阅读说明：本技术 一种大面积信号光能量采集系统、方法 (Large-area signal light energy acquisition system and method ) 是由 周昊 刘红魏 宋耀东 王雷 李大猛 宋云峰 于 2018-07-09 设计创作，主要内容包括：一种大面积信号光能量采集系统、方法,属于光电探测技术领域。系统包括由多个微型柱透镜构成的透镜柱阵列、传能束、以及多个光电探测器；传能束包括一用于设置透镜柱阵列的传能束接收端、多根光纤束；微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接。方法包括设置由多个微型柱透镜构成的透镜柱阵列、传能束和多个光电探测器；其中,传能束包括一传能束接收端及多根光纤束；将透镜柱阵列设置于传能束接收端；将微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接。本发明引入光纤阵列加大探测端光接收面积以采集大视场信号光能量,并大大减少了光电探测器的数量,提高了回波信号的采集效率,降低了硬件成本。(A large-area signal light energy acquisition system and method belong to the technical field of photoelectric detection. The system comprises a lens column array formed by a plurality of micro column lenses, an energy transmission beam and a plurality of photoelectric detectors; the energy transmission beam comprises an energy transmission beam receiving end used for arranging the lens column array and a plurality of optical fiber beams; each row of micro-cylindrical lenses of the micro-cylindrical lens array is connected with a photoelectric detector through an optical fiber bundle. The method comprises the steps of arranging a lens column array consisting of a plurality of micro column lenses, an energy transmission beam and a plurality of photodetectors; the energy transmission beam comprises an energy transmission beam receiving end and a plurality of optical fiber beams; arranging the lens column array at an energy beam transmitting and receiving end; each row of micro-cylindrical lenses of the micro-cylindrical lens array is connected with a photoelectric detector through an optical fiber bundle. The invention introduces the optical fiber array to enlarge the light receiving area of the detection end so as to collect the light energy of the large-field signal, greatly reduces the number of the photoelectric detectors, improves the collection efficiency of the echo signal and reduces the hardware cost.)

一种大面积信号光能量采集系统、方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种大面积信号光能量采集系统、方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，激光测距的应用越来越广，激光雷达也存在多样化发展趋势，其中全固态激光雷达成为其中一个重要发展方向。目前，普遍使用的固态激光雷达需要接受很大范围的视场角内信号光，并需要对不同位置所对应的信号光能量进行采集。然而，能量探测元件单片式或阵列式接收信号光区域非常有限，并且价格非常昂贵。同时，单一的通过在接收镜头端进行光斑尺寸压缩以减少光敏面尺寸的方式给接收镜头的设计提出了非常高，甚至无法实现的指标要求。

发明专利申请CN101210969A公开了凝视型高分辨率三维成像探测器，并具体公开了该探测器包括由光纤构成的光纤传像束和光电探测器，光纤传像束中的光纤一端捆束在一起，其端面构成成像面，另一端与光电探测器耦合。该发明将光纤传像束与许多个单元光电探测器相结合，具有高角分辨率、快速响应的优点。然而，该发明采用的像元数量、光纤束数量、光电探测器数量是1:1：1的关系，这样需要采集每个像元的信号，需要采用大量的光电探测器在有限的空间内排列，造成中间不可感光死区域大，且仍在一定程度上存在光电探测器相互串扰的问题。并且，光电探测器使用数量大，提高了硬件成本。

发明专利申请CN102254920A公开了一种雪崩光电二极管探测阵列制备方法，并具体公开了方法包括由微透镜阵列、多模光纤、雪崩光电二极管点探测器构成雪崩光电二极管阵列。该发明采用的像元数量、光纤束数量、光电探测器数量也是1:1：1的关系，仍然存在上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低，信号采集效率高，空间排布灵活，有效避免串扰的大面积信号光能量采集系统、方法。

根据上述目的，本发明提供一种大面积信号光能量采集系统，包括由多个微型柱透镜构成的透镜柱阵列、传能束、以及多个光电探测器；所述传能束包括一用于设置透镜柱阵列的传能束接收端、多根光纤束；所述微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接。

本发明入射到一行微型柱透镜的平行光（包括近似平行光）所聚焦成的光斑与一根光纤束耦合，并通过该光纤束最终耦合进一个光电探测器。这样，透镜柱阵列N行对应N根光纤束和N个光电探测器，能大面积采集信号光能量，相比于现有技术根据1个像元对应1根光纤束和1个光电探测器来采集光信号的方案而言，本发明大大减少了光电探测器的数量，降低了硬件成本。并且，本发明解决了光电探测器布置于有限空间内的相互串扰、排布时中间不可感光死区域大的问题，进而解决了由于雪崩二极管阵列尺寸小而对广角镜头压缩光斑要求高的问题。

作为优选，所述微型柱透镜为正柱透镜。

作为优选，传能束接收端位于与之连接的微型柱透镜的焦线上。

作为优选，所述光纤束包括由多根光纤构成一体的光纤传输部、以及用于与一个光电探测器连接的导光锥；所述光纤传输部一端连接透镜柱阵列的一行微型柱透镜，另一端连接导光锥。

所述光纤传输部是将多根光纤根据所需宽度、长度、厚度构成一体结构，以使一根光纤束满足由透镜柱阵列一行微型柱透镜成像区域形成的光斑尺寸，这样相较于现有技术而言，能大大减少光电探测器数量。

作为优选，所述光纤束还包括光纤连接件，所述光纤连接件套设于所述导光锥外。

作为优选，所述光电探测器为雪崩二极管或光敏二极管。

一种大面积信号光能量采集方法，包括：

设置由多个微型柱透镜构成的透镜柱阵列、传能束和多个光电探测器；其中，所述传能束包括一传能束接收端及多根光纤束；

将透镜柱阵列设置于传能束接收端；

将所述微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接。

作为优选，所述光纤束包括由多根光纤构成一体的光纤传输部、以及用于与一个光电探测器连接的导光锥；所述光纤传输部一端连接透镜柱阵列的一行微型柱透镜，另一端连接导光锥；

所述光纤束的制造方法包括：

制造光纤传输部和导光锥；

将光纤传输部与导光锥连接构成光纤束。

作为优选，所述光纤传输部的制造方法包括：

步骤1，光纤排片，将多根光纤排布成所需宽度的子光纤束；

步骤2，固定模具将排片好的多个子光纤束进行叠层，达到所需长度和厚度的叠层光纤束后，点胶固定；

步骤3，绝缘软管套设于点胶后的光纤束外制成光纤传输部。

作为优选，方法还包括在所述光纤束的导光锥外套设光纤连接件。

本发明具有以下有益效果:

本发明一种大面积信号光能量采集系统、方法，通过引入光纤阵列加大探测端光接收面积，以达到在较低成本的前提下较好的采集大视场信号光能量的目的。

a)本发明不同于传统的接收系统，采用了独特的结构设计，可以大面积采集信号光能量。从而解决了某些情况下由于雪崩二极管阵列尺寸小而对广角镜头压缩光斑要求高的问题，并同时大大减少了所需使用的雪崩二极管的数量，提高了回波信号的采集效率，降低了硬件成本。

b)各个雪崩二极管是分立的，有效的解决了雪崩二极管相互串扰并同时解决排布时中间不可感光死区域大以及排列空间受限等问题，从而能够更有效的采集信号光能量。

c)光纤属于光波导器件，其中关键器件本身具有柔性可以比较随意的布置，系统空间利用更合理。

附图说明

图1为本发明一种大面积信号光能量采集系统的结构示意图；

图2为图1中微型柱透镜的截面图；

图3为图1中传能束的结构图；

图4为本发明一种大面积信号光能量采集方法的流程图；

图5为图4中光纤束的制造方法的流程图；

图6为图4中光纤传输部的制造方法的流程图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变型方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1，本发明一种大面积信号光能量采集系统包括透镜柱阵列1、传能束2、多个光电探测器3。所述透镜柱阵列1由多个微型柱透镜构成。所述传能束2包括传能束接收端21以及多根光纤束22。所述透镜柱阵列设置于所述传能束接收端上，所述透镜柱阵列由多个微型柱透镜以m*n阵列形式排布，其中m，n为大于0的自然数，图中示出了16*1的透镜柱阵列。相邻微型柱透镜有序排列，通过如光刻胶点胶固定方式或机械卡固方式固定于所述传能束接收端21上。所述微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接，当有N行微型柱透镜时，则分别经N根光纤束与N个光电探测器连接。入射到所述微型柱透镜阵列平面的平行光，包括近似平行光，聚焦成若干光斑，所述光斑耦合进光纤束，并通过光纤束最终耦合进光电探测器3。

如图2，所述微型柱透镜为正柱透镜,，正柱透镜的主截面图如同凸透镜，平行于主截面的平行光通过主截面EAGB后，会聚于F1’点，平行于轴的截面则如同平板玻璃，不对光有会聚或发散作用。这两种作用的综合效果使得平行光通过柱透镜后会聚于一条焦线F1’F2’,焦线的长度与微型柱透镜的通光长度相等。

如图3，所述传能束2包括传能束接收端21和多根光纤束22。所述光纤束22采用多模光纤，其包括光纤传输部和导光锥。所述光纤传输部一端连接透镜柱阵列1的一行微型柱透镜，另一端连接导光锥。导光锥用于连接一个光电探测器。其中，所述光纤传输部由多根光纤构成一体，将多根光纤按所需宽度、长度、厚度排列、叠层为一根光纤束，使得每根光纤束满足由透镜柱阵列一行微型柱透镜成像区域形成的光斑尺寸。将排列、叠层后的光纤束点胶固定、捆缚在一起，将光斑耦合进光纤束中，进而通过导光锥耦合至光电探测器。所述导光锥是对光纤通过热熔拉锥技术制成的。

以图1所示为例，平行光入射到探测平面的透镜柱阵列，在该透镜柱阵列26*8mm的区域内成像，光斑直径约为0.5mm。若采用现有技术，需使用832个其尺寸为φ0.5mm的光电探测器。而采用本方案，则仅需要16个光电探测器。这样，在利用阵列大面积采集信号光能量的同时，采用减少数量的光电探测器，就能提高回波信号的采集效率，降低硬件成本，进而解决了由于光电探测器阵列尺寸小而对广角镜头压缩光斑要求高的问题。同时，在有限的排列空间内更灵活排布光电探测器，使得各个光电探测器呈分立状态，解决了光电探测器相互串扰等问题。

图5示出了该光纤束制造工艺的流程图。该光纤束的接收端与尾端连接为一体结构。具体地，制造方法包括：

步骤S01, 制造光纤传输部和导光锥；

步骤S02,将光纤传输部与导光锥连接构成光纤束。

其中，所述导光锥是通过热熔拉锥技术制成的。

如图6，所述光纤传输部的制造流程包括：

步骤S11，光纤排片，将多根光纤排布成所需宽度的子光纤束。

例如，将多根光纤，如10根，排布成一排子光纤束。其中，子光纤束宽度根据需要排布。

步骤S12，固定模具将排片好的多个子光纤束进行叠层，达到所需长度和厚度的叠层光纤束后，点胶固定。

利用固定模具将子光纤束进行叠层排布，如可排布成多层。再利用胶水点胶固定成型。其中，叠层的厚度、宽度根据需要排布。

步骤S13，绝缘软管套设于点胶后的光纤束外制成光纤传输部。

如采用黑色塑料软管套设于光纤束外，制成光纤传输部。

入射光入射至探测平面，经传能束独立的光通道与后续的光纤束分别耦接，一定程度避免了入射光之间的光线串扰。光纤属于光波导器件，具有柔性可随意布置，这样光电探测器也能任意排布，可分立设置，解决了排布时中间不可感光死区域大的问题，避免相邻光电探测器之间的电磁干扰。

所述光电探测器可以为雪崩二极管或光敏二极管。

所述系统还包括光纤连接件5，该光纤连接件可以是套筒结构，套设于光纤束2其与光电探测器3连接的部位处。具体地，所述光纤连接件套设于所述导光锥外。该光纤连接件可用于隔光，避免相邻光纤之间存在光线串扰。另外，光纤连接件作为光导向件，导向耦接光电探测器，无需校准。

图4示出了本发明一种大面积信号光能量采集方法，而方法用于上述大面积信号光能量采集系统。该方法包括：

步骤S1, 设置由多个微型柱透镜构成的透镜柱阵列、传能束和多个光电探测器；其中，所述传能束包括一传能束接收端及多根光纤束；

步骤S2,将透镜柱阵列设置于传能束接收端；

步骤S3,将所述微型柱透镜阵列的每一行微型柱透镜经一根光纤束与一个光电探测器连接。

入射到微型柱透镜阵列的平行光聚焦成若干光斑，光斑经光纤束耦合进光电探测器。

所述光纤束的制造流程参照图5所示流程。

本发明一种大面积信号光能量采集方法还包括在光纤束连接光电探测器前，在所述光纤束其与光电探测器连接的部位处套设光纤连接件。具体地，在所述光纤束的导光锥外套设光纤连接件。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。