CN207081864U - 一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，包括准直镜、滤光片、聚焦镜三部分；耦合光学系统将光纤束中的发散光耦合进探测器中，数值孔径NA＝0.22，波长1064nm；从光纤束出射的发散光首先经过准直镜准直成平行光，然后经过滤光片滤光，最后由聚焦镜聚焦到探测器光敏面上；整个耦合光学系统一共6片光学镜片，材料为H‑ZF7LA与BK7。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种大数值孔径耦合光学系统，用于光纤出射光不能直接耦合进探测器中的情况，能够提高耦合效率并可在探测器前加入滤光片等元件，适用于激光雷达接收处理、激光器与光纤耦合等系统。
背景技术
光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等方面的领域被广泛而大量的应用。而光纤耦合技术的研究国外早在上世纪80 年代就开始了，1986年，H.Ueno和M.Toyama用单个平凸梯度折射率透镜将激光器的光耦合进单模光纤；KenjiKawano使用一个球面透镜和两个自聚焦棒作为耦合系统，得到了3.0dB的最大耦合效率。目前，国外光纤耦合模块技术已经发展的较为成熟，其中最典型的有：美国的太阳神(Apollo)公司已经生产了输出功率为1500W的光纤耦合模块，日本钢铁公司Yamaguchi提出的多棱镜阵列耦合方法，英国南安普顿大学光电研究中心Clack Son提出的双反射镜光纤耦合方法，德国夫朗和菲激光技术研究所基于阶梯反射镜光纤耦合方法等。但是，上述耦合方法基本都是针对激光器出射光耦合进光纤中的，并不能应用在激光雷达中继光学接收处理系统中。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题：根据激光雷达系统需求，设计了一种大数值孔径，用于将光纤束出射光耦合进探测器中的耦合光学系统，并且设计的耦合系统光路中能够加入滤光片，解决了光纤束与探测器之间的光传输问题。
本实用新型的技术方案：一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，包括光纤束系统、耦合光学系统和探测器；所述耦合光学系统包括准直镜和聚焦镜；光纤束系统放置在准直镜焦平面处，探测器放置在聚焦镜焦平面处；耦合光学系统接收光纤束出射的发散光，经过准直镜准直成平行光，最后由聚焦镜聚焦到探测器光敏面上。
所述耦合光学系统还包括滤光片；滤光片放置在准直镜与聚焦镜之间的平行光路中，滤光片的入射角度θ＝1°。
所述准直镜的出瞳与耦合镜组的入瞳重合。
所述耦合光学系统的波长λ＝1064nm，光纤数值孔径NA＝0.22，光纤束纤芯直径Φ2.8mm，探测器光敏面直径Φ0.8mm。
所述准直镜包括三片镜片，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、H-ZF7LA。
所述聚焦镜包括三片镜片，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、H-ZF7LA。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型区别于现有的将激光器等光源光耦合进光纤中的耦合技术，而是将光纤束发散光耦合进探测器中，开拓了光纤耦合的应用范围，能够应用在多种激光雷达系统中。
(2)本实用新型采用准直镜+聚焦镜组合的形式进行耦合镜设计，在装调时可以先装调准直镜，调成平行光后再进行聚焦镜装调，可以降低装调难度与周期。
(3)本实用新型解决了探测器前加装滤光片的问题，由于探测器入射光一般为聚焦光，但是滤光片对光线入射角有严格的要求，不能超过一定的角度，否则会引起透射率的大大降低，本实用新型中准直镜与聚焦镜之间的平行光可以加装滤光片。
(4)本实用新型设计灵活，在平行光部分可以根据不同的使用需求加入分光镜、分色镜等光学元件，能够满足不同的使用条件。
附图说明
图1为本实用新型耦合光学系统原理图；
图2为本实用新型耦合光学系统准直镜设计图；
图3为本实用新型耦合光学系统准直镜MTF评价图；
图4为本实用新型耦合光学系统准直镜点列图；
图5为本实用新型耦合光学系统聚焦镜设计图；
图6为本实用新型耦合光学系统聚焦镜MTF评价图；
图7为本实用新型耦合光学系统聚焦镜点列图；
图8本实用新型耦合光学系统总设计图。
具体实施方式
一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统可以实现光纤束发散光与探测器光敏面耦合功能，耦合光学系统原理图如图1所示：
考虑到探测器前面需加入滤光片，而滤光片对光线入射角度有要求的问题，设计的耦合光学系统分为准直镜组与聚焦镜组，准直镜组与聚焦镜组之间为平行光，设计时根据滤光片所能接受的最大光线入射角设计平行光的光线角度；光纤束放置在准直镜组的焦平面处，探测器光敏面放置在聚焦镜组焦平面处。
下面对上述设计过程进行详细介绍
●耦合光学系统总体指标参数
耦合光学系统设计输入参数如下：
波长λ＝1064nm；
光纤数值孔径NA＝0.22；
光纤束直径d＝2.8mm；
探测器光敏面直径Φ＝0.8mm；
滤光片入射角度θ＝1°。
设计时将准直镜组与耦合镜组分开设计，最终组合到一起，但是需要确保准直镜组的出瞳与耦合镜组的入瞳重合，这样能够保证最大的光能效率。
●准直镜组光学设计
进行准直镜组设计时需反向设计，则滤光片入射角度θ＝1°就是准直镜组半视场角。光纤束直径D＝2.8mm就是准直镜组像面大小。由公式(1)可求出准直镜组焦距f1＝80mm。
因为准直镜准直的是光纤束的出射光，光纤束的数值孔径为0.22，为了光纤束中的光都能进入到准直镜组中，需要准直镜的数值孔径NA1≥0.22，由公式(2)可知，NA1越大，越大，准直镜的通光口径D越大，根据使用需求，通光口径D越小越好，所以选取准直镜通光口径NA1＝0.22，则D＝36mm。
由以上参数进行光学设计结果如图2所示，设计值NA1＝0.222，像面大小 2.8mm，满足设计需求。准直镜由三片镜片组成，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、H-ZF7LA，在1064nm波段内均具有良好的透过率。设计的准直镜组性能评价图见图3、图4，由MTF图与点列图可知达到了衍射极限性能。
●聚焦镜光学镜组设计
聚焦镜组光学设计时，准直镜组视场角θ＝1°也是聚焦镜组视场角，准直镜通光口径D＝36mm也是聚焦镜组的通光孔径大小。探测器光敏面直径Φ＝0.8mm，但是设计时需留出余量，所以按聚焦镜组像面大小0.6mm设计。由公式(1)可知，聚焦镜焦距f2＝17.13mm，则聚焦镜组的F数位0.46，如此小的F数给光学系统设计带来了一定的难度，最终的设计结果如图5所示，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、 H-ZF7LA。像面大小0.68mm，满足使用需求。聚焦镜性能如图6、图7所示，由MTF图可见，在20lp/mm处，MTF为0.28，满足系统使用性能需求。
●耦合光学系统设计
在完成准直镜组与聚焦镜组设计后，将准直镜组与聚焦镜组组合，如图8 所示，系统设计参数见表1。表中列出了图8中1-12面的面型、半径与厚度，其中厚度包含镜片厚度与镜间距离。
表1
| 序号 | 面型 | 半径 | 厚度(mm) | 材料 |
| 物面 | -- | Infinity | 29.018 | |
| 1 | 球面 | -175.125 | 7 | H-ZF7LA |
| 2 | 球面 | -41.5 | 82.93 | |
| 3 | 球面 | 333.3 | 5.2 | BK7 |
| 4 | 球面 | 136.46 | 4 | |
| 5 | 球面 | 580.8 | 5.2 | H-ZF7LA |
| 6 | 球面 | -110.16 | 30 | |
| 7 | 球面 | 37.74 | 8 | H-ZF7LA |
| 8 | 球面 | -200.642 | 6.2 | |
| 9 | 球面 | -41.31 | 7 | BK7 |
| 10 | 球面 | -93.1 | 0.2 | |
| 11 | 球面 | 12.253 | 7 | H-ZF7LA |
| 12 | 球面 | 18.88 | 10 | |
| 像面 | -- | Infinity | -- |
滤光片放置在平行光路中，准直镜组与聚焦镜组之间的平行光路距离可以根据实际使用需求进行调整，用在其他系统中时，可以根据需求在平行光路中加入分色镜、分光镜的光学元件。
本实用新型未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：包括光纤束系统、耦合光学系统和探测器；所述耦合光学系统包括准直镜和聚焦镜；光纤束系统放置在准直镜焦平面处，探测器放置在聚焦镜焦平面处；耦合光学系统接收光纤束出射的发散光，经过准直镜准直成平行光，最后由聚焦镜聚焦到探测器光敏面上。
2.根据权利要求1所述的一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：所述耦合光学系统还包括滤光片；滤光片放置在准直镜与聚焦镜之间的平行光路中，滤光片的入射角度θ＝1°。
3.根据权利要求1所述的一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：所述准直镜的出瞳与耦合镜组的入瞳重合。
4.根据权利要求1所述的一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：所述耦合光学系统的波长λ＝1064nm，光纤数值孔径NA＝0.22，光纤束纤芯直径Φ2.8mm，探测器光敏面直径Φ0.8mm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：所述准直镜包括三片镜片，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、H-ZF7LA。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种大数值孔径用于光纤束与探测器耦合的光学系统，其特征在于：所述聚焦镜包括三片镜片，镜片类型依次为凸透镜、凹透镜、凸透镜，镜片材料依次为H-ZF7LA、BK7、H-ZF7LA。
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|---|---|---|---|---|
| CN109141628A (zh) * | 2018-06-14 | 2019-01-04 | 上海卫星工程研究所 | 一种星载光纤焦平面探测器装置 |
| CN110471144A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-19 | 北京工业大学 | 一种消像差的万瓦级光纤连接器 |
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