一种小角度分光光机装置及快速装调方法

摘要

本发明公开了一种小角度分光光机装置及快速装调方法，小角度分光光机装置由光机装置和标定装置组成，所述光机装置包括分光光路盒和光束引导元件，光束引导元件设置于分光光路盒内，组合实现目标输入复色光信号的高效分离与输出；所述标定装置包括外螺纹接口、消色差透镜和CMOS相机，用以辅助快速调整光机装置中各光束引导元件至预定工作状态。本发明中光机装置采用一体化设计，具备体积小、光机结构简练、连接方便等优点，对频谱上靠近(nm量级)的复色光信号的分离非常有效，可在转动拉曼激光雷达系统的研制过程中得到应用。

权利要求

1.一种小角度分光光机装置，其特征在于：由光机装置和标定装置组成，所述光机装置包括分光光路盒和光束引导元件，光束引导元件设置于分光光路盒内，组合实现目标输入复色光信号的高效分离与输出；

所述标定装置包括外螺纹接口、消色差透镜和CMOS相机，用以辅助快速调整光机装置中各光束引导元件至预定工作状态；

所述分光光路盒包括输入孔，光通道1、光通道2和光通道3，以及输出孔EX1、EX2、EX3a和EX3b；输入孔为来射准平行光提供输入通道；光通道1、光通道2和光通道3采用“Z”型结构布局，为反射后光信号提供机械传播通道；

输出孔为各路分离后光信号提供输出接口；

所述光束引导元件包括第一反射镜RM1，第一分色镜BS1，第二分色镜BS2和第二反射镜RM2；第一反射镜RM1将自输入孔来射光转折90°后沿光通道1中心轴传播；第一分色镜BS1分离自光通道1来射光，包括将透射光导向输出孔EX1，将反射光转折12°后沿光通道2中心轴传播；第二分色镜BS2分离自光通道2来射光，包括将透射光导向输出孔EX2，将反射光转折

12°后沿光通道3中心轴传播；第二反射镜RM2将自光通道3来射光转折90°后从输出孔EX3b导出，若RM2不安装，自光通道3来射光从输出孔EX3a出射。

2.如权利要求1所述的一种小角度分光光机装置，其特征在于：所述分光光路盒选用金属材料一体化精细加工制作，其中，输入孔为来射准平行光提供的输入通道和光通道1机械中心轴夹角为90°；光通道1和光通道2机械中心轴夹角为12°；光通道2和光通道3机械中心轴夹角为12°；光通道3和输出孔EX3b机械中心轴夹角为90°；输出孔EX1、EX2、EX3a和EX3b均为标准SM1内螺纹孔。

3.如权利要求1所述的一种小角度分光光机装置，其特征在于：所述光束引导元件中，第一反射镜RM1以>99％反射率反射来射光，工作角度45°；第一分色镜BS1工作角度6°；第二分色镜BS2工作角度6°；第二反射镜RM2以>99％反射率反射来射光，工作角度45°。

4.如权利要求2所述的一种小角度分光光机装置，其特征在于：所述标定装置中，装置入端加工成标准SM1外螺纹接口，用于直接快速接入分光光路盒中诸输出孔；装置中部贯通提供光传播通道，并固定消色差透镜；标定装置末端连接CMOS相机，CMOS相机内置面阵CCD，采集经消色差透镜汇聚的光斑并上传到电脑上实时显示；面阵CCD光敏面与消色差透镜焦面精准重合。

5.用于如权利要求1或2或3或4所述的一种小角度分光光机装置的快速装调方法，其特征在于：利用标定装置快速装调光机装置中各光束引导元件，实现步骤如下，

1)在目标准平行信号光沿输入孔机械中心轴导入分光光路盒后，利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX1，装入第一反射镜RM1，调节RM1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成RM1工作角度校正与定位；

2)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX2，装入第一分色镜BS1，调节BS1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成BS1工作角度校正与定位；

3)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3a，装入第二分色镜BS2，调节BS2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成BS2工作角度校正与定位；

4)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3b，装入第二反射镜RM2，调节RM2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成RM2工作角度校正与定位。

说明书

一种小角度分光光机装置及快速装调方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光雷达领域，具体涉及一种采用小工作角度分光器件分离目标光信号的光机装置，以及装置的快速装调方法。

背景技术

[0002] 转动拉曼激光雷达是遥感中低空大气温度的有效探测手段。转动拉曼激光雷达的测温原理是，在局地热平衡条件下，大气分子布局数满足Boltzmann分布(玻尔兹曼分布)，进而由大气分子(主要为N2和O2分子)产生的转动拉曼谱线强度与温度相关。提取两路具有相反温度依赖关系的拉曼回波信号作比，建立拉曼信号比与温度之间的关联即可直接反演温度。对中低空大气，由于大气分子数密度足够大，分子碰撞足够频繁，局地热平衡条件极易满足，进而转动拉曼激光雷达具有极高的理论测温精度，且整体技术要求并不苛刻。当前，转动拉曼激光雷达系统在技术已较为成熟，并在大气温度遥感探测领域表现优异。

[0003] 在研制转动拉曼激光雷达光学接收系统时，关键是有效分离并提取两路具有相反温度依赖关系的拉曼谱线信号。通常，待提取的两路目标拉曼谱线信号在频域上距离发射激光波长很近(仅为数个nm)。为尽量提升光学接收系统传输效率以增强目标拉曼回波信号强度，相比而言目前最为合适的光学分光方案是采用小角度工作(例如，～5-7°)的分色器件(例如，分色镜)分离两路拉曼信号。小工作角度分色镜能同时提供优秀的反射率和透射率，进而将各路目标拉曼信号高效分离开来。但小角度分色镜中心工作波长与工作角度相关，这要求在系统装调时，采取有效措施保障装调后分色镜工作角度确实为既定工作角。当前，采用分立的高精度组合机械调节机构，可以精细调整分色镜工作角度进而到达预定工作状态。但分立的光学布局方案，以及精细的机械调节机构，常导致整体光路占用空间较大(例如，长度可达米量级)；最大缺陷是装调过程较为麻烦，需要额外引入各种辅助调节装置及专业检测工具，且辅助设施接入时不方便。因此，使用现有技术不利于提升整体系统长期工作的稳定性(尤其是在移动式外场实验应用条件下)，也不利于系统的小型化、模块化设计与集成，这对系统的推广应用带来不便。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出了一种小角度分光光机装置及快速装调方法，采用一体化、模块化设计，将光学设计和机械设计有机结合起来，极大程度地降低了分光系统的整体占用空间，且在标定装置的辅助下，能够直观地将光学元件快速调整至目标工作状态，具备体积小、结构简练、装调方便等优点。

[0005] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案是一种小角度分光光机装置，由光机装置和标定装置组成，

[0006] 所述光机装置包括分光光路盒和光束引导元件，光束引导元件设置于分光光路盒内，组合实现目标输入复色光信号的高效分离与输出；

[0007] 所述标定装置包括外螺纹接口、消色差透镜和CMOS相机，用以辅助快速调整光机装置中各光束引导元件至预定工作状态；

[0008] 所述分光光路盒包括输入孔，光通道1、光通道2和光通道3，以及输出孔EX1、EX2、EX3a和EX3b；输入孔为来射准平行光提供输入通道；光通道1、光通道2和光通道3采用“Z”型结构布局，为反射后光信号提供机械传播通道；输出孔为各路分离后光信号提供输出接口；

[0009] 所述光束引导元件包括第一反射镜RM1，第一分色镜BS1，第二分色镜BS2和第二反射镜RM2；第一反射镜RM1将自输入孔来射光转折90°后沿光通道1中心轴传播；第一分色镜BS1分离自光通道1来射光，包括将透射光导向输出孔EX1，将反射光转折12°后沿光通道2中心轴传播；第二分色镜BS2分离自光通道2来射光，包括将透射光导向输出孔EX2，将反射光转折12°后沿光通道3中心轴传播；第二反射镜RM2将自光通道3来射光转折90°后从输出孔EX3b导出，若RM2不安装，自光通道3来射光从输出孔EX3a出射。

[0010] 而且，所述分光光路盒选用金属材料一体化精细加工制作，其中，输入孔和光通道1机械中心轴夹角为90°；光通道1和光通道2机械中心轴夹角为12°；光通道2和光通道3机械中心轴夹角为12°；光通道3和输出孔EX3b机械中心轴夹角为90°；输出孔EX1、EX2、EX3a和EX3b均为标准SM1内螺纹孔。

[0011] 而且，所述光束引导元件中，第一反射镜RM1以>99％反射率反射来射光，工作角度45°；第一分色镜BS1工作角度6°；第二分色镜BS2工作角度6°；第二反射镜RM2以>99％反射率反射来射光，工作角度45°。

[0012] 而且，所述标定装置中，装置入端加工成标准SM1外螺纹接口，用于直接快速接入分光光路盒中诸输出孔；装置中部贯通提供光传播通道，并固定消色差透镜；标定装置末端连接CMOS相机，CMOS相机内置面阵CCD，采集经消色差透镜汇聚的光斑并上传到电脑上实时显示；面阵CCD光敏面与消色差透镜焦面精准重合。

[0013] 本发明还提供用于上述一种小角度分光光机装置的快速装调方法，利用标定装置快速装调光机装置中各光束引导元件，实现步骤如下，

[0014] 1)在目标准平行信号光沿输入孔机械中心轴导入分光光路盒后，利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX1，装入第一反射镜RM1，调节RM1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成RM1工作角度校正与定位；

[0015] 2)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX2，装入第一分色镜BS1，调节BS1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成BS1工作角度校正与定位；

[0016] 3)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3a，装入第二分色镜BS2，调节BS2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成BS2工作角度校正与定位；

[0017] 4)利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3b，装入第二反射镜RM2，调节RM2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，此步完成RM2工作角度校正与定位。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

[0019] 1)整个光机装置采用一体化、模块化设计，占用空间小，相比现有技术中分立的光机结构与布局至少能产生2～4倍的体积缩小，且可有效增强装置的长期工作稳定性；

[0020] 2)光机装置中光学和机械设计有机结合，不再需要额外引入复杂昂贵的机械调节机构来安置及定位光束引导元件，结构简练，装调与使用方便、灵活；标定装置可直接接入光机装置中信号输出孔。在标定装置辅助下，能实现光束引导元件在分光光路盒中工作角度的实时、快速、精准校正与定位。

[0021] 3)采用单像元边长极小(um量级)的面阵CCD实时显示采集的光斑，利用光斑中心位置校正各光束引导元件工作角度，整个调试方法及过程直观、快速，精度高。

[0022] 总之，本发明中光机装置具备体积小、光机结构简练、连接方便等优点，对频谱上靠近(nm量级)的复色光信号的分离非常有效，不仅能够用于转动拉曼激光雷达光学接收系统，也能适用于其它频谱上波长靠近的光信号分光应用场景，应用范围广泛。

附图说明

[0023] 图1给出本发明实施例的光机结构俯视示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图及实施例对本发明技术方案进行详细介绍。

[0025] 参见图1，本发明实施例提供的小角度分光光机装置由光机装置和标定装置组成，[0026] 光机装置为发明的主体部分，包括分光光路盒和光束引导元件，组合实现各路目标信号的高效分离。标定装置为发明的辅助部分，包括SM1外螺纹接口、消色差透镜和CMOS相机，用以将光机装置中各光束引导元件快速调整至预定工作状态。

[0027] 所述分光光路盒包括输入孔，光通道1、光通道2和光通道3，以及输出孔EX1、EX2、EX3a和EX3b。分光光路盒中，输入孔为来射准平行光提供输入通道；光通道1，光通道2和光通道3形成“Z”型结构布局，为不同方向反射光提供机械传播通道；在光通道(1，2和3)末端配有输出孔(EX1、EX2、EX3a和EX3b)，都为标准SM1内螺纹孔，依次为各路分离的目标信号提供输出接口。

[0028] 光束引导元件中，第一反射镜RM1用于将自输入孔来射光转折90°，随后沿光通道1中心轴传播；第一分色镜BS1用以分离自光通道1来射光，具体为将透射光导向输出孔EX1，将反射光转折12°后沿光通道2中心轴传播；第二分色镜BS2用以分离自光通道2来射光，具体为将透射光导向输出孔EX2，将反射光转折12°后沿光通道3中心轴传播；第二反射镜RM2用于将自光通道3来射光转折90°后从输出孔EX3b出射(若RM2不安装，则自光通道3来射光将从输出孔EX3a出射)。

[0029] 标定装置中，入端为SM1外螺纹接口，实现与分光光路盒中四个输出孔的快速接入；标定装置中部贯通提供光传播通道，并固定消色差透镜；消色差透镜在目标光信号谱段范围对应焦距150mm，用以将来射的准平行光汇聚在透镜焦面上；标定装置末端连接CMOS相机；CMOS相机内置面阵CCD，单像元边长很小(um量级)，且CCD光敏面与消色差透镜焦面精准重合，用以采集经消色差透镜汇聚的光斑并上传到电脑上实时显示。

[0030] 分光光路盒可选用金属材料一体化精细加工制作。其中，输入孔和光通道1机械中心轴夹角为90°；光通道1和光通道2机械中心轴夹角为12°；光通道2和光通道3机械中心轴夹角为12°；光通道3和输出孔EX3b机械中心轴夹角为90°。精密机械加工保证各组来射准平行光传播光轴能够依次和输入孔、光通道1、光通道2和光通道3机械中心轴重合。

[0031] 在实际应用前，借助SM1外螺纹接口将标定装置先后接入光路盒中各输出孔及依次调节各光束引导元件工作角度，保障由CMOS相机内置面阵CCD实时采集并显示的汇聚光斑中心落在CCD光敏面中心。至此，该小角度分光光机装置装调完毕。

[0032] 本实施例应用目标是，在发射532.2nm波长激光条件下，依次分离提取大气弹性回波(532.2nm)、以及中心波长对应大气N2分子Anti-Stokes谱转动量子数J＝8(530.5nm)和14(529.2nm)的两路拉曼谱线信号。

[0033] 为此，实施例中光机装置具体实现如下：

[0034] 选用铝合金材料一体化精细加工制作分光光路盒，整体尺寸为长255mm，宽107mm，高61mm，非常小巧紧凑。此外，输入孔设置通光孔径为25mm，允许来自望远镜系统中准直透镜后的准平行光(光束直径～16mm)完全通过。

[0035] 第一反射镜RM1选购美国Thorlabs公司BB1-E02型号产品，直径25.4mm，对400-750nm范围光反射率>99％，工作角度45°，将来射光转折90°后沿光通道1机械中心轴传播。

[0036] 第一分色镜BS1为订制品(美国Barr公司)，对532.2nm附近光透射率>70％，对528.50-530.90nm范围光反射率>95％，直径25.4mm，工作角度6°，透射光自输出孔EX1导出，反射光沿光通道2机械中心轴传播。

[0037] 第二分色镜BS2为订制品(美国Barr公司)，对530.27-530.77nm范围光透射率>80％，对528.50-529.80nm范围光反射率>95％，直径25.4mm，工作角度6°，透射光自输出孔EX2导出，反射光沿光通道3机械中心轴传播。

[0038] 具体实施时，分色镜参数可根据具体分光应用需要自行定制。

[0039] 第二反射镜RM2同样选用美国Thorlabs公司BB1-E02型号产品，将自光通道3来射光转折90°后由输出孔EX3b导出；若该反射镜不安装，来射光将自输出孔EX3a出射。所有输出孔(EX1，EX2和EX3a，EX3b)都加工成标准SM1内螺纹孔。

[0040] 光通道(光通道1,光通道2和光通道3)有效通光截面边长24mm，并且精密机械加工保证光通道1和光通道2、光通道2和光通道3机械中心轴夹角都为12°(等于分束镜BS1和BS2工作角度的2倍)，这样各光束引导元件无需额外引入复杂的二维机械调整机构，只需提供简单的小角度连续调节及锁紧装置与分光光路盒配合即可。

[0041] 实施例中标定装置具体实现如下：

[0042] 消色差透镜可选用美国Thorlabs公司AC254-150-A型号产品，在500-600nm波长范围对应焦距150mm；

[0043] CMOS相机选用美国Thorlabs公司DCC1240C型号产品，内置1280×1024像素面阵CCD，单像元边长5.3μm，通过数据线与电脑连接，并在软件控制下实时显示面阵CCD采集的光斑。

[0044] 标定装置入端加工成标准SM1外螺纹接口，精密机械加工及装调保证消色差透镜焦面与CCD光敏面重合。

[0045] 光机装置在应用之前，需对各光束引导元件(RM1，BS1，BS2和RM2)安装角度进行校正，具体校正方法与步骤依次叙述如下：

[0046] 在目标准平行信号光沿输入孔机械中心轴导入分光光路盒后，利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX1，装入第一反射镜RM1，调节RM1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心(注意，此时装入BS1不影响汇聚光斑在CCD上位置)，至此RM1工作角度校正完成；

[0047] 利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX2，装入第一分色镜BS1，调节BS1角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，至此BS1工作角度校正完成；

[0048] 利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3a，装入第二分色镜BS2，调节BS2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，至此BS2工作角度校正完成；

[0049] 利用SM1外螺纹接口将标定装置直接接入输出孔EX3b(此时，输出孔EX3a可采用特制盖子封住)，装入第二反射镜RM2，调节RM2角度使得CCD上实时显示的光斑中心位于CCD光敏面中心，至此RM2工作角度校正完成。

[0050] 本文中所述的具体实施例仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法代替，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。