CN117092620A - 一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统 - Google Patents

一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，包括第一、第二准直模块，包括第一、第二激光二极管、第一、第二非球面透镜和第一、第二柱面透镜，第一、第二激光二极管用于发射第一、第二准直光束，第一、第二非球面透镜用于快轴的准直，第一、第二柱面透镜用于慢轴的准直；合束模块，其用于将第一、第二准直光束合成一条混合准直光束，合束模块包括合色棱镜，合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，其镀有对应准直光束波长的增透膜。本发明提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，能够有效对激光光束进行准直，提升系统的探测效率。

Description

一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统。
背景技术
对于飞行时间传感系统来说最常用的光源器件为激光二极管(Laser Diode，简称LD)。通常来说，LD在快轴(Fast Axis)和慢轴(Slow Axis)两个方向上具有不同的发散角度，快轴为垂直于结平面的方向，慢轴为平行于结平面的方向。LD输出的光束必须要经过整形才能实际应用，现有的光学系统较难准直。
因此，有必要提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，以有效解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，能够有效对激光光束进行准直，提升系统的探测效率。
本发明实施例提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，包括：
第一准直模块，包括第一激光二极管、第一非球面透镜和第一柱面透镜，所述第一激光二极管用于发射第一准直光束，所述第一非球面透镜用于快轴的准直，所述第一柱面透镜用于慢轴的准直，所述第一非球面透镜的第一面朝向所述第一激光二极管，所述第一非球面透镜的第二面朝向所述第一柱面透镜，所述第一非球面透镜的第一面为平面面型，所述第一非球面透镜的第二面为球面面型；
第二准直模块，包括第二激光二极管、第二非球面透镜和第二柱面透镜，所述第二激光二极管用于发射第二准直光束，所述第二非球面透镜用于快轴的准直，所述第二柱面透镜用于慢轴的准直，所述第二非球面透镜的第一面朝向所述第二激光二极管，所述第二非球面透镜的第二面朝向所述第二柱面透镜，所述第二非球面透镜的第一面为平面面型，所述第二非球面透镜的第二面为球面面型；
合束模块，其用于将所述第一准直光束和第二准直光束合成一条混合准直光束，所述合束模块包括合色棱镜，所述合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；
缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，所述合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，所述前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜。
优选地，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的面型矢高具体使用如下公式进行计算：
其中，z为对应位置的面型矢高，r为径向坐标，c为面型的曲率，A为非球面系数，i为自然数。
优选地，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的数值孔径NA大于0.5。
优选地，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f为非球面透镜的焦距，D为目标光束的直径，NA为数值孔径。
优选地，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f′为柱面透镜的焦距，D为目标光束的直径，θ0为慢轴方向的发射角。
优选地，所述合色棱镜使用紫外熔融石英作为基材。
优选地，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长不同时，所述合色棱镜正对的两个棱镜面镀有相应的不同波长的窄带反射膜。
优选地，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长相同时，所述合色棱镜内部的两个正交面镀有相应的波长的二向色膜。
优选地，所述前组凸透镜和后组凹透镜使用紫外熔融石英作为基材。
优选地，所述窄带反射膜的发射带带宽为中心波长±10nm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供的一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，包括第一准直模块，包括第一激光二极管、第一非球面透镜和第一柱面透镜，所述第一激光二极管用于发射第一准直光束，所述第一非球面透镜用于快轴的准直，所述第一柱面透镜用于慢轴的准直，所述第一非球面透镜的第一面朝向所述第一激光二极管，所述第一非球面透镜的第二面朝向所述第一柱面透镜，所述第一非球面透镜的第一面为平面面型，所述第一非球面透镜的第二面为球面面型；第二准直模块，包括第二激光二极管、第二非球面透镜和第二柱面透镜，所述第二激光二极管用于发射第二准直光束，所述第二非球面透镜用于快轴的准直，所述第二柱面透镜用于慢轴的准直，所述第二非球面透镜的第一面朝向所述第二激光二极管，所述第二非球面透镜的第二面朝向所述第二柱面透镜，所述第二非球面透镜的第一面为平面面型，所述第二非球面透镜的第二面为球面面型；合束模块，其用于将所述第一准直光束和第二准直光束合成一条混合准直光束，所述合束模块包括合色棱镜，所述合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，所述合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，所述前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜，从而能够有效对激光光束进行准直。
进一步地，通过对所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的面型矢高、数值孔径、焦距，以及所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距进行设置，进一步有效对激光光束进行准直，提升系统的探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的光源在快轴和慢轴上的光路示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的准直光路示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的合束光路的示意图；
图5为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的另一合束光路的示意图；
图6为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的缩束/扩束光路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，能够有效对激光光束进行准直，提升系统的探测效率。
图1为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的示意图；图2为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的光源在快轴和慢轴上的光路示意图；图3为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的准直光路示意图；图4为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的合束光路的示意图；图5为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的另一合束光路的示意图；图6为本发明的一个实施例提供的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统的缩束/扩束光路示意图。
现在参看图1至图6，本发明实施例提供一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，包括：
第一准直模块，包括第一激光二极管、第一非球面透镜(Aspheric Lenses，简称ASPL)和第一柱面透镜(Cylindrical Lens，简称CYL)，所述第一激光二极管用于发射第一准直光束，所述第一非球面透镜用于快轴的准直，所述第一柱面透镜用于慢轴的准直，所述第一非球面透镜的第一面朝向所述第一激光二极管，所述第一非球面透镜的第二面朝向所述第一柱面透镜，所述第一非球面透镜的第一面为平面面型，所述第一非球面透镜的第二面为球面面型；
第二准直模块，包括第二激光二极管、第二非球面透镜和第二柱面透镜，所述第二激光二极管用于发射第二准直光束，所述第二非球面透镜用于快轴的准直，所述第二柱面透镜用于慢轴的准直，所述第二非球面透镜的第一面朝向所述第二激光二极管，所述第二非球面透镜的第二面朝向所述第二柱面透镜，所述第二非球面透镜的第一面为平面面型，所述第二非球面透镜的第二面为球面面型；
合束模块，其用于将所述第一准直光束和第二准直光束合成一条混合准直光束，所述合束模块包括合色棱镜，所述合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；
缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，所述合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，所述前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜。
上述系统可以将多种波长的光源整合到同一个发射系统中，并拥有相近的光束特性。合束模块可以将多个同波长的光源合束到同一光轴，提升整体的出射功率。缩束/扩束模块可以调节混合准直光束的直径，从而降低系统的侦测盲区。
在具体实施中，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的面型矢高具体使用如下公式进行计算：
其中，z为对应位置的面型矢高，r为径向坐标，c为面型的曲率，A为非球面系数，i为自然数。
在具体实施中，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的数值孔径NA大于0.5。由于激光二极管在快轴的发散角度较大，需要较大的数值孔径以作准直之用。
在具体实施中，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f为非球面透镜的焦距，D为目标光束的直径，NA为数值孔径。第一非球面透镜和第二非球面透镜的焦距f由目标光束的直径D决定。
在具体实施中，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f′为柱面透镜的焦距，D为目标光束的直径，θ0为慢轴方向的发射角。
在具体实施中，经过非球面透镜和柱面透镜的准直后，准直系统可以输出发散角小于0.1mrad的准直光束。
在具体实施中，为了能够使第一准直光束和第二准直光束能够合成一条光束，需要使用合色棱镜。由于需要合束的光源为激光光源，所述合色棱镜使用紫外熔融石英作为基材，在不同面上镀有窄带反射膜，使不同波长的光束进行合束。
在具体实施中，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长不同时，所述合色棱镜正对的两个棱镜面镀有相应的不同波长的窄带反射膜。例如，第一准直光束的波长为632nm，第二准直光束的波长为905nm，在合色棱镜正对的两个棱镜面分别镀有632nm窄带反射膜和905nm窄带反射膜，使得632nm的第一准直光束和905nm的第二准直光束成为632nm/905nm混合准直光束。
在具体实施中，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长相同时，所述合色棱镜内部的两个正交面镀有相应的波长的二向色膜。例如，第一准直光束和第二准直光束的波长都为905nm，在合色棱镜内部的两个正交面镀有905nm二向色膜，保证第一准直光束和第二准直光束中的一个光束被反射，而另一个光束被投射，使得第一准直光束和第二准直光束可以被整合到同一光路中成为混合准直光束。
在具体实施中，所述前组凸透镜和后组凹透镜使用紫外熔融石英作为基材。缩束/扩束模块使用开普勒架构，前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜，以避免激光对晶片造成直接的烧蚀。
在具体实施中，所述窄带反射膜的发射带带宽为中心波长±10nm。
综上所述，本发明实施例提供的一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，包括第一准直模块，包括第一激光二极管、第一非球面透镜和第一柱面透镜，所述第一激光二极管用于发射第一准直光束，所述第一非球面透镜用于快轴的准直，所述第一柱面透镜用于慢轴的准直，所述第一非球面透镜的第一面朝向所述第一激光二极管，所述第一非球面透镜的第二面朝向所述第一柱面透镜，所述第一非球面透镜的第一面为平面面型，所述第一非球面透镜的第二面为球面面型；第二准直模块，包括第二激光二极管、第二非球面透镜和第二柱面透镜，所述第二激光二极管用于发射第二准直光束，所述第二非球面透镜用于快轴的准直，所述第二柱面透镜用于慢轴的准直，所述第二非球面透镜的第一面朝向所述第二激光二极管，所述第二非球面透镜的第二面朝向所述第二柱面透镜，所述第二非球面透镜的第一面为平面面型，所述第二非球面透镜的第二面为球面面型；合束模块，其用于将所述第一准直光束和第二准直光束合成一条混合准直光束，所述合束模块包括合色棱镜，所述合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，所述合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，所述前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜，从而能够有效对激光光束进行准直。
进一步地，通过对所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的面型矢高、数值孔径、焦距，以及所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距进行设置，进一步有效对激光光束进行准直，提升系统的探测效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，包括：
第一准直模块，包括第一激光二极管、第一非球面透镜和第一柱面透镜，所述第一激光二极管用于发射第一准直光束，所述第一非球面透镜用于快轴的准直，所述第一柱面透镜用于慢轴的准直，所述第一非球面透镜的第一面朝向所述第一激光二极管，所述第一非球面透镜的第二面朝向所述第一柱面透镜，所述第一非球面透镜的第一面为平面面型，所述第一非球面透镜的第二面为球面面型；
第二准直模块，包括第二激光二极管、第二非球面透镜和第二柱面透镜，所述第二激光二极管用于发射第二准直光束，所述第二非球面透镜用于快轴的准直，所述第二柱面透镜用于慢轴的准直，所述第二非球面透镜的第一面朝向所述第二激光二极管，所述第二非球面透镜的第二面朝向所述第二柱面透镜，所述第二非球面透镜的第一面为平面面型，所述第二非球面透镜的第二面为球面面型；
合束模块，其用于将所述第一准直光束和第二准直光束合成一条混合准直光束，所述合束模块包括合色棱镜，所述合色棱镜的不同面上镀有窄带反射膜；
缩束/扩束模块，其用于调节所述混合准直光束的直径，所述合束模块包括前组凸透镜和后组凹透镜，所述前组凸透镜和后组凹透镜镀有对应准直光束波长的增透膜。
2.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的面型矢高具体使用如下公式进行计算：
其中，z为对应位置的面型矢高，r为径向坐标，c为面型的曲率，A为非球面系数，i为自然数。
3.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的数值孔径NA大于0.5。
4.根据权利要求3所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f为非球面透镜的焦距，D为目标光束的直径，NA为数值孔径。
5.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距具体使用如下公式进行计算：
其中，f′为柱面透镜的焦距，D为目标光束的直径，θ0为慢轴方向的发射角。
6.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述合色棱镜使用紫外熔融石英作为基材。
7.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长不同时，所述合色棱镜正对的两个棱镜面镀有相应的不同波长的窄带反射膜。
8.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，当所述第一准直光束和第二准直光束的波长相同时，所述合色棱镜内部的两个正交面镀有相应的波长的二向色膜。
9.根据权利要求1所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述前组凸透镜和后组凹透镜使用紫外熔融石英作为基材。
10.根据权利要求7所述的用于飞行时间传感的多波长激光合束发射系统，其特征在于，所述窄带反射膜的发射带带宽为中心波长±10nm。
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