3隔開，防止濾光片2與平凸透鏡4之間擠壓造成器件損壞，平凸透鏡4后方設置聚光錐5，聚光錐5是平臺結構，包括大端8和小端9，大端8與平凸透鏡4的平面緊貼，小端9與光電探測器6的光敏面緊貼。整個光路安裝在一個光學鏡筒7中，光學鏡筒7的中間部分為錐孔結構，錐孔的大小與聚光錐5的大小相同，用于放置聚光錐5，光學鏡筒7的兩端為圓孔結構，光線入射端圓孔放置濾光片2和平凸透鏡4，另一端圓孔放置光電探測器6，濾光片2和平凸透鏡4由鏡頭壓圈1固定，保證平凸透鏡4、濾光片2、聚光錐5和光電探測器6的光軸在同一直線上。

由于mems微鏡激光雷達發射激光的波長為905nm，因此濾光片2采用905nm窄帶濾光片，以濾除其他波長的雜散光，使波長905nm附近的光線進入接收系統。所述平凸透鏡4、聚光錐5的材料采用bk7玻璃，平凸透鏡4的直徑d＝10mm，焦距f＝15mm；聚光錐5的長度l＝16mm，大端8的端面直徑d1＝10mm，小端9的端面直徑d2＝2mm。所述光電探測器6的光敏面直徑d3＝2mm。

凝視成像接收光學系統的裝調過程如下：

1)將光電探測器6固定在光學鏡筒7的底端，使光電探測器6的光敏面中心在光學鏡筒7的中心線上；

2)將聚光錐5的小端9與光電探測器6的光敏面緊貼放置于光學鏡筒7中，聚光錐5的光軸在光學鏡筒7的中心線上；

3)將平凸透鏡4的平面與聚光錐5的大端面8緊貼放置于光學鏡筒7中，平凸透鏡4的光軸在光學鏡筒7的中心線上；

4)將隔圈3與平凸透鏡4的凸面側緊挨著放入光學鏡筒7中；

5)將濾光片2放入光學鏡筒7中，保證平凸透鏡4、濾光片2、聚光錐5和光電探測器6的光軸在同一直線上；

6)在光學鏡筒7中的間隙灌膠加固，再固定鏡頭壓圈1。

用lighttools軟件模擬mems微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，得到30度視場角光電探測器6上的照度分布圖，如圖4所示，光斑能量分布集中，中心亮度高，，雖然，光斑中心位置偏離光電探測器6的光敏面中心，但光斑中心位置仍在光電探測器6的光敏面上，仍能夠引起光電探測器6的快響應，所以實現了接收視場大于等于30°的探測需求。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種用于MEMS微鏡激光雷達的凝視成像接收光學系統，包括鏡頭壓圈、濾光片、隔圈、平凸透鏡、聚光錐、光電探測器和光學鏡筒，其中鏡頭壓圈、濾光片、隔圈、平凸透鏡、聚光錐、光電探測器依次設置在光學鏡筒內，濾光片、平凸透鏡、聚光錐和光電探測器的光軸位于同一直線上，光線經濾光片、平凸透鏡、聚光錐聚焦到光電探測器上，所述平凸透鏡的凸面朝向濾光片的一側，平凸透鏡的平面朝向聚光錐的一側，所述聚光錐為圓臺結構，圓臺的大端靠近平凸透鏡，圓臺的小端靠近光電探測器。本發明凝視成像接收視場達到30°以上，且限制了光學系統接收視場外的背景光干擾，改善了激光信號接收的光學信噪比。

技術研發人員：李振華;朱國宜;來建成;張銳;王春勇;嚴偉;紀運景
受保護的技術使用者：南京理工大學
技術研發日：2017.08.04
技術公布日：2017.10.20