CN113783626B - 一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，包括伺服摆镜、反射镜、分光片和透镜组，伺服摆镜和反射镜平行设置，反射镜位于伺服摆镜的上方，伺服摆镜和反射镜位于同一竖直平面内，反射镜和分光片平行布置，反射镜和分光片位于同一水平平面内，透镜组位于分光片的透射方向，透镜组包括沿光线入射方向同光轴依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，分光片的透射光轴与透镜组的光轴同轴布置，第一透镜和第二透镜均为正透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜均为负透镜，光学系统采用入瞳前置布置，入瞳位于伺服摆镜处。本发明采用入瞳前置设计，使光学系统体积小、重量轻、结构简单，易于通信系统的轻小型化设计。

Description

一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，尤其是涉及一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统。
背景技术
随着无人机技术的日益成熟，无人机的应用领域正在逐渐扩大，与此同时，传统的射频通信链路已无法满足无人机通信所需要的大容量、高速率数据传输的要求。激光通信与射频通信相比具有高速率、高保密性、高容量的优势，所以，无人机激光通信引起了人们的广泛关注。无人机激光通信技术在灾区通信恢复、大型赛事转播、测绘、侦查等领域均有重大的应用价值。
空间激光通信中的光学分系统一般均采用折返式望远系统，该类系统体积和重量过大，由于无人机载荷能力有限，所以该类系统不能很好的应用在无人机上。对于无人机激光通信终端中的光学系统需要重新设计，尤其要进行轻小型化设计。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，该光学系统采用入瞳前置设计，使该光学系统体积小、重量轻、结构简单，易于通信系统的轻小型化设计。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，包括伺服摆镜、反射镜、分光片和透镜组，所述的伺服摆镜和反射镜平行设置，所述的反射镜位于伺服摆镜的上方，且伺服摆镜和反射镜位于同一竖直平面内，所述的反射镜和分光片平行布置，且所述反射镜和分光片位于同一水平平面内，所述的透镜组位于分光片的透射方向，所述的透镜组包括沿光线入射方向同光轴依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，分光片的透射光轴与透镜组的光轴同轴布置，所述的第一透镜和第二透镜均为正透镜，所述的第三透镜、第四透镜和第五透镜均为负透镜，所述光学系统采用入瞳前置布置，所述入瞳位于伺服摆镜处。
进一步的，伺服摆镜与反射镜之间的距离为155mm，反射镜与分光片之间的距离为65mm，分光片和第一透镜之间的距离为55mm；所述第一透镜与第二透镜之间的距离为0<L1<2mm；所述第二透镜与第三透镜之间的距离为0<L2<2mm；所述第三透镜与第四透镜之间的距离为3<L3<5mm；所述第四透镜与第五透镜之间的距离为15<L4<18mm。
进一步的，所述第一透镜的nd为1.78，vd为25.72；所述第二透镜的nd为1.85，vd为23.79；所述第三透镜的nd为1.78，vd为25.72；所述第四透镜的nd为1.78，vd为25.72；所述第五透镜的nd为1.85，vd为23.79；所述分光片的nd为1.52，vd为64.19，所述分光片厚度为2mm；
其中nd是各光学材料折射系数，vd是各光学材料色散系数。
进一步，所述反射镜的材质为石英玻璃，所述伺服摆镜的材质为石英玻璃。
进一步的，所述第一透镜为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为40<R1<60mm，后表面的曲率半径为170<R2<210mm；第一透镜的中心厚度为3<d1<6mm；
所述第二透镜为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为20<R3<40mm，后表面的曲率半径为30<R4<50mm；第二透镜的中心厚度为3<d2<6mm；
所述第三透镜为前表面和后表面均凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R5<30mm，后表面的曲率半径为10<R6<30mm；第三透镜的中心厚度为3<d3<6mm；
所述第四透镜为前表面凸向像方且后表面凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R7<20mm，后表面的曲率半径为10<R8<20mm；第四透镜的中心厚度为2<d4<5mm；
所述第五透镜为前表面凸向像方和后表面凸向物方的双凹负透镜，前表面的曲率半径为-20<R9<-40mm，其后表面的曲率半径为0<R10<20mm；第五透镜的中心厚度为1<d5<4mm。
进一步的，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为球面透镜。
进一步的，所述光学系统的视场为17mrad，口径为30mm，焦距为80mm。
进一步的，所述光学系统的工作波长为808nm。
相对于现有技术，本发明所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统具有以下优势：
本申请的光学系统采用入瞳前置设计，入瞳位于伺服摆镜处，本申请的光学系统采用了折叠光路布置以及透射式光学结构，压缩了光学系统的体积，使该光学系统重量更轻、结构更加简单，易于通信系统的轻小型化设计；同时，该光学系统采用了高效的能量分光片，以增大通信接收的功率余量，增强环境适应能力，可以实现高灵敏度高速激光通信。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统的光路图；
图3为发明实施例所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统的调制传递函数曲线图。
附图标记说明：
1-伺服摆镜；2-反射镜；3-分光片；4-第一透镜；5-第二透镜；6-第三透镜；7-第四透镜；8-第五透镜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，包括伺服摆镜1、反射镜2、分光片3和透镜组，所述的伺服摆镜1和反射镜2平行设置，所述的反射镜2位于伺服摆镜1的上方，且伺服摆镜1和反射镜2位于同一竖直平面内，所述的反射镜2和分光片3平行布置，且所述反射镜2和分光片3位于同一水平平面内，所述的透镜组位于分光片3的透射方向，所述的透镜组包括沿光线入射方向同光轴依次排布的第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8，分光片3的透射光轴与透镜组的光轴同轴布置，所述的第一透镜4和第二透镜5均为正透镜，所述的第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8均为负透镜，所述光学系统采用入瞳前置布置，所述入瞳位于伺服摆镜1处；光学系统的视场为17mrad，口径为30mm，焦距为80mm；光学系统的工作波长为808nm。
伺服摆镜1与反射镜2之间的距离为155mm，反射镜2与分光片3之间的距离为65mm，分光片3和第一透镜4之间的距离为55mm；所述第一透镜4与第二透镜5之间的距离为0<L1<2mm；所述第二透镜5与第三透镜6之间的距离为0<L2<2mm；所述第三透镜6与第四透镜7之间的距离为3<L3<5mm；所述第四透镜7与第五透镜8之间的距离为15<L4<18mm。
所述第一透镜4的nd为1.78，vd为25.72；所述第二透镜5的nd为1.85，vd为23.79；所述第三透镜6的nd为1.78，vd为25.72；所述第四透镜7的nd为1.78，vd为25.72；所述第五透镜8的nd为1.85，vd为23.79；所述分光片3的nd为1.52，vd为64.19，所述分光片3厚度为2mm；其中nd是各光学材料折射系数，vd是各光学材料色散系数；所述反射镜2的材质为石英玻璃，所述伺服摆镜1的材质为石英玻璃。
所述第一透镜4为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为40<R1<60mm，后表面的曲率半径为170<R2<210mm；第一透镜4的中心厚度为3<d1<6mm；
所述第二透镜5为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为20<R3<40mm，后表面的曲率半径为30<R4<50mm；第二透镜5的中心厚度为3<d2<6mm；
所述第三透镜6为前表面和后表面均凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R5<30mm，后表面的曲率半径为10<R6<30mm；第三透镜6的中心厚度为3<d3<6mm；
所述第四透镜7为前表面凸向像方且后表面凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R7<20mm，后表面的曲率半径为10<R8<20mm；第四透镜7的中心厚度为2<d4<5mm；
所述第五透镜8为前表面凸向像方和后表面凸向物方的双凹负透镜，前表面的曲率半径为-20<R9<-40mm，其后表面的曲率半径为0<R10<20mm；第五透镜8的中心厚度为1<d5<4mm。为了方便描述，以透镜的入光面为前表面，透镜的出光面为后表面。本申请中的物方就是物所在的方向，在本系统中，物位于透镜的左侧；像方就是像所在的方向，在本系统中，像位于透镜的右侧。
下面给出光学系统各元件的具体参数：
伺服摆镜1与反射镜2之间的距离为155mm，反射镜2与分光片3之间的距离为65mm，分光片3和第一透镜4之间的距离为55mm；所述第一透镜4与第二透镜5之间的距离为1mm；所述第二透镜5与第三透镜6之间的距离为1mm；所述第三透镜6与第四透镜7之间的距离为4.5mm；所述第四透镜7与第五透镜8之间的距离为16.9mm；
所述第一透镜4的nd为1.78，vd为25.72；所述第二透镜5的nd为1.85，vd为23.79；所述第三透镜6的nd为1.78，vd为25.72；所述第四透镜7的nd为1.78，vd为25.72；所述第五透镜8的nd为1.85，vd为23.79；所述分光片3的nd为1.52，vd为64.19，所述分光片3厚度为2mm；其中nd是各光学材料折射系数，vd是各光学材料色散系数；所述反射镜2的材质为石英玻璃，所述伺服摆镜1的材质为石英玻璃；
所述第一透镜4前表面的曲率半径为50.34mm，后表面的曲率半径为200.704mm；第一透镜4的中心厚度为5mm；
所述第二透镜5前表面的曲率半径为32.27mm，后表面的曲率半径为45.92mm；第二透镜5的中心厚度为4.5mm；
所述第三透镜6前表面的曲率半径为21.25mm，后表面的曲率半径为21.25mm；第三透镜6的中心厚度为4.6mm；
所述第四透镜7前表面的曲率半径为15.842mm，后表面的曲率半径为11.934mm；第四透镜7的中心厚度为3.6mm；
所述第五透镜8前表面的曲率半径为-31.62mm，其后表面的曲率半径为4.298mm；第五透镜8的中心厚度为2.5mm。
第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6和第四透镜7均为球面透镜，如此设计，降低了加工和装调的难度，同时降低研制成本。
如图2为无人机激光通信装置的接收光学系统的光路图，体现出不同视场的光路轨迹。
如图3所示为本申请的光学系统的调制传递函数曲线图，从图中可以看出该光学系统在截止频率60lp/mm处的光学传递函数在标准范围内，说明该光学系统具有较高的成像质量。
本申请的光学系统采用入瞳前置设计，入瞳位于伺服摆镜处，本申请的光学系统采用了折叠光路布置以及透射式光学结构，压缩了光学系统的体积，使该光学系统重量更轻、结构更加简单，易于通信系统的轻小型化设计；同时，该光学系统采用了高效的能量分光片，以增大通信接收的功率余量，增强环境适应能力，可以实现高灵敏度高速激光通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：包括伺服摆镜(1)、反射镜(2)、分光片(3)和透镜组，所述的伺服摆镜(1)和反射镜(2)平行设置，所述的反射镜(2)位于伺服摆镜(1)的上方，且伺服摆镜(1)和反射镜(2)位于同一竖直平面内，所述的反射镜(2)和分光片(3)平行布置，且所述反射镜(2)和分光片(3)位于同一水平平面内，所述的透镜组位于分光片(3)的透射方向，所述的透镜组包括沿光线入射方向同光轴依次排布的第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)，分光片(3)的透射光轴与透镜组的光轴同轴布置，所述的第一透镜(4)和第二透镜(5)均为正透镜，所述的第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)均为负透镜，所述光学系统采用入瞳前置布置，所述入瞳位于伺服摆镜(1)处；
所述第一透镜(4)为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为40<R1<60mm，后表面的曲率半径为170<R2<210mm；第一透镜(4)的中心厚度为3<d1<6mm；
所述第二透镜(5)为前表面和后表面均凸向物方的正透镜，前表面的曲率半径为20<R3<40mm，后表面的曲率半径为30<R4<50mm；第二透镜(5)的中心厚度为3<d2<6mm；
所述第三透镜(6)为前表面和后表面均凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R5<30mm，后表面的曲率半径为10<R6<30mm；第三透镜(6)的中心厚度为3<d3<6mm；
所述第四透镜(7)为前表面凸向像方且后表面凸向物方的负弯月型透镜，前表面的曲率半径为10<R7<20mm，后表面的曲率半径为10<R8<20mm；第四透镜(7)的中心厚度为2<d4<5mm；
所述第五透镜(8)为前表面凸向像方和后表面凸向物方的双凹负透镜，前表面的曲率半径为-20<R9<-40mm，其后表面的曲率半径为0<R10<20mm；第五透镜(8)的中心厚度为1<d5<4mm。
2.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：伺服摆镜(1)与反射镜(2)之间的距离为155mm，反射镜(2)与分光片(3)之间的距离为65mm，分光片(3)和第一透镜(4)之间的距离为55mm；所述第一透镜(4)与第二透镜(5)之间的距离为0<L1<2mm；所述第二透镜(5)与第三透镜(6)之间的距离为0<L2<2mm；所述第三透镜(6)与第四透镜(7)之间的距离为3<L3<5mm；所述第四透镜(7)与第五透镜(8)之间的距离为15<L4<18mm。
3.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：所述第一透镜(4)的nd为1.78，vd为25.72；所述第二透镜(5)的nd为1.85，vd为23.79；所述第三透镜(6)的nd为1.78，vd为25.72；所述第四透镜(7)的nd为1.78，vd为25.72；所述第五透镜(8)的nd为1.85，vd为23.79；所述分光片(3)的nd为1.52，vd为64.19，所述分光片(3)厚度为2mm；
其中nd是各光学材料折射系数，vd是各光学材料色散系数。
4.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：所述反射镜(2)的材质为石英玻璃，所述伺服摆镜(1)的材质为石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)和第四透镜(7)均为球面透镜。
6.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：所述光学系统的视场为17mrad，口径为30mm，焦距为80mm。
7.根据权利要求1所述的一种无人机激光通信装置的通信接收光学系统，其特征在于：所述光学系统的工作波长为808nm。
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