激光测距接收光路组件及光轴调试方法与流程

1.本发明涉及光学领域，尤其涉及一种激光测距接收光路组件及光轴调试方法。


背景技术：

2.近年来，随着激光测距技术的不断发展，激光测距技术由于具有重复频率高、测量速度快、精度高、距离远、抗干扰性强等优势，广泛应用于目标探测、航空航天以及民用测距领域。其中激光发射光路和接收光路光轴对准精度直接影响激光测距性能。然而，在复杂光电探测系统，尤其是多波段共光路的系统中，激光接收部分可用的光轴调试空间较为狭小。相关技术中，在进行激光接收光轴调试时，多采用镜头整体平移、镜头固定位置添加垫片或者研磨机械结构等方式改变光轴角度，但此种光轴调试方法存在结构复杂、可靠性低、人为误差大、调试周期长等问题。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种激光测距接收光路组件及光轴调试方法，用以解决现有技术中光轴调试方法可靠性低的问题。
4.根据本发明实施例的激光测距接收光路组件，在光线传播方向上，所述激光测距接收光路组件依次包括间隔设置的物方远心镜组、准直镜组、以及会聚镜组；
5.光线经所述准直镜组准直后以平行光形式出射；
6.所述会聚镜组用于矫正前端镜组的像差，光线经所述会聚镜组后聚焦于像面处。
7.根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：
8.视场光阑，位于所述物方远心镜组与所述准直镜组之间，且位于一次像面位置处，所述视场光阑的开口口径与镜头的视场角匹配。
9.根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：
10.消杂光光阑，位于所述准直镜组和所述会聚镜组之间。
11.根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：位于所述准直镜组和所述会聚镜组之间的窄带滤光片和偏振片。
12.根据本发明的一些实施例，所述准直镜组，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
13.所述会聚镜组，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
14.所述物方远心镜组包括：
15.物镜组，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
16.场镜组，包括至少一片具有正光焦度或负光焦度的透镜；
17.所述场镜组位于所述物镜组与所述准直镜组之间。
18.根据本发明的一些实施例，所述透镜均为k9件或石英件。
19.根据本发明的一些实施例，所述透镜的表面均为球面或非球面，且所述非球面满足下列方程：
[0020][0021]
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时、距离非球面顶点的矢高，r为透镜的近轴曲率半径，k为圆锥系数，a、b、c、d均为高次非球面系数。
[0022]
根据本发明的一些实施例，所述激光测距接收光路组件的f/#满足：0.5≤f/#≤10、口径d0满足：
‑
500mm≤d0≤
‑
5mm；
[0023]
所述激光测距接收光路组件的光学总长l和焦距f'之间满足条件：0.5f'≤l≤4f'；
[0024]
所述激光测距接收光路组件适于接收500nm～2000nm波长的激光。
[0025]
根据本发明的一些实施例，所述激光测距接收光路组件呈l型、u型或z直筒型。
[0026]
根据本发明实施例的光轴调试方法，所述光轴调试方法适用于如上所述的激光测距接收光路组件；
[0027]
所述方法包括：
[0028]
整体平移准直镜组和会聚镜组。
[0029]
采用本发明实施例，在镜片加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研/垫等过程，有利于批量化生产，而且具有普适性，对于不同波段的激光具有良好的适用性，并且可调整空间大，通过平移部分镜组代替传统的研磨、加垫片等方式调轴，具有可靠性高、调轴精度高和调试效率高等优点。
[0030]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0031]
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
[0032]
图1是本发明实施例中激光测距接收光路组件结构示意图；
[0033]
图2是本发明实施例中激光测距接收光路组件的畸变和场曲曲线示意图；
[0034]
图3是本发明实施例中常温光学传递函数mtf曲线示意图；
[0035]
图4是本发明实施例中激光测距接收光路组件结构示意图；
[0036]
图5是本发明实施例中激光测距接收光路组件的畸变和场曲曲线示意图；
[0037]
图6是本发明实施例中常温光学传递函数mtf曲线示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0039]
本发明的目的在于提供一种激光测距接收光路组件及光轴调试方法，针对多波段共光路系统中激光测距光路存在的调试空间紧张、装调效率低、可靠性差等问题，通过改变传统激光接收光路的光线走向，设计像方远心的中间像面，实现通过部分镜组径向平移产生光轴角度改变的目的，进而提高装调精度、效率和系统可靠性。
[0040]
具体的，本发明第一方面实施例提出一种激光测距接收光路组件，如图1和图4所示，在光线传播方向上，所述激光测距接收光路组件依次包括间隔设置的物方远心镜组、准直镜组30、以及会聚镜组40；
[0041]
经过所述物方远心镜组后的主光线在中间像面处均近似与光轴平行，且在中间像面处主光线的像面大小为恒定值。
[0042]
光线经所述准直镜组30准直后以平行光形式出射；
[0043]
所述会聚镜组(或称成像镜组)40用于矫正前端镜组的像差，光线经所述会聚镜组40后聚焦于像面处。
[0044]
采用本发明实施例，在镜片加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研/垫等过程，有利于批量化生产，而且具有普适性，对于不同波段的激光具有良好的适用性，并且可调整空间大，通过平移部分镜组代替传统的研磨、加垫片等方式调轴，具有可靠性高、调轴精度高和调试效率高等优点。
[0045]
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
[0046]
如图1和图4所示，根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：
[0047]
视场光阑50，位于所述物方远心镜组与所述准直镜组30之间，且位于一次像面位置处，所述视场光阑50的开口口径与镜头的视场角匹配。一次像面即经过物方远心镜组后光线会聚处。通过设计视场光阑50，可以保证镜头具有准确的接收视场角。
[0048]
如图1和图4所示，根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：
[0049]
消杂光光阑60，位于所述准直镜组30和所述会聚镜组40之间。
[0050]
根据本发明的一些实施例，所述激光测距装置还包括：位于所述准直镜组30和所述会聚镜组40之间的窄带滤光片和偏振片。
[0051]
通过在消杂光光阑60处添加窄带滤光片、偏振片等抑制杂散光，可以提高信噪比。
[0052]
根据本发明的一些实施例，所述准直镜组30，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
[0053]
所述会聚镜组40，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
[0054]
如图1和图4所示，所述物方远心镜组包括：
[0055]
物镜组10，包括至少一片具有正光焦度的透镜；
[0056]
场镜组20，包括至少一片具有正光焦度或负光焦度的透镜；
[0057]
所述场镜组20位于所述物镜组10与所述准直镜组30之间。
[0058]
根据本发明的一些实施例，所述透镜均为k9件或石英件。
[0059]
根据本发明的一些实施例，所述透镜的表面均为球面或非球面，且所述非球面满足下列方程：
[0060]
[0061]
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时、距离非球面顶点的矢高，r为透镜的近轴曲率半径，k为圆锥系数，a、b、c、d均为高次非球面系数。
[0062]
根据本发明的一些实施例，本发明实施例中的所有透镜均可以是玻璃件，从而可以保证透镜具有良好的无热化效果。
[0063]
本发明实施例可采用非球面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能高。
[0064]
根据本发明的一些实施例，所述激光测距接收光路组件的f/#满足：0.5≤f/#≤10、口径d0满足：
‑
500mm≤d0≤
‑
5mm；
[0065]
所述激光测距接收光路组件的光学总长l和焦距f'之间满足条件：0.5f'≤l≤4f'；
[0066]
所述激光测距接收光路组件适于接收500nm～2000nm波长的激光。
[0067]
根据本发明的一些实施例，所述激光测距接收光路组件呈l型、u型或z直筒型。
[0068]
根据本发明的一些实施例，激光测距接收光路组件适于应用至多波段共光路光电系统和复杂激光测距系统。
[0069]
本发明第二方面实施例提出一种光轴调试方法，所述光轴调试方法适用于如上第一方面实施例所述的激光测距接收光路组件；
[0070]
所述方法包括：
[0071]
整体平移准直镜组和会聚镜组。
[0072]
在传统调试方法中，需要先确定激光发射光斑画圆的大小，在将激光接收放置于理论位置处，依据激光发射光斑画圆位置，通过调整激光接收镜头的位置，使其视场包含激光发射画圆位置。然后具体调试激光接收镜头的方法，通常都采用研磨、平移或添加垫片等方式，根据情况，进行研磨、平移或添加垫片，在进一步调节，使其视场包含激光发射画圆位置；若并未实现，进一步进行迭代，直至激光接收端视场完全囊括激光发射所画圆光斑以及位置，并且位于激光接收视场中心位置。
[0073]
而采用本发明实施例的调试方法，由于在设计过程中充分考虑到激光接收端与机械结构角度偏差的问题，采用物方远心的设计从而避免了角度偏差，即不用进行研磨或添加垫片的过程，仅仅需要平移，大大降低了装调难度以及迭代的时间，从而降低了装调的难度，提高了精度，进而提高了激光测距的性能。
[0074]
下面参照图1
‑
图6以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的激光测距接收光路组件及光轴调试方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0075]
本发明实施例提出一种激光测距接收光路组件。激光测距接收光路组件的f/#满足：0.5≤f/#≤10，激光测距接收光路组件的口径d0满足：
‑
500mm≤d0≤
‑
5mm。激光测距接收光路组件的光学总长l和焦距f'之间满足条件：0.5f'≤l≤4f'。激光测距接收光路组件适用于500nm～2000nm波长的激光接收。
[0076]
如图1和图4所示，本发明实施例的激光测距接收光路组件在沿光线自左向右的入射方向依次设置物镜组10、场镜组20、视场光阑50、准直镜组30、消杂光光阑60、会聚镜组40。
[0077]
物镜组10可以为一组包含球面或非球面的透镜组，且包含不少于1片具有正光焦度的透镜，透镜可以是k9、熔融石英等与波长相匹配的材料件。
[0078]
场镜组20可以为一组包含球面或非球面的透镜组，且包含不少于1片具有正光焦度或负光焦度的透镜，透镜可为k9、石英等与波长相匹配的材料件。
[0079]
准直镜组30可以为一组包含球面或非球面的透镜组，且包含不少于1片具有正光焦度的片透镜，透镜可为k9、石英等与波长相匹配的材料件，且经准直镜组30准直后其出射光以平行光形式出射。
[0080]
会聚镜组40可以为一组包含球面或非球面的透镜组，且包含不少于1片具有正光焦度的透镜，透镜可为k9、石英等与波长相匹配的材料件，用于矫正前端镜组的像差，且经会聚镜组40后光线将聚焦于像面处。
[0081]
视场光阑50位于一次像面位置处，并且在场镜组20和准直镜组30之间且视场光阑50的开口口径与镜头的视场角匹配。
[0082]
消杂光光阑60的孔径光阑位于在准直镜组30和会聚镜组40之间，并且其位置可添加放置窄带滤光片、偏振片等以期达到过滤抑制杂散光的效果。
[0083]
物镜组10、场镜组20设计为物像方远心镜组，经物镜组10和场镜组20会聚的各个视场光线，其主光线在中间像面处均近似与光轴平行视场光阑50处主光线的像面大小为恒定值，且中心视场光线与光轴平行。
[0084]
本发明实施例的激光测距接收光路组件在进行光轴调试时，通过在垂直于光轴的平面内，整体平移视场光阑50、准直镜组30、消杂光光阑60、会聚镜组40和激光接收器实现。
[0085]
上述系统整体光学结构型式可根据实际空间布局体积要求设计为l型、u型和z直筒型等形状。
[0086]
图1为本发明实施例的激光测距接收光路组件的一种具体实施方式，在该实施例中，光学系统焦距为93mm，f/#为2，视场角为
±
0.3
°
，光学系统总长182mm，设计波长1064μm，该系统具体参数如表1所示。
[0087]
表1
[0088]
表面序号面型曲率半径中心厚度材料s1球面51.0410.00k9s2非球面
‑
738.5180.02 s3球面
‑
15.503.00k9s4非球面
‑
12.516.97 s5(视场光阑50)球面infinity22.39 s6球面26.946k9s7非球面
‑
21.4912.67 s8(消杂光光阑)球面infinity12.67 s9非球面21.496k9s10球面
‑
26.9422.24 像面球面infinity0 [0089]
旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：
[0090]
[0091]
上式中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距离非球面顶点的矢高，r为透镜的近轴曲率半径，k为圆锥系数，a、b、c、d为高次非球面系数。表2为该实施例的非球面参数。
[0092]
表2
[0093][0094][0095]
该实施例的光学系统的点列图曲线如图2所示，光学系统的mtf曲线如图3所示。
[0096]
图4为本发明实施例的激光测距接收光路组件的另一种具体实施方式，在该实施例中，光学系统焦距为93mm，f/#为2，视场角为
±
0.3
°
，光学系统总长209mm，设计波长1064μm，该系统具体参数如表3所示。
[0097]
表3
[0098]
元件名称面型曲率半径中心厚度材料s1球面117.1815k9s2球面
‑
1602.377.56 s3球面58.325.83k9s4球面infinity74.4 s5非球面
‑
19.3515k9s6球面
‑
9.749.16 s7(视场光阑)球面infinity22.39 s8球面26.946k9s9非球面
‑
21.4912.67 s10(消杂光光阑)球面infinity12.67 s11球面21.496k9s12非球面
‑
26.9422.24 像面球面infinity0.00 [0099]
旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：
[0100][0101]
上式中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距离非球面顶点的矢高，r为透镜的近轴曲率半径，k为圆锥系数，a、b、c、d为高次非球面系数。表4为该实施例的非球面参数。
[0102]
表5
[0103][0104][0105]
该实施例的光学系统的点列图曲线如图5所示，光学系统的mtf曲线如图6所示。
[0106]
本发明实施例具有如下优点：
[0107]
1.本发明通过平移部分镜组代替传统的研磨、加垫片等方式调轴，具有可靠性高、调轴精度高和调试效率高等优点；
[0108]
2.本发明通过设计视场光阑50，保证镜头具有准确的接收视场角；
[0109]
3.本发明具有普适性，对于不同波段的激光具有良好的适用性，并且可调整空间大；
[0110]
4.本发明光学系统可采用非球面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能高；
[0111]
5.本发明光学系统在消杂光光阑处可添加窄带滤光片、偏振片等抑制杂散光，提高信噪比；
[0112]
6.本发明光学系统工艺性好，在镜片加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研/垫等过程，有利于批量化生产；
[0113]
7.本发明光学系统透镜采用玻璃材料，保证具有良好的无热化效果；
[0114]
8.本发明光学系统结构型式可塑性好，可根据体积要求改变为l型、u型和直筒型等形状。
[0115]
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0116]
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0117]
不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。