CN104535984A - 一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双通道复合波长近红外激光雷达发射***光学镜头。两路光学通道的共用激光光源和前级扩束***，两路通道输出不同口径的平行光束，通过转换镜切换进行分时工作，满足了紧凑化和低成本的要求，实现了模块化设计；共用的前级扩束***利用两种光学材料进行消色差设计，满足复合工作波长的需求。通过改变激光光源输出波长，***功能实现复合工作波长、双发射通道输出不同口径平行光束的多工作模态。本发明中的两路光学通道光轴平行，在调整好测试设备与待测目标后，仅仅调整***的工作波长和移动切换镜即可对待测目标进行不同波段、不同测试模式的测量，显著提高了测量的便捷性。从工程应用角度考虑，为确保***的切换复位精度，本发明采用了固定大口径折反射通道，对小口径通道加入反射切换机构的方式。

Description

一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头，具体涉及一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头。
背景技术
目标的激光散射特性是最重要的光学特性之一，是激光测量***探测、识别目标的依据，目标对象的激光散射特性决定了激光测量***的主要技术参数甚至工作体制的选择。激光雷达散射截面（LRCS）能够全面反映激光波长、偏振、目标表面材料的方向散射特性及粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散射特性的影响。开展目标激光散射特性测量，获取相应数据，统计目标的激光散射截面（LRCS）特性，可为激光雷达研制、试验、仿真和使用提供技术支撑。
在对大气、风场等的测量研究中，提出了一系列激光雷达，目前对于复合波长的激光雷达常采用消色差设计，实现多波长共口径输出的方式，专利CN201310586672.0公开了一种大气细粒子时空分布拉曼米散射激光雷达测量装置，装置工作在532nm、355nm和387nm波长，发射光学设计使用单一的多波长耦合发射望远镜，但是只有一个发射通道。另外一种方案是采用多个单波长的发射通道，如专利CN200910185155.6公布了一种激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置，采用多个波长光束的独立发射设计与接收方法，多个波长无法公用发射通道，且发射通道的通光口径相同。
为了实现对缩比模型不同激光波长的全口径光束和小口径光束扫描方式的雷达散射截面测试与分析，需要建立一套激光雷达散射截面测量***。根据实际需要，全口径测试和小口径扫描测试的平行光束口径分别为250mm和15mm，测试波长点为0.860μm和1.064μm。本发明提出的双通道、复合工作波长近红外激光雷达发射***的光学镜头，实现不同口径的平行光束的输出尚未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，本发明通过两路光学通道共用激光光源和一级扩束***，两路光学通道输出不同口径的平行光束，通过转换镜切换进行分时工作，满足了紧凑化和低成本的要求，实现了模块化设计；共用的一级扩束***利用两种光学材料进行消色差设计，满足复合工作波长的需求，通过改变激光光源输出波长，***能实现复合工作波长、双光学通道输出不同口径平行光束的多工作模态。它具有***集成度高、切换方便、精度高、可靠性好的特点，且镜头结构合理、成本低。
本发明提出的一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，包括相互平行的两路光学通道，可移动的切换机构以及两路光学通道共用的波长可调激光光源和一级扩束***；所述相互平行的两路光学通道中，第一路光学通道包括依次设置的一级扩束透镜组和二级扩束反射发射镜组，第二路光学通道包括依次设置的共用的一级扩束透镜组和发射透镜组；所述两路光学通道共用一级扩束透镜组，所述一级扩束透镜组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4组成，所述二级扩束反射发射镜组包括第一反射镜7和第二反射镜8，所述发射透镜组包括第五透镜5和第六透镜6，所述可移动的切换机构包括一块可移动的第三反射镜9和一块与之平行固定的第四反射镜10构成，其中：第一透镜1、第三透镜3、第五透镜5均为凹透镜，第二透镜2、第四透镜4、第六透镜6均为凸透镜，第一反射镜7为凸非球面反射镜，第二反射镜8为凹非球面反射镜，第三反射镜9和第四反射镜10均为平面反射镜；第一透镜1的进光口对准波长可调激光光源11，第一透镜1的出光口对准第二透镜2的进光口，第二透镜2的出光口对准第三透镜3的进光口，第四透镜4出光口对准第一反射镜7的进光口，第一反射镜7的出光口对准第二反射镜8的进光口，使第一路光学通道工作；当第四透镜4出光口对准第三反射镜9的进光口，第三反射镜9的出光口对准第四反射镜10的进光口，第四反射镜10的出光口对准第五透镜5的进光口时，使第二路光学通道工作；通过可活动的第三反射镜9的切换，实现两路光学通道的相互切换。
本发明中，一级扩束透镜组的第一透镜前后表面曲率半径范围依次为-12mm~-14mm和12mm~14mm，光学厚度为2.5mm~3.5mm，光学材料为BK7玻璃；所述的第二透镜前后表面曲率半径范围依次为17mm~19mm和-94mm~-96mm，光学厚度范围2.5mm~3.5mm，光学材料为F2玻璃；所述的第三透镜前后表面曲率半径范围依次为-80mm~-82mm和36mm~38mm，光学厚度范围6mm~8mm，光学材料为F2玻璃；所述的第四透镜前后表面曲率半径范围依次为38mm~40mm和-32mm~-34mm，光学厚度范围6mm~8mm，光学材料为BK7玻璃；所述的第一反射镜7的曲率半径为47mm~50mm，非球面系数为-0.9～-1.1；所述的第二反射镜8的曲率半径为748mm~752mm，非球面系数为-0.9～-1.1；所述的第五透镜前后表面曲率半径范围依次为559mm~561mm和133mm~136mm，光学厚度范围4mm~6mm，光学材料为F2玻璃；所述的第六透镜前后表面曲率半径范围依次为147mm~150mm和平面，光学厚度范围4mm~6mm，光学材料为BK7玻璃。其中：规定图中所有光学元件左侧表面为前表面，右侧表面为后表面。
本发明中，第一透镜与第二透镜之间的距离为0.5mm～1mm；所述的第二透镜与第三透镜之间的距离为93mm～96mm；所述的第三透镜与第四透镜之间的距离为0.5mm～1mm；所述的第四透镜与第一反射镜之间的距离为470mm～490mm；所述的第一反射镜与第二反射镜之间的距离为350mm～352mm；所述的第四透镜与第三反射镜之间的距离为18mm～22mm；所述的第三反射镜与第四反射镜之间的距离为148mm～152mm；所述的第四反射镜与第五透镜之间的距离为458mm~462mm；所述的第五透镜与第六透镜之间的距离为1.5mm～2.5mm。
本发明的有益效果在于：利用同一输出波长可调的激光光源和共用一级扩束***，第一光学通道后接反射式扩束镜，第二光学通路后接透镜组组成发射***，两个通道输出不同口径的平行光束，通过平面转换镜切换进行分时工作，满足了紧凑化和低成本的要求，实现了模块化设计； 共用的一级扩束***利用两种光学材料进行消色差设计，满足复合工作波长的需求，通过改变激光光源输出波长，***功能实现复合工作波长、双发射通道输出不同口径平行光束的多工作模态。本发明中的两路光学通道光轴平行，在调整好测试设备与待测目标后，仅仅调整***的工作波长和移动切换镜即可对待测目标进行不同波段、不同测试模式的测量，显著提高了测量的便捷性。从工程应用角度考虑，为确保***的切换复位精度，采用了固定大口径折反射通道，对小口径发射通道加入反射镜切换机构的方式，实际上还可以选择第一光学通道全折射、在第二通道中加入反射切换的结构型式，但这种结构型式对反射镜的复位精度要求更高，***容差小于本发明的复位容差。
附图说明
图1 一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第一光学通道工作时的示意图。
图2 一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第二光学通道工作时的示意图。
图3一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第一光学通道工作时的圆能量分布图。
图4一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第一光学通道工作时的点列图。
图5一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第一光学通道工作时的波前畸变图。
图6一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第二光学通道工作时的圆能量分布图。
图7一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第二光学通道工作时的点列图。
图8一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第二光学通道工作时的波前畸变图。
图1和图2中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第一反射镜；8、第二反射镜；9、第三反射镜；10、第四反射镜；11、波长可调激光光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1和图2所示为一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的最佳实施例原理图。第一光学通道工作波长分别为0.860μm和1.064μm，光焦度为0，根据激光器的特性，全视场为0.1°，共采用了6片透镜，包括共用前级扩束***4片透镜和二级反射扩束组2片非球面反射镜，实现了83倍扩束，输出250mm平行光束；一级扩束***采用了BK7和F2两种材料组合实现了消色差设计。第二光学通道的工作波长分别为0.860μm和1.064μm，光焦度为0，镜头中采用8片透镜，光学镜头与第一光学通道共用一级扩束***，通过一组2片45°平行平面反射镜进行光路折转，后接2片发射透镜组，实现了5倍扩束，输出15mm的平行光束。两个光学通道采用了BK7和F2两种材料组合实现了消色差设计，满足在0.860μm和1.064μm波长下均能正常工作。当光路切换反射镜第三反射镜沿着-OY方向移出光路后，第一光学通道处于工作状态；当光路切换反射镜第三反射镜沿着OY方向移入光路后，第二光学通道处于工作状态。
具体说，一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，包括相互平行的两路光学通道、可移动的切换平面反射镜、以及共用一级扩束***；所述的相互平行的两路光学通道中，第一光学通道二级扩束采用非球面双反射镜***，与一级扩束***组成折反射发射***，包括依次设置的共用的一级扩束***、第一反射镜和第二反射镜；第二光学通道通过一组45度平行平面反射镜进行光路折转，包括依次设置的共用前级扩束***、可移动切换反射镜第三反射镜、第四反射镜、第五透镜、第六透镜；所述的共用一级扩束***包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜。两个光学通道共用波长可调激光光源，激光器输出口径为3mm，工作波长为0.860μm ~1.064μm近红外激光波长。
第一透镜前后曲率表面半径依次为-13.05mm和13.15mm，光学厚度范围3mm，光学材料为BK7玻璃；第二透镜前后表面曲率半径依次为18.07mm和-95.23mm，光学厚度范围3mm，光学材料为F2玻璃；第三透镜前后表面曲率半径依次为-81.12mm和36.76mm，光学厚度范围7mm，光学材料为F2玻璃；第四透镜前后表面曲率半径依次为39.15mm和-33.21mm，光学厚度范围7mm，光学材料为BK7玻璃；第一反射镜的曲率半径48mm，非球面系数为-1；第二反射镜的曲率半径为750mm，非球面***为-1。第五透镜前后表面曲率半径范围依次为559.25 mm和134.08mm，光学厚度范围5mm，光学材料为F2玻璃；第六透镜前后表面曲率半径范围依次为148.94mm和平面，光学厚度范围5mm，光学材料为BK7玻璃。
第一透镜与第二透镜之间的距离为0.7mm；第二透镜与第三透镜之间的距离为95mm；第三透镜与第四透镜之间的距离为0.7mm；第四透镜与第一反射镜之间的距离为480mm；第一反射镜与第二反射镜之间的距离为351mm；第四透镜与第三反射镜之间的距离为20mm；第三反射镜与第四反射镜之间的距离为150mm；第四反射镜与第五透镜之间的距离为460mm；所述的第五透镜与第六透镜之间的距离为2mm。
图3～图5所示为一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第一通道工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的圆能量分布图、点列图和波前畸变图，设计输入为口径为3mm的平行激光，波长为0.860μm和1.064μm，输出口径为250mm的平行光束，视场为0.000°、0.057°、0.086°和0.100°，由于正方向视场和负方向视场的像质相同，因此输入时仅取正方向视场即可。
图6～图8所示为一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头的第二通道工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的圆能量分布图、点列图和波前畸变图，设计输入为口径为3mm的平行激光，波长为0.860μm和1.064μm，输出口径为15mm的平行光束，视场为0.000°、0.057°、0.086°和0.100°。 从图3～图8可见，第一通道和第二通道在0.860μm和1.064μm的工作波长波前畸变小，圆能量分布均匀，输出光束质量高。
本发明目前可实现的技术性能为：
第一光学通道和第二光学通道都为平行光输入和平行光输出的无光焦度***；
第一光学通道和第二光学通道的工作波段：0.860μm~1.064μm之间；
第一光学通道和第二光学通道的视场为0.100°；
第一光学通道的输出口径为250mm，放大倍率为83倍；
第二光学通道的输出口径为15mm，放大倍率为5倍；
第一光学通道为近衍射极限***，1.064μm工作波长输出光束波前畸变≤PV 0.06waves；0.860μm工作波长输出光束波前畸变≤PV 0.04waves；
第二光学通道为近衍射极限***，1.064μm工作波长输出光束波前畸变≤PV 0.015waves；0.860μm工作波长输出光束波前畸变≤PV 0.02waves。
上述的对实施例的描述是为说明本发明的技术思想和特点，目的在于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种改动和变型，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，其特征在于包括相互平行的两路光学通道，可移动的切换机构以及两路光学通道共用的波长可调激光光源和一级扩束***；所述相互平行的两路光学通道中，第一路光学通道包括依次设置的一级扩束透镜组和二级扩束反射发射镜组，第二路光学通道包括依次设置的共用一级扩束透镜组和发射透镜组；所述两路光学通道共用一级扩束透镜组，所述一级扩束透镜组由第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)组成，所述二级扩束反射发射镜组包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8)，所述发射透镜组包括第五透镜(5)和第六透镜(6)，所述可移动的切换机构包括一块可移动的第三反射镜(9)和一块与之平行固定的第四反射镜(10)构成，其中：第一透镜(1)、第三透镜(3)、第五透镜(5)均为凹透镜，第二透镜(2)、第四透镜(4)、第六透镜(6)均为凸透镜，第一反射镜(7)为凸非球面反射镜，第二反射镜(8)为凹非球面反射镜，第三反射镜(9)和第四反射镜(10)均为平面反射镜；第一透镜(1)的进光口对准波长可调激光光源(11)，第一透镜(1)的出光口对准第二透镜(2)的进光口，第二透镜(2)的出光口对准第三透镜(3)的进光口，第四透镜(4)出光口对准第一反射镜(7)的进光口，第一反射镜(7)的出光口对准第二反射镜(8)的进光口，使第一路光学通道工作；当第四透镜(4)出光口对准第三反射镜(9)的进光口，第三反射镜(9)的出光口对准第四反射镜(10)的进光口，第四反射镜(10)的出光口对准第五透镜(5)的进光口时，使第二路光学通道工作；通过可活动的第三反射镜(9)的切换，实现两路光学通道的相互切换。
2.根据权利要求1所述的双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，其特征在于一级扩束透镜组的第一透镜前后表面曲率半径范围依次为-12mm~-14mm和12mm~14mm，光学厚度为2.5mm~3.5mm，光学材料为BK7玻璃；所述的第二透镜前后表面曲率半径范围依次为17mm~19mm和-94mm~-96mm，光学厚度范围2.5mm~3.5mm，光学材料为F2玻璃；所述的第三透镜前后表面曲率半径范围依次为-80mm~-82mm和36mm~38mm，光学厚度范围6mm~8mm，光学材料为F2玻璃；所述的第四透镜前后表面曲率半径范围依次为38mm~40mm和-32mm~-34mm，光学厚度范围6mm~8mm，光学材料为BK7玻璃；所述的第一反射镜7的曲率半径为47mm~50mm，非球面系数为-0.9～-1.1；所述的第二反射镜8的曲率半径为748mm~752mm，非球面系数为-0.9～-1.1；所述的第五透镜前后表面曲率半径范围依次为559mm~561mm和133mm~136mm，光学厚度范围4mm~6mm，光学材料为F2玻璃；所述的第六透镜前后表面曲率半径范围依次为147mm~150mm和平面，光学厚度为4mm~6mm，光学材料为BK7玻璃。
3.根据权利要求1所述的双通道复合波长红外激光雷达发射***光学镜头，其特征在于第一透镜与第二透镜之间的距离为0.5mm～1mm；所述的第二透镜与第三透镜之间的距离为93mm～96mm；所述的第三透镜与第四透镜之间的距离为0.5mm～1mm；所述的第四透镜与第一反射镜之间的距离为470mm～490mm；所述的第一反射镜与第二反射镜之间的距离为350mm～352mm；所述的第四透镜与第三反射镜之间的距离为18mm～22mm；所述的第三反射镜与第四反射镜之间的距离为148mm～152mm；所述的第四反射镜与第五透镜之间的距离为458mm~462mm；所述的第五透镜与第六透镜之间的距离为1.5mm～2.5mm。
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