CN117369101A - 一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，包括大视场像方远心透镜系统、微透镜阵列和非球面聚焦透镜；大视场像方远心透镜系统，其将不同视场的接收光束汇聚点在同一焦平面上，且回波光束的主光线都与光轴平行；微透镜阵列和回波光束聚焦平面的距离为微透镜阵列的子透镜焦距，该微透镜阵列对于不同视场的回波光束进行准直和矫正，使出射光束为平行光束，矫正后的平行光束再经非球面聚焦透镜进行聚焦，最终通过小光敏面元探测器实现大视场高聚光的信号接收。本发明克服了探测器小面元视场受限的问题，同时保证高聚光接收，以及克服系统受背景光干扰的影响，可扩展性强。

Description

一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统

技术领域

本发明属于非成像光学系统技术领域，更具体地说，是一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统。

背景技术

近年来，在互联网信息技术、光电传感器、光通信技术、自动化控制等技术的共同驱动下，人工智能发展进入了新的阶段。激光雷达作为一种有源的深度信息传感器，是传统雷达技术和现代激光技术相结合的产物。经过几十年的发展历程，目前已在激光测绘、激光跟踪、激光空间交会对接、激光遥感和激光三维成像等领域得到广泛的应用和发展。得益于激光方向性好、能量集中等优点，激光雷达具有传统微波雷达和摄像头不具备的独特优点：具有极高的角分辨率，极高的距离分辨率和测距精度，能够获得目标的多种图像，抗干扰能力强。相比于比微波雷达的体积和质量都较小等，目前受到了国内外研究机构的广泛关注。

对于传统的成像光学系统，目前已有一些设计方法扩大其信号接收视场角，如广角透镜和鱼眼透镜等，且面阵电荷耦合图像传感器件的尺寸也在不断增大(CCD)。但是在激光雷达系统应用等领域，其感光探测器不是传统的面阵CCD器件，而是具有高响应速度，高增益的雪崩光电(APD)探测器。APD的光敏面直径远小于CCD的面元直径，其接收视场也将大幅度降低，难以实现大视场探测。且大面积的阵列APD技术尚未成熟，制作工艺复杂且成本很高。人眼安全波段1550nm激光束对应的InGaAs-APD探测器的面元则更小，制作难度更高。另外由于发射的激光脉冲脉宽一般只有几个ns，因此要求探测器和后续的信号读出电路也要有非常快的响应速度和响应带宽，这也是一项很大的挑战。单个元件的凝视接收系统结构简单，可以很大程度简化系统的设计和实现小型化，从而也将提高成像激光雷达的整体稳定性和实用性，扩大其应用范围。

目前，比较成熟的增加小面元探测器接收视场的技术是在接收物镜后增加场镜、光锥或者浸没透镜等辅助光学系统。通过使用场镜、光锥和浸没透镜来扩大接收视场的方法，在保证聚焦能力的情况下能够适当增加接收视场的范围，但是这些方案对于小面元探测器扩大接收视场的效果有限，不能达到较大接收视场的系统要求，且不能克服背景光辐射的影响。

发明内容

由于现有技术存在的上述问题，本发明提出一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其解决了现有的激光雷达小面元探测器接收视场小的问题，同时保证系统实现高聚光探测和克服背景光干扰。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，包括大视场像方远心透镜系统、微透镜阵列和非球面聚焦透镜；所述大视场像方远心透镜系统，其将不同视场的接收光束汇聚点在同一焦平面上，且回波光束的主光线都与光轴平行；所述微透镜阵列和所述回波光束聚焦平面的距离为微透镜阵列的子透镜焦距，该微透镜阵列对于不同视场的所述回波光束进行准直和矫正，使出射光束为平行光束，矫正后的平行光束再经所述非球面聚焦透镜进行聚焦，最终通过小光敏面元探测器实现大视场高聚光的信号接收。

进一步地，所述的大视场像方远心透镜系统，由五片透镜和光阑组成，其接收视场为40°当回波光束视场相差0.5°时，聚焦点之间的距离为260um。

进一步地，整个所述微透镜阵列由若干个子透镜规则排列构成，其中单个子透镜呈平凸形状，其四个侧面和底面均为平面，顶面为曲面，该曲面实现光束汇聚。子透镜侧面为平面的设计实现子透镜之间无缝隙。

进一步地，所述微透镜阵列的中心半径是13mm，单个微透镜单元直径为260um，焦距为65um。

进一步地，所述的微透镜阵列的材料是玻璃BK7，n＝1.52。

进一步地，还包括一个干涉滤光片，其设于所述微透镜阵列之后，所述干涉滤光片，其为采用真空涂覆方法在玻璃表面上涂覆具有特定厚度的光学薄膜层，利用干涉原理使特定光谱范围内的光波通过，通过的光波再通过所述非球面聚焦透镜汇聚至所述小光敏面元探测器。

进一步地，还包括一个半反半透棱镜，第二非球面聚焦透镜和第二探测器，所述半反半透棱镜的材料选用玻璃BK7，折射率n为1.52。

有益效果：

本发明可实现大视场高聚光宽带探测，同时克服不同回波激光束对干涉滤光片的影响，克服背景光干扰，像方远心透镜将不同角度的回波光束进行会聚，且使回波光束的主光线平行于光轴，不同角度回波光线会聚点在同一焦平面上，微透镜阵列将不同角度的会聚光束进行准直，使出射光束为平行光束，准直后的平行光束经过非球面聚焦透镜会聚至小面元的APD探测器上，实现大视场、高聚光、抗背景光干扰的回波信号接收，此光学系统可广泛应用于诸多非成像探测系统中，例如激光雷达等领域。此系统克服了探测器小面元视场受限的问题，同时保证高聚光接收，以及克服系统受背景光干扰的影响，可扩展性强。

附图说明

图1为本发明结构图

图2为像方远心透镜设计光路示意图

图3为微透镜阵列实体图

图4为微透镜阵列矫正后的光路图

图5为干涉滤光片不同入射角度对不同波长激光束的滤光性能曲线图

图6为克服背景光干扰的系统结构图

图7为小面元大视场高聚光相干接收光学系统结构图

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

具体实施方式一：

本实施方式的小面元大视场高聚光接收光学系统，包括大视场像方远心透镜系统101、微透镜阵列102和非球面聚焦透镜103。结合图1-图4说明本实施方式。

所述的小面元大视场高聚光接收光学系统，如图1所示，包括大视场像方远心透镜系统101，对于不同视场的接收光束，通过大视场像方远心透镜系统101后光束汇聚点在同一焦平面上，且回波光束的主光线都与光轴平行，然后确定微透镜阵列102和回波光束聚焦平面的距离，距离为微透镜阵列的子透镜焦距。微透镜阵列对于不同视场的回波光束进行准直和矫正，使出射光束为平行光束，矫正后的平行光束再经过一个非球面聚焦透镜103进行聚焦，最终通过小光敏面元探测器104实现大视场高聚光的信号接收。

所述的大视场像方远心透镜系统101，如图2所示，由五片透镜201、202、203、204、205和光阑206组成。可以看到不同视场的回波光束均可以汇聚到同一焦平面上，且每一束主光线均与光轴平行。当回波光束视场相差0.5°时，聚焦点之间的距离为260um，此距离用以匹配微透镜阵列中子透镜的直径和焦距。

所述的微透镜阵列102，如图3所示，整个微透镜阵列102由若干个子透镜规则排列构成，其中单个子透镜呈平凸形状，其四个侧面和底面均为平面，顶面为曲面，该曲面实现光束汇聚。子透镜侧面为平面的设计实现子透镜之间无缝隙。子透镜边长为260um，焦距为65um，材料为BK7。

所述的大视场像方远心透镜系统101和微透镜阵列102组合系统，如图4所示。回波光束经过像方远心透镜后会聚于焦平面处，且主光线和光轴平行。微透镜阵列置于焦平面之后一倍焦距处，光线经过微透镜阵列之后矫正为平行光束。

所述的小面元大视场高聚光接收光学系统整体，如图1所示。系统组成为像方远心透镜系统101、微透镜阵列102、非球面聚焦透镜103和小光敏面元探测器104。光束经过微透镜阵列102之后被矫正为平行光束，微透镜阵列102后放置非球面聚焦透镜103，非球面聚焦透镜103将光束会聚至小光敏面元探测器104上。探测器104和聚焦透镜103距离为非球面聚焦透镜的后焦距长度。

具体实施方式二：

本实施方式为克服背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统。所述的克服背景光干扰的小面元大视场光学接收系统是在具体实施方式一上增加一个干涉滤光片105。

窄带滤光片主要有两种：吸收型和干涉型。吸收型滤光片主要基于有色玻璃，利用其能够吸收特定波长光的特性。吸收型滤光片的优点是稳定性和均匀性好，良好的光束质量和较低的制造成本。但是，缺点是通带相对较大，通常大于30nm，对于弱信号的探测性能不佳。干涉型滤光片采用真空涂覆方法在玻璃表面上涂覆具有特定厚度的光学薄膜层。一块玻璃由多层薄膜组成，利用干涉原理使特定光谱范围内的光波通过，通带窄，滤光性能更佳。但是基于干涉原理，不同的入射角会导致不同的光程差，因此干涉型滤光片对入射角度会非常敏感。如图5所示为窄带滤光片在不同入射角度对不同波长激光束的滤光性能，随着入射角度的增加，中心波长发生偏移，滤光性能下降。

本发明组成的接收光学系统将不同视场的回波光束矫正为平行光束，在微透镜阵列后放置干涉滤光片。系统可以避免入射角度的不同降低干涉滤光片的性能，可克服大视场接收过程中遇到的背景光干扰，系统结构如图6所示。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，

本实施方式为小面元大视场高聚光相干接收光学系统。

本实施方式为一种相干接收系统，所述的相干接收系统是在实施方式一基础上，增加一束参考光束，增加一个半反半透棱镜106，非球面聚焦透镜107和探测器108。其结构如图7所示。

在非常弱信号探测时，系统往往需要采用相干探测，系统需要保证参考光和接收光束的空间相干性和时间相干性。为了在探测器的光敏面上得到有效的光干涉,光外差探测除了要求本振光与入射信号光偏振方向相同,能流矢量保持一致,即保持空间上的角准直(准直、共轴)外,还要求两光波的波阵面必须曲率匹配。研究表明,为保证两束光的空间相干性，本振光与信号光两光束入射夹角θ满足:

其中λ为激光波长，D为探测器光敏面直径。

本发明所述的相干系统将不同视场回波光束矫正为平行光束，通过半反半透镜后，接收光束和参考光束一并会聚至探测器上，保证了两束光能够实现很好的相干。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，包括大视场像方远心透镜系统、微透镜阵列和非球面聚焦透镜；

所述大视场像方远心透镜系统，其将不同视场的接收光束汇聚点在同一焦平面上，且回波光束的主光线都与光轴平行；

所述微透镜阵列和所述回波光束聚焦平面的距离为微透镜阵列的子透镜焦距，该微透镜阵列对于不同视场的所述回波光束进行准直和矫正，使出射光束为平行光束，矫正后的平行光束再经所述非球面聚焦透镜进行聚焦，最终通过小光敏面元探测器实现大视场高聚光的信号接收。

2.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，所述的大视场像方远心透镜系统，由五片透镜和光阑组成，其接收视场为40°当回波光束视场相差0.5°时，聚焦点之间的距离为260um。

3.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，整个所述微透镜阵列由若干个子透镜规则排列构成，其中单个子透镜呈平凸形状，其四个侧面和底面均为平面，顶面为曲面，该曲面实现光束汇聚。

4.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，所述微透镜阵列的中心半径是13mm，单个微透镜单元直径为260um，焦距为65um。

5.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，所述的微透镜阵列的材料是玻璃BK7，n＝1.52。

6.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，还包括一个干涉滤光片，其设于所述微透镜阵列之后，所述干涉滤光片，其为采用真空涂覆方法在玻璃表面上涂覆具有特定厚度的光学薄膜层，利用干涉原理使特定光谱范围内的光波通过，通过的光波再通过所述非球面聚焦透镜汇聚至所述小光敏面元探测器。

7.根据权利要求1所述的一种抗背景光干扰的小面元大视场高聚光接收光学系统，其特征在于，还包括一个半反半透棱镜，第二非球面聚焦透镜和第二探测器，所述半反半透棱镜的材料选用玻璃BK7，折射率n为1.52。