CN109143201A - 一种激光测距系统及光束整型方法 - Google Patents

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李语强
翟东升
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Abstract

本发明涉及一种激光测距系统及光束整型方法，属于光学技术领域。该包括设于激光器和望远镜之间的激光发射光路，所述的激光发射光路包括扩束系统和折轴光路；还包括设于扩束系统和折轴光路之间的光束整形系统；扩束系统和光束整形系统之间距离为200mm；光束整形系统包括两块相同的圆锥透镜，沿着光路方向，分别为第一圆锥透镜、第二圆锥透镜；第一圆锥透镜的锥角与光束出射方向相反；第二圆锥透镜的锥角方向与第一圆锥透镜的锥角方向相反；第一圆锥透镜和第二圆锥透镜之间的距离为300mm。本发明系统将光束整形成环形光束，避免了能量的损失和对回波造成的影响，易于推广应用。

Description

一种激光测距系统及光束整型方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种激光测距系统及光束整型方法。
背景技术
在低空卫士或激光测距等光学系统中，一般用固体激光器或者光纤激光器作为光源，在发射端需用地平式望远镜作为跟瞄及发射系统。固体激光器或光纤激光器是高斯光斑，能量为高斯分布。现有的激光发射光路是由扩束系统和折轴光路组成。如图1所示，激光器发出的激光经扩束系统和折轴光路进入望远镜光路并出射。扩束系统由曲率半径R=-45mm的平凹透镜和曲率半径R=122.4mm的平凸透镜组成，平凹透镜与平凸透镜的中心位置距离为150mm。
地平式望远镜由于次镜作用会有中心遮拦，同时高斯能量分布的激光经过次镜会有相当一部分光能反射回去，产生杂光并对激光器造成能量输出不稳定或是破坏激光器。因此需要对激光束进行整型以满足使用要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种激光测距系统及光束整型方法，该系统利用扩束系统对激光束进行扩束，然后利用圆锥透镜对光束进行整型，将高斯分布的光束整型为环形光束，之后经折轴光路的反射，形成与地平式望远镜光学系统相匹配的光束，从而避免了能量的损失和对系统造成的影响。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种激光测距系统，包括设于激光器和望远镜之间的激光发射光路，所述的激光发射光路包括扩束系统和折轴光路；还包括设于扩束系统和折轴光路之间的光束整形系统；扩束系统和光束整形系统之间距离为200mm；
光束整形系统包括两块相同的圆锥透镜，沿着光路方向，分别为第一圆锥透镜、第二圆锥透镜；第一圆锥透镜的锥角与光束出射方向相反；第二圆锥透镜的锥角方向与第一圆锥透镜的锥角方向相反；第一圆锥透镜和第二圆锥透镜之间的距离为300mm。
进一步，优选的是，所述的扩束系统扩束倍数为60/11倍。
进一步，优选的是，所述的激光器为固体激光器或光纤激光器。
进一步，优选的是，扩束系统包括一块平凹透镜和一块平凸透镜，沿着光路方向，平凹透镜在前，平凸透镜在后。
进一步，优选的是，沿着光路方向，平凹透镜第一面为凹面，曲率半径R=-45mm；平凸透镜第一面为凸面，曲率半径R=122.4mm。平凹透镜与平凸透镜材料为熔石英，但不限于此。
进一步，优选的是，平凹透镜与平凸透镜的中心位置距离为150mm。
进一步，优选的是，所述的望远镜口径为1.2m。
进一步，优选的是，所述的折轴光路由五块反射镜构成。
本发明对于激光器与平凹透镜之间的距离不做具体限制，通常使用1.2m望远镜的话，激光器与平凹透镜之间的相对距离为3270mm。
本发明对于光束整形系统与折轴光路之间的距离不做具体限制。
本发明同时提供一种激光测距光束整型方法，采用上述任意一项所述的激光测距系统，具体是：激光器工作产生激光，经扩束系统后，扩大光束半径；再经光束整形系统的第一圆锥透镜后分束，经第二圆锥透镜后形成空心环形平行光束；最后经折轴光路反射后进入望远镜光路并出射。
本发明激光测距系统中对于其它部件没有特殊限制，采用常规得设置即可，如回波接收光路、数据采集计算机等。
本发明原理：
1、本发明利用扩束系统进行扩束，利用平凹透镜和平凸透镜的光焦度性质，可以有效消除球差，满足准直光束要求；
2、本发明利用锥形透镜对相当于平行平板的特性，对高斯光束进行整型的同时，不产生额外象差；
3、本发明利用相同参数的锥形透镜，光束经过后光程相同，出射后的波形满足与入射光束的波形相同。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
原有测距系统由于副镜位置不可避免地会损失大约6%的能量，副镜的反射光有可能会再次进入测距系统，与回拨信号混合，形成噪声，对测距精度带来误差。改进后的测距系统加入了光束整形系统，将光束整形成环形光束，避免了能量的损失和对回波造成的影响。
附图说明
图1是现有的激光发射光路结构示意图；
图2是采用现有的激光发射光路从望远镜发射出的平行光束分部图；
图3是本发明激光发射光路结构示意图；
图4是采用本发明的激光发射光路从望远镜发射出的平行光束分部图。
其中，1、激光器；2、平凹透镜；3、平凸透镜；4、第一反射镜；5、第二反射镜；6、第三反射镜；7、第四反射镜；8、主镜；9、第五反射镜；10、副镜；11、出射平行光束；12、第一圆锥透镜；13、第二圆锥透镜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
一种激光测距系统，包括设于激光器1和望远镜之间的激光发射光路，所述的激光发射光路包括扩束系统和折轴光路；还包括设于扩束系统和折轴光路之间的光束整形系统；扩束系统和光束整形系统之间距离为200mm；
光束整形系统包括两块相同的圆锥透镜，沿着光路方向，分别为第一圆锥透镜12、第二圆锥透镜13；第一圆锥透镜12的锥角与光束出射方向相反；第二圆锥透镜13的锥角方向与第一圆锥透镜12的锥角方向相反；第一圆锥透镜12和第二圆锥透镜13之间的距离为300mm。
优选，所述的扩束系统扩束倍数为60/11倍。
优选，所述的激光器1为固体激光器或光纤激光器。
优选，扩束系统包括一块平凹透镜2和一块平凸透镜3，沿着光路方向，平凹透镜2在前，平凸透镜3在后。沿着光路方向，平凹透镜2第一面为凹面，曲率半径R=-45mm，第二面的曲率半径为无穷大；平凸透镜3第一面为凸面，曲率半径R=122.4mm，第二面的曲率半径为无穷大。平凹透镜2与平凸透镜3材料为熔石英，但不限于此。平凹透镜2与平凸透镜3的中心位置距离为150mm。
优选，所述的望远镜口径为1.2m。
优选，所述的折轴光路由五块反射镜构成，包括第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜9。
第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜9分别位于折轴点处，激光发射时用来引导激光束进入主、副镜；
来自光束整形系统的激光依次经过第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜9，反射至副镜10，然后再经副镜10发射至主镜8。
本发明对于激光器1与平凹透镜2之间的距离不做具体限制，通常使用1.2m望远镜的话，激光器1与平凹透镜2之间的相对距离为3270mm。本发明对于光束整形系统与折轴光路之间的距离不做具体限制。
一种激光测距光束整型方法，采用上述激光测距系统，具体是：激光器工作产生激光，经扩束系统后，扩大光束半径；再经光束整形系统的第一圆锥透镜12后分束，经第二圆锥透镜13后形成空心环形平行光束；最后经折轴光路反射后进入望远镜光路并出射。
应用实例
一、输入参数：
固体激光器，输出光束口径：Ф=22mm；
二、输出参数：
扩束的平行光束口径：Ф=60mm；
整型后的环形光束：内径：Ф=50mm；外径：Ф=110mm；
望远镜出射光束：内径：Ф=370mm；外径：Ф=830mm。
图2为现有的激光测距系统出射光束光斑分布，图4为经本发明改进后的激光测距系统出射光束光斑分布。从图2和图4对比可以看出，加入光束整形系统后的激光测距系统中心能量为0，有效地避免了望远镜光路中副镜的遮挡，一定程度上改进了激光测距光路出射能量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种激光测距系统，包括设于激光器和望远镜之间的激光发射光路，所述的激光发射光路包括扩束系统和折轴光路；其特征在于：还包括设于扩束系统和折轴光路之间的光束整形系统；扩束系统和光束整形系统之间距离为200mm；
光束整形系统包括两块相同的圆锥透镜，沿着光路方向，分别为第一圆锥透镜、第二圆锥透镜；第一圆锥透镜的锥角与光束出射方向相反；第二圆锥透镜的锥角方向与第一圆锥透镜的锥角方向相反；第一圆锥透镜和第二圆锥透镜之间的距离为300mm。
2.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述的扩束系统扩束倍数为60/11倍。
3.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述的激光器为固体激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：扩束系统包括一块平凹透镜和一块平凸透镜，沿着光路方向，平凹透镜在前，平凸透镜在后。
5.根据权利要求4所述的激光测距系统，其特征在于：沿着光路方向，平凹透镜第一面为凹面，曲率半径R=-45mm；平凸透镜第一面为凸面，曲率半径R=122.4mm。
6.根据权利要求5所述的激光测距系统，其特征在于：平凹透镜与平凸透镜的中心位置距离为150mm。
7.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述的望远镜口径为1.2m。
8.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于：所述的折轴光路由五块反射镜构成。
9.一种激光测距光束整型方法，采用权利要求1-8任意一项所述的激光测距系统，其特征在于：激光器工作产生激光，经扩束系统后，扩大光束半径；再经光束整形系统的第一圆锥透镜后分束，经第二圆锥透镜后形成空心环形平行光束；最后经折轴光路反射后进入望远镜光路并出射。
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