本申请涉及激光测距技术领域，具体而言，涉及一种光学准直装置及激光雷达。
背景技术：
随着激光技术的发展，激光雷达成为了机器人进行避障、定位、构图等方面的重要传感器，其中激光雷达中的光学系统直接会影响到测量的角度精度和距离精度，特别是用于激光发射光路的准直镜，其发射激光束的发散角和光斑的质量，就显得尤为重要。目前激光雷达的发射光路采用的技术方案有：透镜组方案、柱面镜组加透镜方案、光纤耦合方案和离轴反射镜方案等。
但是现有技术中的发射光路方案均是多种光学件组合来完成光束准直，存在结构复杂，加工和装配难度较大，器件及装配成本高的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种光学准直装置及激光雷达，以改善现有技术中存在的准直光路结构复杂，加工和装配难度较大，器件及装配成本高的问题。
本申请实施例提供了一种光学准直装置，所述装置包括激光光源和衍射光学元件；所述激光光源位于所述衍射光学元件的焦点处，用于发射发散角不同的光束；所述衍射光学元件的衍射面朝向所述激光光源，所述衍射面设置有多个衍射周期结构，所述多个衍射周期结构为不等间距、周期重复的光栅结构，所述多个衍射周期结构沿所述衍射面的水平中轴线镜像设置，每个衍射周期结构内设置有多个特征尺寸的微纳结构，每个所述微纳结构的衍射角与每个微纳结构处经过的光束的发散角相同。
在上述实现方式中，基于衍射光学元件上的多个衍射周期结构中的微纳结构对激光光源出射的发散角不同的光束进行光路修正，对光束进行准直，通过一个衍射光学元件实现了光束准直，不需要采用组合透镜等结构复杂的准直光学组件，从而降低了光路结构复杂度，降低了加工和装调难度，减低了成本。
可选地，所述激光光源发射的光束的水平发散角与竖直发散角不同。
在上述实现方式中，基于水平发散角与竖直发散角不同的光束能够在远场形成能量聚集度高的椭圆激光光斑，有利于激光测距。
可选地，所述特征尺寸的线宽与所述激光光源发射的光束的工作波长为同一量级。
在上述实现方式中，在特征尺寸的线宽与激光光源发射的光束的工作波长为同一量级时，能够基于特征尺寸的微纳结构对光束进行精确地方向校正。
可选地，所述衍射光学元件在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平衍射周期为dh＝kλ/sin(αh)，竖直衍射周期为dv＝kλ/sin(αv)，其中，λ为所述激光光源的工作波长，k为所述衍射光学元件的衍射面的主衍射级数。
在上述实现方式中，通过对衍射光学元件的水平衍射周期和竖直衍射周期的限定，使衍射光学元件的衍射角与激光光源的发散角相同，且从衍射光学元件出射的光束的折射角为零，从而实现光束准直。
可选地，所述衍射光学元件在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平口径大小为dh＝f*tan(αh)，竖直口径大小为dv＝f*tan(αv)，其中，f为所述衍射光学元件的焦距。
在上述实现方式中，从发射光路的发散角、衍射周期等方面综合考虑，最终确定所述衍射光学元件的口径大小、焦距等结构参数，从而能够更加准确地进行光束准直。
可选地，所述衍射光学元件为多层衍射光学元件。
在上述实现方式中，基于多层衍射光学元件的无热化、轻小型化和衍射效率高的优点，提高了光学准直装置的准直效果，并降低了光学准直装置的整体体积。
可选地，所述微纳结构为浮雕台阶结构，所述每个衍射周期结构由多个所述浮雕台阶结构组成，每个浮雕台阶的宽度为所述特征尺寸。
在上述实现方式中，通过浮雕台阶结构的结构精确度能够针对不同发散角的光束进行不同角度的衍射，从而提高准直准确性。
可选地，所述衍射光学元件存在唯一焦平面，所述激光光源位于所述唯一焦平面上。
在上述实现方式中，通过将激光光源放置在衍射光学元件的唯一焦平面上，有利于对入射至衍射光学元件的光线进行角度调整。
本申请实施例还提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括上述任一方式中的光学准直装置。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种光学准直装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种激光光源及衍射光学元件的位置及光路示意图；
图3为本申请实施例提供的一种衍射面结构示意图。
图标：10-光学准直装置；11-激光光源；12-衍射光学元件；121-衍射周期结构；1211-微纳结构。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
经本申请人研究发现，目前激光雷达的发射光路采用的技术方案有透镜组方案、柱面镜组加透镜方案、光纤耦合方案和离轴反射镜方案等。
其中，透镜组方案主要有全球面透镜和1片非球面透镜这两种实现方式，其中所述全球面透镜使用的透镜数目较多，至少为3片透镜；一方面影响发射激光束的能量利用率，另一方面，透镜组的调整难度增加，装调的累积误差会增大。非球面透镜方式存在的问题是非球面的面形加工精度不高，同时柱面镜组加透镜方案虽然能改善发射激光束的圆度，但透镜的数目至少为3片，总体结构较为复杂，发射激光束的光斑质量和发散角与所述的透镜组方案基本一样，发射激光束的准直性相对较差。
光纤耦合方案是利用光纤耦合的方式将激光器的激光束导出，虽然发射激光束的光斑质量和圆度均较好，但耦合效率不高，直接影响探测距离。
离轴反射镜方案的主要问题是加工和装调难度会很大，因此对制造工艺要求很高，增大了制造成本。
为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种光学准直装置10，对发散的激光光源实现角度调制和空间调制，形成准直激光光束射出激光雷达的发射光路。光路结构简单，无多余的其他光学元件对光路进行整形，解决了结构复杂性、装调困难的问题。
请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种光学准直装置的结构示意图，其中，v表示竖直方向，h表示水平方向，αh为衍射光学元件12的水衍射角，αv衍射光学元件12的竖直衍射角，箭头方向表示光束传播方向。
光学准直装置10包括激光光源11和衍射光学元件12，其组成光学准直装置10的发射光路，衍射光学元件12用于对激光光源11发射的光束进行角度调制和空间调制，获得高质量的平行激光光束。
激光光源11利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源，是一种相干光源，由于其亮度高、色彩好、能耗低、寿命长且体积小，因此本实施例的光学准直装置10采用其作为光源设备。进一步地，本实施例中的激光光源11可以是固体激光源、气体激光源、液体激光源或半导体激光源等，本实施例可选择ld重复脉冲式激光器。
具体地，本实施例中的激光光源11为单颗激光器，以获得发散角较大且发散角不同的多束光束，且其可以为面光源，该面光源水平方向上的尺寸和面光源竖直方向上的尺寸不同且尺寸相差较大，激光光源11的水平方向发散角和竖直方向发散角不同，以形成高质量的椭圆形光斑。
其中，光束的发散角由激光光源11的面光源尺寸所决定，以使最终从发射光路射出的光束在水平方向和在竖直方向的发散角的比值与激光光源11的面光源水平方向上和竖直方向上尺寸的比值是同一数值，即发射光路的水平方向和竖直方向的发散角不一致，以使发射光路发射的激光束在远场形成能量聚集度高的椭圆激光光斑。
请参考图2，图2为本申请实施例提供的一种激光光源及衍射光学元件的位置及光路示意图。其中，α为衍射角，pp’为衍射光学元件12的焦平面，q为衍射光学元件12的焦点，a、b、c分别为从衍射面入射的旁轴平行上光线、旁轴平行光线和旁轴平行下光线。
可选地，在设置激光光源11和衍射光学元件12的相对位置关系时，可以首先确定衍射光学元件12的焦平面，然后根据光路可逆原则，通过调换衍射光学元件12与激光光源11的位置，在衍射光学元件12之前设置激光光源11，将激光光源11放置在衍射光学元件12的最佳焦平面上，其衍射面靠向激光光源11一方，且激光光源11的发射中心与衍射光学元件12的焦点重合，以控制激光光源11发射的光束在衍射光学元件12上的入射角度。
作为一种可选的实施方式，本实施例中的衍射光学元件12为多层衍射光学元件，多层衍射光学元件具有无热化、轻小型化和衍射效率高等优点，能够在体积较小的条件下更加准确地完成光束的光路调整。
衍射光学元件12的衍射面朝向激光光源11，衍射面设置有多个衍射周期结构121，多个衍射周期结构121为不等间距、周期重复的光栅结构，且每个衍射周期结构121内设置有多个特征尺寸的微纳结构1211，通过微纳结构1211改变入射至衍射光学元件12的光束的方向，形成会聚光束，并聚焦于距离衍射光学元件12一定距离的焦点上，入射光束的旁轴平行光通过衍射光学元件12后，聚焦于衍射光学元件12焦点外的焦平面上。应当理解的是，为了得到高质量的光斑，衍射光学元件12不存在多个近轴焦点，只存在唯一焦平面。
其中，上述特征尺寸的线宽与激光光源11发射的光束的工作波长应为同一量级，以使衍射光学元件12能够准确地对光束进行准直。具体地，根据波动光学中的衍射理论，光波经过具有微纳结构1211的衍射面后产生绕射现象，改变了光波的传播方向。
具体地，在进行衍射周期结构121的设置时，衍射光学元件12在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平衍射周期为dh＝kλ/(sin(αh)+sin(βh))，竖直衍射周期为dv＝kλ/(sin(αv)+sin(βv))，其中，αhn和αvm分别为衍射光学元件12衍射面上水平方向和竖直方向的衍射角，λ为激光光源11的工作波长，βh和βv分别为光束通过衍射光学元件12的衍射面后水平方向和竖直方向上折射角，k为衍射光学元件12衍射面的主衍射级数。
进一步地，为使具有大发散角的激光光源11通过衍射光学元件12后形成准直激光束，则需要同时满足两个条件：(1)衍射光学元件12的衍射角与激光光源11的发散角相同；(2)同时激光束准直性要求所述折射角βh＝βv＝0。因此，衍射光学元件12的衍射角αh等于激光光源11的水平发散角、衍射光学元件12的衍射角αv等于激光光源11的竖直发散角，则在主衍射级数k和光束波长λ为已知量时，衍射光学元件12在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平衍射周期为dh＝kλ/sin(αh)，竖直衍射周期为dv＝kλ/sin(αv)。
上述步骤的原理是通过对衍射光学元件12的水平衍射周期和竖直衍射周期的限定，使衍射光学元件12的衍射角与激光光源11的发散角相同，且从衍射光学元件12出射的光束的折射角为零，从而实现光束准直。
本实施例通过设计优化衍射光学元件12衍射周期内的空间坐标位置和特征尺寸大小，基于单一衍射光学元件12上的多个衍射周期结构中的微纳结构对激光光源11出射的发散角不同的光束进行光路修正，对光束进行准直，通过一个衍射光学元件12实现了光束准直，不需要采用组合透镜等结构复杂的准直光学组件，从而降低了光路结构复杂度，降低了加工和装调难度，减低了成本，同时提高了光利用效率。
衍射周期结构121中的微纳结构1211是指人为设计的、具有微米或纳米尺度特征尺寸、按照特定方式排布的功能结构。随着第三代光学成像技术向集成化、轻量化、超大口径发展，传统折反式光学系统面临着诸多瓶颈，而微纳结构光学元件具有重量轻、设计自由度高、结构灵活等特点，在成像领域展现出显著的优势。
进一步地，上述微纳结构1211为浮雕台阶结构，每个衍射周期结构121由多个浮雕台阶结构组成，单个浮雕台阶结构的宽度为特征尺寸的线宽。
可选地，每个衍射周期结构121中浮雕台阶结构的数量可以有2个、4个、6个、8个、16个等，本实施例从发射光路的能量利用率、衍射光学元件12的最小特征尺寸制造精度和制造成本等方面考虑，可以将浮雕台阶结构的台阶数设置为8个，则衍射光学元件12在衍射面的水平方向和数值方向上的特征尺寸分别为dh/8和dv/8。在此衍射光学元件12的设置方式向下，衍射光学元件12的衍射效率可达95％以上。
作为一种可选的实施方式，除了特征尺寸，每个微纳结构1211的口径也是重要参数之一，口径是光学系统的主镜或透镜的有效直径。口径是光学系统聚光能力的主要指标。光学系统口径越大，光通量越大。
具体地，衍射光学元件12中微纳结构1211在水平方向上的口径大小可以为dh＝f*tan(αh)，竖直方向上的口径大小可以为dv＝f*tan(αv)，其中，f为述衍射光学元件12的焦距。
请参考图3，图3为本申请实施例提供的一种衍射面结构示意图。其中，作为示例的衍射光学元件12的衍射面上沿x(水平)和y(垂直)方向上设置有不等间距、周期重复的光栅结构(衍射周期)，衍射周期的尺寸大小沿x、y方向分别为dhn和dvm，1≤n≤n，1≤m≤m。另外，每个衍射周期的空间坐标位置为(n，m)，衍射周期的空间位置沿衍射面的中轴线对称的镜像排布，并且具有镜像的衍射周期的尺寸大小完全相同，每个衍射周期结构121内又由多个微米量级特征尺寸的微纳结构1211构成，特征尺寸的线宽为衍射面最小加工单元。
由求取dh和dv的公式可计算衍射光学元件12在x方向上的衍射周期dhn＝kλ/sin(αh)和y方向上的衍射周期dvm＝kλ/sin(αv)。其中，αh和αv分别为衍射光学元件12上x方向和y方向的衍射角，所述βh和βv分别为光束通过衍射光学元件12后x方向和y方向上折射角。在每个衍射周期结构121的微纳结构1211数量为8时，衍射光学元件12的x方向和y方向上特征尺寸分别为dhn/8和dvm/8。
对于衍射光学元件12每个微纳结构1211的口径可以根据dh和dv求取公式计算获得。
可选地，在本实施例中衍射光学元件12的厚度h可以是但不限于是有效口径的十分之一左右。
因此，衍射光学元件12的焦距f和微纳结构1211的口径成正比，衍射光学元件12的焦距f与发射光路射出光束的发散角成反比。
本申请实施例还可以提供一种激光雷达，激光雷达包括上述光学准直装置10。
可选地，该激光雷达可以是应用于室内建筑机器人等机器设备上，以在复杂环境下实现准确的自动定位。
应当理解的是，除了激光雷达，光学准直装置10还可以应用在其他任意需要光路结构复杂度、设备成本、装调复杂度、设备体积有要求的设备上。
综上所述，本申请实施例提供了一种光学准直装置及激光雷达，所述装置包括激光光源和衍射光学元件；所述激光光源位于所述衍射光学元件的焦点处，用于发射发散角不同的光束；所述衍射光学元件的衍射面朝向所述激光光源，所述衍射面设置有多个衍射周期结构，所述多个衍射周期结构为不等间距、周期重复的光栅结构，所述多个衍射周期结构沿所述衍射面的水平中轴线镜像设置，每个衍射周期结构内设置有多个特征尺寸的微纳结构，每个所述微纳结构的衍射角与每个微纳结构处经过的光束的发散角相同。
在上述实现方式中，基于衍射光学元件上的多个衍射周期结构中的微纳结构对激光光源出射的发散角不同的光束进行光路修正，对光束进行准直，通过一个衍射光学元件实现了光束准直，不需要采用组合透镜等结构复杂的准直光学组件，从而降低了光路结构复杂度，降低了加工和装调难度，减低了成本。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的框图显示了根据本申请的多个实施例的设备的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图中的每个方框、以及框图的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
技术特征：
1.一种光学准直装置，其特征在于，所述装置包括激光光源和衍射光学元件；
所述激光光源位于所述衍射光学元件的焦点处，用于发射发散角不同的光束；
所述衍射光学元件的衍射面朝向所述激光光源，所述衍射面设置有多个衍射周期结构，所述多个衍射周期结构为不等间距、周期重复的光栅结构，所述多个衍射周期结构沿所述衍射面的水平中轴线镜像设置，每个衍射周期结构内设置有多个特征尺寸的微纳结构，每个所述微纳结构的衍射角与每个微纳结构处经过的光束的发散角相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光源发射的光束的水平发散角与竖直发散角不同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述特征尺寸的线宽与所述激光光源发射的光束的工作波长为同一量级。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平衍射周期为dh＝kλ/sin(αh)，竖直衍射周期为dv＝kλ/sin(αv)，其中，λ为所述激光光源的工作波长，k为所述衍射光学元件的衍射面的主衍射级数。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件在水平衍射角为αh、竖直衍射角为αv处的水平口径大小为dh＝f*tan(αh)，竖直口径大小为dv＝f*tan(αv)，其中，f为所述衍射光学元件的焦距。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件为多层衍射光学元件。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述微纳结构为浮雕台阶结构，所述每个衍射周期结构由多个所述浮雕台阶结构组成，每个浮雕台阶的宽度为所述特征尺寸。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述每个衍射周期由8个所述浮雕台阶结构组成。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件存在唯一焦平面，所述激光光源位于所述唯一焦平面上。
10.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括如权利要求1-9中任一项所述的光学准直装置。
技术总结
本申请提供一种光学准直装置及激光雷达，涉及激光测距技术领域。所述光学准直装置包括激光光源和衍射光学元件；激光光源位于衍射光学元件的焦点处，用于发射发散角不同的光束；衍射光学元件的衍射面朝向激光光源，衍射面设置有多个衍射周期结构，多个衍射周期结构为不等间距、周期重复的光栅结构，多个衍射周期结构沿衍射面的水平中轴线镜像设置，每个衍射周期结构内设置有多个特征尺寸的微纳结构，每个微纳结构的衍射角与每个微纳结构处经过的光束的发散角相同。从而不需要由多个光学器件组成的复杂准直光路而是单一衍射光学元件对光束进行准直，降低了光路结构复杂度，从而降低了加工和装调难度，减低了成本。
技术研发人员：李璟;刘玉平;马如豹
受保护的技术使用者：广东博智林机器人有限公司
技术研发日：.11.26
技术公布日：.02.28
