一種雷射測量光機系統的製作方法
2023-05-24 03:37:01 2
專利名稱：一種雷射測量光機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學系統領域，尤其是涉及一種雷射測量光機系統。
背景技術：
雲在天氣系統發展、降水形成和大氣輻射傳輸等物理過程中扮演著極其重要的角色。正確觀測、分析雲的變化，準確、及時地獲取雲的信息，是了解大氣物理狀況，掌握天氣變化規律的一個重要因素。半導體雷射雲高儀是結合大氣散射理論和雷射測距原理發展起來的一種常用的雷射測量光機系統，其測量原理是從地面垂直向上發射雷射，雷射進入雲層時，在雲層邊界處將產生較強的後向散射，散射信號的時域信息體現了雲底的高度，散射信號的幅值信息則體現了雲的類型、大氣特性等參數。因此通過對後向散射信號的處理，可以反演出雲底位置、雲底高度、雲層數、雲厚和雲量等關於雲的信息。
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半導體雷射雲高儀的系統設計中，收發同軸是常用的一種結構。這種結構可以儘可能多的收集反射的信號光，還可以解決非同軸光學系統中盲區過大的問題。在現有技術中，實現這種收發同軸的常用技術手段之一是採用卡塞格林式反射望遠鏡，將發射雷射從接收望遠鏡的側面反射到望遠鏡中心，但是這種結構存在的最大問題是很難保證發射光束的光軸與接收望遠鏡的光軸始終保持共軸或平行。另外一種實現收發同軸的常用技術手段是採用圖I所示的結構，這種結構中發光光源發射雷射，通過平面反射鏡5的出射光孔以及透鏡I射出雷射，而平面反射鏡將接收的回波信號反射至光接收組件9。因此，該結構中通過空心的平面反射鏡將發射和接收光路分離，保證了發射光束的光軸與接收望遠鏡的光軸始終保持共軸或平行。但由於該結構中的雷射為發散光，因此發射的光源和光接收組件9都要很精確的放置在透鏡I的焦點上，因此對整個結構的調整精度要求很高。在安裝和更換該結構中的部件時，需要進行精密的調整，因此給安裝和維護帶來極大的不便。
發明內容
本發明解決的技術問題在於提供一種雷射測量光機系統，實現能夠在不需要精確測量和定位的情況下對雷射測量光機系統的組件進行裝調，從而方便對雷射測量光機系統的安裝和維護。為此，本發明解決技術問題的技術方案是本發明提供了一種雷射測量光機系統，所述系統包括雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件。所述雷射發射組件包括脈衝半導體雷射二極體、準直透鏡；所述準直透鏡用於將脈衝半導體雷射二極體發射的雷射準直成平行光。所述雷射反射組件包括空心反射鏡及連接裝置；所述連接裝置與所述空心反射鏡連接，並且具有與所述雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件連接的安裝接口 ；所述空心反射鏡具有方形空心，所述空心反射鏡用於將所述準直透鏡準直後的平行光透過至望遠鏡組件中的負目鏡，所述空心反射鏡面對所述負目鏡的一面的實心部分鍍有全反射膜；所述全反射膜的反射波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長。所述望遠鏡組件包括由負目鏡、鏡筒和物鏡組成的光學望遠鏡；所述負目鏡的尺寸大於所述空心反射鏡透過的平行光的尺寸；所述物鏡的尺寸大於所述空心反射鏡透過的平行光經負目鏡和鏡筒傳輸到所述物鏡時的尺寸。所述雷射探測組件包括窄帶濾波片、聚焦透鏡和光電探測器；所述窄帶濾波片用於對所述空心反射鏡反射的雷射回波進行濾波，所述聚焦透鏡用於將所述窄帶濾波片濾波後的雷射回波聚焦到光電探測器。優選地，所述雷射反射組件的連接裝置具有與所述雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件對應連接的凹槽。優選地，所述空心反射鏡的方形空心的尺寸與所述準直透鏡準直後的平行光的尺寸相同。
優選地，其特徵在於，所述空心反射鏡的尺寸與所述負目鏡的尺寸相配合。優選地，所述空心反射鏡為方形或橢圓形。優選地，所述負目鏡和所述物鏡的兩面均鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的增透膜。優選地，所述準直透鏡的兩面鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的的增透膜。優選地，所述聚焦透鏡的兩面鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的的增透膜。優選地，所述脈衝半導體雷射二極體的發射波長為905nm，則所述全反射膜的反射波長、所述窄帶濾波片的中心波長均為905nm。優選地，所述系統用於半導體雷射雲高儀、氣溶膠探測雷射雷達或微脈衝雷射雷達。通過上述技術方案可知，本發明中的雷射測量光機系統採用了模塊化的組件結構，雷射發射組件中的準直透鏡將脈衝半導體雷射二極體發射的雷射準直成平行光，該平行光從空心反射鏡的空心處透過至望遠鏡組件，望遠鏡組件對該平行光進行擴束並壓縮發散角。並且望遠鏡組件接收的雷射回波也為平行光束。因此，雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件之間的光路均為平行光路，從而降低了該光機系統中對組件之間調整精度的要求，並且通過雷射反射組件的連接裝置中的分別與雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件相連的安裝接口，能夠實現在不需要精確測量和定位的情況下對該光機系統的組件進行安裝或替換。從而方便對雷射測量光機系統的安裝和維護。
圖I為現有技術中一種雷射測量光機系統的結構示意圖；圖2為本發明提供的一種雷射測量光機系統具體實施例的結構示意圖；圖3為空心反射鏡的一種結構示意圖；圖4為空心反射鏡的另一結構不意圖；圖5為本發明提供的一種雷射測量光機系統另一具體實施例的結構示意圖。
具體實施方式
請參閱圖2，本發明提供了一種雷射測量光機系統的具體實施例，該實施例中， 所述系統包括雷射發射組件201、雷射反射組件202、望遠鏡組件203以及雷射探測組件 204。
雷射發射組件201包括脈衝半導體雷射二極體2011、準直透鏡2012。脈衝半導體雷射二極體2011用於發射方形光斑的脈衝雷射。準直透鏡2012用於將脈衝半導體雷射二極體2011發射的雷射準直成平行光。可以在準直透鏡的雙面或一面鍍上增透膜，該增透膜的增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長。
雷射反射組件202包括空心反射鏡2021及連接裝置2022。連接裝置2022與空心反射鏡2021連接，並且連接裝置2022具有與雷射發射組件201、望遠鏡組件203以及雷射探測組件204連接的安裝接口。空心反射鏡2021具有方形空心，空心反射鏡2021能夠將準直透鏡2012準直後的平行光透過至望遠鏡組件203中的負目鏡2031，空心反射鏡2021 面對負目鏡2031的一面的實心部分鍍有全反射膜。該全反射膜的反射波長為脈衝 半導體雷射二極體2011的發射波長。
望遠鏡組件203包括由負目鏡2031、鏡筒2032和物鏡2033組成的光學望遠鏡。 負目鏡2031的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光的尺寸，物鏡2023的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光經負目鏡2031和鏡筒2032傳輸到物鏡2033時的尺寸。負目鏡 2031是凹透鏡，物鏡2033是凸透鏡。負目鏡2031的兩面可以均鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的增透膜。物鏡2033的兩面可以均鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的增透膜。望遠鏡組件203能夠對空心反射鏡2021透過的平行光進行擴束和壓縮發散角，使得發散角滿足應用需求(通常發散角約Imrad或更小)。
雷射探測組件204包括窄帶濾波片2041、聚焦透鏡2042和光電探測器2043。窄帶濾波片2041用於對空心反射鏡2021反射的雷射回波進行濾波，聚焦透鏡2042用於將窄帶濾波片2041濾波後的雷射回波聚焦到光電探測器2043。窄帶濾波片的濾波波長為脈衝半導體雷射二極體2011的發射波長。可以在聚焦透鏡的雙面鍍上增透膜，該增透膜的增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長。
當使用該實施例中的雷射測量光機系統測量雲信息時，雷射發射組件201中的脈衝半導體雷射二極體2011從地面垂直向上發射方形光斑的脈衝雷射，準直透鏡2012將脈衝半導體雷射二極體2011發射的雷射準直成平行光。經準直透鏡2012準直後的平行光透過空心反射鏡2021的方形空心，經望遠鏡組件203中的負目鏡2031、鏡筒2032和物鏡2033 後垂直地面向上發射。望遠鏡組件203中的負目鏡2031、鏡筒2032和物鏡2033組成望遠鏡系統，對透過空心反射鏡2021的方形空心的平行光進行擴束和發散角壓縮。
垂直地面向上發射的雷射進入雲層後，在雲層邊界處產生後向散射雷射回波，由於物鏡2023的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光經負目鏡2031和鏡筒2032傳輸到物鏡2033時的雷射的尺寸，並且負目鏡2031的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光的尺寸，因此後向散射雷射回波經望遠鏡組件接收後發送至空心反射鏡2021。此時後續散射雷射回波中只有平行光束或近似平行光束被望遠鏡組件接收到，這是由於除平行光束外其他角度的雷射回波會偏出望遠鏡組件的接收部分。空心反射鏡2021面對負目鏡2031的一面的實心部分鍍有全反射膜，該全反射膜的反射波長為脈衝半導體脈衝雷射2011的發射波長。因此雷射回波經空心反射鏡2021的實心部分反射至雷射探測組件204。雷射探測組件204的窄帶濾波器2041對空心反射鏡2021反射的雷射回波進行濾波，聚焦透鏡2042將窄帶濾波片2041濾波後的雷射回波聚焦到光電探測器2043。其中，窄帶濾波器2041的濾波波長為脈衝半導體脈衝雷射2011的發射波長。
該實施例中的雷射測量光機系統採用了模塊化的組件結構，雷射發射組件中的準直透鏡將脈衝半導體雷射二極體發射的雷射準直成平行光，該平行光從空心反射鏡的空心處透過至望遠鏡組件，望遠鏡組件對該平行光進行擴束並壓縮發散角。並且望遠鏡組件接收的雷射回波也為平行光束。因此，雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件之間的光路均為平行光路，從而降低了該光機系統中對組件之間調整精度的要求， 並且通過雷射反射組件的連接裝置中的分別與雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件相連的安裝接口，實現了能夠在不需要精確測量和定位的情況下對該光機系統的組件進行安裝或替換。從而方便對雷射測量光機系統的安裝和維護。此外，由於空心反射鏡2021 的實心部分反射至窄帶濾波器的雷射回波為平行光，因此對窄帶濾波器的加工精度要求更低、工藝上也更容易實現。
該實施例中，連接裝置2022與空心反射鏡2021連接，並且連接裝置2022具有與雷射發射組件201、望遠鏡組件203以及雷射探測組件204相連的安裝接口，安裝接口是指能夠將雷射發射組件201、望遠鏡組件203以及雷射探測組件204分別安裝在連接裝置 2022上的接口。這裡，安裝接口可以為凹槽接口，此時，雷射反射組件202的連接裝置2022 具有分別與雷射發射組件201、望遠鏡組件203以及雷射探測組件204對應連接的凹槽。
在安裝本發明提供的雷射測量光機系統時，將雷射反射組件202作為結構的基準，雷射發射組件2011、雷射探測組件204、望遠鏡組件203都與雷射反射組件202上有同軸度、平行度和垂直度的結構精度要求，安裝時也以雷射反射組件202為核心，逐步安裝雷射發射組件201、望遠鏡組件203和雷射探測組件204。
優選地，雷射測量光機系統的接受視場角大於發射的發散角。這裡，雷射測量光機系統發射的發散角由脈衝半導體雷射二極體2011的發光截面、準直透鏡2012的焦距和望遠鏡組件203的放大倍數決定，雷射測量光機系統的接受視場角由光電探測器2043的光敏面大小、聚焦透鏡2042的焦距和望遠鏡組件203的放大倍數決定。
優選地，空心反射鏡2021的方形空心的尺寸大於或等於準直透鏡2012準直後的平行光的尺寸。
優選地，空心反射鏡2021為空心45°反射鏡。
優選地，空心反射鏡2021的尺寸與負目鏡2031的通光口徑的尺寸相配合。如圖 3和圖4所示，空心反射鏡2021的外形尺寸可以為方形或橢圓形。例如，負目鏡2031的通光口徑的直徑為25mm，空心反射鏡2021的外形尺寸可以為25mmX35. 4mm的方形或者長軸 35. 4mm、短軸25mm的橢圓形。
優選地，準直透鏡2012為非球面透鏡。
優選地，聚焦透鏡2042為非球面透鏡。
圖5為本發明提供的雷射測量光機系統的另一具體實施例，該實施例中，脈衝半導體雷射二極體的發射波長為905nm。
所述系統包括雷射發射組件201、雷射反射組件202、望遠鏡組件203以及雷射探測組件204。
雷射發射組件201包括脈衝半導體雷射二極體2011、準直透鏡2012。脈衝半導體雷射二極體2011用於發射方形光斑的脈衝雷射，發光面為200 μ mX360 μ m，發散角成 9° X25°不對稱分布。準直透鏡2012為直徑20mm、焦距40mm的非球面透鏡，準直透鏡 2012雙面鍍有增透波長為905nm的增透膜，經過準直透鏡2012後，脈衝半導體雷射二極體 2011發射的雷射被準直成尺寸約6. 3mm X 17. 8mm、發散角5mradX9mrad的平行光。
雷射反射組件202包括空心反射鏡2021及連接裝置2022。連接裝置2022與空心反射鏡2021連接，並且連接裝置2022具有與雷射發射組件201、望遠鏡組件203以及雷射探測組件相連204的安裝接口 ；空心反射鏡2021的尺寸為25mmX 35. 4mm，並且具有尺寸為6. 3mmX 17. 8mm方形空心，空心反射鏡2021能夠將準直透鏡2012準直後的平行光透過至望遠鏡組件203中的負目鏡2031，空心反射鏡2021面對負目鏡2031的一面的實心部分鍍有反射波長為905nm的全反射膜。
望遠鏡組件203包括由負目鏡2031、鏡筒2032和物鏡2033組成的光學望遠鏡。 負目鏡2031為直徑25mm、焦距為-45mm的平凹透鏡，物鏡2033為直徑150mm、焦距為300mm 的平凸非球面透鏡，負目鏡2031和物鏡2033的雙面均鍍有增透波長為905nm的增透膜，並組合成放大倍數6. 67的光學望遠鏡。可以將雷射發射組件201發射的雷射發散角壓縮為 O. 75mradX I. 35mrad。
雷射探測組件204包括窄帶濾波片2041、聚焦透鏡2042和光電探測器2043。窄帶濾波片2041用於對空心反射鏡2021反射的雷射回波進行濾波，聚焦透鏡2042用於將窄帶濾波片2041濾波後的雷射回波聚焦到光電探測器2043。窄帶濾光片2041採用中心波長905nm，半高寬25nm的帶通濾光片，窄帶濾光片2041保證只有波長在905±25nm範圍的光束可以通過並聚焦到光電探測器2043上面，從而極大地濾掉了太陽光等雜光的幹擾。聚焦透鏡2042採用直徑25mm、焦距40mm的非球面透鏡，聚焦透鏡2042雙面鍍有增透波長為 905nm的增透膜。光電探測器2043採用中心響應波長900nm的雪崩光電二極體，接收孔徑直徑O. 8mm,響應度為3MV/W,可以將微弱的光信號轉換為電壓信號。由於聚焦透鏡2042的焦距是40mm，光電探測器2043的直徑是O. 8mm,因此，光電探測器的接收視場角為O. 8mm/40mm =20mrad，又由於望遠鏡組件203的放大倍數為6. 67，因此該系統的接收視場角為3mrad。
將該實施例用於半導體雷射雲高儀系統時，由於發射、接收光路共用一個望遠鏡組件203，物鏡2023的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光經負目鏡2031和鏡筒2032 傳輸到物鏡2033時的雷射的尺寸，負目鏡2031的尺寸大於空心反射鏡2021透過的平行光的尺寸，並且接收視場角3mrad大於發射的發散角O. 75mradX I. 35mrad,因此可以很好地保證後向散射雷射回波被雷射探測組件204接收。這種接收視場完全涵蓋發射光束角度的模塊化光機設計方案，解決了低高度雲層的測量問題，而且降低了多個後散射效應，使得雲高儀同樣可以在降水和霧霾等天氣下運行。
本發明提供的所有實施例均可以用於半導體雷射雲高儀、氣溶膠探測雷射雷達或微脈衝雷射雷達中。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種雷射測量光機系統，其特徵在於，所述系統包括雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件； 所述雷射發射組件包括脈衝半導體雷射二極體、準直透鏡；所述準直透鏡用於將脈衝半導體雷射二極體發射的雷射準直成平行光； 所述雷射反射組件包括空心反射鏡及連接裝置；所述連接裝置與所述空心反射鏡連接，並且具有與所述雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件連接的安裝接口 ；所述空心反射鏡具有方形空心，所述空心反射鏡用於將所述準直透鏡準直後的平行光透過至望遠鏡組件中的負目鏡，所述空心反射鏡面對所述負目鏡的一面的實心部分鍍有全反射膜；所述全反射膜的反射波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長； 所述望遠鏡組件包括由負目鏡、鏡筒和物鏡組成的光學望遠鏡；所述負目鏡的尺寸大於所述空心反射鏡透過的平行光的尺寸；所述物鏡的尺寸大於所述空心反射鏡透過的平行光經負目鏡和鏡筒傳輸到所述物鏡時的尺寸； 所述雷射探測組件包括窄帶濾波片、聚焦透鏡和光電探測器；所述窄帶濾波片用於對所述空心反射鏡反射的雷射回波進行濾波，所述聚焦透鏡用於將所述窄帶濾波片濾波後的雷射回波聚焦到光電探測器。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述雷射反射組件的連接裝置具有與所述雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件對應連接的凹槽。
3.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述空心反射鏡的方形空心的尺寸與所述準直透鏡準直後的平行光的尺寸相同。
4.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述空心反射鏡的尺寸與所述負目鏡的尺寸相配合。
5.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述空心反射鏡為方形或橢圓形。
6.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述負目鏡和所述物鏡的兩面均鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的增透膜。
7.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述準直透鏡的兩面鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的的增透膜。
8.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述聚焦透鏡的兩面鍍有增透波長為脈衝半導體雷射二極體的發射波長的的增透膜。
9.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述脈衝半導體雷射二極體的發射波長為905nm，則所述全反射膜的反射波長、所述窄帶濾波片的中心波長均為905nm。
10.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述系統用於半導體雷射雲高儀、氣溶膠探測雷射雷達或微脈衝雷射雷達。
全文摘要
本發明提供了一種雷射測量光機系統，包括雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件；雷射發射組件包括脈衝半導體雷射二極體、準直透鏡；雷射反射組件包括空心反射鏡及連接裝置；連接裝置與空心反射鏡連接，並且具有與雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件連接的安裝接口；望遠鏡組件包括由負目鏡、鏡筒和物鏡組成的光學望遠鏡；雷射探測組件包括窄帶濾波片、聚焦透鏡和光電探測器。該系統的雷射發射組件、雷射反射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件之間的光路均為平行光路，通過連接裝置的分別與雷射發射組件、望遠鏡組件以及雷射探測組件相連的安裝接口，實現了能夠在不需要精確測量和定位的情況下對組件的安裝或替換。
文檔編號G01S7/48GK102928831SQ20121041857
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者張建雲, 林志鋒, 劉小東, 李佳, 舒仕江, 張國亮 申請人:北京敏視達雷達有限公司