CN211856888U - 一种光学系统及雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种光学系统及雷达，所述光学系统包括：弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备，由于弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具备多个第一焦点和一个第二焦点，而每个第一焦点和第二焦点都对应所述弧形共焦式椭球凹面反射镜沿轴线所剖的平面上的椭圆线对应的椭圆的两个焦点，多个椭圆线绕所述轴线旋转形成所述内凹反射面，相当于多个椭球凹面反射镜共用一个公共焦点，而多个第一焦点形成圆弧形或圆环形，因此，等效光源设置在第一焦点处，其出射的光被反射后均能够会聚至第二焦点，也即会聚于公共焦点处的一个点，实现了通过简单的光学系统将圆弧形光源发出的光会聚于一点，进行后续光线耦合或其他光学处理的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统及雷达。
背景技术
工程中经常使用到环形光源，如机械旋转式激光雷达对应的光源，如图1所示，OO′为激光雷达的旋转轴，F11为所有光线的等效发射点，由于激光雷达是成360°旋转，从而造成激光雷达所发射的激光在水平方向呈圆环形分布，或呈其他角度旋转，则在水平方向呈圆弧形分布。并且激光出光点偏离旋转轴一定的距离L，该距离即圆环形或圆弧形的半径。
然而实际中，需要对上述光源发出的光进行耦合分析或其他光学处理，但是通过传统的凹面镜或简单的光学系统无法将圆弧形光源发出的光会聚于一点，使得光束无法进行耦合或其他光学处理。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种光学系统及雷达，以解决现有技术中无法将弧形光源发出的光会聚于一点，导致的无法对弧形光源进行耦合或其他光学处理的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种光学系统，包括：
弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备；
所述弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具有第一焦点和第二焦点，所述第一焦点为多个，分布于所述内凹反射面内侧的多个方位上，且形成圆弧形或圆环形；所述第二焦点为一个，位于轴线上，所述轴线为垂直于所述圆弧形或圆环形所在平面且经过所述圆弧形或圆环形圆心的轴线；其中，所述内凹反射面用于将位于所述圆弧形或圆环形的多个方位上的等效光源发出的光反射后会聚至所述第二焦点；
所述光学处理设备的光接收端用于接收会聚至所述第二焦点上的光，并进行光学处理。
优选地，所述等效光源由沿所述圆弧形或圆环形运动的光源形成，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜上还设置有校准口，所述光学系统还包括光电探测器；
所述光电探测器正对所述校准口，用于接收所述等效光源经过所述校准口出射的光。
优选地，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜还包括：
与所述内凹反射面相对的非反射面；
所述内凹反射面与所述轴线所在的任一平面的交线为椭圆的一部分，所述椭圆的一个焦点为所述任一平面内的一个第一焦点，所述椭圆的另一个焦点为所述第二焦点。
优选地，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜为圆形共焦式椭球凹面反射镜。
优选地，所述光学处理设备包括：会聚透镜组和光纤；
其中，所述会聚透镜组的光轴与所述轴线位于同一条直线，且所述光纤位于所述会聚透镜组背离所述第二焦点的一侧，会聚于所述第二焦点的光束通过所述会聚透镜组耦合至所述光纤的入射端面。
优选地，所述会聚透镜组包括第一平凸透镜和第二平凸透镜；
所述第一平凸透镜平面与所述第二平凸透镜的平面相对设置；
且所述会聚透镜组的物方焦点与所述第二焦点重合，所述会聚透镜组的像方焦点与所述光纤的入射端面重合。
优选地，所述会聚透镜组还包括用于调节所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜位置的安装夹具。
本实用新型还提供一种雷达，包括：上面任意一项所述的光学系统。
优选地，所述雷达为激光雷达。
经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的光学系统，包括：弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备，由于弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具备多个第一焦点和一个第二焦点，而每个第一焦点和第二焦点都对应所述弧形共焦式椭球凹面反射镜沿轴线所剖的平面上的椭圆线对应的椭圆的两个焦点，多个椭圆线绕所述轴线旋转形成所述内凹反射面，也即位于第一焦点处的光源发出的光经过弧形共焦式椭球凹面反射镜反射后会聚在第二焦点，相当于多个椭球凹面反射镜共用一个公共焦点，而多个第一焦点形成圆弧形或圆环形，因此，等效形状为圆环形或圆弧形的光源设置在第一焦点处，其出射的光被反射后均能够会聚至第二焦点，也即会聚于公共焦点处的一个点，实现了通过简单的光学系统将圆弧形光源发出的光会聚于一点，进行后续光线耦合或其他光学处理的目的。
进一步地，本实用新型中还可以在弧形共焦式椭球凹面反射镜上开设校准口，并在光学系统中增加设置光电探测器，使得光电探测器能够通过校准口接收圆弧形光源的光线进行水平校准，简化了雷达的水平零刻度位置的校准过程。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的激光雷达形成环形光源的原理示意图；
图2为现有技术中采用传统的椭球光学凹面镜进行光线会聚的结构示意图；
图3为本实用新型提供的一种激光光学系统结构示意图；
图4为本实用新型提供的一种焦点分离的椭球凹面反射镜原理示意图；
图5为本实用新型提供的一种弧形共焦式椭球凹面反射镜剖面图；
图6为本实用新型提供的一种弧形共焦式椭球凹面反射镜Zemax仿真模型图；
图7为本实用新型提供的一种会聚透镜组的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中激光雷达呈一定角度旋转，形成弧形光源，而无法会聚一点进行耦合分析或其他光学处理。
发明人发现，出现上述现象的原因是：多线激光雷达(多线激光雷达是指雷达水平方向旋转时，在垂直方向同时或按一定的时序发射多条探测光线)的发射光线在垂直方向也有一定的分布。由于使用中激光雷达旋转后形成的环形光源不能等效为点光源，通过传统的椭球镜或简单光学系统并不能实现收集并会聚于一个点的使用需求。如图2中所示，为采用传统的椭球光学凹面镜进行光线会聚，由于激光雷达的出光点偏离光源旋转轴一定距离，光出射的位置并不是椭球的焦点F1，导致经过椭球光学凹面镜反射后的光线并不能严格会聚于另一个椭球的焦点F2。因此，传统的椭球镜并不能将圆弧形光源或环形光源会聚于一个点。
基于此，本实用新型提供一种光学系统，包括：
弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备；
所述弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具有多个第一焦点和一个第二焦点，所述多个第一焦点位于所述内凹反射面内侧的多个方位上，且形成圆弧形或圆环形；所述第二焦点位于垂直于所述圆弧形或圆环形所在平面并且经过所述圆弧形或圆环形圆心的轴线上；其中，所述内凹反射面用于将位于所述圆弧形或所述圆环形的多个方位上的等效光源发出的光反射后会聚至所述第二焦点；
所述光学处理设备的光接收端用于接收会聚至所述第二焦点上的光，并进行光学处理。其中，光学处理的过程为现有技术，此处不再赘述。
本实用新型提供的光学系统，包括：弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备，由于弧形共焦式椭球凹面反射镜的第一焦点形成圆弧形或圆环形，光源与第一焦点重合，另一个焦点为椭球凹面反射镜的公共焦点，也即圆弧形光源发出的光经过弧形共焦式椭球凹面反射镜后会聚的第二焦点，相当于多个椭球凹面反射镜共用一个公共焦点，因此，实现了通过简单的光学系统将圆弧形光源发出的光会聚于一点，进行后续光线耦合或其他光学处理的目的。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参见图3，图3为本实用新型提供的一种光学系统结构示意图，所述激光光学系统包括：
弧形共焦式椭球凹面反射镜2和光学处理设备。
其中，弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具有多个第一焦点和一个第二焦点，多个第一焦点位于内凹反射面内侧的多个方位上，且形成圆弧形或圆环形；第二焦点位于轴线上，所述轴线为垂直于圆弧形或圆环形所在平面且经过所述圆弧形或圆环形圆心的轴线；其中，内凹反射面用于将位于圆弧形或圆环形的多个方位(也即与第一焦点重合)的等效光源发出的光反射后会聚至第二焦点；光学处理设备的光接收端用于接收会聚至第二焦点上的光，并进行光学处理。
为了方便说明，本实用新型实施例中图3中添加设置等效为圆弧形或圆环形的光源1来说明光线方向；另外本实用新型实施例中不限定光学处理设备，可选的，所述光学处理设备包括会聚透镜组5和光纤6。
其中，所述圆弧形光源1位于所述弧形共焦式椭球凹面反射镜2的凹面侧；本实用新型中，等效为圆弧形光源1的位置即为弧形共焦式椭球凹面反射镜2的多个第一焦点所处的位置。本实施例中所述的等效光源可以是由一个光源沿圆弧形运动或圆环形运动形成的圆弧形或圆环形光源。在静态状态下，可以只是单个点光源，在沿某一个点做圆周运动时，形成等效圆弧形或圆环形光源。
弧形共焦式椭球凹面反射镜具有一个第二焦点，第二焦点为多个椭球凹面反射镜的公共焦点，所述圆弧形光源1发出的光3经过所述弧形共焦式椭球凹面反射镜2会聚到第二焦点4；
所述第二焦点4与所述圆弧形光源圆心F1的连线F2F1(也即所述轴线)，垂直于所述圆弧形光源1所在的平面；
所述会聚透镜组5的光轴、所述光纤6的光轴与所述连线F2F1位于同一条直线，且所述光纤6位于所述会聚透镜组5背离所述圆弧形光源1的一侧；
经过所述第二焦点4的光束通过所述会聚透镜组5耦合至所述光纤6的入射端面。
需要说明的是，本实施例中不限定第一焦点组成的圆弧，也即与第一焦点重合的圆弧形光源1的具体周长，圆弧形光源1可以只是圆的一部分弧，也可以是整个圆周，本实施例中光学系统可以用作激光光源中，也即应用在激光雷达技术领域，根据激光雷达的旋转角度不同，形成等效圆弧形光源的弧长随之不同，例如，激光雷达的旋转角度只有90°，对应的圆弧形光源为1/4圆；激光雷达的旋转角度为180°，则对应形成的弧形光源为1/2圆；若激光雷达的旋转角度为360°，则形成整个圆形的圆弧形光源。
对应的，当圆弧形光源1的弧长不一时，为了避免材料浪费，且能够保证圆弧形光源1出射的光都能够会聚至一点，本实施例中弧形共焦式椭球凹面反射镜2的弧长与圆弧形光源1的形状对应设置。所述对应设置为，当圆弧形光源为1/4圆时，弧形共焦式椭球凹面反射镜2也为1/4圆；当圆弧形光源为1/2圆时，弧形共焦式椭球凹面反射镜2也为1/2圆；当圆弧形光源为整个圆时，弧形共焦式椭球凹面反射镜2也为整个圆周。
本实施例中可选的，第一焦点处设置的圆弧形光源可以包括激光光源和旋转体，所述旋转体的旋转轴与所述连线位于同一条直线；所述激光光源随所述旋转体旋转，等效为所述圆弧形光源，所述旋转体的旋转角度为360°，所述圆弧形光源为圆环形光源。也即如图3中的圆弧形光源1所示，对应的，弧形共焦式椭球凹面反射镜为圆形共焦式椭球凹面反射镜。
需要说明的是，请继续参见图3，本实施例中为方便示意，仅显示弧形共焦式椭球凹面反射镜的反射面。实际上，弧形共焦式椭球凹面反射镜为具有实际体积的立体结构，本实施例中不限定弧形共焦式椭球凹面反射镜的具体形状，可选的，弧形共焦式椭球凹面反射镜包括：与所述圆弧形光源对应设置，且弯向所述圆弧形光源的反射面(如图3中的2所示)，以及与所述反射面相对的非反射面；所述反射面在沿所述连线所在的平面内(也即图3所在的平面内)为椭圆线，所述椭圆的一个焦点为所述第一焦点，也即所述圆弧形光源在所述连线所在的平面内的点F11，所述椭圆的另一个焦点为所述第二焦点，也即F2。
为详细说明本实用新型实施例提供的弧形共焦式椭球凹面反射镜的工作原理，请参见图4-图6，其中，图4为焦点分离的椭球凹面反射镜原理示意图；图5为共焦式椭球凹面反射镜剖面图；图6为共焦式椭球凹面反射镜Zemax仿真模型图。如图4所示，本实施例中提供的弧形共焦式椭球凹面反射镜是通过将传统椭球镜的某个焦点绕着另一个焦点旋转一定角度α，旋转分离后的焦点为F11，旋转角度α由出光点与光源对称轴(图中F1、F2所在的轴)的距离L以及椭球的半焦距c决定，具体计算公式为：
由于设计中使焦点F1绕着另一个焦点F2旋转角度α后到达F11，显然F11与F2为旋转后椭圆的焦点对。根据椭圆的基本光学原理，此时从焦点F11发射的光束经镜面反射后必然会聚于焦点F2。根据系统具体使用需求，在旋转后的椭圆上选取合适的尺寸进行截取，分离后的焦点F11绕着光源对称轴(图中F1、F2所在的轴)旋转360°或其他实际使用需要的角度后，焦点构成一个圆形或圆形的一部分也即圆弧，这样的焦点分布满足圆弧形光源的需求，并且所有的焦点有一个公共焦点F2，根据椭圆的光学性质可知，从任意圆弧形光源处发射的光束经镜面反射后必然能够会聚于公共焦点F2处。由于旋转后的环形焦点有一个公共的焦点，所以这种凹面反射镜称之为共焦式椭球凹面反射镜。
实际设计的共焦式凹面反射镜的纵向切面图如图5所示，图中F11、F12为圆弧形光源，也即焦点上的两个对称点，F2为F11、F12的公共焦点。由图中可知从F11、F12处发射的光束3经凹面镜反射后会聚于公共焦点F2处，激光雷达2的放置如图5中所示。
图6为基于上述实施过程建立的Zemax仿真模型，由仿真图可知，圆弧形焦点发射的光束经过镜面反射后都会聚于公共焦点处，此模型的仿真进一步验证了本实施例中提供的弧形椭球凹面反射镜能够将圆弧形光源会聚至一点，从而能够对弧形光源进行其他光学处理。
由于公共焦点F2处的会聚光点4的入射角、光斑大小一般不满足光纤的耦合需求，因此在公共焦点F2后放置会聚透镜组5，本实施例中不限定会聚透镜组5的具体结构，可选的，会聚透镜组5包括两个平凸透镜，分别为第一平凸透镜和第二平凸透镜，如图7所示，第一平凸透镜平面与所述第二平凸透镜的平面相对设置；且所述会聚透镜组的物方焦点与所述会聚光点4重合，所述会聚透镜组的像方焦点与所述光纤6的入射端面重合。本实施例中可以通过特定的夹具9将第一平凸透镜和第二平凸透镜固定安装形成会聚透镜组5。也可以通过夹具9的调节，实现第一平凸透镜和第二平凸透镜的间距的精密调节。经会聚透镜组5对公共交点处的会聚光点4的光斑尺寸进一步压缩、入射角优化，使得后续的光束可以高效率地耦合进光纤6，方便进行后续的处理、分析。
此外，由于激光雷达这一类光源水平方向是高速旋转的，对于如何有效地校准水平零刻度位置带来了很大的困难。而本实施例中提供的激光光学系统，可以通过在弧形共焦式椭球凹面反射镜上开设通孔，也即图3中的校准孔7以及增加设置的光电探测器8实现对于激光雷达旋转中水平零刻度位的校准。
本实施例中不限定校准孔7的开设位置，所述校准口能够将圆弧形光源的光导出到弧形共焦式椭球凹面反射镜外侧即可，从而使得光电探测器8能够计算得到水平零刻度位置。
但经过发明人发现，由于激光雷达发射的光线在水平方向比较密集，垂直方向也是固定角度分布，因此校准孔7的开孔位置及开孔直径都有严格要求，若开孔不合理会致使许多光线透过，从而零刻度校准容易出现错误。实际过程中，可以根据所采用的激光雷达光线分布，计算及合理设计开孔位置及大小。激光雷达在水平高速旋转扫描过程中，当水平方向旋转到校准孔7位置就会有部分光线从校准孔7透过，透过的光线达到高速响应的光电探测器感光面8，从而光电探测器输出相应的脉冲序列信号，结合具体的检测算法，基于该信号可以检测出某一特定光线位置作为雷达旋转中水平零刻度位置校准的触发信号，从而实现激光雷达旋转中水平零刻度位置的校准。
基于相同的发明构思，本实用新型实施例还提供一种雷达，包括上面实施例中所述的光学系统。所述雷达可以为旋转式激光雷达，通过激光旋转扫描后形成等效圆弧形光源。
本实用新型实施例中提供的光学系统，由于采用弧形共焦式椭球凹面反射镜，能够将圆弧形光源严格会聚至一点，再通过会聚透镜组的进一步光斑压缩以及入射角优化，使得圆弧形光源发出的光能够耦合至光纤中，从而方便后续对圆弧形光源的光学分析或其他光学处理。
另外，由于本实用新型实施例提供的光学系统，还能够实现雷达旋转中水平零刻度位置的有效校准。
本实用新型实施例提供的光学系统和雷达，均仅采用弧形共焦式椭球凹面反射镜即可将圆弧形光源会聚至一点，相对于传统的椭球凹面反射镜而言，能够实现将圆弧形光源严格会聚至一点，且结构简单，并没有增加更多光学元件，因此，本实用新型提供的光学系统具有简洁的特点。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种光学系统，其特征在于，包括：
弧形共焦式椭球凹面反射镜和光学处理设备；
所述弧形共焦式椭球凹面反射镜包括内凹反射面，且具有第一焦点和第二焦点，所述第一焦点为多个，分布于所述内凹反射面内侧的多个方位上，且形成圆弧形或圆环形；所述第二焦点为一个，位于轴线上，所述轴线为垂直于所述圆弧形或圆环形所在平面且经过所述圆弧形或圆环形圆心的轴线；其中，所述内凹反射面用于将位于所述圆弧形或圆环形的多个方位上的等效光源发出的光反射后会聚至所述第二焦点；
所述光学处理设备的光接收端用于接收会聚至所述第二焦点上的光，并进行光学处理。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述等效光源由沿所述圆弧形或圆环形运动的光源形成，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜上还设置有校准口，所述光学系统还包括光电探测器；
所述光电探测器正对所述校准口，用于接收所述等效光源经过所述校准口出射的光。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜还包括：
与所述内凹反射面相对的非反射面；
所述内凹反射面与所述轴线所在的任一平面的交线为椭圆的一部分，所述椭圆的一个焦点为所述任一平面内的一个第一焦点，所述椭圆的另一个焦点为所述第二焦点。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述弧形共焦式椭球凹面反射镜为圆形共焦式椭球凹面反射镜。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学处理设备包括：会聚透镜组和光纤；
其中，所述会聚透镜组的光轴与所述轴线位于同一条直线，且所述光纤位于所述会聚透镜组背离所述第二焦点的一侧，会聚于所述第二焦点的光束通过所述会聚透镜组耦合至所述光纤的入射端面。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述会聚透镜组包括第一平凸透镜和第二平凸透镜；
所述第一平凸透镜平面与所述第二平凸透镜的平面相对设置；
且所述会聚透镜组的物方焦点与所述第二焦点重合，所述会聚透镜组的像方焦点与所述光纤的入射端面重合。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述会聚透镜组还包括用于调节所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜位置的安装夹具。
8.一种雷达，其特征在于，包括：
权利要求1-7任意一项所述的光学系统。
9.根据权利要求8所述的雷达，其特征在于，所述雷达为激光雷达。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113467064A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-01 | 北京卫星环境工程研究所 | 一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置 |
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2020
- 2020-03-11 CN CN202020294142.4U patent/CN211856888U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113467064A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-01 | 北京卫星环境工程研究所 | 一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置 |
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