一种激光导标光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光导标光学系统，包含：调节底座；设置在调节底座上的光源激光器、光束调校整形单元、光阑、投影光学系统和防护窗；光源激光器发出激光束经过光束调校整形单元、光阑、投影光学系统，最后由所述的防护窗射出。本发明专利技术为激光导标系统产生高可视性、高透射率、高方向性的红绿两束扇形光束，两光束处于同一平面，边界有一定交叠。可以在雨、雾等恶劣天气条件下为船舶驾驶人员导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光导标，特别涉及一种激光导标光学系统。
技术介绍
以激光器为光源的新型导标系统，光学系统是新型导标的技术核心，负责为激光导标系统产生高质量的激光光束，高质量的激光光束具有较好的可视性、方向性和对大气良好的穿透能力，其可靠性高、使用寿命长、能量消耗低，特别是在雨、雾等能见度不良的天气条件下使用，将会产生很好的助航效果。此外，激光是单色光，颜色饱和度为1，与背景光对比明显，易于辨识。传统的航标灯以LED发光二极管为主要光源。专利CN102980124A(基于风光互补一体化供电模式的LED航标灯)介绍了一种风光互补供电模式的LED航标灯。该航标灯充分利用太阳能和风能，将二者以互补方式结合发电，为LED航标灯提供稳定可靠的电力，此方法低碳环保、运行平稳。专利CN101078494A(一种航标灯单元及其应用)介绍了针对LED光源的航标灯透镜单元，该专利技术能够将LED光源发出的光线在一个方向上准直到给定角度，在垂直的方向上在给定角度内形成均匀的光强分布。2011年期刊《山东工业技术》介绍了一种点光源LED，该智能航标灯器采用单颗LED作为光源，通过自由曲面侧发光透镜对光路进行控制，实现了低功耗、高射程，低维护量、长寿命。上述导航灯实现方法均采用LED发光二极管为主要光源，LED本身的特性决定其在导航光束质量方面有很大的不足：首先，夜晚码头作业，大量照明设施投入使用，航标部门设置的导标四周遍布背景灯光，而导标灯光强与背景灯光光强又相差不多，使夜晚进出港船舶的驾驶人员很难识别导标灯光。其次，在雨、雾等恶劣天气条件下更是难以识别助航设施，给航行安全带来极大隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光导标光学系统，为激光导标系统产生高可视性、高透射率、高方向性的红绿两束扇形光束，两光束处于同一平面，边界有一定交叠。可以在雨、雾等恶劣天气条件下为船舶驾驶人员导航。为了实现以上目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种激光导标光学系统，其特点是，包含：调节底座；设置在调节底座上的光源激光器、光束调校整形单元、光阑、投影光学系统和防护窗；所述的光源激光器发出激光束经过光束调校整形单元、光阑、投影光学系统，最后由所述的防护窗射出。所述的光源激光器射出红光、绿光激光光束。所述的光束调校整形单元分别对红光、绿光激光光束进行整形，其包含：第一透镜组和第二透镜组；所述的第一透镜组包含两块柱面镜，红光激光光束以方形光束入射，经过两块柱面镜后压缩为矩形光斑；所述的第二透镜组包含两片球面镜和两片柱面镜，绿光激光光束以圆形光束入射，分别经过两片球面镜和两片柱面镜后压缩为椭圆光斑。所述的光阑用来约束整形后的激光光束的边界。所述的投影光学系统包含一合束棱镜，所述合束棱镜分别设有第一、二、三面，其中所述的第二面与第一面相垂直，所述的第三面与第一面相平行；所述的红、绿光激光光束分别从合束棱镜的第一、二面入射，并同时由第三面出射。所述的防护窗采用K9材料制成。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术为激光导标系统产生高可视性、高透射率、高方向性的红绿两束扇形光束，两光束处于同一平面，边界有一定交叠。可以在雨、雾等恶劣天气条件下为船舶驾驶人员导航附图说明图1为本专利技术激光导标的导航策略图；图2为本专利技术一种激光导标光学系统的系统图；图3为本专利技术激光导标的光路设计图；图4为本专利技术在合束棱镜处的光路图。具体实施方式以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本专利技术做进一步阐述。本专利技术提供一种激光导标的光学系统设计方案，该激光导标以红绿两色光进行导航。光学系统需要提供如图1所示的红绿两色并行的扇形光束，边界处有一定的交叠区域，且需保证覆盖整个导航区域。同时，光学系统应保证激光光束投射在航道上的高辨识度及能量的高效利用，因此，需保证出射光斑强度分布的均匀性及在整形过程中尽可能小的能量损耗。激光导标的光学系统如图2所示，包含调节底座1；设置在调节底座上的光源激光器2、光束调校整形单元3、光阑4、投影光学系统5和防护窗6；所述的光源激光器2发出激光束经过光束调校整形单元3、光阑4、投影光学系统5，最后由所述的防护窗6射出。其主要的光路设计图如图3所示，红绿两束光分别经过整形、光阑调校后，经合束棱镜合束，由投影系统统一放大投影。光源激光器由波长635nm±10nm的红光激光器及532nm±10nm的绿光激光器组成，该激光器的发射功率需根据导航范围、导航环境、人眼分辨等因素确定。为保证后续能量的高效利用，选择的激光器须具有较好的光束质量，以减轻后续光学整形系统的设计、调校压力。本例中选择的红光激光器是8mm*8mm方形发光面的5W激光器，绿光激光器是直径为3mm圆形发光面的5W激光器。上述激光器均为同类产品中，发射功率较高，发射光束质量较好的激光器。为实现红绿两色扇形光束在边界处有一定的交叠，红绿两色光均需与光路中心对称轴有一定的偏移量，其偏移量可通过公式l偏移＝ftanθ边界计算，此处f为投影系统的焦距，θ边界为边界夹角，l偏移即为偏移量。激光器在放置时，发光面中心相对于中轴线分别偏移l偏移放置。本例中，红绿两束光分别从合束棱镜的A、B两面入射，红光激光器的发光区中心以分光棱镜的水平中轴线为基准向下偏移l偏移；绿光激光器的发光区中心以合束棱镜的垂直中轴线为基准，向左偏移l偏移。光束调校整形单元3分别对红光、绿光激光光束进行整形，其包含：第一透镜组31和第二透镜组32；所述的第一透镜组31包含两块柱面镜，红光激光光束以方形光束入射，经过两块柱面镜后压缩为矩形光斑；所述的第二透镜组32包含两片球面镜和两片柱面镜，绿光激光光束以圆形光束入射，分别经过两片球面镜和两片柱面镜(采用伽利略望远镜形式的光学系统)后压缩为椭圆光斑。值得注意的是，绿光经准直后的圆光斑的直径应稍大于狭缝宽度，以保证经柱面镜压缩后的椭圆光斑能充满整个狭缝区域。整形后的椭圆光斑内切于狭缝窗口，即可满足光斑完全充满狭缝区域，同时保证能量的高效利用。此外，整形单元的光学系统因采用了伽利略型望远镜结构，使其光强分布均匀，且强度适中。所述的光阑4用来约束整形后的激光光束的边界，整形后的激光光束通过光阑，其锐利的光阑边界保证了光束边缘的高锐度性，视觉边界清晰，能够获得较高导航精度。本例中的光阑尺寸由公式li＝ftanθi计算，其中：f为投影系统的焦距，θi为系统的水平发散角或俯仰发散角。通过精确调节光阑窗口的尺寸，可保证准确覆盖整个导航的航道区域。本例中的光阑尺寸在后期调校中不需调节，但对光阑尺寸有极高的精度要求，所以本例中采用的光阑为蚀刻加工的狭缝。此类狭缝体积小、精度高、重量轻，便于装配固定。本例中采用的狭缝精度为±0.005mm，厚度仅2mm，装配过程中仅需微调狭缝的前后位置及俯仰角度。如图3、4所示，投影光学系统将通过整形、光阑后的光束投影在所需的航道线上。所述的投影光学系统5包含一合束棱镜51，所述合束棱镜分别设有第一、二、三面(A、B、C)，其中所述的第二面B与第一面A相垂直，所述的第三面C与第一面A相平行；所述的红、绿光激光光束分别从合束棱镜的第一、二面入射，并同时由第三面出射。本例中设计的投影光学系统由codeV光学设计软件，仿真设计而成。考虑到整个系统尺寸、成像质量及光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光导标光学系统，其特征在于，包含：调节底座；设置在调节底座上的光源激光器、光束调校整形单元、光阑、投影光学系统和防护窗；所述的光源激光器发出激光束经过光束调校整形单元、光阑、投影光学系统，最后由所述的防护窗射出。

【技术特征摘要】
1.一种激光导标光学系统，其特征在于，包含：调节底座；设置在调节底座上的光源激光器、光束调校整形单元、光阑、投影光学系统和防护窗；所述的光源激光器发出激光束经过光束调校整形单元、光阑、投影光学系统，最后由所述的防护窗射出。2.如权利要求1所述的激光导标光学系统，其特征在于，所述的光源激光器射出红光、绿光激光光束。3.如权利要求2所述的激光导标光学系统，其特征在于，所述的光束调校整形单元分别对红光、绿光激光光束进行整形，其包含：第一透镜组和第二透镜组；所述的第一透镜组包含两块柱面镜，红光激光光束以方形光束入射，经过两块柱面镜后压缩为矩形光斑；所述的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈心怡，田永明，焦晓光，张大庆，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31