CN105259648B - 一种大口径全球面激光雷达光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大口径全球面激光雷达光学系统，光学系统所有光学面均采用球面设计，设计双焦点切换模式，Margin系统多重结构设计，通过改变激光输出波长与检测波长之间切换，前端的Margin系统可单独使用与自准直检测，构成第一焦点；Margin系统与前校正镜组组成缩束光学系统，前后校正镜组将准直光束聚焦在第二焦点位置。本发明较之传统透射式与非球面系统结构极大降低了光学镜面加工和装调的难度、提高了安装调试效率及系统成像像质、提高了接收激光回波信号的利用效率，满足了紧凑化和低成本的要求。本发明结构合理，制作和装配容易，扩展性能好，成本低，便于批量生产。
Description
技术领域
本发明属于光机电一化设备领域，具体涉及一种大口径全球面激光雷达光学系统。
背景技术
激光雷达是一种集大气光学、弱信号探测、激光器等技术发展出的光机电一体化系统设备。它的工作原理是激光源向靶标区域发射激光束，经过探测靶标的反射或散射，然后接收从靶标返回来的激光回波信号与发射激光信号进行比对并作适当处理，即可获得靶标的相关信息，如靶标的距离、方位、速度、姿态、甚至表面形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。近年来，激光雷达已广泛应用在激光导航、激光测距、大气监测、跟踪识别、扫描成像等领域。
目前激光雷达光学系统的结构形式主要有以下：
1、常规的透射式激光雷达：常用于中小口径激光雷达光学系统，而口径大于Φ500mm以上的透射原材料难以制造，光学表面难以加工，装配精度难以保证。因此，大口径光学系统基本都采用反射式结构。
2、经典牛顿式系统：主镜为抛物面反射镜，焦点前用平面反射镜折转光路，结构形式简单，然而其视场范围较小，系统整体较长，校正系统轴上球差，适用于焦距较小结构简单的光学系统。另外，常规系统直接在CCD探测器前端安装滤光片，滤光片放置在会聚光路中容易因其安装倾斜引入像散，降低光学系统分辨率。
3、卡赛格林式系统：主镜为抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜，校正轴上球差，可用于长焦距、小视场光学系统；就加工和装调难度看，由于主、次镜均为非球面，所以其加工和装调难度较大。
综上所述几种激光雷达光学系统的结构，有的光学表面难以加工，装调难、精度低；有的视场范围小、系统不紧凑，校正系统轴上球差；有的光学系统极限分辨率低、系统成像像质差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大口径全球面激光雷达光学系统，用于解决现有技术中激光雷达光学系统的结构不紧凑、校正系统轴上球差、分辨率低、成像像质差以及光学表面加工难、装调难和精度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大口径全球面激光雷达光学系统，所述激光雷达光学系统包括前后依次设置的Margin次镜、主反射镜和校正镜组，且所述激光雷达光学系统中所有光学面均采用球面设计，所述校正镜组包括前校正镜组和后校正镜组；所述主反射镜和Margin次镜构成自准直检测的Margin系统，聚焦在所述激光雷达光学系统第一焦点位置；所述Margin系统与前校正镜组构成缩束光学系统，出射准平行光；所述Margin系统与前校正镜组、后校正镜组构成第二焦点光学系统，将光束聚焦在所述激光雷达光学系统第二焦点位置。
于本发明的一实施方式中，所述Margin系统与前校正镜组补偿形成准直光束通道，所述前校正镜组和后校正镜组补偿系统像质形成第二焦点。
于本发明的一实施方式中，当激光输出为检测波段的波长时，Margin系统自准直检测，校正Margin系统在检测波段的轴上球差；当激光输出为工作波段的波长时，Margin系统单独使用，校正激光雷达光学系统在工作波段的轴上球差。
于本发明的一实施方式中，所述缩束光学系统的准直光路通道中放置分光镜或滤光片。
于本发明的一实施方式中，所述主反射镜为凹球面反射镜，其口径范围为200mm～1500mm。
于本发明的一实施方式中，所述Margin次镜为内表面镀膜的双凹折返镜。
于本发明的一实施方式中，所述前校正镜组包括前后依次设置的前校正镜一和前校正镜二。
于本发明的一实施方式中，所述前校正镜一为平凸透镜，所述前校正镜二为弯月透镜。
于本发明的一实施方式中，所述后校正镜组包括前后依次设置的后校正镜一和后校正镜二。
于本发明的一实施方式中，所述后校正镜一为双凸透镜，所述后校正镜二为平凸透镜。
如上所述，本发明的一种大口径全球面激光雷达光学系统，具有以下有益效果：
1、系统结构紧凑、成本低。所有光学镜片均采用球面镜，包括主反射镜、Margin次镜和校正镜组，Margin次镜与校正镜组共同校正大口径球面主反射镜固有的轴上球差，同时前校正镜组与Margin系统构成缩束光学系统出射准平行光，后校正镜组将平行光束聚焦在焦点位置，满足了紧凑化和低成本的要求。
2、设计双焦点切换模式：Margin系统多重结构设计，通过改变激光输出波长与检测波长之间切换，Margin系统可单独使用与自准直检测，构成第一焦点；Margin系统与前校正镜组组成缩束光学系统，其光路中可放置分光镜将平行光束导出或放置滤光片进行后端实验，然后后校正镜组将准直光束聚焦在第二焦点位置。本发明中的Margin系统安装调试可利用第一焦点确立Margin次镜位置，继而依据相对位置定出前校正镜组、后校正镜组位置与第二焦点位置。
3、从工程应用角度看，本发明中Margin系统可独立自准直检测与使用，提高了整个系统的安装调试效率与精度；Margin系统与前校正镜组组合使用可直接输出平行光束，提高了接收激光回波信号使用效率，与前校正镜组、后校正镜组合可聚焦第二焦点，实现压缩光学系统焦距、增大相对孔径，提高了光学系统极限分辨率，同时提高了光学系统成像像质。
附图说明
图1为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的Margin光学系统的示意图。
图2为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的示意图。
图3为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的Margin光学系统的圆能量分布图。
图4为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的Margin光学系统的点列图。
图5为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的Margin光学系统的波像差图。
图6为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的圆能量分布图。
图7为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的点列图。
图8为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的波像差图。
图中元件标号说明：
1.主反射镜 2.Margin次镜 3.前校正镜一
4.前校正镜二 5.后校正镜一 6.后校正镜二
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
图1和图2所示为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的最佳实施例原理图。激光雷达光学系统接收口径1000mm，工作波长为0.355μm，检测波长0.6328μm，耦合光纤数值孔径0.22，视场角±9’，光学遮拦比≤10％，系统波像差：RMS≤λ/5。按设计要求前端接收采用Margin系统，会聚光束经过前校正镜组准直后滤光，继而由后校正镜组聚焦，设计Margin系统可实现自准直检测，多重结构设计同时校正Margin系统在检测波段0.6328μm与激光雷达光学系统工作波段0.355μm的轴上球差。
主反射镜1的曲率半径范围-2992mm；Margin次镜2前后表面曲率半径范围依次为-1822.031mm和1871mm，光学厚度为45mm，光学材料为JGS1玻璃；前校正镜一3前后表面曲率半径范围依次为无穷大和-60.35mm，光学厚度为6mm，光学材料为JGS1玻璃；前校正镜二4前后表面曲率半径范围依次为83.31mm和21.88mm，光学厚度为5mm，光学材料为JGS1玻璃；后校正镜一5前后表面曲率半径范围依次为185mm和-121.332mm，光学厚度为5mm，光学材料为JGS1玻璃；后校正镜二6前后表面曲率半径范围依次为29.733mm和无穷大，光学厚度为5mm，光学材料为JGS1玻璃。其中，本实施例规定图中所有光学元件左侧表面为前表面，右侧表面为后表面。
主反射镜1与Margin次镜2之间的距离为-1100mm，Margin次镜2与前校正镜一3之间的距离为1540mm，所述的前校正镜一3与前校正镜二4之间的距离为5mm，所述的前校正镜二4与后校正镜一5之间的距离为100mm，所述的后校正镜一5与后校正镜二6之间的距离为2.5mm。
图3～图5所示为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统的Margin光学系统工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的圆能量分布图、点列图和波像差图，设计输入为Φ1000mm的平行光束，波长为0.6328μm，输出为聚焦光束，聚焦在第一焦点位置。
图6所示为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的圆能量分布图，图7所示为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的点列图，图8所示为本发明一种大口径全球面激光雷达光学系统工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的波像差图，设计输入为Φ1000mm的平行光束，波长为0.355μm，经前校正镜组输出口径为Φ28mm的准直光束，经前后校正镜组输出为聚焦光束，聚焦在第二焦点位置。从图3～图8可见，Margin系统和激光雷达光学系统分别在0.355μm和0.6328μm的工作波长波像差质量高，圆能量分布均匀，输出光束质量高。
本发明目前可实现的技术性能为：
Margin系统可单独使用与自准直检测，提供输出口径Φ1000mm的准直光束或接收平行光束聚焦；
Margin系统与前校正镜组组合使用构成缩束光学系统，提供输出口径Φ28mm的准直光束；
本发明大口径全球面激光雷达光学系统使用第二焦点接收回波信号，提供带有准直光束通道的扩展光路和高质量波前的接收光学系统。
Margin系统为近衍射极限系统，0.6328μm工作波长系统波前畸变PV≤0.16waves；波前畸变RMS≤0.05waves；
本发明大口径全球面激光雷达光学系统为近衍射极限系统，0.355μm工作波长系统波前畸变PV≤0.08waves；波前畸变RMS≤0.015waves。
综上所述，本发明较之传统透射式与非球面系统结构极大降低了光学镜面加工和装调的难度、提高了安装调试效率及系统成像像质、提高了接收激光回波信号的利用效率，满足了紧凑化和低成本的要求。本发明结构合理，制作和装配容易，扩展性能好，成本低，便于批量生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，包括前后依次设置的Margin次镜、主反射镜和校正镜组，且所述Margin次镜、所述主反射镜和所述校正镜组的镜面均采用球面设计，所述校正镜组包括前校正镜组和后校正镜组；所述主反射镜和Margin次镜构成自准直检测的Margin系统，聚焦在所述激光雷达光学系统第一焦点位置；所述Margin系统与所述前校正镜组构成缩束光学系统，出射准平行光；所述Margin系统与前校正镜组、后校正镜组构成第二焦点光学系统，将光束聚焦在所述激光雷达光学系统第二焦点位置；所述Margin系统与所述前校正镜组补偿形成准直光束通道，所述前校正镜组和所述后校正镜组补偿系统像质形成第二焦点。
2.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，当激光输出为检测波段的波长时，所述Margin系统自准直检测，校正所述Margin系统在检测波段的轴上球差；当激光输出为工作波段的波长时，所述Margin系统单独使用，校正所述激光雷达光学系统在工作波段的轴上球差。
3.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述缩束光学系统的准直光路通道中放置分光镜或滤光片。
4.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述主反射镜为凹球面反射镜，其口径范围为200mm～1500mm。
5.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述Margin次镜为双凹折返镜，且其反射面镀内反膜。
6.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述前校正镜组包括前后依次设置的前校正镜一和前校正镜二。
7.根据权利要求6所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述前校正镜一为平凸透镜，所述前校正镜二为弯月透镜。
8.根据权利要求1所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述后校正镜组包括前后依次设置的后校正镜一和后校正镜二。
9.根据权利要求8所述的大口径全球面激光雷达光学系统，其特征在于，所述后校正镜一为双凸透镜，所述后校正镜二为平凸透镜。
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