一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统。本发明专利技术通过优化发射端和接收端的光学设计，利用离轴格里高利式光学结构，避免中心遮拦导致进光量损失，进而实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，从而提高回波信号的强度和稳定性；能够减少光能损失，从而提高测距的准确性和稳定性，避免误差和干扰，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统


[0001]本专利技术涉及一种激光测距光学系统，尤其涉及一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统。

技术介绍

[0002]激光测距技术是以发射激光束探测目标的位置、距离、速度等特征量的探测系统.其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得包括目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对被测物体进行探测、跟踪和识别。
[0003]现有的激光测距系统存在以下几个缺点：
[0004]1.能量接收效率低下。现有的激光测距光学系统多采用激光反射与探测接收模块并置或者由半折半反透镜分光以满足激光测距发射与接收需求，但是并置探测结构对于目标的随机散射而言，能量接收效率太低，对于三维空间的散射光场分布，并置结构仅能接收到小部分能量，而浪费了较大部分的回波强度。而采用半折半反透镜实现发射接收共口径的系统在初始发射和接收折射时，就会至少损失50％的能量，较大的光学能量耗散率对光学系统而言是不实用的。
[0005]2.光学相对口径较小。对于激光测距系统而言，光能会随光传播而被大气散射或耗散，从远场散射回来的回波信号会衰减地很厉害。由BRDF散射场理论分析，目标物的随机散射能量主要分布在发射激光光场中央附近，且强度随离轴半径增大而减小。能够探测到的回波信号非常微弱，较小的接收口径对远场条件下激光测距光学系统而言是不利的。
[0006]3.中心遮拦比率较高。在共口径收发激光测距系统中，使用折反射光学系统作为光学发射端，一定程度上会由于面遮拦比问题产生光能损失，这种要实现激光收发共轴系统，往往就存在面遮拦比过高的问题，存在能量接收
‑
发射效率的权衡。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术目的是提供一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，可以实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，同时减少光能损失。
[0008]技术方案：本专利技术包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统。
[0009]所述第二反射镜最底端的高度比第一反射镜最顶端的高度高，以确保第二反射器不会遮拦第一反射镜的入射。
[0010]所述第一反射镜倾斜设置，第二反射器垂直于主光轴设置。
[0011]所述第一反射镜净口径在150mm～200mm之间，中心开孔处的净口径在10mm～15mm之间。
[0012]所述第一反射镜与第二反射镜之间的光路上设有视场光阑，以滤除视场内0
°
～0.240
°
以外大视场的杂散光，避免不必要的光学串扰。
[0013]所述离轴反射系统的入瞳直径在150～200mm之间，半视场角范围为0
°
～0.240
°
。
[0014]所述视场光阑的视场角范围为0
°
～0.240
°
，净口径6mm～8mm，中心孔径2.5～4.0mm。
[0015]所述聚焦系统包括沿光路依次设置的第一透镜，第二透镜和第三透镜。
[0016]所述第一透镜、第二透镜、第三透镜与光电探测器共光轴设置，该光轴位于主光轴上方，且与主光轴之间存在夹角，通过聚焦系统将离轴格里高利式反射系统所接收的视场内有效光通量聚焦于光电探测器的光敏面上。
[0017]所述激光发射系统采用激光发射准直装置，包括沿光路依次设置的激光源光源、第一准直柱透镜和第二准直柱透镜，准直装置可以根据光束的特性，通过光学元件的调节，将光束准直、对准和优化，以便使激光能够在目标上聚焦，实现高效、稳定的作用。
[0018]有益效果：本专利技术主要具有以下优点
[0019]1.提高能量接收效率，扩大接收口径：通过优化发射端和接收端的光学设计，利用离轴格里高利式光学结构，避免中心遮拦导致进光量损失，进而实现更高的能量接收效率和更大的接收口径，从而提高回波信号的强度和稳定性。这可以使得激光测距系统在各种应用场景下更加精准和可靠，满足高精度、远距离、多场景等测量需求。
[0020]2.减少光能损失：本专利技术的光学设计能够减少光能损失，从而提高测距的准确性和稳定性，避免误差和干扰。这对于一些需要高精度测量的应用场景非常重要，例如建筑测量、导航等。
[0021]3.提高测距精度和稳定性：通过提高回波信号的强度和稳定性，本专利技术可以实现更加精确和稳定的测距结果。这对于一些需要高精度和高稳定性的应用场景非常重要，例如点云自动化建模、自动驾驶汽车等。
[0022]4.小型化和便携性：本专利技术的激光测距系统在远距离测量中体积较小，重量轻，利用反射式结构可以大大减轻大口径光学系统的重量，可以轻松携带到不同的应用场景，并可以实现多种多样的功能。这对于需要移动测量或便携式测量的应用场景非常重要，例如野外测绘、航空测量、地质勘探等。
[0023]5.应用广泛：激光测距技术可以应用于建筑测量、野外测绘、导航、自动驾驶汽车等多个领域，具有广泛的应用前景。本专利技术的技术方案可以进一步推动激光测距技术的发展，为相关应用领域带来更大的应用潜力。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的整体结构及光路示意图；
[0025]图2为本专利技术聚焦系统的结构及光路图；
[0026]图3为本专利技术激光发射准直装置的结构及光路图；
[0027]图4为实施例中光电探测器光敏面在视场内不同视场角成像的示意图；
[0028]图5为实施例中激光发射准直装置准直成像的示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0030]如图1至图3所示，本专利技术包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括离轴反射系统，视场光阑2，滤光片3，聚焦系统和光电探测器，激光测距接收光学系统的入瞳直径150～200mm，总长240～330mm。激光发射系统包括激光发射准直装置。离轴反射系统采用离轴格里高利式反射系统，其入瞳直径150～200mm，半视场角范围为0
°
～0.240
°
，作用为对有效返回光通量进行会聚接收，包括第一反射镜7和第二反射镜8，其中，第一反射镜7为主反射镜，为椭球面凹面结构，第二反射镜8为副反射镜，采用双曲面凹面结构，第一反射镜7倾斜设置，第二反射器8垂直于主光轴设置，第二反射镜8位于第一反射镜7上方，且第二反射镜8最底端的高度比第一反射镜7最顶端的高度高，以确保第二反射器8不会遮拦第一反射镜7的入射。第一反射镜7的中心开孔，其开孔面积小于第二反射镜8的面积，在开孔处放置有激光发射准直装置，第二反射镜8和激光发射准直装置分别设置在第一反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，包括激光测距接收光学系统和激光发射系统，其中，激光测距接收光学系统包括沿光路依次设置的离轴反射系统、滤光片、聚焦系统和光电探测器，所述离轴反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜位于第一反射镜上方，所述第一反射镜的中心开孔，开孔处放置有激光发射系统。2.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，所述第二反射镜最底端的高度比第一反射镜最顶端的高度高。3.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，所述第一反射镜倾斜设置，第二反射器垂直于主光轴设置。4.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，所述第一反射镜净口径在150mm～200mm之间，中心开孔处的净口径在10mm～15mm之间。5.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高利结构的远场激光测距光学系统，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜之间的光路上设有视场光阑。6.根据权利要求1所述的一种基于离轴格里高...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝翊宁，曹国洋，周星宇，俞诚程，韦怡君，潘俏，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：