CN114167439A - 一种动态扫描状态下的激光测距光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态扫描状态下的激光测距光学系统，包括脉冲激光器和激光探测器；包括沿光轴方向依次布设的激光发射系统、二维扫描镜、折转反射镜和激光接收系统；二维扫描镜和折转反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设；激光接收系统包括俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设；二维扫描镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度能够调整。通过对二维扫描镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度的调整，实现接收系统探测角度的变化。处于平行光中的俯仰和方位扫描反射镜能够减小自身的尺寸，降低了其定位精度和所需的转动调整时间的要求，实现在动态扫描状态下获取目标距离信息的目的。

Description

一种动态扫描状态下的激光测距光学系统

技术领域

本发明涉及具有扫描测距能力的激光光学领域，具体涉及一种动态扫描状态下的激光测距光学系统。

背景技术

近年来，光电技术蓬勃发展，国内外对目标的检测和跟踪有着巨大需求和广阔的发展前景，而目前识别对象日趋多样化，识别环境也更加复杂多变，要求系统有良好的适应能力和生存能力。

光电探测系统一般都配置有红外、电视、激光等多种主被动的探测手段，在激光测距的应用模式上，一般利用红外或者电视传感器提取目标，系统对目标进入稳定跟踪状态，发射激光进行激光测距获取目标的距离信息，这种方式只能实现单个目标或者90°范围最多两个目标切换的跟踪测距，已经逐渐无法满足光电三维信息快速获取的需求，对于激光测距技术而言，针对激光光轴的稳定调整及快速反扫研究较少。目前，缺少动态扫描状态下的激光测距系统，不能实现动态扫描状态下目标距离信息的快速获取。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种动态扫描状态下的激光测距光学系统，具有在动态扫描状态下获取目标距离信息的能力。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种动态扫描状态下的激光测距光学系统，包括脉冲激光器和激光探测器；其特征在于：包括沿光轴方向依次布设的激光发射系统、二维扫描镜、折转反射镜和激光接收系统，脉冲激光器位于光轴的起始端，激光探测器位于光轴的终止端；

激光发射系统包括发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二；

二维扫描镜和折转反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行，二维扫描镜角度能够调整，折转反射镜角度固定；

激光接收系统沿光轴方向依次包括接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、接收物镜四、俯仰扫描反射镜、方位扫描反射镜、长波通滤光片、窄带滤光片、后组透镜一、以及后组透镜二，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度能够调整。

按上述技术方案，发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二构成伽利略式结构，放大倍率为m倍，m的取值范围是5～10。

按上述技术方案，接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、接收物镜四构成开普勒式结构，放大倍率为n倍，n的取值范围是5～10。

按上述技术方案，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度取值范围为

二者调整角度始终相同。

按上述技术方案，m取值为8，n取值为7。

按上述技术方案，发射目镜采用弯月形QK3负透镜，发射物镜一采用弯月形ZF6负透镜，发射物镜二采用弯月形ZF2正透镜，接收物镜一采用弯月形H-ZLAF90正透镜，接收物镜二采用双凹H-LAF3B负透镜，接收物镜三采用弯月形H-ZF88正透镜，接收物镜四采用双凸H-ZK9B正透镜，后组透镜一采用弯月形H-ZF52正透镜，后组透镜二采用弯月形H-ZF62正透镜，二维扫描镜、折转反射镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜都是平面反射镜。

按上述技术方案，在沿光轴方向上，脉冲激光器出射端到发射物镜二第二面顶点的距离为95mm，发射物镜二第二面顶点与二维扫描镜的距离为68mm，二维扫描镜与折转反射镜的距离为91mm，折转反射镜与接收物镜一第一面顶点的距离为33.5mm，接收物镜一第一面顶点到接收物镜四第二面顶点的距离为190mm，接收物镜四第二面顶点到俯仰扫描反射镜的距离为25mm，俯仰扫描反射镜10与方位扫描反射镜11的距离为30mm，方位扫描反射镜11与长波通滤光片第一面顶点的距离为23mm，长波通滤光片第二面顶点与激光接收探测器的距离为70mm。

按上述技术方案，所有的反射镜材料均采用K9玻璃，所有透镜的镜面形状均采用球面。

按上述技术方案，接收物镜一的口径最大，入瞳直径为120mm。

按上述技术方案，窄带滤光片选用1064nm窄带滤光片；镜头波段为1064nm±10nm。

本发明的原理：

通过发射目镜、发射物镜一、发射物镜二构成的激光发射系统，将脉冲激光器发出的激光的发散角进一步压缩；随后，在二维扫描镜、折转反射镜的反射后，照射在物体上，其漫反射的光经原路返回，进入到激光接收系统；激光接收系统对被测目标漫反射的光进行平行处理、反射，最后聚焦在激光探测器上，利用脉冲激光在空间中的飞行时间实现目标距离的获取。

激光测距光学系统采用两套扫描振镜进行光轴的调整。俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜用于调整激光接收系统的探测角度，二维扫描镜用于矫正光轴；为了减小俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的尺寸，将其放置在激光接收后端的平行光路中，其尺寸的减小，其定位精度及所需要的转动调整时间的要求也会相应降低，使得系统更容易实现。

本发明具有以下有益效果：

1、在激光接收系统的前端设立二维扫描镜，在激光接收系统后端设立俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜，通过对二维扫描镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度的调整，实现接收系统探测角度的变化。另外，被测目标漫反射的光经过激光接收系统前端的接收物镜组形成平行光，处于平行光中的俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜能够减小自身的尺寸，降低了其定位精度和所需的转动调整时间的要求，实现在动态扫描状态下获取目标距离信息的目的。

2、激光接收系统的入瞳直径达到120mm，能够获得足够能量的信号，提高接收效率。

3、激光接收系统采用窄带滤光片和长波通滤光片，能够有效的提高系统的透过率。

4、镜头材料全部选用成都光明玻璃库常用材料，未使用非球面，易于加工，且能够控制成本。

附图说明

图1本发明提供实施例的光学系统示意图；

图2本发明提供实施例的发射光学系统二维图；

图3本发明提供实施例的发射光学系统点列图；

图4本发明提供实施例的激光接收系统二维图；

图5本发明提供实施例的激光接收系统不扫描时的点列图；

图6本发明提供实施例的激光接收系统扫描+1°时的点列图；

图7本发明提供实施例的激光接收系统扫描-1°时的点列图；

图中，1-发射目镜，2-发射物镜一，3-发射物镜二，4-二维扫描镜，5-折转反射镜，6-接收物镜一，7-接收物镜二，8-接收物镜三，9-接收物镜四，10-俯仰扫描反射镜，11-方位扫描反射镜，12-长波通滤光片，13-窄带滤光片，14-后组透镜一，15-后组透镜二；16-脉冲激光器；17-激光接收探测器；18-被测目标；其中1～3组成激光发射系统，6～15组成激光接收系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图7所示，本发明提供的一种动态扫描状态下的激光测距光学系统，包括脉冲激光器和激光探测器。还包括沿光轴方向从发射到接收依次布设的激光发射系统1～3、二维扫描镜4、折转反射镜5和激光接收系统6～15，脉冲激光器位于光轴的起始端，激光探测器位于光轴的终止端。激光发射系统包括发射目镜1、发射物镜一2、以及发射物镜二3；二维扫描镜和折转反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行，二维扫描镜角度能够调整，折转反射镜角度固定。激光接收系统沿光轴方向依次包括接收物镜一6、接收物镜二7、接收物镜三8、接收物镜四9、俯仰扫描反射镜41、方位扫描反射镜11、长波通滤光片12、窄带滤光片13、后组透镜一14、以及后组透镜二15，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行；俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度能够调整。

镜头包括激光发射和激光接收，发射与接收不共扩束望远系统，激光的发射通过反射镜置于激光接收的中心位置，进行同轴设计。来自脉冲激光器的光经过激光发射系统，二维扫描镜和折转反射镜反射后，照射在被测目标18上，其漫反射光进入激光接收系统，聚焦在激光探测器上，利用脉冲激光在空间中的飞行时间实现目标距离信息的获取(记录激光往返于被测物与测距光学系统之间的时间间隔，结合光速即可得出被测物与测距光学系统之间的距离)。镜头采用二维扫描镜、俯仰和方位扫描反射镜的反扫，即先通过俯仰和方位扫描反射镜调整接受系统的探测角度范围，再通过二维扫描镜对激光的反射来矫正光轴在激光接受系统内的位置，实现激光探测角度可调的功能。本光学系统的工作波段为1064nm±10nm。镜头通过合理的初始结构建立，合适的光学材料选择，合理的光焦度分配，将像差进行了良好的校正，使得聚焦光斑的大小小于激光探测器靶面的尺寸。

在一些实施例中，激光发射系统的发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二三者构成伽利略式结构，放大倍率为m倍，m的取值范围是5～10，本实施例中放大倍率为8倍。通过该激光发射系统的发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二对脉冲激光器发出的激光进行扩束准直，能够有效的压缩激光器出射激光的发散角。在需要调整激光接收系统探测角度后，需要通过二维扫描镜进行光轴矫正，使得光轴落在激光接收系统的预设范围内。

在一些实施例中，激光接收系统的接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、以及接收物镜四构成开普勒式结构，放大倍率为n倍，n的取值范围是5～10，本实施例中开普勒式结构的放大倍率为7倍。被测物体漫反射光经过激光接收系统的接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、接收物镜四的作用形成平行光路，激光接收系统的俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜位于平行光路中，能够减小了其口径，压缩了系统的横向和纵向尺寸。

在一些实施例中，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度取值范围为

(n的取值由开普勒结构的倍数n决定，n的取值范围是5～10)，二者调整角度始终相同。本实施例中开普勒式结构的放大倍率为7倍，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度范围设置为±3.5°，以上措施使得激光探测角度的调整范围达到±1°。当俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度的角度为3.5°时，激光接收器的探测角度是1°；随后，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度逐步减小至-3.5°，激光接收器的探测角度也将有1°逐步减小至-1°。

在一些实施例中，光学透镜材料均选取成都光明库常用的材料；发射目镜采用弯月形QK3负透镜，发射物镜一采用弯月形ZF6负透镜，发射物镜二采用弯月形ZF2正透镜，接收物镜一采用弯月形H-ZLAF90正透镜，接收物镜二采用双凹H-LAF3B负透镜，接收物镜三采用弯月形H-ZF88正透镜，接收物镜四采用双凸H-ZK9B正透镜，后组透镜一采用弯月形H-ZF52正透镜，后组透镜二采用弯月形H-ZF62正透镜，二维扫描镜、折转反射镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜都是平面反射镜。

在一些实施例中，在沿光轴方向上，脉冲激光器出射端到发射物镜二第二面顶点的距离为95mm，发射物镜二第二面顶点与二维扫描镜的距离为68mm，二维扫描镜与折转反射镜的距离为91mm，折转反射镜与接收物镜一第一面顶点的距离为33.5mm，接收物镜一第一面顶点到接收物镜四第二面顶点的距离为190mm，接收物镜四第二面顶点到俯仰扫描反射镜的距离为25mm，俯仰扫描反射镜10与方位扫描反射镜11的距离为30mm，方位扫描反射镜11与长波通滤光片第一面顶点的距离为23mm，长波通滤光片第二面顶点与激光接收探测器的距离为70mm。

在一些实施例中，接收物镜一的口径最大，入瞳直径为120mm。激光接收系统的入瞳直径达到120mm，能够获得足够能量的信号，提高接收效率。

在一些实施例中，所有的反射镜材料均采用K9玻璃，所有透镜的镜面形状均采用球面，避免使用非球面设计，加工工艺简单，降低成本，精度容易得到保证

在一些实施例中，窄带滤光片选用1064nm窄带滤光片；镜头波段为1064nm±10nm。激光测距系统应用在大气环境中，因为外界的杂散光会对接受镜头产生较大的影响，所以需要在接收系统中放置长波通滤光片和1064nm窄带滤光片进行消杂散光，考虑到滤光片的尺寸和入射角限制，将滤光片放置在接收系统的后组透镜之前，滤光片在光路中相当于平行平板，其厚度薄，对成像和光线的影响可以忽略。

本发明的工作原理：

通过发射目镜、发射物镜一、发射物镜二构成的激光发射系统，将脉冲激光器发出的激光的发散角进一步压缩；随后，在二维扫描镜、折转反射镜的反射后，照射在物体上，其漫反射的光经原路返回，进入到激光接收系统；激光接收系统对漫反射的光进行平行处理、反射，最后聚焦在激光探测器上，利用脉冲激光在空间中的飞行时间实现目标距离的获取。

激光发射与接收采用离轴设计，且不共望远系统，分别采用两套扫描振镜进行光轴的调整。俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜用于调整激光接收系统的探测角度，二维扫描镜用于矫正光轴；为了减小俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的尺寸，将其放置在激光接收后端的平行光路中，其尺寸的减小，其定位精度及所需要的转动调整时间的要求也会相应降低，使得系统更容易实现。

本发明针对警戒告警模式下，距离信息快速获取的需求，开展了动态扫描状态下激光测距技术的研究。为了保证系统工作探测的视场范围，基于高精度扫描振镜的应用，解决传统光电系统中需进入跟踪状态，目标必须处于图像中心的困难，才能够在动态扫描状态下，利用脉冲激光在空间中飞行的时间实现目标距离信息的获取，达到测距的目的，解决了光电系统边扫描边测距的难题。接收系统通过合适的光学材料选择，合理的光焦度分配，良好校正像差，放大倍率达到7倍，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度范围设置为±3.5°，以上措施使得激光探测角度的调整范围达到±1°。发射系统放大倍率达到8倍，对激光器出射激光进行扩束准直，使其发散角满足系统要求。

选择合适的激光发射和激光接收的总体设计方案，研究了激光发射与激光接收离轴、分置、大角度扫描的光学系统设计技术，扫描振镜分别放置于激光发射光学系统前端、接收扩束光学系统后端的平行光路中，可以分别对光轴进行调整，接收系统和发射系统设计合理的放大倍率，减小了对应振镜的尺寸，降低了其定位精度和所需的转动调整时间的要求，实现在动态扫描状态下获取目标距离信息的目的。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种动态扫描状态下的激光测距光学系统，包括脉冲激光器和激光探测器；其特征在于：包括沿光轴方向依次布设的激光发射系统、二维扫描镜、折转反射镜和激光接收系统，脉冲激光器位于光轴的起始端，激光探测器位于光轴的终止端；

激光发射系统包括发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二；

二维扫描镜和折转反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行，二维扫描镜角度可调整，折转反射镜角度固定；

激光接收系统沿光轴方向依次包括接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、接收物镜四、俯仰扫描反射镜、方位扫描反射镜、长波通滤光片、窄带滤光片、后组透镜一、以及后组透镜二，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的法线方向与光轴方向成45°布设，且二者相互平行，俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜角度可调整。

2.根据权利要求1所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：发射目镜、发射物镜一、以及发射物镜二构成伽利略式结构，放大倍率为m倍，m的取值范围是5～10。

3.根据权利要求2所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：接收物镜一、接收物镜二、接收物镜三、接收物镜四构成开普勒式结构，放大倍率为n倍，n的取值范围是5～10。

4.根据权利要求3所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜的扫描角度取值范围为

二者调整角度始终相同。

5.根据权利要求3所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：m取值为8，n取值为7。

6.根据权利要求1所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：发射目镜采用弯月形QK3负透镜，发射物镜一采用弯月形ZF6负透镜，发射物镜二采用弯月形ZF2正透镜，接收物镜一采用弯月形H-ZLAF90正透镜，接收物镜二采用双凹H-LAF3B负透镜，接收物镜三采用弯月形H-ZF88正透镜，接收物镜四采用双凸H-ZK9B正透镜，后组透镜一采用弯月形H-ZF52正透镜，后组透镜二采用弯月形H-ZF62正透镜，二维扫描镜、折转反射镜、俯仰扫描反射镜和方位扫描反射镜都是平面反射镜。

7.根据权利要求1所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：在沿光轴方向上，脉冲激光器出射端到发射物镜二第二面顶点的距离为95mm，发射物镜二第二面顶点与二维扫描镜的距离为68mm，二维扫描镜与折转反射镜的距离为91mm，折转反射镜与接收物镜一第一面顶点的距离为33.5mm，接收物镜一第一面顶点到接收物镜四第二面顶点的距离为190mm，接收物镜四第二面顶点到俯仰扫描反射镜的距离为25mm，俯仰扫描反射镜10与方位扫描反射镜11的距离为30mm，方位扫描反射镜11与长波通滤光片第一面顶点的距离为23mm，长波通滤光片第二面顶点与激光接收探测器的距离为70mm。

8.根据权利要求1所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：所有的反射镜材料均采用K9玻璃，所有透镜的镜面形状均采用球面。

9.根据权利要求1所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：接收物镜一的口径最大，入瞳直径为120mm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的动态扫描状态下的激光测距光学系统，其特征在于：窄带滤光片选用1064nm窄带滤光片；镜头波段为1064nm±10nm。

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