CN102323663B - 一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，所述的光学系统中的主反射镜设置在主镜筒中，主反射镜为球面镜，相对于入射光轴倾斜设置，使反射光束离轴传输，避免后面的光学元件设置在接收光路中遮挡部分接收孔径，以增加主反射镜的信号接收面积。本发明的光学系统中的离轴像差校正镜组、球差校正镜组、平面镜依次设置在主反射镜反射光路中，密闭在暗盒内，离轴像差校正镜组为暗盒的光学窗口。离轴像差校正镜组校正由于主反射镜倾斜安装导致的离轴像差，球差校正镜组校正主反射镜使用球面镜导致的球差。本发明的光学系统光学效率较高，主反射镜使用球面镜，易于加工和装调，成本低。

Description

一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统

技术领域

本发明属于激光雷达信号接收光学系统领域，具体涉及一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统。用于差分吸收激光雷达、气溶胶激光雷达等大气散射激光回光信号的高效接收探测。

背景技术

在差分吸收激光雷达、气溶胶激光雷达等系统中，为了实现远距离的气体成份探测、气溶胶探测，需要提高激光雷达信号接收光学系统收集回光信号的能力。同时，为了便于推广应用，系统需要简单、可靠、成本低。

现有的激光雷达信号接收光学系统主要有三种形式：1）牛顿式反射系统：由一个抛物面主镜和一块与光轴成45°的平面镜构成，通过该平面镜把焦点反射到主镜筒外。2）格利高里反射系统：由一个抛物面主镜和一个椭球面次镜构成；3）卡塞格林反射系统：由抛物面主镜和双曲面次镜构成。这三种光学系统结构上都有一个共同的特点：次镜或平面镜位于光轴上，次镜或平面镜及其镜框和支撑结构形成了对接收孔径的中心遮拦，导致实际使用的有效接收面积减少，降低了信号接收效率；同时，使用的抛物面主镜加工难度较大，成本高。

发明内容

为了克服已有技术中激光雷达信号接收光学系统信号接收效率低，抛物面主镜加工难度较大，成本高的不足，本发明提供了一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统。

本发明的激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，其特征点是，所述的光学系统包括主反射镜、离轴像差校正镜组、球差校正镜组、平面镜、主镜筒和暗盒；主反射镜设置在主镜筒中，离轴像差校正镜组、球差校正镜组和平面镜设置在暗盒中，离轴像差校正镜组为暗盒的光学窗口，所述的离轴像差校正镜组由一片或两片楔镜构成，所述的球差校正镜组由一片或两片球面透镜构成；主反射镜相对于入射光轴倾斜设置，反射光轴与入射光轴夹角为3°～20°，离轴像差校正镜组、球差校正镜组、平面镜依次设置在主反射镜反射光路中，所述的主反射镜是球面镜。

所述的主反射镜镜面直径为200mm～300mm，焦距为镜面直径的3倍～8倍。

所述的离轴像差校正镜组的楔镜的材料选用光学玻璃或光学晶体；不需消色差时，使用1片楔镜；需要消色差时，使用2片楔镜，楔镜材料分别采用冕牌玻璃和火石玻璃组合消色差。

所述的球差校正镜组的透镜的材料选用光学玻璃或光学晶体；不需消色差时，使用1片透镜；需要消色差时，使用2片透镜，透镜材料分别选用冕牌玻璃和火石玻璃组合消色差。

所述的球差校正镜组使用2片球面透镜时，在透镜之间设置有带通滤光片，用于消除激光雷达信号波长以外的背景光。

本发明的激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，通过倾斜设置主反射镜，使反射光束离轴传输，避免后面的光学元件设置在接收光路中遮挡部分接收孔径，以增加主反射镜的信号接收面积。离轴像差校正镜组校正由于主反射镜倾斜设置导致的离轴像差，球差校正镜组校正主反射镜使用球面镜导致的球差，使整个聚焦光学系统能得到良好光学聚焦性能，满足激光雷达信号接收要求。

本发明的激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统中信号接收孔径为主反射镜全孔径，消除了传统结构中次镜的中心遮拦，光学效率较高；光学系统中主反射镜使用球面镜，易于加工和装调，成本低。

附图说明

图1是本发明的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统实施例1~3的结构示意图。

图2是本发明的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统实施例4~6的结构示意图。

图中，1.主反射镜   2.离轴像差校正镜组   3.球差校正镜组   4.平面镜   5.主镜筒    6.暗盒   7.带通滤光片。

具体实施方式   

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

图1是本发明的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统实施例1~3的结构示意图。图1中，本发明的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统实施例1包括主反射镜1，离轴像差校正镜组2，球差校正镜组3，平面镜4，主镜筒5，暗盒6。用于紫外波段、可见光波段、红外波段的激光雷达信号接收。

主反射镜1设置在主镜筒5中，以减少背景杂光的影响；离轴像差校正镜组2，球差校正镜组3，平面镜4设置在暗盒6中，离轴像差校正镜组2为暗盒6的光学窗口，以减小背景杂光对激光雷达信号接收的影响。

主反射镜1为球面镜，镜面直径为200mm，焦距为镜面直径的3倍；主反射镜1相对于入射光轴倾斜设置，主反射镜1的反射光轴与入射光轴夹角为3°。

离轴像差校正镜组2是一片楔镜，材料为氟化钙，用于校正因主反射镜倾斜安装导致的离轴像差。

球差校正镜组3是一片球面弯月形透镜，材料为氟化镁。

平面镜4材料为K9，表面镀激光高反射膜。

所述离轴像差校正镜组2、球差校正镜组3、平面镜4依次设置在主反射镜1的反射光路中。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，主反射镜1镜面直径为260mm，焦距为镜面直径的5倍，反射光轴与入射光轴的夹角为12°。

离轴像差校正镜组2所用楔镜的材料为氟化镁。

球差校正镜组3所用球面弯月形透镜的材料为氟化钙。

平面镜4材料为石英玻璃。

实施例3

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，主反射镜1镜面直径为300mm，焦距为镜面直径的8倍，反射光轴与入射光轴的夹角为20°。

离轴像差校正镜组2所用楔镜的材料为氟化钠。

球差校正镜组3所用球面弯月形透镜的材料为氟化钙。

平面镜4材料为K4。

实施例4

图2是本发明的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统实施例4~6的结构示意图。

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，离轴像差校正镜组2包含两片楔镜，第一片楔镜材料为H-ZK7，第二片楔镜材料为H-ZF4，两片楔镜组合消色差。所述离轴像差校正镜组2用于校正因主反射镜倾斜设置导致的离轴像差。

球差校正镜组3包含两片球面透镜，分别设置于带通滤光片的前侧和后侧。第一片透镜为双凹负透镜，材料为H-QF6，第二片透镜为双凸正透镜，材料为K9，两片透镜组合消色差。

带通滤光片7材料为K9，表面镀带通干涉滤光膜，透光中心波长和带宽与实际使用的激光雷达波长相匹配。带通滤光片用于消除激光雷达信号波长以外的背景光。

实施例5

本实施例与实施例4的基本结构相同，不同之处是，离轴像差校正镜组2的第一片楔镜材料为K9，第二片楔镜材料为H-ZF6。

球差校正镜组3的第一片透镜材料为F1，第二片透镜材料为PK1。

实施例6

本实施例与实施例4的基本结构相同，不同之处是，离轴像差校正镜组2的第一片楔镜材料为H-QK3，第二片楔镜材料为H-QF6。

球差校正镜组3的第一片透镜材料为F3，第二片透镜材料为K6。

Claims (4)

1.一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括主反射镜（1）、离轴像差校正镜组（2）、球差校正镜组（3）、平面镜（4）、主镜筒（5）和暗盒（6）；主反射镜（1）设置在主镜筒（5）中，离轴像差校正镜组（2）、球差校正镜组（3）和平面镜（4）设置在暗盒（6）中，离轴像差校正镜组（2）为暗盒（6）的光学窗口，所述的离轴像差校正镜组（2）由一片或两片楔镜构成，所述的球差校正镜组（3）由一片或两片球面透镜构成；主反射镜（1）相对于入射光轴倾斜设置，主反射镜（1）的反射光轴与入射光轴夹角为3°～20°，离轴像差校正镜组（2）、球差校正镜组（3）、平面镜（4）依次设置在主反射镜反射光路中，所述的主反射镜（1）为球面镜；

所述的主反射镜（1）的镜面直径为200mm～300mm，主反射镜（1）的焦距为镜面直径的3倍～8倍。

2.如权利要求1所述的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，其特征在于：所述的离轴像差校正镜组（2）中的楔镜的材料选用光学玻璃或光学晶体。

3.如权利要求1所述的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，其特征在于：所述的球差校正镜组（3）中的透镜的材料选用光学玻璃或光学晶体。

4.如权利要求1所述的一种激光雷达信号接收离轴球面反射聚焦光学系统，其特征在于：所述的球差校正镜组（3）由两片透镜组成，在两片透镜之间设置有带通滤光片（7）。

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