CN110045352A - 一种错位安装光学系统的方法和光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统错位安装方法及采用上述光学系统错位安装方法得到的光学系统，通过平面几何图形外接圆的几何关系将常规棱锥的棱边平移到最终圆柱形安装位置确定的圆柱体上，保留原有的空间角度关系，同时错位安装；利用以上的方法，先加工圆柱，再在圆柱的上下顶面上打孔，然后安装光学系统；使安装后的光学系统为规则的圆柱形形状，节省了安装空间，利于设备的小型化和轻量化，同时方便了安装光学系统中的其它器件，从而减小了安装之后的整体光学系统占用的空间体积。

Description

一种错位安装光学系统的方法和光学系统
技术领域
本发明涉及一种激光遥感探测中光学系统的安装方法，具体涉及一种错位安装光学系统的方法及采用上述方法构建的光学系统。
背景技术
目前在激光遥感探测应用上，经常需要激光朝向不同方向进行探测，比如4波束的多普勒测风激光雷达，需要激光可以获取4个空间指向上的风速信息，如图1所示。这种激光光束的空间几何关系通常利用棱锥的几何关系实现，如图2所示，将4个激光光束的中心轴分别对准OA、OB、OC、OD，通过OA、OB、OC、OD之间的几何关系，来确保4个激光光束的相互角度和对探测位置的指向。
激光需要通过光学组件引导后发射出去，光学组件为了保证同心度通常设置为圆柱形。为了安装多波束的圆柱形光学组件时相互之间不干涉，需要扩大棱锥的尺寸，如图2所示的4波束光学组件，将4个圆柱形的光学组件中心轴分别对准A1A、B1B、C1C、D1D。因此，最终4波束的光学组件安装之后，其中心轴占据的空间为A1B1C1D1-ABCD的棱台。利用棱锥的几何关系来安装圆柱形光学组件，几何关系计算简单，方便设计。
然而现有技术也存在实际应用上的缺点：在这种安装情况下，一来为了避免相互干涉，光学组件需要沿着棱锥的棱边安装，安装难度较大，不容易保证精度；二来只能利用棱锥的下部空间，安装之后的整体光学系统占用的空间体积太大，特别是棱台周边空间为非规则空间，不容易用来安装其它器件，所以可以认为占用的空间体积近似为ABCD-SS’对应的立方体(参见图2)，造成安装空间的浪费，而在激光遥感探测应用中，设备的小型化和轻量化是非常重要的，上述光学系统的安装方法需要改进。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的缺陷，改进现有光学系统的构建方法，提供一种方便安装且有效缩减体积的光学系统构建方法。
本发明的技术方案是：
一种错位安装光学系统的方法，所述光学系统具有一一对应并引导N个波束的N个光学组件，N为3以上的自然数，所述光学系统通过将分别构成N棱锥的N条棱边的所述N个光学组件进行平移而构建，其特征在于包括以下步骤：
第一，定义所述N棱锥的顶点O，做所述顶点O相对的棱锥下底面中对应N边形的外接圆；
第二，以N边形的一个顶点A为圆心做圆，半径取所述外接圆的半径，则与该外接圆产生两个交点，选取一侧的交点为A’；
以此类推，分别以N边形其它N-1个顶点为圆心，以所述外接圆的半径为半径，分别获得与所述外接圆的与所述交点A’位于同一侧的其它N-1个交点：B’、C’、……；
第三，在通过所述顶点O且平行所述棱锥下底面的平面上，以顶点O为圆心，以所述外接圆的半径做圆O；然后做OO1平行AA’，位置点O1在圆O上且从O点指向O1点的方向与从A点指向A’点的方向相同；以此类推，做OO2平行BB’、做OO3平行CC’、……,获得圆O上其它N-1个位置点O2、O3、……；
然后将O1和A’连线，即可得到OA对应的平移位置O1A’；以此类推，得到其它N-1个平移位置O2B’、O3C’、……；
第四，在上述N个平移位置分别安装所述N个光学组件以构建所述光学系统，并确保所述光学系统仍然按照原有的空间夹角关系引导出射所述N个波束。
进一步的，所述N为3、4或6。
进一步的，所述波束为激光波束。
进一步的，所述光学组件为圆柱形光学组件或方形光学组件。
本发明还涉及一种光学系统，所述光学系统采用根据上述错位安装光学系统的方法进行构建。
进一步的，所述N个光学组件所围成的空间内部和/或两两光学组件之间所限定的空间附近，还安装有其他应用组件。
进一步的，其他应用组件包括：光电探测器、激光波束源、其他光学组件以及伺服控制装置中任一或组合。
本发明还涉及一种多普勒测风激光雷达，包括激光波束源系统和根据上述的光学系统，所述激光波束源系统出射N个激光波束，所述N个激光波束一一对应由所述光学系统中的所述N个光学组件引导，以朝向不同方向进行探测。
本发明具有以下有益效果：采用本发明的错位安装光学系统的方法，可以在圆柱上错位安装光学系统，保留了原有光束的空间夹角关系的同时，方便加工、实现圆柱形光学系统的安装，降低安装难度，提高了安装精度，而且由于采用错位安装，使安装后的圆柱形光学系统为规则形状，节省了安装空间，利于设备的小型化和轻量化，同时方便了安装光学系统中的其它器件，从而减小了安装之后的整体光学系统占用的空间体积。
附图说明
图1为现有4波束激光的空间几何关系示意图；
图2为现有4波束激光的光学系统的布置示意图
图3为本发明的实施例一的光学系统错位安装方法示意图；
图4为本发明的实施例一的光学系统错位安装方法的激光波束平移计算示意图；
图5为4波束激光光学系统采用常规的棱锥方式的安装方法比较例示意图；
图6为本发明的实施例一的光学系统错位安装方法具体举例示意图；
图7为本发明的实施例二的光学系统错位安装方法示意图；
图8为本发明的实施例二的光学系统错位安装方法的激光波束平移计算示意图；
图9为本发明的实施例三的光学系统错位安装方法示意图；
图10为本发明的实施例三的光学系统错位安装方法的激光波束平移计算示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的错位安装光学系统的方法，所述光学系统具有一一对应并引导N个波束的N个光学组件，N为3以上的自然数，所述光学系统通过将分别构成N棱锥的N条棱边的所述N个光学组件进行平移而构建，上述错位安装光学系统的方法包括以下步骤：
第一，定义所述N棱锥的顶点O，做所述顶点O相对的棱锥下底面中对应N边形的外接圆；
第二，以N边形的一个顶点A为圆心做圆，半径取所述外接圆的半径，则与该外接圆产生两个交点，选取一侧的交点为A’；
以此类推，分别以N边形其它N-1个顶点为圆心，以所述外接圆的半径为半径，分别获得与所述外接圆的与所述交点A’位于同一侧的其它N-1个交点：B’、C’、……；
第三，在通过所述顶点O且平行所述棱锥下底面的平面上，以顶点O为圆心，以所述外接圆的半径做圆O；然后做OO1平行AA’，位置点O1在圆O上且从O点指向O1点的方向与从A点指向A’点的方向相同；以此类推，做OO2平行BB’、做OO3平行CC’、……,获得圆O上其它N-1个位置点O2、O3、……；
然后将O1和A’连线，即可得到OA对应的平移位置O1A’；以此类推，得到其它N-1个平移位置O2B’、O3C’、……；
第四，在上述N个平移位置分别安装所述N个光学组件以构建所述光学系统，并确保所述光学系统仍然按照原有的空间夹角关系引导出射所述N个波束。
通常的，在上述N个平移位置对应的由上述外接圆和圆O为上下面形成的圆柱体的上下面上的交点和位置点进行描点并进行贯穿打孔，然后沿着上述孔安装光学组件，确保光学组件仍然按照原有的空间夹角关系引导波束出射。
所述光学系统可为N个激光波束对应的光学系统，所述光学组件为圆柱形光学组件或方形光学组件，并优选为圆柱形光学组件。另外，所述N优选为3、4或6。以下为本发明根据当N分别为4、3、6时，而示例性举出的具体实施例。
实施例一
图3左右分别为本发明错位安装光学系统前后的示意图。当N为4时，平移前4个光学组件构成四棱锥O-ABCD，4个光学组件分别沿OA、OB、OC和OD四个边安装。
需要说明的是：如图3左图所示的4个光学组件沿四个边安装的情况是虚拟的，因为光学组件无论取任何形状都是具有一定用体积的，因而4个光学组件不可能真正共同占用顶点O(此时4个光学组件在顶点O及其附近会发生干涉)。但本发明在此基础上进一步说明平移后错位安装光学系统的步骤较为便利，因此在本领域技术人员能够理解的情况下本发明采取这样的描述。
进一步，如图3右图所示，本发明通过如上文所述的步骤，将OA平移到平移位置O1A’，OB平移到平移位置O2B’，OC平移到平移位置O3C’，OD平移到平移位置O4D’，上述平移位置的外轮廓限定出一个圆柱体形状(如图3右图所示)；进而在上述平移位置分别安装所述4个光学组件以构建所述光学系统。
安装时，可以在该圆柱体形状的下表面四个交点A’、B’、C’和D’，以及上表面四个位置点O1、O2、O3和O4处进行描点并进行贯穿打孔，然后沿着上述孔安装光学组件，确保光学组件仍然按照原有的空间夹角引导波束出射。通过本发明，可以将棱锥的棱边进行空间平移，在保留了原有光束的空间夹角关系的前提下，不但方便圆柱形光学系统的安装，而且还减小了整体光学系统占用的空间体积。
实施例一的具体步骤如下，首先，如图4左上所示，基于给定空间夹角关系的4波束激光光学系统的现有棱锥安装方式，在ABCD的平面上做四边形的外接圆，A、B、C、D在圆周上。第二，如图4右上所示，以A点为圆心做圆，半径和外接圆相等，会在外接圆上产生交两个交点，取其一侧的交点A’。同样的方法，如图4左下所示，分别以B、C、D点为圆心可以获得圆周方向上与交点A’同一侧的交点B’、C’、D’，例如同为顺时针方向或同为逆时针方向一侧。第三，在棱锥顶点O且平行ABCD的平面上，以O为圆心，等同于ABCD外接圆的半径做圆，然后做OO1平行AA’，位置点O1在圆上(图4右上)，位置点O1在圆O上且从O点指向O1点的方向与从A点指向A’点的方向相同。同样的方法，可以获得位置点O2、O3、O4(图4右下)。然后将O1和A’连线，即可得到OA平移位置O1A’，同样O2和B’连线、O3和C’连线、O4和D’连线，分别得到平移位置O2B’、O3C’、O4D’，上述平移位置的外轮廓限定出一个圆柱体形状。需要说明的是：上述平移位置O1A’、O2B’、O3C’、O4D’与光学组件的体积与尺寸相适应，以确保各个光学组件在上述平移位置安装后两两之间不发生干涉。
本发明的安装方法与常规的棱锥方式的安装方法相比，在保留了原有光束的空间夹角关系的前提下，不但方便圆柱形光学系统的安装，而且还减小了整体光学系统占用的空间体积。以下以空间角度为4个方位对称且激光和中心主轴夹角都是30°、待安装的圆柱光学组件(直径50mm、长度250mm)为例，具体计算分析两种安装方式的区别。采用棱锥方式的比较例中，为了安装φ50×250mm的光学系统，最少需要如图2所示的棱台且上台面四边形的边长不小于45mm，下台面四边形的边长不小于250mm。将4个直径50mm长度250mm的圆柱光学组件安装于棱台上，如图5所示，最后整体的空间体积约为一个上表面直径下表面直径高度242mm的圆台。
如图6所示，而根据本发明错位安装方法，在平移后最终可以在一个直径230mm、高度242mm的圆柱内，安置下4个圆柱形光学系统。
从以上说明可以看出，在本发明的安装方法下，可以极大缩减整体占用空间体积。采用图2的安装方式时，整体占用的空间体积太大，特别是棱台周边空间为非规则空间，不容易用来安装其它器件。而采用图6的安装方式时，因为4个圆柱光学系统是错位安装的，可以充分利用空间中心位置，整体占用空间和外形在高度242mm的圆柱之内。以高度242mm的圆台的底面计算，体积为2.42×107mm3。而高度242mm的圆柱体积为1.00×107mm3，仅为前者的41％。
以下对采用本发明的光学系统错位安装方法的其它多光束的光学结构的实施例进行介绍，对于相同的步骤不再赘述，仅对不同之处进行说明。
实施例二
图7为3波束激光光学系统的方案示意图，具体步骤如图8所示(按左上，右上，左下，右下的顺序)，在棱锥底面ABC和经过顶点O并于棱锥底面ABC平行的平面内，通过本发明上述的做外接圆确定交点、做平行线确定位置点的方法，得到平移位置O1A’、O2B’和O3C’。在上述3个平移位置分别安装光学组件。
实施例三
图9为6波束激光光学系统的方案示意图，具体步骤如图10所示(按左上，右上，左下，右下的顺序)，在棱锥底面ABCDEF和经过顶点O并于棱锥底面ABCDEF平行的平面内，通过本发明上述的做外接圆确定交点、做平行线确定位置点的方法，得到平移位置O1A’、O2B’、O3C’、O4D’、O5E’、O6F’。在上述6个平移位置分别安装光学组件。
此外，本发明的光学系统错位安装方法适用于但不局限于上述实施例中记载的多激光束的光学结构的安装，例如，5波束激光或7、8、9……N波束激光的光学结构的安装(N为自然数)；上述光学系统错位安装方法不仅可用于激光系统，还可应用于光学测量中常用的自然光、红外光、紫外光的光学系统的安装，其结构原理和实施方式是相同的；而且，本发明的光学系统错位安装方法不仅适用于圆柱形光学组件，还适用于方形光学组件。
利用节约出的空间，可在光学组件所围成的空间内部和/或两两光学组件之间所限定的空间附近，安装有其他应用组件。其他应用组件包括：光电探测器、激光波束源、其他光学组件以及伺服控制装置中任一或组合。
此外，本发明还涉及一种多普勒测风激光雷达，包括激光波束源系统和如上所述的光学系统，所述激光波束源系统出射所述N个激光波束，所述N个激光波束一一对应由所述光学系统中的所述N个光学组件引导，以朝向不同方向进行探测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，上述本发明的光学系统错位安装方法及采用本发明的光学系统错位安装方法得到的光学系统都在本发明公开和保护的范围内。本发明的范围由所附权利要求及其等同结构和方法限定。

Claims (8)

1.一种错位安装光学系统的方法，所述光学系统具有一一对应并引导N个波束的N个光学组件，N为3以上的自然数，所述光学系统通过将分别构成N棱锥的N条棱边的所述N个光学组件进行平移而构建，其特征在于包括以下步骤：
第一，定义所述N棱锥的顶点O，做所述顶点O相对的棱锥下底面中对应N边形的外接圆；
第二，以N边形的一个顶点A为圆心做圆，半径取所述外接圆的半径，则与该外接圆产生两个交点，选取一侧的交点为A’；
以此类推，分别以N边形其它N-1个顶点为圆心，以所述外接圆的半径为半径，分别获得与所述外接圆的与所述交点A’位于同一侧的其它N-1个交点：B’、C’、……；
第三，在通过所述顶点O且平行所述棱锥下底面的平面上，以顶点O为圆心，以所述外接圆的半径做圆O；然后做OO1平行AA’，位置点O1在圆O上且从O点指向O1点的方向与从A点指向A’点的方向相同；以此类推，做OO2平行BB’、做OO3平行CC’、……,获得圆O上其它N-1个位置点O2、O3、……；
然后将O1和A’连线，即可得到OA对应的平移位置O1A’；以此类推，得到其它N-1个平移位置O2B’、O3C’、……；
第四，在上述N个平移位置分别安装所述N个光学组件以构建所述光学系统，并确保所述光学系统仍然按照原有的空间夹角关系引导出射所述N个波束。
2.根据权利要求1所述的错位安装光学系统的方法，其特征在于：所述N为3、4或6。
3.根据权利要求1或2所述的错位安装光学系统的方法，其特征在于：所述波束为激光波束。
4.根据权利要求3所述的错位安装光学系统的方法，其特征在于：所述光学组件为圆柱形光学组件或方形光学组件。
5.一种光学系统，所述光学系统采用根据权利要求1-7任一项所述的错位安装光学系统的方法进行构建。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述N个光学组件所围成的空间内部和/或两两光学组件之间所限定的空间附近，还安装有其他应用组件。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：其他应用组件包括：光电探测器、激光波束源、其他光学组件以及伺服控制装置中任一或组合。
8.一种多普勒测风激光雷达，包括激光波束源系统和根据权利要求5-7中任一所述的光学系统，所述激光波束源系统出射N个激光波束，所述N个激光波束一一对应由所述光学系统中的所述N个光学组件引导，以朝向不同方向进行探测。
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