CN107664763B - 一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置，该接收耦合装置由接收线列光纤、线列转面阵光纤、面阵光纤阵列、耦合光学镜头以及小规模面阵探测器组成。线列光纤置于接收光学系统的焦面上，通过线列转面阵光纤，光纤另一端与探测器相同规模排布的面阵光纤置于耦合光学镜头的物面位置，小规模面阵探测器置于耦合光学镜头的像面位置，实现面阵光纤发出的发散光的会聚接收。该发明的特点在于可以用小规模面阵探测器拼接的方法实现较多元数激光的同时探测，既解决目前缺少大规模长线阵雪崩探测器的现状，又避免使用数量较多的单元探测器，实现系统的简单化、轻量化和低功耗。

Description

一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置
技术领域
本发明属于激光测距领域，涉及一种高效率、高集成性多波束激光测距系统接收耦合装置，尤其涉及较多波束和超多波束的激光测距系统。
背景技术
推帚型激光测距是一种概念较新的遥感技术，它借鉴推帚式光谱成像技术的特点，结合激光直接测距并获取灰度信息的优势，以高度紧凑的结构和主动遥感进行信息获取的方式，获得地物目标的三维灰度像。目前，推帚式激光测距还处于起步阶段，尤其是较多波束的激光测距系统，激光并行发射和激光并行接收是测距系统的关键技术。并行接收要求能对多元发射的激光回波实现多元并行的会聚接收，并且实时地处理。对于以往单波束或者十元量级的较少波束，采用多个单元探测器同时探测接收或者线阵雪崩探测器的方法可以较容易的实现接收光学系统和探测器之间的耦合。但是对于波束百元量级甚至达千元量级的并行接收系统，若使用单元探测器，激光测距系统的体积、功耗以及重量将异常庞大，这是不切实际的，但是目前缺少大规模长线阵雪崩探测器，这也是现状。所以，目前百元量级的激光并行接收一般采用探测器拼接的方式，用小的面阵探测器的拼接来实现较多波束的同时探测。基于光纤的多波束激光测距系统，接收光纤到探测器的耦合主要有以下两种情况：一是直接耦合，这种适用于光纤端面到探测器光敏面距离非常近，并且探测器光敏面的尺寸远大于接收光纤芯径的情况；第二种是用微透镜阵列的方式耦合，这种一般用于探测器光敏面小于接收光纤芯径的情况，接收光纤阵列和探测器光敏面分别处于微透镜的物面和像面位置，光纤发出的发散光，被微透镜会聚至探测器相应的像元探测。微透镜阵列耦合的方法中，相邻微透镜的间隔等于探测器的像元间隔，单元微透镜的尺寸决定了接收光纤阵列端面到微透镜的距离非常小，这对于装调非常不利，系统装调时，若光纤的中心与微透镜的中心对准的偏差，也会影响接收耦合的效率。并且接收光纤的相对孔径较大，常规的单个平凸或者双凸的微透镜难以达到很好的会聚效果，若采用非球面微透镜，微透镜制作工艺的复杂程度和费用将大大增加。因此采用微透镜阵列的接收耦合装置存在一定的局限性和技术难点。
发明内容
基于上述现有的多波束激光测距接收耦合装置存在的不足和技术难点，本文提出了一种高效率、高集成性多波束激光测距系统接收耦合装置。在波束较多的激光测距系统中可以实现接收光纤阵列到小规模面阵探测器之间的高效率、高集成性耦合。该接收耦合装置由接收线列光纤、线列转面阵光纤、面阵光纤阵列、耦合光学镜头以及小规模面阵探测器组成。线列光纤置于接收光学系统的焦面上，通过线列转面阵光纤，另一端的与探测器相同规模排布的面阵光纤置于耦合光学镜头的物面位置，小规模面阵探测器位于耦合光学镜头的像面位置，实现面阵光纤发出的发散光的会聚探测。该发明的特点在于可以用小规模面阵探测器拼接的方法实现较多元数激光的同时探测，既解决目前缺少大规模长线阵雪崩探测器的现状，又避免使用数量较多的单元探测器，造成系统的复杂性。
一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置包括接收线列光纤1、线列转面阵光纤2、面阵光纤阵列3、耦合光学镜头4以及小规模面阵探测器5。
所述的接收线列光纤1置于测距仪激光接收镜头焦面上，面阵光纤阵列3和接收线列光纤1通过线列转面阵光纤2进行连接，面阵光纤阵列3置于耦合光学镜头4的物面上，小规模面阵探测器5置于耦合光学镜头4的像面上，与面阵光纤阵列3共轭，实现激光回波的会聚探测。
所述的耦合光学镜头4为物方远心镜头，其物方数值孔径大于或等于面阵光纤阵列3光纤的数值孔径，耦合光学镜头4实现β＝-l/a放大倍率的实像转换，其中β为镜头的横向放大倍率，l为小规模面阵探测器5的像元间隔。
所述的小规模面阵探测器5为德国first sensor公司的8×8阵列APD，像元尺寸205×205um，像元间隔320um。
相比目前常用的微透镜阵列的接收耦合系统，该发明中提到的接收耦合装置中所有的元件均具有成熟的工艺可实施性，光学透镜均为尺寸大小适宜加工的球面透镜；单片通过镀膜可以达到99％以上的透过率，并且系统的会聚光斑在大的数值孔径下仍可以接近或者达到衍射极限；装调时，不存在类似微透镜阵列中，单根光纤与微透镜中心严格的同心定位问题，较灵活可调的空气间隔加大的装调的可能性和便利性。
附图说明
图1是接收耦合装置示意图。
图2是实施例线列光纤、线列转面阵光纤以及面阵光纤阵列。
图3是实施例探测器的实物图。
图4是实施例耦合光学镜头示意图。
图5是实施例耦合光学镜头点列图。
图6是是实施例耦合光学镜头的畸变分布。
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详细说明：
如图1所示，本发明一种高效率、高集成性多波束激光测距系统接收耦合装置，线列光纤置于接收光学系统的焦面上，通过线列转面阵光纤，另一端的与探测器相同规模排布的面阵光纤置于耦合光学镜头的物面位置，小规模面阵探测器位于耦合光学镜头的像面位置，实现面阵光纤发出的发散光的会聚探测。实施例接收耦合装置的参数如表1所示。
表1、实施例参数设置
项目 大小
接收光纤芯径 200um
光纤数值孔径 0.22
相邻光纤间隔 500um
探测器像元间隔 320um
探测器像元尺寸 205um
探测器规模 8*8
波束 384元
线列光纤位于激光接收望远镜的焦面上，其光纤芯径和光纤间隔根据系统参数决定，通过线阵转面阵光纤，接收光纤的另一端可以自由排布成与小规模面阵探测器相对应的规模和形式，本实施例为六个8*8的小面阵光纤，如图2所示。综合考虑光纤的加工工艺和耦合光学镜头的放大倍率的合理性，本实施例选择面阵光纤的间隔为500um，由此得到耦合光学镜头的放大倍率β＝-320/500＝-0.64，耦合光学镜头的物方数值孔径等于光线阵列的数值孔径0.22，视场用实际像高限制，实际像高为探测器光敏面的对角线长度，大小为±1.8mm，本实施例用到的探测器的实物如图3所示。根据以上输入限制设计耦合光学镜头如图4所示，在设计的视场内，汇聚光斑的最大RMS尺寸约为6.5um，如图5所示，达到了比较高的耦合效率。耦合光学镜头在设计视场内的畸变控制在1um以内，如图6所示，较好地保证了接收和发射的配准，并且有效地避免了会聚光斑落在探测器的非感光区域的现象，提高了耦合效率。根据以上设计的实施例接收耦合装置，其耦合效率接近0.996＝94％，其中0.99为测距波长1064nm处单个透镜镀膜以后的透过率。并且实施例的接收耦合装置物距和像距分别为22mm和10mm，具有较大的装调空间，以及与光纤阵列之间较为宽松同心要求，公差分析结果为0.02mm。

Claims (2)

1.一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置，包括接收线列光纤(1)、线列转面阵光纤(2)、面阵光纤阵列(3)、耦合光学镜头(4)以及小规模面阵探测器(5)，其特征在于：
所述的接收线列光纤(1)置于测距仪激光接收镜头焦面上，面阵光纤阵列(3)和接收线列光纤(1)通过线列转面阵光纤(2)进行连接，面阵光纤阵列(3)置于耦合光学镜头(4)的物面上，小规模面阵探测器(5)置于耦合光学镜头(4)的像面上，与面阵光纤阵列(3)共轭，实现激光回波的会聚探测；所述耦合光学镜头(4)共包括6块镜片，从物面沿光轴方向开始，第二块透镜与第五块透镜为负透镜，其余透镜为正透镜；
所述的耦合光学镜头(4)为物方远心镜头，其物方数值孔径大于或等于面阵光纤阵列(3)光纤的数值孔径，耦合光学镜头(4)实现β＝-l/a放大倍率的实像转换，其中β为镜头的横向放大倍率，l为小规模面阵探测器(5)的像元间隔，a为面阵光纤阵列(3)的相邻光纤间隔。
2.根据权利要求1所述的一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置，其特征在于：所述的小规模面阵探测器(5)为德国first sensor公司的8×8阵列APD，像元尺寸205×205um，像元间隔320um。
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