CN219676361U - 基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，系统由扫描平面镜、校正球面透镜组、自由曲面次镜和抛物面主镜组成。本专利的特点在于：针对激光雷达发射光路中强激光的特性，避免了传统的大视场无焦光学系统中含有中间实焦点的设计，系统的孔径光阑设置在扫描平面镜上，有利于运动机构扫描镜的轻小型化，通过自由曲面次镜较大的设计自由度校正大视场的像差和畸变，系统的成像质量在大视场内接近衍射极限。本专利的实施例在10度扫描视场下实现了较高变倍比(五倍)和接近衍射极限的成像质量。

Description

基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统

技术领域

本专利公开了一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，主要用于带扫描的大视场激光雷达扩束发射系统，涉及光学镜头与光学设计领域，特别涉及一种大视场无焦光学系统。

背景技术

激光测距雷达主要根据飞行时间来实现目标测距，具有测距精度高、作用距离远和测距速率快等特点，广泛应用在远距离测距、三维成像、地形测绘、风场探测和气溶胶探测等领域。近年来，随着无人机技术的发展，远距离小目标的识别和测距成为防卫的重要需求之一，对于远距离小目标的测距场景，激光雷达系统往往需要更高的激光脉冲能量、更小的激光发散角、更大扫描的视场以及更大的光学口径，这些都对激光发射的光学系统提出了新的要求。在像方扫描式的激光雷达系统中，更高的脉冲能量要求激光扩束发射系统规避原有带有中间实焦点的设计，实现无实焦点、大视场并且较大扩束倍率的扩束发射。

发明内容

本专利的目的在于提供一种带扫描的大视场激光雷达发射扩束光学系统，可以实现在10度及以上扫描视场五倍及以上的高变倍比与接近衍射极限的成像质量。

本专利提供了一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，系统包括扫描平面镜、校正透镜组、自由曲面次镜、抛物面主镜。其中校正透镜组包括物侧凹面像侧凸面透镜、物侧凸面像侧凹面透镜、物侧凸面像侧凹面透镜。入射激光依次经过上述光学结构，可实现五倍及以上较大变倍比和接近衍射极限的成像质量。

所述的无焦光学系统以激光器出射光束经过先后为序依次为扫描平面镜1、校正球面透镜组2、自由曲面次镜3、抛物面主镜4，激光器出射的光束经扫描平面镜1反射，校正球面透镜组2折射，自由曲面次镜3反射至抛物面主镜4再次反射后以与抛物面主镜4的法线呈1.1345度的角度出射至探测目标；系统的孔径光阑设置在扫描平面镜(1)上。

所述的校正球面透镜组2)以激光器出射光束经过的先后为序依次为物侧凹面像侧凸面第一透镜201、物侧凸面像侧凹面第二透镜202、物侧凸面像侧凹面第三透镜203，各透镜光学表面的面型精度RMS值优于1/30λ，λ＝0.6328um。

所述的扫描平面镜1的光学表面的面型精度RMS值优于1/30λ,λ＝0.6328um。

所述的自由曲面次镜3的曲面为九阶xy多项式，面型精度RMS值优于1/50λ，λ＝0.6328um。

本专利的有益效果在于：

1)系统采用无焦设计，针对激光雷达发射光路的强激光特性，避免了传统的大视场系统中含有中间实焦点的设计带来的安全隐患；

2)系统的孔径光阑设置在扫描镜上，有利于扫描镜的轻量化；

3)反射次镜采用九阶xy多项式的自由曲面设计，具有很大的自由度，可以校正大视场的像差和畸变；

4)本专利的无焦系统，出射至目标的光线与抛物面主镜(4)的法线并非平行而是有1.1345度的角度。本专利的实施例在10度扫描视场下实现了较高变倍比(五倍)和接近衍射极限的成像质量，实际使用中视场和变倍比不限于上述值。本专利可应用于较大视场的扫描式激光雷达领域。

附图说明

图1是本专利提供的基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统的实施例的光学结构图。

图2是图1所示实施例的基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统的中心视场波前函数(Wavefront Function)。

具体实施方式

下面将结合本专利实施方式中的附图，对本专利实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本专利一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利保护的范围。

请参考图1，本专利提供一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，入射光与出射光均为平行光束，按照光路顺序分别为：

扫描平面镜、校正透镜组、曲面次镜、抛物面主镜。其中校正透镜组依次为：物侧凹面像侧凸面第一透镜、物侧凸面像侧凹面第二透镜、物侧凸面像侧凹面第三透镜。

进一步的，所述的光学系统中的孔径光阑设置于扫描平面镜，可以实现扫描镜轻量化。

进一步的，所述的光学系统中曲面次镜为自由曲面，可以校正大视场的像差和畸变。

实施例

请再次参考图1，在图1所示的实施例中，校正透镜组2由自物侧面到像侧面的第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，第一透镜201的物侧凹面为201L、像侧凸面为201R；第二透镜202的物侧凸面为202L、像侧凹面为202R；第三透镜203的物侧凸面为203L、像侧凹面为203R。

如表1和表2所示，为上述实施例的实际设计案例：

表1、各表面的曲率半径和厚度数据

表面编号	类型	曲率半径/mm	厚度/mm	口径/mm
					1	平面			22
201L	球面	84.84	-19.5	19
					201R	球面	102.35	-0.2	22
202L	球面	-58.56	-5.0	22
					202R	球面	-60.78	-6.5	22
203L	球面	-149.66	-5.0	22
					203R	球面	-98.79	-262.35	22
3	自由曲面次镜	-247.99	-	25
					4	抛物面主镜	-732.14	-	130

表2、自由曲面次镜各阶系数

阶数

x1y0

x0y1

x2y0

x1y1

x0y2

x3y0

x2y1

x1y2

x0y3

数值

0

3.78e-4

-6.607e-7

0

1.03e-6

0

-5.55e-9

0

0

请查阅图2，为图1所示实施例的基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统的波前函数(Wavefront Function)设计结果图，可以看出，本专利具有以下技术效果：1)采用无焦设计，可以避免强激光聚焦于系统内；2)具有良好的成像质量，从实施例可以看出本专利的设计结果在较宽的波段、较大的视场范围内均达到了比较理想的成像质量。本专利的实施例在10度扫描视场下实现了较高变倍比(5倍)和接近衍射极限的成像质量，实际使用中视场和变倍比不限于上述值。

以上所述实施方式仅表达了本专利的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本专利的保护范围。因此，本专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，包括扫描平面镜(1)、校正球面透镜组(2)、自由曲面次镜(3)、抛物面主镜(4)，其特征在于：

所述的无焦光学系统以激光器出射光束经过先后为序依次为扫描平面镜(1)、校正球面透镜组(2)、自由曲面次镜(3)、抛物面主镜(4)，激光器出射的光束经扫描平面镜(1)反射，校正球面透镜组(2)折射，自由曲面次镜(3)反射至抛物面主镜(4)再次反射后以与抛物面主镜(4)的法线呈1.1345度的角度出射至探测目标；系统的孔径光阑设置在扫描平面镜(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，其特征在于：所述的校正球面透镜组(2)以激光器出射光束经过的先后为序依次为物侧凹面像侧凸面第一透镜(201)、物侧凸面像侧凹面第二透镜(202)、物侧凸面像侧凹面第三透镜(203)，各透镜光学表面的面型精度RMS值优于1/30λ，λ＝0.6328um。

3.根据权利要求1所述的一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，其特征在于：所述的扫描平面镜(1)的光学表面的面型精度RMS值优于1/30λ,λ＝0.6328um。

4.根据权利要求1所述的一种基于离轴两反加校正透镜组的大视场无焦光学系统，其特征在于：所述的自由曲面次镜(3)的曲面为九阶xy多项式，面型精度RMS值优于1/50λ，λ＝0.6328um。