CN102169015B

CN102169015B - 一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计

Info

Publication number: CN102169015B
Application number: CN2010106146032A
Authority: CN
Inventors: 王茜蒨; 彭中; 林幼娜
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102169015A

Abstract

本发明涉及一种飞焦级激光微能量计，特别涉及一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，属于激光测量技术领域。具体包括光学系统、光电转换系统、信号处理及显示系统和电源。光学系统包括第一凸透镜、第二凸透镜、凹透镜、分束镜、目镜及分划板；三块透镜组并排共轴，分束镜的中心在并排的三块透镜组的光轴上；目镜位于分束镜侧方焦点上，分划板安装于目镜上。光电转换系统包括滤光器、光电探测器和预处理器；光电探测器与三块透镜组和分束镜共轴且可移动，其光敏面中心位于三块透镜组的聚焦点上。本发明的最小可测激光能量密度为1.96fJ/cm²；观察和瞄准的范围为1m～∞，且能对动目标进行观瞄。

Description

一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计

技术领域

本发明涉及一种飞焦级激光微能量计，特别涉及一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，属于激光测量技术领域。

技术背景

近年来随着激光制导、激光测距等产品的问世，激光远距离目标漫反射回波能量的检测也提到日程上来，它要求探测的光能最小量值都在几个fJ/cm²。同时，由于要求能够对动目标进行跟踪测量，因此要求能量计必须具备测量和观察瞄准同步进行的功能。

目前已有的脉冲激光微能量计最小可测量的能量是800fJ/cm²，是中国计量科学研究院于近年研制的产品，它的缺点是不能测量小于800fJ/cm²的能量，它是由探测器和信号处理及显示系统组成，并且不具备测量和观瞄同时进行的功能。

国际上，根据美国国家标准研究院的报道，在其国家标准实验室内通过扩大基准激光束的口径以及光楔分束的方法，建立了最小能量标准为2.6fJ/cm²的系统，该系统的能量接收器采用了雪崩光电二极管探测器(APD)，它的灵敏度高，需要在400V的工作电压和恒温的环境下进行工作，故不适用作通用的脉冲激光微能量计，它也没有观察、瞄准装置，不能对远距离目标脉冲激光漫反射回波信号进行检测，也不能在室外使用。

本发明人已获授权的专利号为ZL 200910089555.7的专利中，提出了一种飞焦级激光微能量计，可以精确测量2.2fJ/cm²～5×10⁵fJ/cm²的激光能量，并在该系统中加入了观测系统，具有观察和瞄准功能。但此发明中的飞焦级激光微能量计不能同时进行激光能量的测量和对目标的观察、瞄准，而是利用旋转平面反射镜进行激光测量通路和观察、瞄准通路之间的切换。因此，此发明只能对目标进行静态测量，不能实现对动目标的跟踪测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的飞焦级激光微能量计不能同时进行激光能量测量和对目标观察、瞄准的问题，提出了一种测量和观瞄同步进行的飞焦级激光微能量计。

本发明的设计思想为：通过在光路中加入具有高激光透过率和高可见光反射率的或者高激光反射率和高可见光透过率的分束镜，使激光微能量计能够实现激光能量测量和可见光观瞄同时进行，从而达到可精确跟踪测量目标物激光能量的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种测量和观瞄同步进行的飞焦级激光微能量计，包括光学系统、光电转换系统、信号处理及显示系统和电源。其中，光学系统包括第一凸透镜、第二凸透镜、凹透镜、分束镜、目镜及分划板；三块透镜组并排共轴，且与分束镜的排列顺序为第一凸透镜、第二凸透镜、凹透镜和分束镜；分束镜的中心在并排的三块透镜组的光轴上；目镜位于分束镜侧方焦点上，分划板安装于目镜上。光电转换系统包括滤光器、光电探测器和预处理器；光电探测器与三块透镜组和分束镜共轴，并可相对移动，探测器的光敏面中心位于三块透镜组的聚焦点上；滤光器装于光电探测器前端，预处理器与光电探测器的输出相连。信号处理及显示系统与光电转换系统的预处理器输出相连；电源分别与光电转换系统和信号处理及显示系统相连。

所述光学系统的三块透镜组、分束镜与目镜形成一个望远系统，对目标物进行观察，被观测目标的距离为1m～∞。第一凸透镜的直径要求为252mm及以上。

光电转换系统的光电探测器与光学系统的三块透镜组和分束镜形成探测系统，对目标物的激光回波能量进行测量。激光能量通过三块透镜组和分束镜聚焦到探测器上，探测器把光信号转换为电信号，然后进入信号处理及显示系统；由于被测目标与飞焦级激光微能量计的距离不同，三块透镜对能量的聚焦点不同，可通过三块透镜组与探测器的相对移动，使探测器的光敏面中心位于三块透镜组的聚焦点上，从而确保来自目标的激光能量都能被探测器接收，最小可测激光能量密度为1.96fJ/cm²。

所述的分束镜经真空镀多层膜工艺制作，具有对激光的高透射性和对可见光的高反射性，或者具有对激光的高反射性和对可见光的高透射性；且透过率与反射率均可达95％以上，从而能够满足在获得清晰的可见光观瞄图像的同时，对于激光能量的损失也很小。因此，可实现激光能量测量和对目标观察、瞄准的同步进行，从而达到对动目标进行跟踪测量的目的。

所述目镜由目镜第一透镜、目镜第二透镜组合而成；安装于其上的分划板到分束镜中心的距离与探测器到分束镜中心的距离相等；目镜、分束镜和探测器为一个整体，可以相对于透镜组整体移动，达到同步调焦的目的。

所述的信号处理及显示系统包括信号处理、数据采集、单片机及数显系统，实现对所测量的激光能量数据的处理及显示。

所述的电源为光电转换系统和信号处理及显示系统供电。

本发明的飞焦级激光微能量计配有L型弯板和三脚架，工作时放在工作台上或放在三角架上，供室内或室外测量使用。

有益效果

本发明的测量和观瞄同步进行的飞焦级激光微能量计与现有技术的激光微能量计相比具有以下优点：

(1)最小可测激光能量密度为1.96fJ/cm²；

(2)三块透镜组沿着光轴可以与探测器相对移动，使探测器光敏面始终位于三块透镜的聚焦点上，确保来自目标的激光能量都能被探测器接收，测量目标的距离为1m～∞；

(3)三块透镜组、分束镜和目镜形成望远系统，可对目标物进行观察和瞄准，观察和瞄准的范围为1m～∞；

(4)目镜、分束镜和探测器为一个整体，沿着光轴可以相对于透镜组整体移动，通过同步调焦，使得观瞄点与测量点始终保持一致，从而达到精确测量目标能量的目的；

(5)分束镜对激光具有高透过率，对可见光具有高反射率，或者相反，因此，可实现激光能量测量和对目标观察、瞄准的同步进行，从而达到对动目标跟踪测量的目的。

附图说明

图1为本发明的飞焦级激光微能量计的系统组成；

图2为具体实施例中飞焦级激光微能量计的光学系统图；

图3为具体实施例中飞焦级激光微能量计的结构图。

标号说明：

1-第一凸透镜、2-第二凸透镜、3-凹透镜、4-分束镜、5-探测器、6-分划板、7-目镜第一透镜、8-目镜第二透镜、9-目镜筒。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的测量和观瞄同步进行的飞焦级激光微能量计，包括光学系统、光电转换系统、信号处理及显示系统和电源，如图1所示；其中光学系统是由第一凸透镜1、第二凸透镜2、凹透镜3、目镜(7和8)和分束镜4组成，三块透镜组是共轴的，三块透镜组与分束镜4的排列顺序为第一凸透镜1、第二凸透镜2、凹透镜3和分束镜4；分束镜4的中心在并排的三块透镜的光轴上，三块透镜、分束镜4与目镜形成一个望远系统，能够对目标物进行观察和瞄准。光学系统将来自目标的光能量聚焦到光电转换系统的探测器5的光敏面上，探测器5把光信号转换为电信号，输出给信号处理及显示系统进行处理和显示。

光学系统中第一凸透镜1与第二凸透镜2之间的距离为130mm，第二凸透镜2和凹透镜3之间的距离为0.15mm，凹透镜3与分束镜4之间的距离为136mm，其中第一凸透镜直径为252mm，厚度为40mm，焦距为437.68mm，第二凸透镜直径为154mm，厚度为38mm，焦距为233.9mm，凹透镜直径为136mm，厚度为20mm，焦距为-294.9mm；并排的三块透镜的组合焦距为341mm；探测器5放置在三块透镜的组合焦距的焦平面上，探测器5的中心在三块透镜的光轴上，光能经过光学系统的三块透镜和分束镜之后进入探测器5，光学系统图如图2所示。

同时，三块透镜、分束镜4和目镜形成一个望远系统，来自目标的可见光透过三块透镜后，经分束镜4反射进入目镜，实现对目标的观察和瞄准。由于分束镜4采用经真空镀多层膜工艺做成，对激光具有高透射性能，对可见光具有高反射性能，或者相反，且透过率与反射率均可达95％以上，从而能够满足在获得清晰的可见光观瞄图像的同时，对于激光能量的损失也很小。

将本实施例制作的飞焦级激光微能量计制作成如图3所示的激光功率监测装置，经中国计量科学研究院校准得到：其对脉冲宽度为20ns的激光脉冲，最小可测功率密度为98nW/cm²，由此得到本发明的飞焦级激光微能量计的最小可测激光能量密度达到1.96fJ/cm²。

Claims

1.一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，其特征在于：包括光学系统、光电转换系统、信号处理及显示系统和电源；其中，光学系统包括第一凸透镜、第二凸透镜、凹透镜、分束镜、目镜及分划板；三块透镜组并排共轴，且与分束镜的排列顺序为第一凸透镜、第二凸透镜、凹透镜和分束镜；分束镜的中心在并排的三块透镜组的光轴上；目镜位于分束镜侧方焦点上，分划板安装于目镜焦平面上；光电转换系统包括滤光器、光电探测器和预处理器；光电探测器与三块透镜组和分束镜共轴，并可相对移动，光电探测器的光敏面中心位于三块透镜组的聚焦点上；滤光器装于光电探测器前端，预处理器与光电探测器的输出相连；信号处理及显示系统与光电转换系统的预处理器输出相连；电源分别为光电转换系统和信号处理及显示系统供电；

所述光学系统的三块透镜组、分束镜与目镜形成一个望远系统；光电转换系统的光电探测器与光学系统的三块透镜组和分束镜形成探测系统，对目标物的激光回波能量进行测量；激光能量通过三块透镜组和分束镜聚焦到光电探测器上，光电探测器把光信号转换为电信号，然后进入信号处理及显示系统；由于被测目标与飞焦级激光微能量计的距离不同，三块透镜对能量的聚焦点不同，通过三块透镜组与光电探测器的相对移动，使光电探测器的光敏面中心位于三块透镜组的聚焦点上，确保来自目标的激光能量都能被光电探测器接收；

所述的分束镜经真空镀多层膜工艺制作，具有对激光的高透射性和对可见光的高反射性，且透过率与反射率均达95％以上，能够满足在获得清晰的可见光观瞄图像的同时，对于激光能量的损失也很小；可实现激光能量测量和对目标观察、瞄准的同步进行，能对动目标进行跟踪测量；

所述目镜由目镜第一透镜、目镜第二透镜组合而成；安装于其上的分划板到分束镜中心的距离与光电探测器到分束镜中心的距离相等。

2.根据权利要求1所述的一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，其特征在于：所述的分束镜也可具有对激光的高反射性和对可见光的高透射性，且透过率与反射率均达95％以上。

3.根据权利要求1所述的一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，其特征在于：所述的第一凸透镜的直径要求为252mm及以上。

4.根据权利要求1所述的一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，其特征在于：所述目镜、分束镜和光电探测器为一个整体，可以相对于透镜组整体移动，进行同步调焦。

5.根据权利要求1所述的一种测量和观瞄同步的飞焦级激光微能量计，其特征在于：最小可测激光能量密度为1.96fJ/cm²。