CN104991258A - 红外激光匀光照明探测系统 - Google Patents

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范志刚
陈婷
薛文慧
陈守谦
张旺
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract

本发明公开了一种红外激光匀光照明探测系统，其由红外激光整形照明器和红外激光探测器构成，红外激光整形照明器由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源输出的脉冲激光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，作为探测信号在远场工作距离处形成一定形状的均匀照明截面，由探测目标反射探测信号所形成的探测回波被红外激光探测器接收，在CCD上形成目标的图像。应用本系统在远场对目标截面进行照明能达到90％以上的均匀度，并对2°视场范围内的回波进行探测成像，成像质量良好。

Description

红外激光匀光照明探测系统
技术领域
本发明属于激光光学系统设计领域，涉及一种红外激光匀光照明探测系统。
背景技术
激光探测及测距系统LiDAR(Light Detection and Ranging)也称Laser Radar。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物，简要而言“激光雷达就是用激光器作为辐射源的雷达”。从工作原理上讲，LiDAR与微波雷达没有根本区别
LiDAR的工作原理如下：激光发射机发出探测信号，即脉冲激光束，打在目标上，经目标反射的目标回波被光学接收机接收，将光信号转为电信号，由后续信息处理系统进行比较与适当处理，将结果显示在显示器上。于是我们便能够得到目标的距离、方位、高度、速度、形状等参数。
LiDAR主要用于对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别，或使用脉冲激光不断地扫描目标物，得到目标物上全部目标点的数据，进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。
LiDAR主要由单束窄带激光器和接收系统组成，直接探测型激光雷达的基本结构与激光雷达测距机颇为相近。
如今使用广泛的固体激光器为激光二极管泵浦固体激光器(DPSSL)，泵浦光的不均匀性对提高光束质量造成很大阻碍，因此需要对激光光束进行整形后使用。
微透镜阵列现已经广泛用于照明系统和成像系统中，其具有体积小、质量轻、传输损耗小等特点，构成的整形系统结构简单、使用灵活，得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外激光匀光照明探测系统，应用本系统使用脉冲激光等非均匀光源能够实现照明区域光强分布均匀化，并对2°视场范围内的回波进行探测成像，照明均匀度能够达到90％以上，成像质量良好。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种红外激光匀光照明探测系统，由红外激光整形照明器和红外激光探测器构成，所述红外激光整形照明器由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源发出的高斯分布的脉冲激光光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，作为探测信号在远场工作距离处形成一定形状的均匀照明截面，由探测目标反射探测信号所形成的探测回波被红外激光探测器接收，在CCD上形成目标的图像。
本发明中，所述激光光源为单波长激光脉冲光源或其他截面光强分布不均匀的平行光源。
本发明中，所述探测目标位于远场3km距离以外。
本发明中，所述红外激光整形照明器的照明形状由微透镜阵列组子口径形状决定，微透镜阵列组子口径形状为正方形，照明区域形状为正方形，填充率达到最高。
本发明中，所述后置扩束系统用于克服系统的衍射效应限制，缩短系统纵向尺寸，激光扩束准直系统和后置扩束系统结构形式皆为伽利略望远系统。
本发明中，红外激光整形照明器全部镜片使用熔融石英材料构成。
本发明中，所述红外激光探测器由三片镜片构成，可探测全视场为2°，且为可调焦系统。
本发明中，所述红外激光探测器适用于像素320×256，像元大小为20μm×20μm的探测器。
本发明中，所述红外激光整形照明器和红外激光探测器的光轴不重合，二者光轴互相平行，紧贴放置。
本发明提供的红外激光匀光照明探测系统是为实现工作距离处指定区域进行均匀光照明，并对回波进行探测成像而研制的，主要用于单波长脉冲激光光源或其它非均匀光强平行光源，其核心设计为微透镜阵列组，以获得远场均匀照明效果。相比于现有技术，具有如下优点：
1、能够用于红外激光探测器调焦范围内的单波长红外脉冲激光的光源；
2、能够对任何光强分布的平行光光源进行整形，对光源的光强分布没有要求；
3、应用本系统在远场对目标截面进行照明能达到90％以上的均匀度；
4、通过红外激光整形照明器的光通量集中于照明区域内，能量损失少，能量利用率高；
5、红外激光整形照明器为照明系统，装调容易，易于实现；
6、红外激光探测器结构简单，成像质量良好，在一定波长范围内能够进行调焦，灵活性好，实用性强。
附图说明
图1为红外激光匀光照明探测系统结构图；
图2为红外激光整形照明器的结构图；
图3为红外激光探测器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，本发明提供的红外激光匀光照明探测系统由红外激光整形照明器和红外激光探测器组成，具体结构分为激光光源1、激光扩束准直系统2、微透镜阵列组3、后置扩束系统4、红外激光探测器5和CCD探测器6。激光光源1和CCD探测器6为外部已有元件。
上述系统中，激光光源1、激光扩束准直系统2、微透镜阵列组3和后置扩束系统4的光轴重合。激光光源1发出的脉冲激光光束通过激光扩束准直系统2压缩发散角，使发散角小于微透镜阵列最大接收角，并扩大光束口径，使得通过微透镜阵列组3的光束总口径增大，增加有效微透镜子口径的数量，使得远场照明光强分布更加均匀。
上述系统中，微透镜阵列组3的作用为：第一片微透镜阵列将光强非均匀分布的光束截面微元化，通过第二片镜片铺助远场的光照积分。微透镜阵列组的光束积分过程需在远场实现，使用距离不得小于3km。
上述系统中，通过后置扩束系统4的加入，使得微透镜阵列F/#不变，衍射角不增大的情况下减小照明面积。
上述系统中，为避免高功率激光脉冲聚焦，激光扩束准直系统2和后置扩束准直系统4均采用伽利略望远系统结构，由两片镜片组成，透镜焦距与有效通光口径之比较大，引入波前畸变量小。
上述系统中，使用微透镜阵列积分器的原理，将光束进行先微分后积分的处理能够满足系统使用要求。微透镜将高斯光束分割为微元光束，每束光束各自的均匀性远好于高斯光束均匀性。每束微元光通过远场在目标截面上成像位置基本相同，经过叠加后实现高斯光束平顶化。
上述系统中，由于照明区域是平行微元光束经微透镜在工作距离处所成的像，则工作距离处照明形状由微透镜阵列子透镜形状决定，方形阵列具有填充率高的优点，微透镜阵列选用方形阵列。
上述系统中，微透镜阵列组3中第一片微透镜阵列对入射激光光束作微元化处理，微分越细，照明均匀性越好。但微元面积存在最小值，因此要提高微元数量，需要对出射光斑进行扩束。后置扩束系统4能够缩小照明区域面积，并缩短系统长度。
上述系统中，设微透镜阵列子口径为p，焦距为f’，可得微透镜阵列F/#及未经后置扩束系统的光束出射角度为θ1，计算公式如下：
F / # = f ′ p
θ 1 = ± p 2 f ′ = ± 1 2 ( F / # )
上述系统中，子口径为p的微透镜阵列造成的衍射角θ衍为：
λ为红外激光匀光照明探测系统所使用的单色激光波长。
θ衍与θ1需满足如下关系：
即：p≥2.44λ(F/#)。
由以上公式可知，F/#决定了p的大小，F/#又与工作距离处照明面积成反比，越小的照明面积，子口径p越大；p越大，有效微元数越少，对均匀性的影响也就越大。此时，在满足|θ衍|≤|θ1|的情况下，通过后置扩束系统的加入，使得微透镜阵列F/#不变，衍射角不增大的情况下减小照明面积。
上述系统中，微透镜阵列组3中两片微透镜阵列参数完全相同，间距为微透镜阵列焦距f’。激光扩束准直系统2和微透镜阵列组3以及微透镜阵列组3与后置扩束系统4的间距没有严格要求。
上述系统中，红外激光整形照明器发射的脉冲探测信号均匀照射到目标靶面上，反射形成的探测回波被红外激光探测器捕捉并成像。CCD探测器6位于激光探测光学系统5的焦平面上，可通过调节CCD探测器6与激光探测光学系统5的相对位置来满足一定范围内不同波长激光的使用。

Claims (10)

1.一种红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述系统由红外激光整形照明器和红外激光探测器构成，其中，红外激光整形照明器由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源输出的脉冲激光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，作为探测信号在远场工作距离处形成一定形状的均匀照明截面，由探测目标反射探测信号所形成的探测回波被红外激光探测器接收，在CCD上形成目标的图像。
2.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述激光光源为单波长激光脉冲光源或其他截面光强分布不均匀的平行光源。
3.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述探测目标位于远场3km距离以外。
4.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述红外激光整形照明器的照明形状由微透镜阵列组子口径形状决定。
5.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述激光扩束准直系统和后置扩束系统结构形式皆为伽利略望远系统。
6.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于红外激光整形照明器全部镜片使用熔融石英材料构成。
7.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述红外激光探测器由三片镜片构成。
8.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述红外激光探测器的可探测全视场为2°，且为可调焦系统。
9.根据权利要求1、7或8所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述红外激光探测器适用于像素320×256，像元大小为20μm×20μm的探测器。
10.根据权利要求1所述红外激光匀光照明探测系统，其特征在于所述红外激光整形照明器和红外激光探测器的光轴不重合，二者光轴互相平行，紧贴放置。
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