CN110470393B - 基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统,包括大孔径菲涅尔透镜和大孔径菲涅尔透镜的后组系统，所述大孔径菲涅尔透镜的后组系统包括非成像光学元件后组、成像光学元件后组；所述非成像光学元件后组包括匀光棒、全反射准直器；所述成像光学元件后组包括中继透镜组；所述大孔径菲涅尔透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组沿光路依次设置。本发明采用大孔径菲涅尔透镜替代普通透镜阵列，有效降低了透镜的重量和制造成本，结构简单，易于装调；大孔径菲涅尔透镜的后组系统采用成像光学与非成像光学的混合设计，有效克服了大孔径菲涅尔透镜像差大的缺点，缩小了会聚光斑直径，提高了能量收集率。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域的光学设计领域，特别是涉及一种基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统。
背景技术
为满足光谱遥感技术在污染物探测、目标识别等领域的应用需求，通常采用激光雷达等光学技术手段，将一定能量的激光束远程聚焦至被探测区域，激发被探测区域内物质的荧光光谱，荧光光谱分布和强度与被探测物质的分子结构和浓度存在映射关系，通过收集荧光光谱信息即可实现远距离被探测区域内物质组分和浓度的遥感探测。对于公里级远距离、多组分低浓度光谱遥感需求来说，由于被探测区域距离远，物质浓度相对较低，荧光光谱信号强度较弱，要求光谱信号收集系统具有较高的能量收集效率，以满足光谱信息高精度处理和识别的需要。
在收集远距离宽光谱弱信号的情况下，对透镜的收集面积有极大的要求，目前针对这一难点的解决方案是采用普通透镜阵列的方案，这种方案不仅透镜的加工和装调难度大，而且成本高不利于实际应用；由于信号光是宽光谱，汇聚光斑具有较大的轴向色差，且光斑直径不易于减小，导致系统的能量收集率较低，目前减小色差影响的方案是补偿透镜采用成像的方式减小色差，然而透镜组设计难度大，减小色差效果不理想，汇聚光斑直径大，能量收集率提高不明显，并且透镜组加工成本高，不利于工程实现。
发明内容
为了克服现有技术中信号收集系统在收集远距离宽光谱弱信号的情况下，加工和装调难度大、成本高、能量收集效率低的问题，本发明提供了一种基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统，以解决上述现有技术存在的问题，降低信号收集系统的装调难度和成本，并提高能量收集效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统，包括：
大孔径菲涅尔透镜和大孔径菲涅尔透镜的后组系统，所述大孔径菲涅尔透镜的后组系统包括非成像光学元件后组、成像光学元件后组；所述非成像光学元件后组包括匀光棒、全反射准直器；所述成像光学元件后组包括中继透镜组；所述大孔径菲涅尔透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组沿光路依次设置。
优选的，所述大孔径菲涅尔透镜一面为平面，所述大孔径菲涅尔透镜的另一面为环带微结构。
优选的，所述匀光棒为空心结构，所述匀光棒内壁镀有宽光谱范围内的高反射膜。
优选的，所述匀光棒尺寸由如下公式确定：
其中，N表示光束在匀光棒中的反射次数，L表示匀光棒的长度，U表示光束在匀光棒内的孔径角，H和W分别表示匀光棒空心结构的高度和宽度。
优选的，所述中继透镜组包括第一透镜、第二透镜，所述第一透镜、所述第二透镜表面曲率和中心厚度不同。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用大孔径菲涅尔透镜替代普通透镜阵列，有效降低了透镜的重量和制造成本，结构简单，易于装调；
2.本发明大孔径菲涅尔透镜的后组系统采用成像光学与非成像光学的混合设计，非成像光学元件后组由匀光棒和全反射准直器组成，不同波长的光束经过在匀光棒中多次反射后进入全反射准直器，通过匀光棒的匀光作用，光束强度分布均匀，像差减小，通过全反射准直器对光束发射角的控制，实现聚光，有效减小大孔径菲涅尔透镜的球差和色差对光束收集的不利影响；成像光学元件后组包括中继透镜组，通过中继透镜组对光束进一步的会聚，有效减小光斑直径，提高了能量收集率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明信号收集系统的整体结构图；
图2为本发明实施例大孔径菲涅尔透镜结构示意图，其中，图2(a)为剖面图，图2(b)为环带微结构面示意图；
图3为本发明实施例匀光棒原理图；
图4为本发明实施例全反射准直器原理图；
图5为本发明实施例采用光学软件模拟仿真中继透镜组光路图；
其中，1为大孔径菲涅尔透镜，2为匀光棒，3为全反射准直器，4为第一透镜，5为第二透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照附图1-5所示，本发明提供一种基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统，包括：大孔径菲涅尔透镜1和大孔径菲涅尔透镜的后组系统，大孔径菲涅尔透镜的后组系统包括非成像光学元件后组、成像光学元件后组；非成像光学元件后组包括匀光棒2、全反射准直器3；成像光学元件后组包括中继透镜组，中继透镜组包括第一透镜4和第二透镜5；大孔径菲涅尔透镜1、匀光棒2、全反射准直器3、第一透镜4和第二透镜5沿光路依次设置。
1.大孔径菲涅尔透镜的工作原理及参数设定：
大孔径菲涅尔透镜根据等光程原理对单透镜进行简化得到，大孔径菲涅尔透镜背向光源的一面为环带微结构，环带微结构的每一环是与其具有相同焦距的透镜相应的一部分，每一环焦距相同但是彼此独立不连续，这种设计方法很大程度的减小了透镜的厚度；同时，环带微结构代替普通透镜的连续曲面对入射光束进行偏折，实现单透镜的光束会聚功能，在保留了透镜的聚光效果的同时，减小了材料的用量，本发明采用大孔径菲涅尔透镜代替现有技术中的普通透镜阵列，有效减小了透镜的装调难度和制造成本。
本实施例选取直径1.1m，焦距1.3m，环距0.5mm的大孔径菲涅尔透镜，白光光源发光面直径5cm，距离大孔径菲涅尔透镜100m，大孔径菲涅尔透镜会聚由白光光源发出的光束；由于会聚光斑周围发散明显，并且大于匀光棒入射端面尺寸，假设光束在传输的过程中没有损耗，测量光束耦合进匀光棒的效率为78.2％。
2.匀光棒的工作原理及参数设定：
匀光棒在一定长度范围内，随着光束在匀光棒中的反射次数增加，光斑均匀性越好，在匀光棒中反射次数N＝3时，光斑的均匀性达到饱和，光束在匀光棒中的反射次数继续增加会降低光能利用率。
匀光棒尺寸和反射次数的关系由如下公式所示：
其中，N表示光束在匀光棒中的反射次数，L表示匀光棒的长度，U表示光束在匀光棒内的孔径角，H和W分别表示匀光棒空心结构的高度和宽度。本实施例所选取的匀光棒是内部空心的结构，截面为正方形形状，由于匀光棒出射端面耦合全反射准直器，市面上全反射准直器的入射端面是直径6mm的圆，为了保证菲涅尔透镜会聚光斑耦合进匀光棒的效率和匀光棒耦合进全反射准直器的效率，确定截面正方形边长H＝W＝6mm，壁厚1mm，总截面正方形边长8mm；由大孔径菲涅尔透镜焦距1.3m和直径1.1m得到孔径角U＝22.9°；基于宽光谱信号，不同波长的光束通过大孔径菲涅尔透镜会聚到不同的点，为尽可能达到匀光效果，本实施例设定能够会聚到大孔径菲涅尔透镜焦点的光束在匀光棒中反射次数N＝3，根据匀光棒尺寸和反射次数的关系公式计算出L＝6.02cm。匀光棒内壁镀有高反射膜，光束在匀光棒中的反射效率由高反射膜的反射率决定，本实施例中光束在匀光棒中的反射率为98％，光束在匀光棒中进行三次反射后，强度分布均匀，达到减小像差的目的。
3.全反射准直器的工作原理及参数设定：
全反射准直器包括入射口和出射口，出射口直径大于入射口直径，入射口与出射口由抛物型的曲面相连接，抛物型的曲面为全反射面；入射口还连接有与入射口尺寸相同的折射面，大角度光束通过全反射面的反射、小角度光束通过折射面的折射到达全反射准直器的出射口端，由于全反射准直器的出射口面积大于入射口面积，光束经全反射准直器后发射角变小，全反射准直器起到控制光束发射角的作用，从而实现聚光。
本实施例选取光束发散角20°、口径20mm的全反射准直器，设计实验测量全反射准直器的效率。实验结构包括：直径1.1m、焦距1.3m的大孔径菲涅尔透镜会聚距离其100m的白光光源，会聚光斑直接耦合进入匀光棒，匀光棒出射口与全反射准直器入射口相连接，在匀光棒出射端口测量入射到全反射准直器的光束总能量50.55uW，光束经全反射准直器的反射或折射后从全反射准直器出射口射出，测量全反射准直器出射能量20.4uW，全反射准直器的效率为40.4％；同时测量得到全反射准直器出射光束的发散角9°，直径3mm，有效实现聚光。
4.中继透镜组参数优化：
基于全反射准直器出射光束特性开展仿真设计，在光学设计软件中光源模拟从全反射准直器出射的光束，接收面为直径2mm、数值孔径0.22的光纤束，优化中继透镜组参数，使收集效率达到最高，中继透镜组收集能量效率为61.6％，中继透镜具体参数如下表所示。
5.本实施例信号收集系统整体布局：
白光光源距离大孔径菲涅尔透镜100m，大孔径菲涅尔透镜朝向白光光源的一面为平面，背向白光光源的一面为环带微结构，大孔径菲涅尔透镜距离匀光棒128.5cm，匀光棒出射口与全反射准直器入射口相连，全反射准直器出射口与第一透镜距离13.5mm，第一透镜与第二透镜距离8.9mm，第二透镜与光纤束距离9.2mm。白光光源发出的光束经大孔径菲涅尔透镜会聚后形成大像差光斑，大像差光斑进入匀光棒，通过在匀光棒内三次反射，强度分布均匀，像差有效减小，匀光棒出射光束直接耦合进全反射准直器，小角度光束通过折射面的折射作用，大角度光束通过全反射面的反射作用，光束发射角有效减小，从全反射准直器射出的光束经过中继透镜组的进一步会聚耦合进入光纤束。经测量，系统总能量利用率高达18.89％，有效提高了能量利用率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
以上所述的实施例仅是对发明的优选方式进行描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统，其特征在于：包括大孔径菲涅尔透镜和大孔径菲涅尔透镜的后组系统，所述大孔径菲涅尔透镜的后组系统包括非成像光学元件后组、成像光学元件后组；所述非成像光学元件后组包括匀光棒、全反射准直器；所述成像光学元件后组包括中继透镜组；所述大孔径菲涅尔透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组沿光路依次设置；
所述大孔径菲涅尔透镜一面为平面，所述大孔径菲涅尔透镜的另一面为环带微结构；
所述匀光棒为空心结构，所述匀光棒内壁镀有宽光谱范围内的高反射膜；所述匀光棒出射端面耦合所述全反射准直器；
所述匀光棒尺寸由如下公式确定：
其中，N表示光束在匀光棒中的反射次数，L表示匀光棒的长度，U表示光束在匀光棒内的孔径角，H和W分别表示匀光棒空心结构的高度和宽度。
2.根据权利要求1所述的基于大孔径菲涅尔透镜的远距离宽光谱弱信号的收集系统，其特征在于：所述中继透镜组包括第一透镜、第二透镜，所述第一透镜、所述第二透镜表面曲率和中心厚度不同。
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