專利名稱：一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光雷達(dá)信號(hào)接收光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)。用于差分吸收激光雷達(dá)、氣溶膠激光雷達(dá)等大氣散射激光回光信號(hào)的高效接收探測(cè)。
背景技術(shù)：
在差分吸收激光雷達(dá)、氣溶膠激光雷達(dá)等系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的氣體成份探測(cè)、氣溶膠探測(cè)，需要提高激光雷達(dá)信號(hào)接收光學(xué)系統(tǒng)收集回光信號(hào)的能力。同時(shí)，為了便于推廣應(yīng)用，系統(tǒng)需要簡(jiǎn)單、可靠、成本低?，F(xiàn)有的激光雷達(dá)信號(hào)接收光學(xué)系統(tǒng)主要有三種形式1)牛頓式反射系統(tǒng)由一個(gè)拋物面主鏡和一塊與光軸成45°的平面鏡構(gòu)成，通過(guò)該平面鏡把焦點(diǎn)反射到主鏡筒外。2) 格利高里反射系統(tǒng)由一個(gè)拋物面主鏡和一個(gè)橢球面次鏡構(gòu)成；3)卡塞格林反射系統(tǒng)由拋物面主鏡和雙曲面次鏡構(gòu)成。這三種光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上都有一個(gè)共同的特點(diǎn)次鏡或平面鏡位于光軸上，次鏡或平面鏡及其鏡框和支撐結(jié)構(gòu)形成了對(duì)接收孔徑的中心遮攔，導(dǎo)致實(shí)際使用的有效接收面積減少，降低了信號(hào)接收效率；同時(shí)，使用的拋物面主鏡加工難度較大，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)中激光雷達(dá)信號(hào)接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)接收效率低，拋物面主鏡加工難度較大，成本高的不足，本發(fā)明提供了一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征點(diǎn)是，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括主反射鏡、離軸像差校正鏡組、球差校正鏡組、平面鏡、主鏡筒和暗盒；主反射鏡設(shè)置在主鏡筒中，離軸像差校正鏡組、球差校正鏡組和平面鏡設(shè)置在暗盒中，離軸像差校正鏡組為暗盒的光學(xué)窗口，所述的離軸像差校正鏡組由一片或兩片楔鏡構(gòu)成，所述的球差校正鏡組由一片或兩片球面透鏡構(gòu)成；主反射鏡相對(duì)于入射光軸傾斜設(shè)置，反射光軸與入射光軸夾角為3° 20°，離軸像差校正鏡組、球差校正鏡組、平面鏡依次設(shè)置在主反射鏡反射光路中，所述的主反射鏡是球面鏡。所述的主反射鏡鏡面直徑為200mm 300mm，焦距為鏡面直徑的3倍 8倍。所述的離軸像差校正鏡組的楔鏡的材料選用光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體；不需消色差時(shí)，使用1片楔鏡；需要消色差時(shí)，使用2片楔鏡，楔鏡材料分別采用冕牌玻璃和火石玻璃組合消色差。所述的球差校正鏡組的透鏡的材料選用光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體；不需消色差時(shí)，使用1片透鏡；需要消色差時(shí)，使用2片透鏡，透鏡材料分別選用冕牌玻璃和火石玻璃組合消色差。所述的球差校正鏡組使用2片球面透鏡時(shí)，在透鏡之間設(shè)置有帶通濾光片，用于消除激光雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)以外的背景光。本發(fā)明的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)傾斜設(shè)置主反射鏡，使反射光束離軸傳輸，避免后面的光學(xué)元件設(shè)置在接收光路中遮擋部分接收孔徑，以增加主反射鏡的信號(hào)接收面積。離軸像差校正鏡組校正由于主反射鏡傾斜設(shè)置導(dǎo)致的離軸像差，球差校正鏡組校正主反射鏡使用球面鏡導(dǎo)致的球差，使整個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)能得到良好光學(xué)聚焦性能，滿足激光雷達(dá)信號(hào)接收要求。本發(fā)明的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)接收孔徑為主反射鏡全孔徑，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中次鏡的中心遮攔，光學(xué)效率較高；光學(xué)系統(tǒng)中主反射鏡使用球面鏡，易于加工和裝調(diào)，成本低。


圖1是本發(fā)明的一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例廣3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例4飛的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.主反射鏡 2.離軸像差校正鏡組 3.球差校正鏡組 4.平面鏡 5.主鏡筒 6.暗盒 7.帶通濾光片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1
圖1是本發(fā)明的一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例廣3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，本發(fā)明的一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例1包括主反射鏡1，離軸像差校正鏡組2，球差校正鏡組3，平面鏡4，主鏡筒5，暗盒6。用于紫外波段、可見(jiàn)光波段、紅外波段的激光雷達(dá)信號(hào)接收。主反射鏡1設(shè)置在主鏡筒5中，以減少背景雜光的影響；離軸像差校正鏡組2，球差校正鏡組3，平面鏡4設(shè)置在暗盒6中，離軸像差校正鏡組2為暗盒6的光學(xué)窗口，以減小背景雜光對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)接收的影響。主反射鏡1為球面鏡，鏡面直徑為200mm，焦距為鏡面直徑的3倍；主反射鏡1相對(duì)于入射光軸傾斜設(shè)置，主反射鏡1的反射光軸與入射光軸夾角為3°。離軸像差校正鏡組2是一片楔鏡，材料為氟化鈣，用于校正因主反射鏡傾斜安裝導(dǎo)致的離軸像差。球差校正鏡組3是一片球面彎月形透鏡，材料為氟化鎂。平面鏡4材料為K9，表面鍍激光高反射膜。所述離軸像差校正鏡組2、球差校正鏡組3、平面鏡4依次設(shè)置在主反射鏡1的反射光路中。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是，主反射鏡1鏡面直徑為260mm，焦距為鏡面直徑的5倍，反射光軸與入射光軸的夾角為12°。離軸像差校正鏡組2所用楔鏡的材料為氟化鎂。
球差校正鏡組3所用球面彎月形透鏡的材料為氟化鈣。平面鏡4材料為石英玻璃。實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是，主反射鏡1鏡面直徑為300mm，焦距為鏡面直徑的8倍，反射光軸與入射光軸的夾角為20°。離軸像差校正鏡組2所用楔鏡的材料為氟化鈉。球差校正鏡組3所用球面彎月形透鏡的材料為氟化鈣。平面鏡4材料為K4。實(shí)施例4
圖2是本發(fā)明的一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例4飛的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是，離軸像差校正鏡組2包含兩片楔鏡，第一片楔鏡材料為H-a(7，第二片楔鏡材料為H-ZF4，兩片楔鏡組合消色差。所述離軸像差校正鏡組2用于校正因主反射鏡傾斜設(shè)置導(dǎo)致的離軸像差。球差校正鏡組3包含兩片球面透鏡，分別設(shè)置于帶通濾光片的前側(cè)和后側(cè)。第一片透鏡為雙凹負(fù)透鏡，材料為H-QF6，第二片透鏡為雙凸正透鏡，材料為K9，兩片透鏡組合消色差。帶通濾光片7材料為K9，表面鍍帶通干涉濾光膜，透光中心波長(zhǎng)和帶寬與實(shí)際使用的激光雷達(dá)波長(zhǎng)相匹配。帶通濾光片用于消除激光雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)以外的背景光。實(shí)施例5
本實(shí)施例與實(shí)施例4的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是，離軸像差校正鏡組2的第一片楔鏡材料為K9，第二片楔鏡材料為H-ZF6。球差校正鏡組3的第一片透鏡材料為Fl，第二片透鏡材料為H(l。實(shí)施例6
本實(shí)施例與實(shí)施例4的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是，離軸像差校正鏡組2的第一片楔鏡材料為H-QK3，第二片楔鏡材料為H-QF6。球差校正鏡組3的第一片透鏡材料為F3，第二片透鏡材料為K6。
權(quán)利要求
1.一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)包括主反射鏡(1)、離軸像差校正鏡組(2)、球差校正鏡組(3)、平面鏡(4)、主鏡筒(5)和暗盒(6)；主反射鏡(1)設(shè)置在主鏡筒(5)中，離軸像差校正鏡組(2)、球差校正鏡組(3)和平面鏡(4)設(shè)置在暗盒(6)中，離軸像差校正鏡組(2)為暗盒(6)的光學(xué)窗口，所述的離軸像差校正鏡組(2)由一片或兩片楔鏡構(gòu)成，所述的球差校正鏡組(3)由一片或兩片球面透鏡構(gòu)成；主反射鏡(1)相對(duì)于入射光軸傾斜設(shè)置，主反射鏡(1)的反射光軸與入射光軸夾角為 3° 20°，離軸像差校正鏡組(2)、球差校正鏡組(3)、平面鏡(4)依次設(shè)置在主反射鏡(1) 的反射光路中，所述的主反射鏡(1)為球面鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 所述的主反射鏡(1)的鏡面直徑為200mm 300mm，主反射鏡(1)的焦距為鏡面直徑的3 倍 8倍。
3.如權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 所述的離軸像差校正鏡組(2)中的楔鏡的材料選用光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 所述的球差校正鏡組(3)中的透鏡的材料選用光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體。
5.如權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 所述的球差校正鏡組(3)由兩片透鏡組成，在兩片透鏡之間設(shè)置有帶通濾光片(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光雷達(dá)信號(hào)接收離軸球面反射聚焦光學(xué)系統(tǒng)，所述的光學(xué)系統(tǒng)中的主反射鏡設(shè)置在主鏡筒中，主反射鏡為球面鏡，相對(duì)于入射光軸傾斜設(shè)置，使反射光束離軸傳輸，避免后面的光學(xué)元件設(shè)置在接收光路中遮擋部分接收孔徑，以增加主反射鏡的信號(hào)接收面積。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中的離軸像差校正鏡組、球差校正鏡組、平面鏡依次設(shè)置在主反射鏡反射光路中，密閉在暗盒內(nèi)，離軸像差校正鏡組為暗盒的光學(xué)窗口。離軸像差校正鏡組校正由于主反射鏡傾斜安裝導(dǎo)致的離軸像差，球差校正鏡組校正主反射鏡使用球面鏡導(dǎo)致的球差。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率較高，主反射鏡使用球面鏡，易于加工和裝調(diào)，成本低。
文檔編號(hào)G02B1/00GK102323663SQ201110314748
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者葉一東, 王衛(wèi)民, 田英華, 田飛, 羅佳, 胡大平, 馬毅 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所, 四川中物科技集團(tuán)有限公司