CN113448104A - 一种折反式广角激光接收光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，且公开了一种折反式广角激光接收光学系统，包括折反柱镜、窄带滤光片和探测器。该一种折反式广角激光接收光学系统，通过由折反柱镜、窄带滤光片和探测器组成，三者呈一定间距排开，当入射光经过由折反柱镜和窄带滤光片后，形成汇聚的“线状”光斑，该光学系统探测视场为“扇形”结构，在子午视场方向为小视场，在弧矢方向通过折反柱镜的两侧的内反射面来实现大视场，其该光学系统形式实现了传统回转透镜无法实现的大相对孔径的广角探测，实现了子午面和弧矢面有不同的视场角，能在子午视场方向需要小视场来抑制背景干扰回波，在弧矢方向需要大视场和大有效通光面积来满足周视连续大视场探测，便于光电集成的特点。

Description

一种折反式广角激光接收光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体为一种折反式广角激光接收光学系统。
背景技术
随着光电技术的发展，主动光电探测应用领域，如激光雷达等光电探测装置都需要激光的接收系统来完成目标特征的探测。当探测装置的应用场景在子午视场方向需要小视场来抑制背景干扰回波，在弧矢方向需要大视场和大有效通光面积来满足周视连续大视场探测。
目前采用常规回转对称的透视式光学系统，由于受到相对孔径及结构体积等限制，在原理上，广角透镜无法具有较大有效通光面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种折反式广角激光接收光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种折反式广角激光接收光学系统，包括折反柱镜、窄带滤光片和探测器，所述窄带滤光片设置于折反柱镜的右侧，所述探测器设置于窄带滤光片的右侧，其中，柱面镜用于按一定视场角和有效口径接收激光回波信号，并将回波信号聚焦到探测器光敏面上，作为优选，滤光片可采用探测器光窗镀膜的一体化方式实现，用于窄带光学滤波，在保证对系统工作波长有足够的透过率的同时，滤除工作波长以外的干扰信号，探测器为PIN探测器，用于将近红外回波信号进行光电转换输出光电信号。
优选的，当弧矢角视场为0°～70°范围内探测的应用场景时，所述折反柱镜的外形结构为立方体，其所述折反柱镜的柱面为入射面，其中，入射面是柱面，能将入射光在子午面方向进行线聚焦，聚焦光线在出射面外一定距离处汇聚形成的“线形”光斑，柱面镜两侧平面镀内反射膜，其作用是将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射，能实现最大70°弧矢视场的探测，该反射膜在工作中心波长一定范围，入射角在0～50°范围内，反射率大于80％，该形式能解决回转体透视式广角接收光学系统不能实现较大的相对孔径问题，为了便于描述该光学系统的参数，将折反柱面镜的柱面镜母线方向的长度定为透镜的高度H1，与母线垂直的方向定为透镜的长度L1，将入射面与出射面的中心距离定为透镜的厚度D1，折反柱面镜的焦距为f1，探测器光敏面为矩形，宽度d1由子午视场和透镜的焦距f1共同确定；在弧矢面的视场角由透镜的面形尺寸和入射面两侧的内反射膜的反射系数共同决定，该光学系统的有效通光面积主要由入射面的几何尺寸L1和子午面接收孔径角α决定，设定探测器光敏面的长边尺寸与透镜的长度L1一致。由于采用非球面柱面可以增加透镜的子午面接收孔径角，因此，作为优选该透镜采用入射面采用柱面非球面，其能增大光学系统的有效透光面积，以达到应用背景的需求。
优选的，当弧矢角视场为0°～100°范围内探测的应用场景时，所述折反柱镜的外形结构为异形立方体，其所述折反柱镜的柱面为入射面，入射面对应的透镜后端面为柱面，该柱面镀内反射膜，其作用是将入射到透镜内部的光线反射，并在透镜子午面内线聚焦，聚焦光线在透镜出射面外一定距离处汇聚形成的“线形”光斑，柱面镜两侧平面镀内反射膜，其作用是将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射，该反射膜在工作中心波长一定范围，入射角在0～50°范围内，反射率大于80％。该形式能解决回转体透视式广角接收光学系统不能实现较大的相对孔径问题。其能实现最大100°弧矢视场的探测，该光学系统的探测器光敏面为矩形，宽度d2由子午视场θ和内反射柱面透镜的焦距f2共同确定；在弧矢面的视场角由透镜的面形尺寸和入射面两侧的内反射膜的反射系数共同决定，该光学系统的有效通光面积主要由入射面的几何尺寸L2和子午面接收孔径角α决定，设定探测器光敏面的长边尺寸与透镜的长度L2一致，由于采用非球面柱面可以增加透镜的子午面接收孔径角，因此，该透镜采用非球面柱面和增大透镜的几何尺寸能增大光学系统的有效透光面积，以达到应用背景的需求。
优选的，所述折反柱镜的子午面视场为小视场，由系统焦距和探测器光敏面的高度决定，其弧矢面的视场角为大视场，由折反柱镜的面形尺寸和两侧内反射膜反射率确定。
优选的，所述入射面的几何尺寸L和子午面接收孔径角α决定有效通光面积，通过同时增大探测器和透镜的长度尺寸L能实现有效透光面积的增大。
优选的，所述入射面为柱面，其母线宜采用非球面。
优选的，所述入射面为平面，入射面对应透镜的后端面为柱面，其母线宜采用非球面，该柱面的光轴根据出射面汇聚光斑的位置需要，与入射平面存在一定的偏轴角。
优选的，所述探测器为PIN光电探测器，其光敏面为窄矩形，其光敏面元个数可为一个或多个。窄带滤光片宜采用探测器封装光窗的方式实现，工作波长为在800nm～1064nm范围内，滤光膜在该工作波长和入射角范围内的透过率大于80％，其可以是单独元件，也可以为光窗形式集成在探测器封装上。
与现有技术相比，本发明提供了一种折反式广角激光接收光学系统。具备以下有益效果：
该一种折反式广角激光接收光学系统，通过由折反柱镜、窄带滤光片和探测器组成，三者呈一定间距排开，当入射光经过由折反柱镜和窄带滤光片后，形成汇聚的“线状”光斑，该光学系统探测视场为“扇形”结构，在子午视场方向为小视场，在弧矢方向通过折反柱镜的两侧的内反射面来实现大视场，其该光学系统形式实现了传统回转透镜无法实现的大相对孔径的广角探测，实现了子午面和弧矢面有不同的视场角，能在子午视场方向需要小视场来抑制背景干扰回波，在弧矢方向需要大视场和大有效通光面积来满足周视连续大视场探测，具有结构简单，便于光电集成的特点。
附图说明
图1为本发明0°～70°视场角的弧矢面大视场入射光学追迹示意图；
图2为本发明0°～70°视场角的子午面小视场入射光学追迹示意图；
图3为本发明0°～100°视场角的弧矢面大视场入射光学追迹示意图；
图4为本发明0°～100°视场角的子午面小视场入射光学追迹示意图；
图5为本发明折反柱镜外形为异形立方体示意图；
图6为本发明反柱镜外形为异形立方体俯视结构示意图；
图7为本发明折反柱镜外形为立方体结构示意图；
图8为本发明折反柱镜外形为立方体俯视结构示意图。
图中：1、折反柱镜；2、窄带滤光片；3、探测器；4、入射光；5、入射面；6、内反射柱面非球面；7、出射面；8、安装基准平面；9、左侧内反射平面；10、右侧内反射平面；11、入射面二。
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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种折反式广角激光接收光学系统，包括折反柱镜1、窄带滤光片2和探测器3，窄带滤光片2设置于折反柱镜1的右侧，探测器3设置于窄带滤光片2的右侧，当入射光线经过折反柱镜1和窄带滤光片2后，形成汇聚的“线状”光斑，探测器3的矩形光敏面置于该汇聚光斑位置，用于光电转化，其中，折反柱镜1用于按一定视场角和有效口径接收激光回波信号，并将回波信号聚焦到探测器3光敏面上，作为优选，窄带滤光片2可采用探测器3光窗镀膜的一体化方式实现，用于窄带光学滤波，在保证对系统工作波长有足够的透过率的同时，滤除工作波长以外的干扰信号，探测器3为PIN探测器，用于将近红外回波信号进行光电转换输出光电信号。
当弧矢角视场为0°～70°范围内探测的应用场景时，折反柱镜1的外形结构为立方体，其折反柱镜1的柱面为入射面二11，其中，入射面是柱面，能将入射光在子午面方向进行线聚焦，聚焦光线在出射面外一定距离处汇聚形成的“线形”光斑，柱面镜两侧平面镀内反射膜，其作用是将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射，能实现最大70°弧矢视场的探测。该反射膜在工作中心波长一定范围，入射角在0～50°范围内，反射率大于80％。该形式能解决回转体透视式广角接收光学系统不能实现较大的相对孔径问题。为了便于描述该光学系统的参数，将折反柱面镜的柱面镜母线方向的长度定为透镜的高度H1，与母线垂直的方向定为透镜的长度L1，将入射面与出射面的中心距离定为透镜的厚度D1，折反柱面镜的焦距为f1，探测器光敏面为矩形，宽度d1由子午视场和透镜的焦距f1共同确定；在弧矢面的视场角由透镜的面形尺寸和入射面两侧的内反射膜的反射系数共同决定，该光学系统的有效通光面积主要由入射面的几何尺寸L1和子午面接收孔径角α决定，设定探测器光敏面的长边尺寸与透镜的长度L1一致。由于采用非球面柱面可以增加透镜的子午面接收孔径角，因此，作为优选该透镜采用入射面采用柱面非球面，其能增大光学系统的有效透光面积，以达到应用背景的需求。
当弧矢角视场为0°～100°范围内探测的应用场景时，折反柱镜1的外形结构为异形立方体，其折反柱镜1的柱面为入射面5，入射面对应的透镜后端面为柱面，该柱面镀内反射膜，其作用是将入射到透镜内部的光线反射，并在透镜子午面内线聚焦，聚焦光线在透镜出射面外一定距离处汇聚形成的“线形”光斑，柱面镜两侧平面镀内反射膜，其作用是将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射，该反射膜在工作中心波长一定范围，入射角在0～50°范围内，反射率大于80％。该形式能解决回转体透视式广角接收光学系统不能实现较大的相对孔径问题。其能实现最大100°弧矢视场的探测，该光学系统的探测器光敏面为矩形，宽度d2由子午视场θ和内反射柱面透镜的焦距f2共同确定；在弧矢面的视场角由透镜的面形尺寸和入射面两侧的内反射膜的反射系数共同决定，该光学系统的有效通光面积主要由入射面的几何尺寸L2和子午面接收孔径角α决定，设定探测器光敏面的长边尺寸与透镜的长度L2一致，由于采用非球面柱面可以增加透镜的子午面接收孔径角，因此，该透镜采用非球面柱面和增大透镜的几何尺寸能增大光学系统的有效透光面积，以达到应用背景的需求。
折反柱镜1的子午面视场为小视场，由系统焦距和探测器光敏面的高度决定，其弧矢面的视场角为大视场，由折反柱镜的面形尺寸和两侧内反射膜反射率确定，入射面5的几何尺寸L和子午面接收孔径角α决定有效通光面积，通过同时增大探测器和透镜的长度尺寸L能实现有效透光面积的增大，入射面5为柱面，其母线宜采用非球面，入射面5为平面，入射面对应透镜的后端面为柱面，其母线宜采用非球面，该柱面的光轴根据出射面汇聚光斑的位置需要，与入射平面存在一定的偏轴角，探测器3为PIN光电探测器，其光敏面为窄矩形，其光敏面元个数可为一个或多个。窄带滤光片宜采用探测器封装光窗的方式实现，工作波长为在800nm～1064nm范围内，滤光膜在该工作波长和入射角范围内的透过率大于80％，其可以是单独元件，也可以为光窗形式集成在探测器封装上，滤光膜在该工作波长和入射角范围内的透过率大于82％，其可以是单独元件，也可以为光窗形式集成在探测器封装上。
实施例1：弧矢角视场探测在0°～65°的应用场景设计实例
请参阅图1-2，该实例光学系统包括：折反柱镜1、窄带滤光片2和探测器3组成，三者呈一定间距排开，其窄带滤光片2的位置可根据实际情况进行位置调整。其中：
折反柱镜1的参数为：高度H1＝11mm、长度L1＝12mm、厚度D1＝9.5mm，材料为红外光学玻璃；入射面二11为柱面非球面镀，其面形方程为二次曲线，后端出射面为平面，入射面二11和出射面7都镀增透膜，其透过率在905nm 波长的透过率大于99％；柱面非球面两侧平面镀内反射膜，可以为金属膜或者介质膜，其在入射角60°～90°入射角范围内的反射系率在905±50nm波长的反射率大于80％；
滤光片作为探测3的封装光窗，尺寸为12mm*5mm，厚度为0.4～0.5mm，材料为蓝宝石波浪，其入射表面距离折反柱面镜后端面1.2～1.5mm处放置，光学性能为：905±50nm波长范围内的光波透过率大于80％，在该范围外透光率小于1％。
探测器3光敏面为矩形，为PIN光电二极管，其光敏面距离滤光片出射面的距离为0.4～0.5mm。
该光学系统达到的主要技术指标为：
1.有效口径ES≥120mm2；
2.工作波长λ：905±5nm；
3.弧矢视场角0～65°；
4.子午面视场角为1°～5°；
5.工作适应的温度范围为：-50°到+70°。
实施例2：弧矢角视场探测在0°～95°的应用场景设计实例
请参阅图3-4，该实例光学系统包括：折反柱镜1、窄带滤光片2和探测器3组成，三者呈一定间距排开，其窄带滤光片2的位置可根据实际情况进行位置调整。其中：
入射面高度H2＝17.3mm、长度L2＝24mm、厚度D1＝21mm；材料为红外光学玻璃；入射面5为平面，镀增透膜，其透过率在905nm波长的透过率大于99％；入射面的后面端为内反射柱面非球面6，其面形方程为二次曲线，该内反射柱面非球面6和其左侧内反射平面9及右侧内反射平面10都镀内反射膜，为金属膜或者介质膜，其在入射角0°～90°入射角范围内的反射系率在905± 50nm波长的反射率大于80％，入射光线经过透镜内的内反射面反射后从出射面7射出后，汇聚形成线形光斑，平面为安装基准平面8。
滤光片作为探测器3的封装光窗，尺寸为24mm*5mm，厚度为0.4～0.5mm，材料为蓝宝石波浪；其入射表面距离折反柱面镜后端面1.2～1.5mm处放置；光学性能为：905±50nm波长范围内的光波透过率大于80％，在该范围外透光率小于1％。
探测器光敏面为矩形，为PIN光电二极管；其光敏面距离滤光片出射面的距离为0.4～0.5mm。
该光学系统达到的主要技术指标为：
1.有效口径ES≥400mm2；
2.工作波长λ：905±5nm；
3.弧矢视场角0～95°；
4.子午面视场角为1°～5°；
5.工作适应的温度范围为：-50°到+70°
此系统的有益效果为：通过由折反柱镜1、窄带滤光片2和探测器3组成，三者呈一定间距排开，当入射光4经过由折反柱镜1和窄带滤光片2后，形成汇聚的“线状”光斑，该光学系统探测视场为“扇形”结构，在子午视场方向为小视场，在弧矢方向通过折反柱镜的两侧的内反射面来实现大视场，其该光学系统形式实现了传统回转透镜无法实现的大相对孔径的广角探测，实现了子午面和弧矢面有不同的视场角，能在子午视场方向需要小视场来抑制背景干扰回波，在弧矢方向需要大视场和大有效通光面积来满足周视连续大视场探测。具有结构简单，便于光电集成的特点。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种折反式广角激光接收光学系统，包括折反柱镜(1)、窄带滤光片(2)和探测器(3)，其特征在于：所述窄带滤光片(2)设置于折反柱镜(1)的右侧，所述探测器(3)设置于窄带滤光片(2)的右侧。
2.根据权利要求1所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述折反柱镜(1)的外形结构为立方体，其所述折反柱镜(1)的柱面为入射面二(11)，所述折反柱镜(1)的两侧平面镀内反射膜，将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射。
3.根据权利要求1所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述折反柱镜(1)的外形结构为异形立方体，其所述折反柱镜(1)的柱面为入射面(5)，所述折反柱镜(1)的两侧平面镀内反射膜，将弧矢面视场角内大角度入射光线的在柱面镜内部反射。
4.根据权利要求1所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述折反柱镜(1)的子午面视场为小视场，由系统焦距和探测器光敏面的高度决定，其弧矢面的视场角为大视场，由折反柱镜的面形尺寸和两侧内反射膜反射率确定。
5.根据权利要求1所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述入射面(5)的几何尺寸L和子午面接收孔径角α决定有效通光面积。
6.根据权利要求2所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述入射面(5)为柱面，其母线宜采用非球面。
7.根据权利要求3所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述入射面(5)为平面，入射面对应透镜的后端面为柱面，其母线宜采用非球面。
8.根据权利要求1所述的一种折反式广角激光接收光学系统，其特征在于：所述探测器(3)为PIN光电探测器，其光敏面为窄矩形，其光敏面元个数可为一个或多个，窄带滤光片宜采用探测器封装光窗的方式实现。
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