CN101738715B - 高焦比集光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高焦比集光器，主要用于激光雷达、激光通信等系统的光学接收装置。该集光器的基材是一整块双凸透镜，背光面除中心区域外镀反光膜，向光面的中心磨一小凹面并镀反光膜；使得接收的信号光在材料内部进行一次折射与两次反射，汇聚成小光斑输出，口径与焦距之比大。优点在于：在激光雷达或激光通信系统中采用本发明，即可在相同接收口径下达到减小体积、安装简单、性能稳定、调试方便的目的。

Description

高焦比集光器

技术领域：

本发明涉及光学接收，主要用于激光雷达、激光通信等系统的光学接收装置。

背景技术：

在光接收装置中，接收光学口径越大，所接收到的光信号越强，接收光学的焦距越短，在相同口径下体积就越小。常用的接收望远镜有凸透镜折射式、凹面镜反射式、卡塞格林折反式等多种形式，在相同接收口径下，卡塞格林折反式望远镜的长度较短、体积较小。由于在便携式设备、弹载和星载等系统中，空间体积有限或空间资源珍贵，即便卡塞格林折反式接收发射装置还是显得太大；且卡塞格林折反式接收发射装置是由多个光学元件组成，对部件精度要求高，装配和调试难度大，机械稳定性易受环境影响。因此，目前需要一种在相同接收口径下体积更小、结构更简单、机械强度更大、受环境影响更小的光学收发装置。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种高焦比集光器。该集光器的基材是一个整块的双凸透镜，双凸透镜的背光面除中心区域以外镀反光膜，向光面中心磨一小凹面并镀反光膜，使得接收的信号光在材料内部进行一次折射与两次反射，汇聚成小光斑输出，口径与焦距之比(即焦比)大。优点在于：在激光雷达或激光通信系统中采用本发明，即可在相同接收口径下达到减小体积、安装简单、性能稳定、调试方便的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高焦比集光器的基材是一整块BK7材料双凸透镜，双凸透镜的背光面称为第二光学面，在第二光学面除中心区域以外镀反光膜MIRROR，从基材一侧看第二光学面上的反光膜，呈一凹面镜；双凸透镜的向光面称为第一光学面，在第一光学面的中心磨一小凹面，小凹面称为第三光学面，第三光学面镀反光膜MIRROR，从基材一侧看第三光学面上的反光膜，呈一凸面镜。

在ZEMAX软件中，高焦比集光器的光学结构参数如下表：

上表列出了各个光学面与镀膜的面型(Surf：Type)、曲率半径(Radius)、光学厚度(Thickness)、材料类型(Glass)、口径半径(Semi-Diameter)和二次曲面(Conic)参数，根据这些参数即可得到高焦比集光器每个光学面和每个镀膜面的曲面，以及各曲面之间的相互关系，由此可以加工出高焦比集光器。

(2)工作原理

信号光照射到高焦比集光器上，先经第一光学面折射，产生一定程度的汇聚，然后照射到第二光学面的反光膜上，反光膜对折射光反射，进一步汇聚，反射光照射到第三光学面的反光膜上，再次发生反射汇聚，最后从第二光学面的中心未镀膜处透射出高焦比集光器。

本发明的优点是：高焦比集光器采用一整块光学材料，使接收到的信号光经一次折射与两次反射，汇聚成很小的光斑，口径与焦距之比大。在激光雷达或激光通信等系统中，若采用本发明的高焦比集光器，即可在相同接收口径下达到减小体积、安装简单、性能稳定、调试方便的目的。

附图说明：

图1是高焦比集光器结构示意图。

其中：31第一光学面，32第二光学面，33第三光学面。

图2是高焦比集光器的光路追迹图。

图3是采用高焦比集光器的激光雷达收发装置结构示意图。

其中：1激光器，2准直透镜，3高焦比集光器，4光电探测器，5小孔，11导线，31第一光学面，32第二光学面，33第三光学面。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

实施例一：

由图1可知，高焦比集光器的基材是一整块BK7材料双凸透镜，双凸透镜的背光面称为第二光学面32，在第二光学面32除中心区域以外镀反光膜，从基材一侧看第二光学面32上的反光膜MIRROR，呈一凹面镜；双凸透镜的向光面称为第一光学面31，在第一光学面31的中心磨一小凹面，小凹面称为第三光学面33，第三光学面33镀反光膜MIRROR，从基材一侧看第三光学面33上的反光膜，呈一凸面镜。

在ZEMAX软件中，高焦比集光器的光学结构参数如下表：

上表列出了各个光学面与镀膜的面型(Surf：Type)、曲率半径(Radius)、光学厚度(Thickness)、材料类型(Glass)、口径半径(Semi-Diameter)和二次曲面(Conic)参数，根据这些参数即可得到高焦比集光器每个光学面和每个镀膜面的曲面，以及各曲面之间的相互关系，由此可以加工出高焦比集光器，其光路追迹图如图2所示。

实施例二：

由图3可知，采用高焦比集光器的激光雷达收发装置由激光发射组件和光学接收组件组成。

光学接收组件由高焦比集光器3和光电探测器4组成，用以接收激光雷达的回波光信号，并转换为电信号。高焦比集光器3的基材是一整块BK7材料双凸透镜，双凸透镜的背光面称为第二光学面32，在第二光学面32上除中心区域外镀反光膜MIRROR，其不镀膜的面积为光电探测器4光敏面的面积；从基材一侧看第二光学面32上的反光膜，呈一凹面镜；双凸透镜的向光面称为第一光学面31，在第一光学面31的中心磨一小凹面，小凹面称为第三光学面33，第三光学面33上镀反光膜MIRROR，从基材一侧看第三光学面33上的反光膜，呈一凸面镜。

采用ZEMAX软件，高焦比集光器3的光学结构参数如下表：

根据上表参数所实现的高焦比集光器3的光路追迹图如图2所示。

第二光学面32的中心区域不镀膜处用于安装光电探测器，其不镀膜的面积为光电探测器光敏面的面积。

激光发射组件由激光器1和准直透镜2组成，用以发射激光雷达信号。在第三光学面33所形成的凹面中安装激光器1，在激光器1的前面安装准直透镜2，两者相距为准直透镜2的一倍焦距，准直透镜2将激光束整形为发散度很小的光束。

激光器1、准直透镜2、高焦比集光器3和光电探测器4光轴重合。

在第三光学面33的边缘处，沿高焦比集光器3的光轴方向钻一小孔5，激光器1的导线11从小孔5穿过。

工作原理：激光雷达的电信号经过导线11驱动激光器1发射激光，发射激光经准直透镜2整形向目标发射；经目标散射后，回波光信号返回到高焦比集光器3，先经第一光学面31折射，产生一定程度的汇聚，然后照射到第二光学面32的反光膜上，反光膜对折射光发生反射，进一步汇聚，反射光照射到第三光学面33的反光膜上，再次发生反射，汇聚在光电探测器4的光敏面上，光电探测器4将接收到的回波光信号转换成电信号。由此实现了激光雷达信号的发射与接收。

Claims (2)

1.高焦比集光器，其特征在于，该集光器的基材是一整块BK7材料双凸透镜，双凸透镜的背光面称为第二光学面(32)，在第二光学面(32)除中心区域以外镀反光膜，双凸透镜的向光面称为第一光学面(31)，在第一光学面(31)的中心磨一小凹面，小凹面称为第三光学面(33)，第三光学面(33)镀反光膜；

在ZEMAX软件中，高焦比集光器(3)的光学结构参数如下表：

根据这些参数即可得到高焦比集光器每个光学面和每个镀膜面的曲面，以及各曲面之间的相互关系，由此可以加工出高焦比集光器。

2.根据权利要求1所述的高焦比集光器，其特征在于，第二光学面(32)中心区域不镀膜的区域安装光电探测器。

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