CN111708045B - 一种激光测角光学镜头及光学接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光测角光学镜头及光学接收系统，其设置于探测器前侧，用于对入射光束进行聚焦，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的光学头罩、第一透镜和第二透镜；第一透镜的口径为20mm，中心厚度为5.5mm，与第二透镜间距为1mm；第一透镜包括第一面和第二面，其第一面曲率半径为17.885mm，其第二面曲率半径为45.5mm；第二透镜的口径为15mm，中心厚度为3mm，与探测器间距为3.5mm；第二透镜包括第三面和第四面，其第三面曲率半径为40.5mm，其第四面曲率半径为∞。本发明提供的激光测角光学镜头及光学接收系统能够接收远距离高灵敏的目标漫反射回的微弱激光，并且结构简单紧凑，体积小，重量轻，成本低。

Description

一种激光测角光学镜头及光学接收系统

技术领域

本发明涉及激光测角技术领域，具体涉及一种激光测角光学镜头及包括该激光测角光学镜头的光学接收系统。

背景技术

激光光束方向性强且发散角极小、波束窄、能量在空间和频谱上高度集中，故激光测角作用距离远、精度高、抗干扰能力强。激光测角是使用激光目标指示器对准目标发射激光束，光学镜头接收由目标漫反射回来的激光至四象限探测器，从而获得目标角度信息。

因此，光学镜头及其光学接收系统是激光测角的重要部件之一，能对其汇聚的光斑均匀性及大小、透过率、滤除杂散光能力等指标进行控制。目前，常用的测角激光光学系统进行远距离测角时，由于漫反射回波信号微弱，需要较多的光学镜片来进行聚焦，这会导致系统尺寸较大、重量过大，采用非球面透镜虽可减少镜片数量，但加工成本较高。在实际应用中，严重影响了测角系统整机的尺寸、重量和成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一种激光测角光学镜头及光学接收系统，能够接收远距离高灵敏的目标漫反射回的微弱激光，并且结构简单紧凑，体积小，重量轻，成本低。

为实现本发明的技术目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明第一方面提供一种激光测角光学镜头，其设置于探测器前侧，用于对入射光束进行聚焦，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的光学头罩、第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜的口径为20mm，中心厚度为5.5mm，与所述第二透镜间距为1mm，所述第一透镜包括第一面和第二面，其第一面曲率半径为17.885mm，其第二面曲率半径为45.5mm；

所述第二透镜的口径为15mm，中心厚度为3mm，与所述探测器间距为3.5mm，所述第二透镜包括第三面和第四面，其第三面曲率半径为40.5mm，其第三面曲率半径为∞。

优选地，所述第二透镜上设置有滤光膜，所述滤光膜的中心透过波段为1064nm，半波宽度为±10nm，透过率范围为≥80％。

优选地，所述滤光膜设置于所述第二透镜的第四面上。

优选地，所述光学头罩包括第五面和第六面，所述光学头罩的口径为24mm，中心厚度为4.5mm，其第五面曲率半径为20mm，第六面曲率半径为40.5mm，与所述第一透镜间距为2mm。

本发明第二方面提供一种光学接收系统，包括如上所述的激光测角光学镜头；其中，

所述光学接收系统的有效通光口径为20mm，焦距为18mm，中心波长为1064nm。

优选地，还包括探测器；入射光束经所述激光测角镜头聚焦并在所述探测器的探测面上形成光斑，所述光斑半径范围为3.3～4.3mm。

优选地，所述探测器的光敏面半径为8mm，最大视场角为±2°。

优选地，所述光学接收系统的长度为19.5mm。

优选地，所述光学接收系统的相对畸变为＜1％。

本发明第三方面提供一种激光测角装置，包括如上所述的光学接收系统。

本发明的有益技术效果体现在：

1、该激光测角光学镜头及光学接收系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度，能够探测远距离高灵敏的微弱目标。

2、该激光测角光学镜头及光学接收系统的形式和组成合理利用了光敏面积，保证了高的光斑均匀性和对称性，利于充分发挥探测器的效能。

3、一般的光学系统探测器大多位于焦后，而该激光测角光学镜头及光学接收系统的探测器位于焦前，有效的控制了镜头尺寸。

4、该激光测角光学镜头及光学接收系统采用了球面透镜，有效的控制了镜头的加工成本。

5、该激光测角光学镜头及光学接收系统在光学透镜的表面镀窄带滤光膜以达到滤除杂光的作用，可替代单独的窄带滤波片的功能。

6、该激光测角光学镜头及光学接收系统采用窄带滤波的手段，对所工作的波段有良好的透过性能，对背景噪声有较强的抑制能力。

附图说明

图1为按照本发明实现的激光测角光学镜头及光学接收系统的结构示意图；

图2为按照本发明实现的激光测角光学镜头及光学接收系统的不同视场离焦点列图；

图3为按照本发明实现的激光测角光学镜头及光学接收系统的不同视场点列图；

图4为按照本发明实现的激光测角光学镜头及光学接收系统的场曲和畸变分析图；

图中：1-第一透镜，2-第二透镜，4-光学头罩，3-探测器,11-第一透镜的第一面，12-第一透镜的第二面，21-第二透镜的第三面，22-第二透镜的第四面，41-光学头罩的第五面，42-光学头罩的第六面，31-探测器的探测面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二\第三\第四\第五\第六”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三\第四\第五\第六”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三\第四\第五\第六”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。

根据一种具体的实施方式，图1为一种激光测角光学镜头及其光学接收系统的结构示意图。如图1所示，该激光测角光学镜头设置于探测器3前侧，用于对入射光束进行聚焦，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的光学头罩4、第一透镜1和第二透镜2。

进一步地，光学头罩是密封元件，用来隔断外部环境和镜头内部系统，其对材料的主要要求为：热稳定性好，对特定波段透过率高,形状上满足一定的气动要求，优选石英材料,光学头罩具有保护作用且外形符合气动力学要求。

进一步地，本实施方式在满足高通光量及激光光斑质量要求的情况下，采用球面透镜来校正系统像差，而非采用非球面透镜，有效控制了加工成本。

更进一步地，利用透镜曲面镀滤光膜的方式来替代单独的窄带滤波片，有效的控制了系统尺寸和重量。

如图1所示，该光学接收系统包括上述激光测角光学镜头和探测器3，其采用四象限探测器作为接收器件，漫散射激光于四象限探测器上形成光斑从而输出角度信息。为了测量激光能量在四个象限的分布情况，要求激光能量光斑在四象限探测器具有一定的面积，且光斑对称性和均匀性较好。需要考虑的基本像差主要为球差、慧差、像散、畸变。为提高设计质量，通过应用田口方法分析基础像差对光斑均匀性的影响，根据专业知识及大量设计经验制定误差因素水平，以光斑均匀性作为质量特性值选取，通过田口方法优化各像差权重的参数，通过极差分析和方差分析，确定了各像差权重参数的最佳组合。其中，四种像差的权重分别约为0.8、0.6、1、0.7时能够得到较好的结果。

进一步地，本实施方式依据最佳像差权重组合，利用光学仿真软件ZEMAX采取默认函数结合特殊操作数的方法进行优化。

进一步地，本实施方式中光学头罩4具有保护作用且外形符合气动力学要求，一般光学头罩4前后表面曲率为同心圆，本发明在前表面外形尺寸满足整机结构要求下，可对光学头罩4后表面进行优化，可有效减少镜子数目，控制系统尺寸。

进一步地，本实施方式对光学镜头参数优化：曲率变量4个，包括光学头罩4后表面、第一透镜的前/后表面、第二透镜的前表面；厚度变量2个，包括光学头罩4厚度、第一透镜厚度，综合考虑光学加工水平、中心边缘厚度、系统总长，该厚度变量的变化范围为0.5mm-25mm；空气间隔变量2个，包括光学头罩4与第一透镜间隔、第一透镜与第二透镜间隔，该空气间隔变量变化范围为0.2mm-25mm，而常用的光学材料不少于百种，优化时需控制材料适用的温度范围、加工难度、成本、透光性等。

以下结合附图和优化后具体内容对本实施方式作进一步的详细描述：

本实施方式中，提供一种激光测角光学镜头，该激光测角光学镜头设置于探测器3前侧，用于对入射光束进行聚焦，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的光学头罩4、第一透镜1和第二透镜2。

进一步地，光学头罩4的口径为24mm，中心厚度为4.5mm，与第一透镜1间距为2mm；光学头罩4包括第五面41和第六面42，其第五面41曲率半径为20mm，其第六面42曲率半径为40.5mm。

更进一步地，光学头罩采用K9玻璃，具有适用温度范围宽、抗温度冲击能力好、抗压性强的优点。

进一步地，第一透镜1的口径为20mm，中心厚度为5.5mm，与第二透镜2间距为1mm；第一透镜1包括第一面11和第二面12，其第一面11曲率半径为17.885mm，其第二面12曲率半径为45.5mm。

更进一步地，第一透镜选用材料牌号为H-ZF52A。

进一步地，第二透镜2的口径为15mm，中心厚度为3mm，与探测器3间距为3.5mm；第二透镜2包括第三面21和第四面22，其第三面21曲率半径为40.5mm，其第四面22曲率半径为∞。

更进一步地，第二透镜选用材料牌号为H-ZF7LA。

更进一步地，第二透镜2上设置有滤光膜，滤光膜的中心透过波段为1064nm，半波宽度为±10nm，透过率范围为≥80％，优选为≥90％。

更进一步地，滤光膜设置于第二透镜2的第四面22上，优选该滤光膜镀于第二透镜2的第四面22表面。

本实施方式中，提供一种光学接收系统，包括如上的激光测角光学镜头和探测器；其中，入射光束经激光测角镜头聚焦并在探测器的，其光学接收系统的技术指标情况：

进一步地，光学接收系统的有效通光口径为20mm，焦距为18mm，中心波长为1064nm。

进一步地，探测面31上形成光斑半径范围为3.3～4.3mm。

进一步地，探测器的光敏面半径为8mm，最大视场角为±2°。

进一步地，光学接收系统的长度为19.5mm。

进一步地，光学接收系统的相对畸变为＜1％。

进一步地，光学头罩的第五面41、第六面42以及第二透镜的第四面22均镀增透膜，该光学系统的工作波段1064nm透过率整体达到80％以上。

进一步地，图2为光学接收系统的不同视场离焦点列图，图3为光学接收系统的不同视场点列图，经分析可以得出，该系统光斑对称性较好，光线落点较均匀，探测器接收到的0°、1°、2°视场角光斑能量较均匀，对称性较好。

进一步地，图4为光学接收系统的场曲和畸变分析图，如图所示在该视场角范围下其相对畸变＜1％。

本发明还提供一种激光测角装置，包括如上所述的光学接收系统。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种激光测角光学镜头，其设置于探测器(3)前侧，用于对入射光束进行聚焦，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的光学头罩(4)、第一透镜(1)和第二透镜(2)；其中，

所述第一透镜(1)的口径为20mm，中心厚度为5.5mm，与所述第二透镜(2)间距为1mm；所述第一透镜(1)包括第一面(11)和第二面(12)，其第一面(11)曲率半径为17.885mm，其第二面(12)曲率半径为45.5mm；

所述第二透镜(2)的口径为15mm，中心厚度为3mm，与所述探测器(3)间距为3.5mm；所述第二透镜(2)包括第三面(21)和第四面(22)，其第三面(21)曲率半径为40.5mm，其第四面(22)曲率半径为∞；

所述光学头罩(4)的口径为24mm，中心厚度为4.5mm，与所述第一透镜(1)间距为2mm；所述光学头罩(4)包括第五面(41)和第六面(42)，其第五面(41)曲率半径为20mm，其第六面(42)曲率半径为40.5mm；所述光学头罩(4)、所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)的材料分别为K9玻璃、H-ZF52A、H-ZF7LA。

2.根据权利要求1所述的激光测角光学镜头，其特征在于，所述第二透镜(2)上设置有滤光膜，所述滤光膜的中心透过波段为1064nm，半波宽度为±10nm，透过率为≥80％。

3.根据权利要求2所述的激光测角光学镜头，其特征在于，所述滤光膜设置于所述第二透镜(2)的第四面(22)上。

4.一种光学接收系统，其特征在于，包括如权利要求1～3任一项所述的激光测角光学镜头；其中，

所述光学接收系统的有效通光口径为20mm，焦距为18mm，中心波长为1064nm。

5.根据权利要求4所述的光学接收系统，其特征在于，还包括探测器(3)；入射光束经所述激光测角镜头聚焦并在所述探测器(3)的探测面(31)上形成光斑，所述光斑半径范围为3.3～4.3mm。

6.根据权利要求5所述的光学接收系统，其特征在于，所述探测器(3)的光敏面半径为8mm，最大视场角为±2°。

7.根据权利要求4所述的光学接收系统，其特征在于，所述光学接收系统的长度为19.5mm。

8.根据权利要求4所述的光学接收系统，其特征在于，所述光学接收系统的相对畸变为＜1％。

9.一种激光测角装置，其特征在于，包括如权利要求4～8任一项所述的光学接收系统。

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