CN110044323B - 一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统 - Google Patents

一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光技术领域，提供了一种多功能脉冲激光测距光学系统，解决现有激光测距系统结构复杂使得系统体积大，以及测距范围小、功能单一的问题。该系统包括激光发射光学分系统、目视瞄准光学分系统、激光接收光学分系统和投影显示光学分系统；目视瞄准光学分系统包括依次设置的物镜组、转像分光棱镜、分划板及目镜组；转像分光棱镜用于将物镜组所成上下左右皆反的像翻转，使之成正像；分划板和目镜组依次设置在转像分光棱镜的透射光路中，目镜组包括沿光路依次同轴设置的第二胶合镜和第四透镜；激光接收光学分系统与目视瞄准光学分系统共用物镜组、转像分光棱镜；投影显示光学分系统与目视瞄准光学分系统共用分划板和目镜组。

Description

一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种多功能脉冲激光测距光学系统。
背景技术
激光测距技术在工程建设、安全监测和航空航天等多种领域应用广泛，现有的激光测距光学系统，例如公开号为US3464770A的美国专利，该系统通过将折轴镜切入切出光路，来实现接收和瞄准共光路，但是其存在测距接收和瞄准不能同时进行的问题，而且切入切出使得系统中增加了移动部件，导致系统结构复杂，降低了系统的稳定性；同时，系统无法实时显示测量数据。
另外，现有的轻小型激光测距系统，测距范围多在1km左右，且功能单一不能满足复杂场合的需求、以及结构复杂使得体积较大。
发明内容
为了解决现有激光测距系统结构复杂使得系统体积大，以及测距范围小、功能单一的问题,本发明提供了一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，包括激光发射光学分系统、目视瞄准光学分系统和激光接收光学分系统，其特殊之处在于：还包括投影显示光学分系统；所述目视瞄准光学分系统包括沿光路方向依次设置的物镜组、转像分光棱镜、分划板及目镜组；所述物镜组包括沿光路依次同轴设置的第一个胶合镜和第三透镜；所述转像分光棱镜用于将物镜组所成上下左右皆反的像翻转，使之成正像；分划板和目镜组依次设置在转像分光棱镜的透射光路中；目镜组包括沿光路依次同轴设置的第二胶合镜和第四透镜；
所述激光接收光学分系统与目视瞄准光学分系统共用物镜组、转像分光棱镜；所述激光接收光学分系统包括所述物镜组、转像分光棱镜、滤光片和探测器；所述滤光片和探测器依次设置在转像分光棱镜的反射光路中；
所述投影显示光学分系统与目视瞄准光学分系统共用分划板和目镜组，所述投影显示光学分系统包括沿光路依次设置的OLED显示屏、投影聚光镜、投影反射镜；投影聚光镜所在光路与目视瞄准分系统光路垂直，投影反射镜位于分划板和目镜组之间，且位于分划板和目镜组所处光路之外；所述OLED显示屏用于显示图像信息，所述图像信息包括十字信息和距离信息；所述投影聚光镜用于将OLED显示屏上呈现的信息缩放并成像至投影反射镜；所述投影反射镜用于将投影信息的像反射至分划板上。
进一步地，所述转像分光棱镜为一个普罗2号棱镜，所述普罗2号棱镜包括第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三直角棱镜，第一直角棱镜的斜边与第二直角棱镜胶合，第一直角棱镜的直角边与第三直角棱镜胶合；第一直角棱镜和第二直角棱镜的胶隔面镀分光膜，所述第二直角棱镜、分划板和目镜组依次位于分光膜透射光路中，所述第三直角棱镜、滤光片和探测器依次位于分光膜的反射光路中。
进一步地，所述激光发射光学分系统为伽利略式望远镜结构，所述伽利略式望远镜结构包括沿出射光路方向依次设置的一个光焦度为负的第一透镜和一个光焦度为正的第二透镜。
进一步地，所述第一透镜和第二透镜均为球面透镜，表面均镀有增透膜。
进一步地，所述第三透镜为一个光焦度为正的双凸透镜；所述第四透镜为一个双凸透镜。
进一步地，所述投影反射镜为一个光焦度为正双凸透镜。
进一步地，所述滤光片为窄带滤光片，探测器为光电二极管探测器。
进一步地，所述投影聚光镜和投影反射镜分别位于分划板和目镜组所在光路之外。
进一步地，所述OLED显示屏到投影反射镜光路的距离为68.37mm；所述第一胶合镜到目镜出瞳面的距离为91.44mm；所述第一胶合镜的直径为17mm。
进一步地，所有透镜均为球面透镜。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明的光学系统设有投影显示光学分系统，用于将OLED显示屏上呈现的信息放缩并成像至目视瞄准分系统光路中的分划板上，使得操作者可以同时观察测距信息和远处景物；激光接收光学分系统和目视瞄准光学分系统共用物镜组、转像分光棱镜，投影显示光学分系统和目视瞄准光学分系统共用分划板和目镜组，目视瞄准光学分系统可以满足观察3km外，350m左右视野，使得整个系统实现小型化和轻量化，同时可以实现测距、瞄准观测，可将测距数据实时显示,本发明的光学系统具有测距范围大，体积小，重量轻，环境适应性强的特点。
2、本发明目镜组由一个胶合透镜和一个双凸镜组成，目视瞄准光学分系统的倍率可以达到6倍，可识别3km外的自然目标，视场为6°，可在3km处看见350m左右的视野。
3、本发明的滤光片为窄带滤光片，对1064nm的激光具有高透过率，可以滤掉大部分杂散光，提高系统信噪比。
4、本发明的光学系统可应用在民用激光和军工靶场领域，尤其适合作为民用激光测距仪、军用激光测距和激光照射器的光学系统。
5、本发明所有透镜均可为球面透镜，减小了加工难度和成本。
附图说明
图1为本发明轻小型多功能脉冲激光测距光学系统中激光发射光学分系统的光路图；
图2为本发明轻小型多功能脉冲激光测距光学系统中目视瞄准光学分系统的光路图；
图3为本发明轻小型多功能脉冲激光测距光学系统中激光接收光学分系统的光路图；
图4为本发明轻小型多功能脉冲激光测距光学系统中投影显示光学分系统的光路图；
图5为本发明轻小型多功能脉冲激光测距光学系统整体的光路图；
图6为转像分光棱镜的示意图。
其中，附图标记如下：
1-第一透镜，2-第二透镜，3-第一胶合镜，4-第三透镜，5-转像分光棱镜，51-第一直角棱镜，52-第二直角棱镜，53-第三直角棱镜，6-分划板，7-第二胶合镜，8-第四透镜，9-滤光片，10-探测器，11-OLED显示屏，12-投影聚光镜，13-投影反射镜，14-激光器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图5所示，本实施例提供了一种测距范围可达到1-3km的激光测距光学系统，在实现测距的同时，具备激光照射指示功能，目视瞄准功能，并具有投影显示功能，采用光学投影的技术实时显示测距信息。
一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统由激光发射光学分系统、目视瞄准光学分系统、激光接收光学分系统和投影显示光学分系统组成，激光发射光学分系统独立，激光接收光学分系统、目视瞄准光学分系统、投影显示光学分系统共用部分光路，使得整个系统结构简化，布局紧凑、体积小，重量轻。
激光发射光学分系统为伽利略式望远镜结构，扩束倍率为9倍，用于将激光器14发出的激光束的发散角压缩至0.25mrad。伽利略式望远镜结构由两块沿沿激光器14出射光路方向依次设置的透镜来实现，用于扩大照射目标的激光光束直径，压缩激光发散角，分别为第一透镜1和第二透镜2，所述第一透镜1为负透镜，第二透镜2为正透镜，且均为球面透镜，表面均镀有增透膜，光路图如图1所示，设计的发射系统波像差很小，这样给公差留有较大的余量。第一透镜1和第二透镜2均镀多层增透膜，每一面的透过率为0.98，则发射光学分系统总透过率为0.984＝0.92。
目视瞄准光学分系统为一个望远镜系统，光路图如图2所示，包括沿光路方向依次同轴设置的物镜组、转像分光棱镜5、分划板6及目镜组。物镜组包括沿光路依次同轴设置的第一胶合镜3和第三透镜4，物镜直接成像在分划板6上时，是上下左右皆相反的像，因此在目视瞄准光学分系统中加入了转像分光棱镜5，所述转像分光棱镜5用于将物镜组所成的倒像翻转，使之成正像；所述转像分光棱镜5为一个普罗2号棱镜，所述普罗2号棱镜包括第一直角棱镜51、第二直角棱镜52和第三直角棱镜53，第一直角棱镜51的斜边与第二直角棱镜52胶合，第一直角棱镜51的直角边与第三直角棱镜53胶合；第一直角棱镜51和第二直角棱镜52的胶隔面镀分光膜，该分光膜将可见光透射并经过第二直角棱镜52后到观察目镜以供目视瞄准，并将接收回的激光信号经分光膜反射到第三直角棱镜53后，经过窄带滤光片，成像到接收器件，用于激光回波的接收；所述分划板6和目镜组依次设置在分光膜透射光路中，并且普罗2号棱镜有转像的作用。目镜组包括沿光路依次同轴设置的第二胶合镜7和第四透镜8，第四透镜8为一个凸透镜。远处的物体经过物镜组成像为倒像，经过普罗2号棱镜转像后，所成像为正像，人眼通过目镜组可以清晰观察。目视瞄准光学分系统的倍率为6倍，可识别3km外的自然目标，视场为6°，可在3km处看见350m左右的视野。人眼的瞳孔直径在白天时为2mm，在黄昏或夜晚时放大到4mm以上。望远镜在观察时有抖动，为了适应这些变化，望远镜的出瞳直径为4.2mm。
激光接收光学分系统用于激光回波的接收，光路图如图3所示，由目视瞄准光学分系统的物镜组、转像分光棱镜5、滤光片9和探测器10组成；所述激光接收光学分系统与目视瞄准光学分系统共用物镜组和转像分光棱镜5，
发射系统发射出激光，到达目标后发生漫反射，返回的激光光束进入到接收镜组，经过普罗2号棱镜，普罗2号棱镜的两个直角棱镜的胶隔面镀有分光膜，该分光膜将可见光透射到观察目镜以供目视瞄准，将接收回的激光信号反射到第三棱镜后，经过窄带滤光片，成像到接收器件，用于激光回波的接收；所述分划板6和目镜组依次设置在分光膜透射光路中，该分光膜将接收回的激光信号反射至窄带滤光片9，再经过窄带滤光片9(窄带滤光片9消除了杂散光，只透过1064nm的红外激光)，会聚到接收系统的光电二极管探测器10(APD)上，用于激光回波的接收。
投影显示光学分系统用于将测量数据连同相关信息显示在光路中，操作者可以在目镜后不受干扰、非常清晰的观察目标和观察测量数据。投影显示光学分系统包括沿光路依次设置的一个OLED显示屏11(发光波长在500-600nm，由单片机CPU驱动控制显示信息)、投影聚光镜12、投影反射镜13组成，光路图如图4所示。当测距完成后，主电路板完成测距数据处理并将结果将显示在OLED显示屏11上，然后经过投影系统成像在目视瞄准分系统的分划板6上，操作者可在目镜后清晰地看到测量数据，同时观察物体；投影反射镜13位于分划板6和目镜组之间的上方；所述OLED显示屏11用于给出十字信息和距离信息，由单片机控制信息显示。
本实施例整个系统由激光发射、目视瞄准、激光接收和投影显示光学分系统组成，其中激光发射系统独立，激光接收光学分系统和目视瞄准光学分系统的物镜组合二为一，投影显示光学分系统和目视瞄准光学分系统共用目镜组，使得整个系统在小型化和轻量化的同时，比以往的激光测距仪具有更多的功能：可以测距，可以瞄准观测，可以将测距数据实时显示，可以照射指示，同时可以进行光轴调整。特别适合作为民用激光测距仪或军用激光测距和激光照射器的光学系统，应用在民用激光应用和军工靶场领域。
激光发射系统独立，由脉冲激光器14、第一透镜1和第二透镜2组成，脉冲激光器14发射1064nm的激光，第一透镜1和第二透镜2均为球面透镜，表面镀1064nm增透膜，结构简单，容易加工装调。目视瞄准光学分系统由物镜组(包括第一胶合镜3和第三透镜4)、普罗2号棱镜、分划板6、目镜组构成，透镜均为球面透镜，目视瞄准光学分系统可以满足观察3km外，350m左右视野。激光接收光学分系统与目视瞄准光学分系统共用部分光学元件，由物镜组、普罗2号棱镜、窄带滤光片9、激光接收探测器10组成。窄带滤光片9对1064nm的激光具有高透过率，可以滤掉大部分杂散光，提高系统信噪比。投影显示光学分系统由OLED显示屏11、投影聚光镜12、投影反射镜13组成，OLED显示屏11发光波长在500-550nm，由单片机CPU控制显示信息。投影聚光镜12是一个正球面透镜，投影反射镜13为一个平面透镜，位于分划板6和目镜组之间，且位于分划板6和目镜组所处光路之外，如图4所示，投影反射镜13安装在分划板6的右上方，投影聚光镜12和OLED显示屏11安装在分划板6的右下方。
在本实施例的光学系统中，如图6所示，普罗2号棱镜是一个关键元件，既起到在目视瞄准光学分系统中转像的作用，又起到分光的作用，因此，对普罗2号棱镜的镀膜要求是：在普罗2号棱镜的第一直角棱镜51斜边处胶以第二直角棱镜52，在两棱镜的胶隔面镀分光膜，该分光膜对可见光(450nm-850nm)透射，对接收回的激光信号(1064nm)反射。
在本实施例的光学系统巧妙地将激光接收光学分系统和目视瞄准光学分系统的物镜组合二为一，使得系统布局紧凑，大大减小了整个系统的体积。同时，投影显示系统虽独立设计，但又不完全脱离整个系统，使得操作者可以同时观察测距信息和远处景物。整个系统的尺寸为：长110mm*宽80mm*高100mm；重量1kg，满足轻小型化的要求；激光发射光学分系统和激光接收光学分系统为1064nm，目视瞄准光学分系统为450-850nm，投影显示光学分系统为500-600nm。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，包括激光发射光学分系统、目视瞄准光学分系统和激光接收光学分系统，其特征在于：
还包括投影显示光学分系统；
所述目视瞄准光学分系统包括沿光路方向依次设置的物镜组、转像分光棱镜(5)、分划板(6)及目镜组；
所述物镜组包括沿光路依次同轴设置的第一胶合镜(3)和第三透镜(4)；
所述转像分光棱镜(5)用于将物镜组所成上下左右皆反的像翻转，使之成正像；分划板(6)和目镜组依次设置在转像分光棱镜(5)的透射光路中；
目镜组包括沿光路依次同轴设置的第二胶合镜(7)和第四透镜(8)；
所述激光接收光学分系统与目视瞄准光学分系统共用物镜组、转像分光棱镜(5)；所述激光接收光学分系统包括所述物镜组、转像分光棱镜(5)、滤光片(9)和探测器(10)；所述滤光片(9)和探测器(10)依次设置在转像分光棱镜(5)的反射光路中；
所述投影显示光学分系统与目视瞄准光学分系统共用分划板(6)和目镜组，所述投影显示光学分系统包括沿光路依次设置的OLED显示屏(11)、投影聚光镜(12)、投影反射镜(13)；投影聚光镜(12)所在光路与目视瞄准分系统光路垂直，投影反射镜(13)位于分划板(6)和目镜组之间，且位于分划板(6)和目镜组所处光路之外；所述OLED显示屏(11)用于显示图像信息，所述图像信息包括十字信息和距离信息；所述投影聚光镜(12)用于将OLED显示屏(11)上呈现的信息缩放并成像至投影反射镜(13)；所述投影反射镜(13)用于将投影信息的像反射至分划板(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述转像分光棱镜(5)为一个普罗2号棱镜，所述普罗2号棱镜包括第一直角棱镜(51)、第二直角棱镜(52)和第三直角棱镜(53)，第一直角棱镜(51)的斜边与第二直角棱镜(52)胶合，第一直角棱镜(51)的直角边与第三直角棱镜(53)胶合；第一直角棱镜(51)和第二直角棱镜(52)的胶隔面镀分光膜，所述第二直角棱镜(52)位于分光膜透射光路中，所述第三直角棱镜(53)位于分光膜的反射光路中。
3.根据权利要求1所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述激光发射光学分系统为伽利略式望远镜结构，所述伽利略式望远镜结构包括沿出射光路方向依次设置的一个光焦度为负的第一透镜(1)和一个光焦度为正的第二透镜(2)。
4.根据权利要求3所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)和第二透镜(2)均为球面透镜，表面均镀有增透膜。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述第三透镜(4)为一个光焦度为正的双凸透镜；
所述第四透镜(8)为一个双凸透镜。
6.根据权利要求5所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述投影反射镜(13)为一个光焦度为正的双凸透镜。
7.根据权利要求6所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述滤光片(9)为窄带滤光片，探测器(10)为光电二极管探测器。
8.根据权利要求7所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述投影聚光镜(12)和投影反射镜(13)分别位于分划板(6)和目镜组所在光路之外。
9.根据权利要求1所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：
所述OLED显示屏(11)到投影反射镜(13)之间的距离为68.37mm；
所述第一胶合镜(3)到目镜出瞳面的距离为91.44mm；
所述第一胶合镜(3)的直径为17mm。
10.根据权利要求9所述的一种轻小型多功能脉冲激光测距光学系统，其特征在于：所有透镜均为球面透镜。
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