一种激光测角镜头光学系统

摘要

本发明公开了一种激光测角镜头光学系统，沿光入射的方向依次包括光学头罩、非球面透镜和窄带滤波片。光学头罩是密封元件，用来隔断外部环境和镜头内部系统；非球面透镜的曲率半径随着中心轴而变化，可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差；窄带滤波片具有滤除杂光的作用。本发明能够接收远距离高灵敏的目标漫反射回的微弱激光，并且结构简单紧凑，体积小，重量轻。

权利要求

1.一种激光测角镜头光学系统，其特征在于，沿光入射的方向依次包括光学头罩、非球面透镜和窄带滤波片；

所述非球面透镜的前面曲率半径为10.5mm，conic常数为-0.5；后面曲率半径为10mm，conic常数为-44.8；

所述窄带滤波片的中心透过波段为1064nm，半波宽度±10nm，透过率不低于90％，厚度为3mm，口径6mm，与探测面的间距为46mm；

所述光学头罩的口径为12mm，中心厚度3.55mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为46.45mm，前后面为同心圆面，与非球面透镜间距为2mm。

说明书

一种激光测角镜头光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及激光测角技术领域，具体涉及一种远距离高灵敏激光测角镜头光学系统。

背景技术

[0002] 激光光束方向性强且发散角极小、波束窄、能量在空间和频谱上高度集中，故激光测角作用距离远、精度高、抗干扰能力强。激光测角是使用激光目标指示器对准目标发射激光束，激光镜头接收由目标漫反射回来的激光至四象限探测器，从而获得目标角度信息。镜头光学系统是激光测角的重要部件之一。

[0003] 目前，常用的测角激光光学系统进行远距离测角时，由于漫反射回波信号微弱，存在光学系统镜片较多、尺寸较大、重量过大等缺陷。在实际应用中，严重影响了测角系统整机的尺寸和重量。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种远距离高灵敏激光测角镜头光学系统，能够接收远距离高灵敏的目标漫反射回的微弱激光，并且结构简单紧凑，体积小，重量轻。

[0005] 为实现本发明的技术目的，本发明采用了如下技术方案：

[0006] 一种激光测角镜头光学系统，沿光入射的方向依次包括光学头罩、非球面透镜和窄带滤波片。

[0007] 进一步地，所述非球面透镜的前后面的曲率变量2个变化范围为0°-180°；窄带滤波片厚度及非球面透镜厚度的变化范围为0.5mm-25mm；头罩与非球面透镜间隔及非球面透镜与窄带滤波片间隔的变化范围为0.2mm-25mm。

[0008] 进一步地，所述非球面透镜的前面曲率半径为10.5mm，conic常数为-0.5；后面曲率半径为10mm，conic常数为-44.8。

[0009] 进一步地，所述窄带滤波片的中心透过波段为1064nm，半波宽度±10nm，透过率不低于90％，厚度为3mm，口径6mm，与探测面的间距为46mm。

[0010] 进一步地，所述光学头罩的口径为12mm，中心厚度3.55mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为46.45mm，前后面为同心圆面，与非球面透镜间距为2mm。

[0011] 本发明的有益技术效果体现在：

[0012] 1、该光学系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度，能够探测远距离(不低于7km)高灵敏的微弱目标。

[0013] 2、该光学系统的形式和组成合理利用了光敏面积，保证了高的光斑均匀性和对称性，利于充分发挥探测器的效能。

[0014] 3、该光学系统采用了非球面透镜，有效的控制了镜头的尺寸和质量。

[0015] 4、采用窄带滤波片的手段，对所工作的波段有良好的透过性能，对背景噪声有较强的抑制能力。

附图说明

[0016] 图1为本发明光学系统结构图。

[0017] 图2为不同视场离焦点列图。

[0018] 图3为不同视场点列图。

[0019] 图4为场曲/畸变分析图。

具体实施方式

[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0021] 图1为本发明光学系统结构图。本发明沿光入射的方向依次包括：光学头罩、非球面透镜、窄带滤波片。

[0022] 光学头罩是密封元件，用来隔断外部环境和镜头内部系统，其对材料的主要要求为：热稳定性好，对特定波段透过率高；形状上满足一定的气动要求，优选石英材料；头罩具有保护作用且外形符合气动力学要求。

[0023] 非球面透镜的曲率半径随着中心轴而变化，可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。用一个非球面透镜替换多个球面透镜，在满足高通光量及激光光斑质量要求的情况下，有效控制了镜片数量、尺寸及重量。

[0024] 窄带滤波片具有滤除杂光的作用，采用使用较普遍且成本低较好镀膜的材料譬如B270。

[0025] 激光探测光学系统采用四象限探测器作为接收器件，漫散射激光于四象限探测器上形成光斑从而输出角度信息。为了测量激光能量在四个象限的分布情况，要求激光能量光斑在四象限探测器具有一定的面积，且光斑对称性和均匀性较好。需要考虑的基本像差主要为球差、慧差、像散、畸变。为提高设计质量，通过应用田口方法分析基础像差对光斑均匀性的影响，根据专业知识及大量设计经验制定误差因素水平，以光斑均匀性作为质量特性值选取，通过田口方法优化各像差权重的参数，通过极差分析和方差分析，确定了各像差权重参数的最佳组合。其中，四种像差的权重分别约为0.8、0.6、1、0.7时能够得到较好的结果。

[0026] 依据最佳像差权重组合，利用光学仿真软件ZEMAX采取默认函数结合特殊操作数的方法进行优化：

[0027] 头罩具有保护作用且外形符合气动力学要求，同时它作为光学元件对光斑质量影响很小，通过后面透镜的补偿即可，其外形尺寸满足整机结构要求即可，故不对其进行优化。

[0028] 光学系统参数优化：曲率变量2个(非球面透镜的前后面)，变化范围为0°-180°；厚度变量2个(窄带滤波片厚度及非球面透镜厚度)，变化范围为0.5mm-25mm(综合考虑光学加工水平、中心边缘厚度、光学系统总长)；空气间隔变量2个(头罩与非球面透镜间隔及非球面透镜与窄带滤波片间隔)，变化范围为0.2mm-25mm；conic常数变量2个(非球面透镜前后面)。而常用的光学材料不少于百种，优化时需控制材料适用的温度范围、加工难度、成本、透光性等。

[0029] 以下结合附图和优化后具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

[0030] 本发明具体实例中光学头罩采用熔石英材料JGS3，具有适用温度范围宽、抗温度冲击能力好、抗压性强的优点。口径为12mm，中心厚度3.55mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为46.45mm，前后面为同心圆面。与非球面透镜间距为2mm。

[0031] 非球面透镜选用材料牌号为N-SF66。其第一面优选曲率半径为10.5mm，conic常数优选为-0.5。第二面优选曲率半径为10mm，优选conic常数为-44.8。厚度为6mm，口径7mm，与窄带滤波片间距为5mm。

[0032] 窄带滤波片选用材料牌号为B270，中心透过波段为1064nm，半波宽度±10nm，透过率不低于90％，厚度为3mm，口径6mm，与探测面的间距为46mm。

[0033] 本光学接收系统实施例的技术指标情况如下：

[0034] 1、有效口径：12mm；

[0035] 2、焦距：55mm；

[0036] 3、光学系统长度(焦面)：65.55mm；

[0037] 4、光斑半径：小于1.6mm，大于1.7mm；

[0038] 4、探测器光敏面半径：2mm；

[0039] 5、视场角：最大视场角为±2°；

[0040] 6、中心波长：1064nm；

[0041] 7、畸变：不大于0.7％；

[0042] 8、探测距离：不小于7km；

[0043] 9、质量：不大于8g；

[0044] 头罩及非球面透镜均双面镀增透膜，该光学系统的工作波段1064nm透过率达到80％以上。

[0045] 通过不同视场离焦点列图分析(图2)及不同视场点列图分析(图3)可以得出，该系统光斑大小为1.6mm至1.7mm,光斑对称性较好，光线落点较均匀，探测器接收到的0°、1°、2°视场角光斑能量较均匀，对称性较好。依据场曲/畸变分析图(图4)，该光学系统畸变较小。

[0046] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。