CN111487768A - 一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，包括第一滤光片、第一非球面透镜、第二滤光片、第二非球面透镜；具有较大发散角的目标光线经过第一滤光片实现初步杂散光抑制，之后经过第一非球面透镜实现光束发散角由大向小的转变，再经过第二滤光片进一步抑制杂散光，最后经过第二非球面透镜聚焦到探测芯片上。本发明具有大视场、大口径、超低相对数值孔径(F#＝0.5)、超大后工作距、超强的杂光抑制能力、体积小、重量轻等优点，能够克服现有光学系统难以同时具备大视场、大口径和小相对数值孔径的矛盾、大视场大口径和后工作距的矛盾以及大视场和滤光片带宽的矛盾。

Description

一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统
技术领域
本发明属于光学能量收集技术领域，特别涉及一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统。
背景技术
探测器在行星着陆过程中，需要对行星表面的三维地形进行精确识别，从而准确导航避障。为给探测器提供较大的机动范围，避障敏感器需要具备较大的激光扫描视场以及较远的工作距离。
避障敏感器能量收集光学系统将散射回来的激光聚焦在探测器上。能量收集光学系统须同时具备大视场、大口径、超低相对数值孔径(F#<1)、超强杂光抑制能力的特点，才能够满足避障敏感器远距离、大范围内的地形识别。
根据光学扩展量守恒定理，要将大口径、大视场范围内的能量收集到很小面积的探测器上，接收光学系统需具有大口径、短焦距、长后工作距的特点。此处存在三组矛盾：1)大视场大口径和相对数值孔径的矛盾：视场越大、口径越大，接收光学系统的焦距越短、相对数值孔径越小；2)大视场大口径和后工作距的矛盾：视场越大、口径越大，入射到探测器上的光线角度越大，所需求的后工作距越短；3)大视场和滤光片带宽的矛盾：视场越大、所需求的滤光片带宽越宽，系统的杂光抑制能力越弱；传统激光雷达中的接收光学系统多采用普通成像镜头、光锥、复合抛物面聚光器(CPC)等形式。普通成像光学系统须即使采用非常复杂的结构才能实现大视场、大口径的特点，且难以实现相对数值孔径F#<1；光椎、复合抛物面聚光器(CPC)虽然能实现超低相对数值孔径，单其后工作距非常短，探测器像面须直接和其出口粘贴在一起才能应用。然而实际情况中探测器都包含一个保护窗口，因此探测器成像面难以和光锥或CPC的出口粘贴，实际工况中无法应用。另外普通成像镜头、光锥、复合抛物面聚光器(CPC)都难以解决大视场和滤光片带宽的矛盾，无法实现超强的杂光抑制能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，提供全视场30度的超大视场以及超低的相对数值孔径。
本发明的技术解决方案是：一种基于非球面透镜组的大视场大相对孔径能量收集光学系统，该系统包括第一滤光片、第一非球面透镜、第二滤光片、第二非球面透镜；
具有较大发散角的目标光线经过第一滤光片实现杂散光初步抑制，之后经过第一非球面透镜实现光束发散角由大向小的转变，再经过第二滤光片进一步实现杂散光抑制，最后经过第二非球面透镜聚焦到探测芯片上；
所述第一非球面透镜光线输出角度θout与第二滤光片的半值带宽在数值上相等，即满足如下关系式：
FWHM＝θout
其中，第一非球面透镜光线输出角度θout的单位为度，第二滤光片的半值带宽FWHM2的单位nm。
所述第一非球面透镜的材料、曲率半径、厚度、非球面系数等参数与所述第二非球面透镜的材料、曲率半径、厚度、非球面系数相互配合，在满足后工作距离的前提下，使光线尽可能多的聚焦在探测器上。
所述第一滤光片和第二滤光片采用熔石英玻璃制成。
所述第一滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM1、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及工作视场FOV在数值上满足如下关系式：
FWHM1＝FOV
λcenter1＝FOV+λwork
其中，第一滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM1的单位为nm；第一滤光片的透过中心谱段λcenter1的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作视场FOV的单位为度。
所述第一非球面透镜及第二非球面透镜采用宽光谱ZNS玻璃制成。
所述第一非球面透镜前表面为球面，后表面为非球面；其中沿着光线方向依次为前表面和后表面，所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
所述第二滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM2、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及所述第一非球面透镜光线输出角度θout满足如下关系式：
FWHM2＝θout
λcenter1＝a+λwork
其中，第二滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM2的单位为nm；第二滤光片的透过中心谱段λcenter2的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作。所述第一非球面透镜光线输出角度θout单位为度。
所述第二非球面透镜前表面及后表面均为非球面。其中沿着光线方向依次为前表面和后表面；所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)、相对于传统能量收集光学系统，本发明采用非球面透镜组，针对能量收集率与内部光束发散角、后工作距等参数进行优化，克服了传统能量收集光学系统大视场角与超低相对数值孔径无法兼顾的不足，实现了全视场30度的超大视场以及超低的相对数值孔径(F#＝0.5)，边缘视场的能量收集率达到80％。
(2)、相对于传统能量收集光学系统，本发明光学系统前端以及在两个透镜间光线发散角较小的地方分别加入不同通带半值宽度的滤光片，从而具有更强的杂光抑制能力。
(3)、相对于传统能量收集光学系统，本发明光学系统材料种类少，体积小，具有更轻的重量以及更低的成本。
(4)、相对于光锥、CPC等能量收集光学系统，本发明采用超高折射率材料、非球面技术实现了超大的相对后工作距。后工作距从0mm提高到3.4mm，克服了传统技术探测器和光学系统后端面紧贴操作性差、可靠性差的不足，提高了系统的鲁棒性。
附图说明
图1为一种基于非球面透镜组的大视场大相对孔径能量收集光学系统图；
图2为本发明实施例第一滤光片的光谱透过率曲线；
图3为本发明实施例第二滤光片的光谱透过率曲线；
图4为本发明实施例经过第一滤光片及第二滤光片后的光谱透过率曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于非球面透镜组的大视场大相对孔径能量收集光学系统，该系统包括第一滤光片1、第一非球面透镜2、第二滤光片3、第二非球面透镜4；
具有较大发散角的目标光线经过第一滤光片1实现杂散光初步抑制，之后经过第一非球面透镜2实现光束发散角由大向小的转变，再经过第二滤光片2进一步实现杂散光抑制，最后经过第二非球面透镜4聚焦到探测芯片上；
所述第一非球面透镜2光线输出角度θout与第二滤光片3的半值带宽在数值上相等，即满足如下关系式：
FWHM＝θout
其中，第一非球面透镜2光线输出角度θout的单位为度，第二滤光片3的半值带宽FWHM2的单位nm。
优选地，所述第一非球面透镜2的材料、曲率半径、厚度、非球面系数等参数与所述第二非球面透镜4的材料、曲率半径、厚度、非球面系数相互配合，在满足后工作距离的前提下，使光线尽可能多的聚焦在探测器上。
优选地，所述第一滤光片和第二滤光片为同一种材料，采用熔石英玻璃制成。
优选地，所述第一滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM1、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及工作视场FOV在数值上满足如下关系式：
FWHM1＝FOV
λcenter1＝FOV+λwork
其中，第一滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM1的单位为nm；第一滤光片的透过中心谱段λcenter1的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作视场FOV的单位为度。
优选地，所述第一非球面透镜2及第二非球面透镜4为同一种材料，采用宽光谱ZNS玻璃制成。
优选地，第一非球面透镜前表面为球面，后表面为非球面；其中沿着光线方向依次为前表面和后表面，所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
优选地，第二滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM2、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及所述第一非球面透镜(2)光线输出角度θout满足如下关系式：
FWHM2＝θout
λcenter1＝a+λwork
其中，第二滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM2的单位为nm；第二滤光片的透过中心谱段λcenter2的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作。所述第一非球面透镜2光线输出角度θout单位为度。
优选地，第二非球面透镜前表面及后表面均为非球面。其中沿着光线方向依次为前表面和后表面；所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
本发明具有大视场、大口径、超低相对数值孔径(F#＝0.5)、超大后工作距(3.4mm)、超强的杂光抑制能力、体积小、重量轻等优点，能够克服现有光学系统大视场大口径和相对数值孔径的矛盾、大视场大口径和后工作距的矛盾以及大视场和滤光片带宽的矛盾。
实施例1：
如图1所示，本发明提出一种基于非球面透镜组的大视场大相对孔径能量收集光学系统，包括第一滤光片1、第一非球面透镜2、第二滤光片3、第二非球面透镜4；光学系统工作谱段为1064±2nm，系统F数为0.5，工作视场为±15°，后工作距3.4mm。
光学系统最前端为第一滤光片。第一滤光片双面镀有滤光膜系。该滤光膜系和光学系统工作波长(1064±2nm)以及工作视场(半视场15度)相匹配；该滤光膜系有较宽的通带，滤光膜系的半值带宽为15nm，可保证0～15度入射的信号光有效通过，同时对视场外的光线有效截止，起到杂光初步抑制作用。图2是第一滤光片的光谱透过率曲线。
第一非球面透镜采用超高折射率材料，一种选择是硫化锌(ZNS)。第一非球面透镜的面型为非球面，其起到光线转变作用。以光线出射的发散角为目标函数，优化透镜的面型、厚度、材料等参数，使光线大角度入射，小角度出射。
第二滤光片为熔石英平板玻璃，其双面镀有滤光膜系。该滤光膜系和发射端所使用激光波长以及第二非球面后表面光线出射角度相匹配；光线经过第一非球面透镜后，发散角变小(9度)。第一非球面透镜可使目标光线的发散角由15度变小为9度。相比与第一滤光片的通带半值宽度，第二滤光片的通带半值宽度可以做的更窄，可保证9度角度入射的信号光有效通过，同时对其它波段的光线起到进一步的抑制作用。图3是第二滤光片的光谱透过率曲线。图4经过第一滤光片及第二滤光片后的光谱透过率曲线。
第二非球面透镜和第一非球面透镜是同种材料。第二非球面透镜的前表面及后表面均为非球面(如包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面等)，其将入射的光线聚焦到探测器上，起到光线收集作用。第二非球面透镜和第一非球面透镜相互配合，以视场、能量收集效率、后工作距离等参数为目标函数，优化透镜的面型、厚度、材料等参数，使光线尽可能多的聚焦在探测器上。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于包括第一滤光片(1)、第一非球面透镜(2)、第二滤光片(3)、第二非球面透镜(4)；
具有较大发散角的目标光线经过第一滤光片(1)实现杂散光初步抑制，之后经过第一非球面透镜(2)实现光束发散角由大向小的转变，再经过第二滤光片(2)进一步实现杂散光抑制，最后经过第二非球面透镜(4)聚焦到探测芯片上；
所述第一非球面透镜(2)光线输出角度θout与第二滤光片(3)的半值带宽在数值上相等，即满足如下关系式：
FWHM＝θout
其中，第一非球面透镜(2)光线输出角度θout的单位为度，第二滤光片(3)的半值带宽FWHM2的单位nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于所述第一非球面透镜(2)的材料、曲率半径、厚度、非球面系数等参数与所述第二非球面透镜(4)的材料、曲率半径、厚度、非球面系数相互配合，在满足后工作距离的前提下，使光线尽可能多的聚焦在探测器上。
3.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于所述第一滤光片和第二滤光片采用熔石英玻璃制成。
4.根据权利要求2所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于所述第一滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM1、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及工作视场FOV在数值上满足如下关系式：
FWHM1＝FOV
λcenter1＝FOV+λwork
其中，第一滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM1的单位为nm；第一滤光片的透过中心谱段λcenter1的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作视场FOV的单位为度。
5.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于所述第一非球面透镜(2)及第二非球面透镜(4)采用宽光谱ZNS玻璃制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于第一非球面透镜前表面为球面，后表面为非球面；其中沿着光线方向依次为前表面和后表面，所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
7.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于第二滤光片双面镀有滤光膜系，该滤光膜系的半值带宽FWHM2、透过中心谱段λcenter1、光学系统工作波长λwork以及所述第一非球面透镜(2)光线输出角度θout满足如下关系式：
FWHM2＝θout
λcenter1＝a+λwork
其中，第二滤光片的滤光膜系的半值带宽FWHM2的单位为nm；第二滤光片的透过中心谱段λcenter2的单位为nm；光学系统工作波长的单位为nm；工作。所述第一非球面透镜(2)光线输出角度θout单位为度。
8.根据权利要求1所述的一种基于非球面透镜组的能量收集光学系统，其特征在于第二非球面透镜前表面及后表面均为非球面。其中沿着光线方向依次为前表面和后表面；所述非球面包括双曲面、抛物面、椭圆面或者自由曲面。
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