CN116755061B - 一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统。本发明通过优化发射端和接收端的光学设计，利用离轴格里高利式光学结构，避免中心遮拦导致进光量损失，进而实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，从而提高回波信号的强度和稳定性；能够减少光能损失，从而提高测距的准确性和稳定性，避免误差和干扰，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光测距光学系统，尤其涉及一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统。
背景技术
激光测距技术是以发射激光束探测目标的位置、距离、速度等特征量的探测系统.其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得包括目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对被测物体进行探测、跟踪和识别。
现有的激光测距系统存在以下几个缺点：
1.能量接收效率低下。现有的激光测距光学系统多采用激光反射与探测接收模块并置或者由半折半反透镜分光以满足激光测距发射与接收需求，但是并置探测结构对于目标的随机散射而言，能量接收效率太低，对于三维空间的散射光场分布，并置结构仅能接收到小部分能量，而浪费了较大部分的回波强度。而采用半折半反透镜实现发射接收共口径的系统在初始发射和接收折射时，就会至少损失50％的能量，较大的光学能量耗散率对光学系统而言是不实用的。
2.光学相对口径较小。对于激光测距系统而言，光能会随光传播而被大气散射或耗散，从远场散射回来的回波信号会衰减地很厉害。由BRDF散射场理论分析，目标物的随机散射能量主要分布在发射激光光场中央附近，且强度随离轴半径增大而减小。能够探测到的回波信号非常微弱，较小的接收口径对远场条件下激光测距光学系统而言是不利的。
3.中心遮拦比率较高。在共口径收发激光测距系统中，使用折反射光学系统作为光学发射端，一定程度上会由于面遮拦比问题产生光能损失，这种要实现激光收发共轴系统，往往就存在面遮拦比过高的问题，存在能量接收-发射效率的权衡。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，可以实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，同时减少光能损失。
技术方案：本发明包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统。
所述第二反射镜最底端的高度比第一反射镜最顶端的高度高，以确保第二反射器不会遮拦第一反射镜的入射。
所述第一反射镜倾斜设置，第二反射器垂直于主光轴设置。
所述第一反射镜净口径在150mm～200mm之间，中心开孔处的净口径在10mm～15mm之间。
所述第一反射镜与第二反射镜之间的光路上设有视场光阑，以滤除视场内0°～0.240°以外大视场的杂散光，避免不必要的光学串扰。
所述离轴反射系统的入瞳直径在150～200mm之间，半视场角范围为0°～0.240°。
所述视场光阑的视场角范围为0°～0.240°，净口径6mm～8mm，中心孔径2.5～4.0mm。
所述聚焦系统包括沿光路依次设置的第一透镜，第二透镜和第三透镜。
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜与光电探测器共光轴设置，该光轴位于主光轴上方，且与主光轴之间存在夹角，通过聚焦系统将离轴格里高利式反射系统所接收的视场内有效光通量聚焦于光电探测器的光敏面上。
所述激光发射系统采用激光发射准直装置，包括沿光路依次设置的激光源光源、第一准直柱透镜和第二准直柱透镜，准直装置可以根据光束的特性，通过光学元件的调节，将光束准直、对准和优化，以便使激光能够在目标上聚焦，实现高效、稳定的作用。
有益效果：本发明主要具有以下优点
1.提高能量接收效率，扩大接收口径：通过优化发射端和接收端的光学设计，利用离轴格里高利式光学结构，避免中心遮拦导致进光量损失，进而实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，从而提高回波信号的强度和稳定性。这可以使得激光测距系统在各种应用场景下更加精准和可靠，满足高精度、远距离、多场景等测量需求。
2.减少光能损失：本发明的光学设计能够减少光能损失，从而提高测距的准确性和稳定性，避免误差和干扰。这对于一些需要高精度测量的应用场景非常重要，例如建筑测量、导航等。
3.提高测距精度和稳定性：通过提高回波信号的强度和稳定性，本发明可以实现更加精确和稳定的测距结果。这对于一些需要高精度和高稳定性的应用场景非常重要，例如点云自动化建模、自动驾驶汽车等。
4.小型化和便携性：本发明的激光测距系统在远距离测量中体积较小，重量轻，利用反射式结构可以大大减轻大口径光学系统的重量，可以轻松携带到不同的应用场景，并可以实现多种多样的功能。这对于需要移动测量或便携式测量的应用场景非常重要，例如野外测绘、航空测量、地质勘探等。
5.应用广泛：激光测距技术可以应用于建筑测量、野外测绘、导航、自动驾驶汽车等多个领域，具有广泛的应用前景。本发明的技术方案可以进一步推动激光测距技术的发展，为相关应用领域带来更大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的整体结构及光路示意图；
图2为本发明聚焦系统的结构及光路图；
图3为本发明激光发射准直装置的结构及光路图；
图4为实施例中光电探测器光敏面在视场内不同视场角成像的示意图；
图5为实施例中激光发射准直装置准直成像的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括离轴反射系统，视场光阑2，滤光片3，聚焦系统和光电探测器，激光测距接收光学系统的入瞳直径150～200mm，总长240～330mm。激光发射系统包括激光发射准直装置。离轴反射系统采用离轴格里高利式反射系统，其入瞳直径150～200mm，半视场角范围为0°～0.240°，作用为对有效返回光通量进行会聚接收，包括第一反射镜7和第二反射镜8，其中，第一反射镜7为主反射镜，为椭球面凹面结构，第二反射镜8为副反射镜，采用双曲面凹面结构，第一反射镜7倾斜设置，第二反射器8垂直于主光轴设置，第二反射镜8位于第一反射镜7上方，且第二反射镜8最底端的高度比第一反射镜7最顶端的高度高，以确保第二反射器8不会遮拦第一反射镜7的入射。第一反射镜7的中心开孔，其开孔面积小于第二反射镜8的面积，在开孔处放置有激光发射准直装置，第二反射镜8和激光发射准直装置分别设置在第一反射镜7的两侧。通过上述设置降低了面遮拦比，进而提高能量接收和发射效率。
第一反射镜7净口径在150mm～200mm之间，中心孔径的净口径在10mm～15mm之间，第一反射镜7中心孔径用于放置激光发射准直装置的出射端；第二反射镜8净口径80mm～110mm。
视场光阑2可以依据工程需要选择所需要的工作视场。视场角范围为0°～0.240°。视场光阑2净口径6mm～8mm，中心孔径2.5～4.0mm。作用为滤除视场内0°～0.240°以外大视场的杂散光，避免不必要的光学串扰。
滤光片3根据使用激光器光源选择对应工作波长的滤光片。工作波长可选范围400nm～1064nm。滤光片3口径25mm～35mm。作用为滤除视场内0°～0.240°杂散光，从而提高光电探测器信噪比。
聚焦系统4选择三片式聚焦系统，包括沿光路依次设置的第一透镜9，第二透镜10和第三透镜11。其中第一透镜9，第二透镜10净口径为25mm～35mm，第三透镜11净口径为5～8mm。三者共同作用将离轴格里高利式反射系统所接收的视场内有效光通量聚焦于光电探测器的光敏面12上。光电探测器内部集成有微型光电探测器，光电探测器的光敏面12用来实现对接收光信号的光信号-电信号转换。第一透镜9，第二透镜10、第三透镜11与光电探测器共光轴设置，该光轴位于主光轴上方，且与主光轴之间存在夹角。第一透镜9，第二透镜10为凹凸结构，第三透镜11为凸平结构或者第一透镜9，第二透镜10和第三透镜11全部都为球面透镜，极大地降低了加工和装配难度，节省了成本。
激光发射准直装置包括激光源光源13、第一准直柱透镜14，第二准直柱透镜15等光学元件以及控制系统。准直装置可以根据光束的特性，通过光学元件的调节，将光束准直、对准和优化，以便使激光能够在目标上聚焦，实现高效、稳定的作用。
激光测距接收系统所接收的光包括有效光通量和无效杂散光。当光进入激光测距接收光学系统，其中，离轴格里高利式反射系统会对进入光学孔径的有效光通量进行接收会聚，不符合视场限制的光会被视场光阑2滤除，剩余的符合视场要求的光经过离轴格里高利式反射系统的第二反射镜8反射进入滤光片3，滤光片3对视场内0°～0.240°不符合波长要求的杂散光进行滤除，使其无法进入聚焦系统。有效光通量经过聚焦系统聚到光电探测器的光敏面12上，进行接收。本发明设计的针对远场激光测距接收光学系统，可使系统在接收更多有效光通量的同时，有效的解决激光测距共口径系统面遮拦比造成的发射接收的效率权衡问题。
本发明以上参数设计是经过多次局部和全局的优化得出的最优解。每个参数的微小变化都会导致整个系统的失效或性能显著降低。例如，稍微改变镜片的位置、曲率或材料，就会导致成像失焦或无法准确落在光电探测器上，从而使整个系统失去作用。本发明提供的参数范围实际上是系统结构相对位置不变且整体按比例放大缩小的参数变化范围。在这个范围内，通过大量优化得到的结果可以获得卓越的性能。这些参数范围确保在其内部可以获得显著的性能。这些参数范围代表通过多轮优化得到的一个相对较好的结果，通过多轮优化，整体和局部部分相互协调配合，最终形成了这个系统的最佳设计。
实施例
激光测距接收光学系统的入瞳直径150mm，总长243mm。其中，第一反射镜7倾角为71.51°，口径为153mm，曲率半径为-456.39mm，第一反射镜7中心开有直径15.7mm的孔径，用于放置激光发射准直装置。第二反射镜8为垂直于主光轴的反射镜，其曲率半径为70.691，直径为86.264mm。离轴格里高利式反射系统入瞳直径150mm，半视场角范围为0°～0.120°。视场光阑2视场角范围为0°～0.120°，中心净孔径3.2mm，总口径16mm，如图4所示，作用为滤除视场内0°～0.120°以外大视场的杂散光。滤光片3工作波长为905nm，滤光片3口径30mm。
第一透镜9的第一面曲率半径为17.770，厚度为1.202mm，第二面曲率半径为16.251，材料为LASF35。第二透镜10与第一透镜9相隔3.331mm，第二透镜10的第一面曲率半径为22.338，厚度为5.120mm，第二面曲率半径为45.274，材料为LASF35。第三透镜11与第二透镜10相隔25.499mm，第三透镜11为齐明透镜，其第一面曲率半径为3.370，厚度为5.158mm，第二面为平面，材料为NBK-7。光电探测器5为光敏面直径0.5mm的光电探测器。
如图5所示，激光发射准直装置的激光源光源13采用905nm，170W功率红外激光器，以z轴为激光发射方向，其x轴发散角为7.627°，y轴发散角为21.186°。第一准直柱透镜14距离激光源光源13轴向发射方向5.676mm，柱轴线与x轴平行，径向高度10.0mm，横向宽度12.0mm，厚度5.9mm。材料为BK7。第二准直柱透镜15在第一准直柱透镜14后方34.002mm，其柱轴线与x轴平行，径向高度12.0mm，横向宽度10.0mm，厚度2.6mm。材料为BK7。
具体地，光线从激光源光源13发射，经过第一准直柱透镜14，第二准直柱透镜15准直后从第一反射镜7的中心孔径射出，照射到目标物后被反射，反射光线被第一反射镜7接收，第一反射镜7反射会聚，通过视场光阑2至第二反射镜8，经过滤光片3滤除，再经过第一透镜9、第二透镜10、第三透镜11进行聚焦，最后到达光电探测器的光敏面12。
本发明通过优化发射端和接收端的光学设计，利用离轴格里高利式光学结构，实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，从而提高回波信号的强度和稳定性。同时，本发明还可以减少光能损失，并实现更加精确的测距结果。通过解决现有技术存在的主要缺点，本发明将推动激光测距技术的发展，并为相关应用领域带来更大的应用潜力。
Claims (2)
1.一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统；
所述第二反射镜最底端的高度比第一反射镜最顶端的高度高，所述第一反射镜倾斜设置，第二反射器垂直于主光轴设置，所述第一反射镜净口径在150mm~200mm之间，中心开孔处的净口径在10mm~15mm之间，所述第一反射镜与第二反射镜之间的光路上设有视场光阑，所述离轴反射系统的入瞳直径在150~200mm之间，半视场角范围为0°~0.240°，所述视场光阑的视场角范围为0°~0.240°，净口径6mm~8mm，中心孔径2.5~4.0mm；
所述聚焦系统包括沿光路依次设置的第一透镜，第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜与光电探测器共光轴设置，该光轴位于主光轴上方，且与主光轴之间存在夹角。
2.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，所述激光发射系统采用激光发射准直装置，包括沿光路依次设置的激光源光源、第一准直柱透镜和第二准直柱透镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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