專利名稱：大口徑激光成像鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像鏡頭，具體地說，是一種用于激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的大口徑激光成像鏡頭，該鏡頭把經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射并經(jīng)照射物體反射回來的光成像在接收器上，并由此得到被照射物體的形狀和距離。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的成像鏡頭主要用于接收物體反射回來的激光，通過接收這些反射回來的激光成像，從而獲得物體的圖像和物體的距離。隨著激光技術(shù)和光學(xué)加工技術(shù)的不但發(fā)展，這種應(yīng)用越來越多，但是目前由于光學(xué)設(shè)計和加工技術(shù)及接收器尺寸的限制，大口徑激光成像鏡頭往往采用反射結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)往往焦距較長，視場很小，加工制造困難，而且成本高，同時無法在地面近距離上獲得所需要的效果，所以這種反射結(jié)構(gòu)往往作為空間成像鏡頭使用。因此，設(shè)計一種口徑大、視場較大的透射式成像鏡頭對于激光掃描成像和測距是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在保證成像質(zhì)量的情況下，解決由于發(fā)射激光器功率不足的情況下接收鏡頭口徑不足造成的小口徑接收系統(tǒng)無法使用的問題，同時也解決了反射式接收系統(tǒng)視場過小的問題，為激光雷達(dá)成像系統(tǒng)提供一種大口徑激光成像鏡頭。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種大口徑激光成像鏡頭，其構(gòu)成是從物端到成像端同光軸地依次設(shè)置負(fù)光焦度的第一透鏡、正光焦度的第二透鏡、正光焦度的第三透鏡、正光焦度的第四透鏡和正光焦度的第五透鏡，第一透鏡為彎月透鏡，第一透鏡的通光口徑為140～150mm，所有透鏡的材料采用熔石英，各透鏡的組合焦距滿足條件f×tanw＝ap其中f為鏡頭的組合焦距，w為鏡頭的視場角，ap為接收器的半口徑。
當(dāng)接收器的半口徑ap＝10mm時，該大口徑激光成像鏡頭進一步滿足以下條件50mm＜D2＜D1＜100mm0＜D3＜0.1mm，30mm＜D5＜35mm15mm＜d1＜18mm，30mm＜d5其中D1是第一透鏡和第二透鏡之間的間隔，D2是第二透鏡和第三透鏡之間的間隔，D3是第三透鏡和第四透鏡之間的間隔，D5是第五透鏡和接收器之間的間隔，d1是第一透鏡的中心厚度，d5為第五透鏡的厚度。
所述的第二透鏡和第三透鏡的焦距較長，第四透鏡和第五透鏡的焦距較短。
本發(fā)明為了滿足大相對口徑的要求，第一透鏡使光發(fā)散，為了解決單色像差，使用了五片透鏡片。為了不移動鏡片的距離，同時使兩種不同的波長成像清晰，使兩種波長的光的成像位置不同。為了進一步的校正像差可以把球面換成非球面透鏡。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明中的所有透鏡都是采用球面鏡片，沒有特別難加工的鏡片，同時由于是透射式的同軸結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試方便，可以保證安裝調(diào)試精度。由于兩種波長成像的位置比較接近，兩種波長切換使用時調(diào)試非常方便。本鏡頭的視場角比較大，很適合近距離，大視場的情況下使用。


圖1是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭的總光路的剖面示意2是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭在波長532nm時的點擴散3是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭在波長532nm時的像差線4是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭在波長532nm時的傳遞函數(shù)5是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭在波長532nm時的漸暈圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭的總光路的剖面示意圖，由圖可見，本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭的構(gòu)成是從物端到成像端同軸地依次設(shè)置負(fù)光焦度的第一透鏡、正光焦度的第二透鏡、正光焦度的第三透鏡、正光焦度的第四透鏡及正光焦度的第五透鏡，第一透鏡為彎月透鏡，第一透鏡的通光口徑為140～150mm，所有透鏡的材料采用熔石英，各透鏡的組合焦距滿足條件f×tanw＝ap其中f為鏡頭的組合焦距，w為鏡頭的視場角，ap為接收器的半口徑。
當(dāng)接收器的半口徑ap＝10mm時，該大口徑激光成像鏡頭進一步滿足以下條件50mm＜D2＜D1＜100mm0＜D3＜0.1mm，30mm＜D5＜35mm15mm＜d1＜18mm，30mm＜d5其中D1是第一透鏡和第二透鏡之間的間隔，D2是第二透鏡和第三透鏡之間的間隔，D3是第三透鏡和第四透鏡之間的間隔，D5是第五透鏡和接收器之間的間隔，d1是第一透鏡的中心厚度，d5為第五透鏡的厚度。
下面列舉實施例的具體參數(shù)。
實施例1大口徑激光成像鏡頭的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡的參數(shù)如下f＝118mm，F(xiàn)#＝0.84，2ω＝10°表面號半徑 厚度材料折射率直徑OBJ Infinity Infinity 0STO -117.2115 1.45841402 -154.2378.47 1443 588.35 17 1.45841504 -369.1277.69 1505 197.64 20 1.45841446 65562.44 0 1447 102.66 20 1.4584131.48 187.9732 56.7 125.49 59.09 30 1.458475.810103.05 3555其中OBJ表示物面，STO是光闌面，infinity表示無窮遠(yuǎn)，從2-10為依次排列的透鏡面。f為整個鏡頭的焦距，F(xiàn)#為F數(shù)，2ω為視場角。
圖1是本發(fā)明主光路的剖面示意圖，它表示本發(fā)明的大口激光成像鏡頭的一種結(jié)構(gòu)。在圖1中，從左到右，第一透鏡是有負(fù)光焦度的光學(xué)元件，它的凹面對著物方；第二透鏡是有正光焦度的雙凸面光學(xué)元件；第三透鏡是有正光焦度的雙凸面光學(xué)元件；第四透鏡是有正光焦度的凸凹光學(xué)元件，它的凹面對應(yīng)接收器方向；第五透鏡是有正光焦度的凸凹光學(xué)元件，它的凹面對著接收器。
整個系統(tǒng)的光焦度是由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡和第五透鏡共同決定的。
圖2顯示本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭實施例1在視場角為0°、3.5°及5°時的成像點圖。根據(jù)圖2所示，在0°視場時，點擴散圖直徑為0.02mm，在3.5°視場時，點擴散圖直徑為0.05mm，在5°視場時，點擴散圖直徑為0.08mm。
圖3顯示本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭實施例1在視場角為0°、3.5°及5°時的像差圖，它表示光線在子午面及弧矢面上像差的大小。它的數(shù)值大小和圖2中的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。
圖4顯示本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭實施例1在視場角為0°、3.5°及5°時的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。根據(jù)圖4所示，在0°視場、30對線時其傳遞函數(shù)值為0.67。
圖5顯示本發(fā)明大口徑激光成像鏡頭實施例1的漸暈系數(shù)。根據(jù)圖5所示，由于鏡片口徑的限制，在整個視場中，漸暈系數(shù)在中心視場和邊緣視場比較接近為0.80。
實施例2大口徑激光成像鏡頭的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡的參數(shù)如下f＝118mm，F(xiàn)#＝0.84，2ω＝10°表面號 半徑 厚度 材料折射率直徑OBJ Infinity Infinity0STO -115.28151.45841402 -157.5591.34 1443 2030.74171.45841504 -290.0952.20 1505 263.23 201.45841446 -2497.42 0 1447 130.33 201.4584131.48 268.16 47.96 125.49 76.35 61.40 1.458475.8
10 146.23 35 55其中OBJ表示物面，STO是光闌面，infinity表示無窮遠(yuǎn)，從2～10為依次排列的透鏡面。f為整個鏡頭的焦距，F(xiàn)#為F數(shù)，2ω為視場角。
本發(fā)明通過增加光學(xué)系統(tǒng)的接收口徑，在鏡頭的成像質(zhì)量滿足接收器的要求下，達(dá)到接收到足夠能量的目的，同時通過調(diào)節(jié)接收器的位置可實現(xiàn)532nm和355nm兩種波長的清晰成像。本發(fā)明鏡頭具有通光絕對口徑(140mm)大、相對孔徑(140∶118)大、視場角較大、能量透過率高、機構(gòu)簡單的特點，適用于雙波長測距及成像。
權(quán)利要求
1.一種大口徑激光成像鏡頭，特征在于其構(gòu)成是從物端到成像端同光軸地依次設(shè)置負(fù)光焦度的第一透鏡、正光焦度的第二透鏡、正光焦度的第三透鏡、正光焦度的第四透鏡及正光焦度的第五透鏡，第一透鏡為彎月透鏡，第一透鏡的通光口徑為140～150mm，所有透鏡的材料采用熔石英，各透鏡的組合焦距滿足條件f×tanw＝ap其中f為鏡頭的組合焦距，w為鏡頭的視場角，ap為接收器的半口徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑激光成像鏡頭，其特征在于該大口徑激光成像鏡頭的接收器的半口徑ap＝10mm時，進一步滿足以下條件50mm＜D2＜D1＜100mm0＜D3＜0.1mm，30mm＜D5＜35mm15mm＜d1＜18mm，30mm＜d5其中D1是第一透鏡和第二透鏡之間的間隔，D2是第二透鏡和第三透鏡之間的間隔，D3是第三透鏡和第四透鏡之間的間隔，D5是第五透鏡和接收器之間的間隔，d1是第一透鏡的中心厚度，d5為第五透鏡的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑激光成像鏡頭，其特征在于所述的第二透鏡和第三透鏡的焦距較長，第四透鏡和第五透鏡的焦距較短。
全文摘要
一種大口徑激光成像鏡頭，其構(gòu)成是從物端到成像端同光軸地依次設(shè)置負(fù)光焦度的第一透鏡、正光焦度的第二透鏡、正光焦度的第三透鏡、正光焦度的第四透鏡和正光焦度的第五透鏡，第一透鏡為彎月透鏡，第一透鏡的通光口徑為140～150mm，所有透鏡的材料采用熔石英，各透鏡的組合焦距滿足條件f×tanw＝ap，其中f為鏡頭的組合焦距，w為鏡頭的視場角，ap為接收器的半口徑。本發(fā)明鏡頭具有通光絕對口徑大、相對孔徑大、視場角較大、能量透過率高、機構(gòu)簡單的特點，適用于雙波長測距及成像。
文檔編號G02B9/00GK101093275SQ200710043789
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者陳衛(wèi)華, 朱健強 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所