一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统，其特征是：激光雷达光学系统为抛物面镜主焦点光纤接收的结构形式，是采用抛物面反射主镜，由抛物面反射主镜构成自准直检测系统，视场内入射光束聚焦在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置，并直接进入接收光纤，或是配置光纤转接镜组改变所述激光雷达光学系统的焦距，并改变第一焦点位置处抛物面反射主镜出射光束的数值孔径NA；利用光纤转接镜组成像为合理大小的弥散斑并全部进入接收光纤。本发明专利技术通过可置换的光纤转接镜组降低了变焦系统的设计难度和装调难度，在保证成像质量要求下实现了大范围的焦距变化。

【技术实现步骤摘要】
一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统
本专利技术涉及激光雷达光学系统，更具体地说是一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统。
技术介绍
激光雷达是一种集大气光学、弱信号探测、激光器等技术发展出的光机电一体化系统设备。其工作原理是激光源向靶标区域发射激光束，经过探测靶标的反射或散射，然后接收从靶标返回来的激光回波信号与发射激光信号进行比对并作适当处理，即可获得靶标的相关信息，如靶标的距离、方位、速度、姿态、甚至表面形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。近年来，激光雷达已广泛应用在激光导航、激光测距、大气监测、跟踪识别、扫描成像等领域。目前激光雷达光学系统的结构形式主要为：1、常规的透射式激光雷达：常用于中小口径激光雷达光学系统，口径大于Φ500mm的透射原材料难以制造，光学器件表面难以加工，装配精度难以保证。因此，大口径光学系统基本都采用反射式结构。2、经典牛顿式系统：主镜为抛物面反射镜，焦点前用平面反射镜折转光路，结构形式简单，但其视场范围较小，系统整体较长，校正系统轴上球差，仅仅适于焦距较小结构简单的光学系统。另外，常规系统直接在CCD探测器前端安装滤光片，滤光片放置在会聚光路中容易因其安装倾斜引入像散，降低光学系统分辨率。3、卡赛格林式系统：主镜为抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜，校正轴上球差，可用于长焦距、小视场光学系统；就加工和装调难度看，由于主、次镜均为非球面，所以其加工和装调难度较大。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统，用于解决现有技术中激光雷达光学系统焦距无法改变、像方数值孔径NA无法控制、轴外像差无法校正、分辨率低、成像像质差，装调困难等问题。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点是：所述激光雷达光学系统为抛物面镜主焦点光纤接收的结构形式，是采用抛物面反射主镜，由所述抛物面反射主镜构成自准直检测系统，视场内入射光束聚焦在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置P，并直接进入接收光纤。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：设置所述光学系统的相关参数为：系统入射通光口径为1000mm，工作波长为532.260nm，检测波长632.8nm，视场角0.2～5mrad，光学遮拦比≤5％，抛物面反射主镜(1)的波像差RMS≤λ，λ为检测波长；在一焦点位置P位置处，对应于视场角，满足所述接收光纤的数值孔径NA＝0.37，光纤的纤芯直径范围为0.3mm～7.5mm，抛物面反射主镜与第一焦点位置P的间距为1500mm。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的另一结构形式的特点是：所述激光雷达光学系统为抛物面镜主焦点光纤接收的结构形式，包括抛物面反射主镜和光纤转接镜组，且所述激光雷达光学系统中除了抛物面反射主镜为抛物面外，光纤转接镜组中的光纤转接镜采用椭球面，对于不同数值孔径和纤芯直径的接收光纤，应用不同的光纤转接镜组与之相匹配；在所述激光雷达光学系统中，由所述抛物面反射主镜构成自准直检测系统，视场内入射光束聚焦在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置；利用所述光纤转接镜组改变所述激光雷达光学系统的焦距，并改变第一焦点位置处抛物面反射主镜出射光束的数值孔径NA；由所述光纤转接镜组构成第二焦点系统，将来自所述抛物面反射主镜的入射光束聚焦在激光雷达光学系统的第二焦点位置处,成像为合理大小的弥散斑并全部进入位于第二焦平面位置处的接收光纤。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：所述光纤转接镜组是由第一透镜和第二透镜构成，所述第一透镜和第二透镜均为双凸透镜；第一透镜和第二透镜为相互对称结构，第一透镜和第二透镜之间相邻的面为相同曲率半径和二次曲面系数的椭球面，剩余的两个面为相同曲率半径的球面，所述第一透镜和第二透镜的厚度与光学材料均相同。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：设置所述光学系统的相关参数为：系统入射通光口径为1000mm，工作波长为532.260nm，检测波长632.8nm，视场角0.2～5mrad，光学遮拦比≤5％，抛物面反射主镜的波像差RMS≤λ，λ为检测波长，曲率半径为-3000mm，外形尺寸为Φ1040×150mm，按如下两种形式设置光纤转接镜组：形式一：纤芯直径为1mm，数值孔径NA＝0.22的光纤，与之相匹配的光纤转接镜组第一透镜的第一面为球面，曲率半径为-73.120mm，第二面为椭球面，中心曲率半径为26.822mm，二次曲面系数为1.348；与之相匹配的光纤转接镜组第二透镜的第一面为椭球面，中心曲率半径为-26.822mm，二次曲面系数为1.348，第二面为球面，曲率半径值为73.120mm，形成对称结构，光学厚度均为12mm，光学材料均为JGS1；形式二、纤芯直径为1mm，数值孔径NA＝0.11的光纤，与之相匹配的光纤转接镜组第一透镜2的第一面为球面，曲率半径为-125.493mm，第二面为椭球面，中心曲率半径为35.939mm，二次曲面系数为1.655；与之相匹配的光纤转接镜组第二透镜3的第一面为椭球面，中心曲率半径为-35.939mm，二次曲面系数为1.655，第二面为球面，曲率半径值为125.493mm，形成对称结构，光学厚度均为12mm，光学材料均为JGS1；在所述形式一和形式二中，第一焦点位置到光纤转接镜组第一透镜的距离为30mm，光纤转接镜组中第一透镜到第二透镜的间距为20mm，所述第一面是指按照光线的传播方向最先到达的光学元件的面。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：通过在所述激光雷达光学系统中进行激光输出波长和检测波长之间的切换，使所述抛物面反射主镜能够单独使用或进行自准直检验。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置处安装可变光阑，用于匹配不同数值孔径NA的接收光纤。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：所述接收光纤，其光纤点位置三维独立可调，所述三维可调是指分别沿着垂直于光轴的两个方向上，以及沿着平行于光轴方向上的三维独立调节。本专利技术主焦点变焦反射式激光雷达光学系统的结构特点也在于：所述抛物面反射主镜为凹面反射镜，所述凹面反射镜的有效口径为200mm～1500mm。与已有技术相比，本发有益效果体现在：1、本专利技术系统结构紧凑、装调方便、成本较低。利用抛物面反射主镜和光纤转接镜组成像合理大小的弥散斑。同时，抛物面主反射镜将入射光束聚焦于第一焦点处，聚焦光束经过光纤转接镜成像于第二焦点处进入接收光纤，或者不经过任何光学系统直径进入接收光纤。满足了紧凑化、装调简便和低成本的要求。2、本专利技术系统设置为可变焦模式，抛物面主反射镜可单独使用与自准直检验，构成第一焦点；在第一焦点位置处安装可变光阑以适用于不同光纤转接镜组对于孔径光阑的要求，光纤转接镜组构成第二焦点。其安装调试是首先通过自准直光束确定第一焦点位置，再根据第一焦点位置安装调试光纤转接镜组系统，进而再次通过自准直确定第二焦点的位置。根据数值孔径的大小，将接收光纤置于第一焦点或者置于第二焦点处接收入射光信号，过程简单可靠。3、本专利技术中光纤转接镜组采用对称结构，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统，其特征是：所述激光雷达光学系统为抛物面镜主焦点光纤接收的结构形式，是采用抛物面反射主镜(1)，由所述抛物面反射主镜(1)构成自准直检测系统，视场内入射光束聚焦在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置P，并直接进入接收光纤。

【技术特征摘要】
1.一种主焦点变焦反射式激光雷达光学系统，其特征是：所述激光雷达光学系统为抛物面镜主焦点光纤接收的结构形式，包括抛物面反射主镜(1)和光纤转接镜组，且所述激光雷达光学系统中除了抛物面反射主镜(1)为抛物面外，光纤转接镜组中的光纤转接镜采用椭球面，对于不同数值孔径和纤芯直径的接收光纤，应用不同的光纤转接镜组与之相匹配；在所述激光雷达光学系统中，由所述抛物面反射主镜(1)构成自准直检测系统，视场内入射光束聚焦在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置；利用所述光纤转接镜组改变所述激光雷达光学系统的焦距，并改变第一焦点位置处抛物面反射主镜(1)出射光束的数值孔径NA；由所述光纤转接镜组构成第二焦点系统，将来自所述抛物面反射主镜(1)的入射光束聚焦在激光雷达光学系统的第二焦点位置处,成像为合理大小的弥散斑并全部进入位于第二焦平面位置处的接收光纤；所述光纤转接镜组是由第一透镜和第二透镜构成，所述第一透镜和第二透镜均为双凸透镜；第一透镜和第二透镜为相互对称结构，第一透镜和第二透镜之间相邻的面为相同曲率半径和二次曲面系数的椭球面，剩余的两个面为相同曲率半径的球面，所述第一透镜和第二透镜的厚度与光学材料均相同；通过在所述激光雷达光学系统中进行激光输出波长和检测波长之间的切换，使所述抛物面反射主镜能够单独使用或进行自准直检验；在所述激光雷达光学系统的第一焦点位置处安装可变光阑，用于匹配不同数值孔径NA的接收光纤；所述接收光纤，其光纤点位置三维独立可调，所述三维可调是指分别沿着垂直于光轴的两个方向上，以及沿着平行于光轴方向上的三维独立调节；所述抛物面反射主镜(1)为凹面反射镜，所述凹面反射镜的有效口径为200mm～1500...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡明勇，陈泽，韩飞，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34