專利名稱：激光雷達(dá)光接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)光接收器，尤其適用于對(duì)大氣，海洋和陸地進(jìn)行各種高時(shí)空分辨能力的遙感探測。
目前，國際上絕大多數(shù)激光雷達(dá)都用反射式望遠(yuǎn)鏡作為其光接收器，反射式望遠(yuǎn)鏡由物鏡系統(tǒng)和目鏡組成，而物鏡系統(tǒng)又包括主反射鏡和輔反射鏡。輔反射鏡置于主反射鏡上方，光線進(jìn)入主反射鏡后射向輔反射鏡，再由輔反射鏡反射并聚焦于焦平面上。焦平面處的小孔光欄用于控制望遠(yuǎn)鏡的接收視場，通過焦點(diǎn)后的光線經(jīng)目鏡準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)適當(dāng)光學(xué)濾光后由光電倍增管接收。
在激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的早期，也有極少數(shù)激光雷達(dá)采用過透射式結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡來做激光雷達(dá)的光接收器，由于其目的主要在于簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量和降低成本方面，故選用了輕質(zhì)和廉價(jià)的塑料制成的菲涅爾式透鏡來做物鏡，光線經(jīng)此菲涅爾物鏡聚焦后，由處于焦平面處的小孔光欄控制視場，再經(jīng)目鏡準(zhǔn)直，濾光后由光電倍增管接收。
反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的光學(xué)質(zhì)量，而且適合于做成較大的口徑，因而在激光雷達(dá)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難、造價(jià)昂貴，而且收光效率也不高。這是因?yàn)榉瓷涫酵h(yuǎn)鏡的目鏡系統(tǒng)由兩塊反射鏡構(gòu)成，兩者的相對(duì)位置和取回必須精確調(diào)定才能保證系統(tǒng)的光學(xué)性能，這不僅增加了反射式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和調(diào)整難度，還導(dǎo)致了該系統(tǒng)光學(xué)性能穩(wěn)定性的降低，即一旦這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的調(diào)整發(fā)生微小變化，就會(huì)造成系統(tǒng)光學(xué)性能的下降，另外，反射式系統(tǒng)的所有反射鏡均需鍍反射膜(通常為鋁膜)。性能最好的鋁膜的反射率約90％，兩塊物鏡的反射損失加上主反射鏡上方的輔反射鏡的擋光使反射式物鏡系統(tǒng)的總收光率僅為約70％。此外，鍍膜層的反射率還會(huì)隨著使用時(shí)間的加長而下降，嚴(yán)重時(shí)需將所有反射鏡拆下重新鍍膜，所有這些，均導(dǎo)致反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)存在較低收光效率的缺點(diǎn)。
菲涅爾透射式望遠(yuǎn)鏡雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但由于它采用塑料制成的菲涅爾透鏡做物鏡，使系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量無法保證。菲涅爾透鏡除具有聚焦功能外，沒有任何象差補(bǔ)償能力，致使物鏡焦平面上的彌散斑很大(通常為數(shù)毫米量級(jí))，這樣，不僅無法通過控制視場進(jìn)一步降低各種象差，而且也不能通過小視場運(yùn)用來抑制本底雜散光的干擾，同時(shí)，塑料的低光學(xué)性能和菲涅爾作用原理也降低了菲涅爾透射系統(tǒng)的光收集效率，由于這些缺點(diǎn)，使菲涅爾透射式望遠(yuǎn)鏡不能滿足大多數(shù)激光雷達(dá)的使用要求，特別是隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，在激光雷達(dá)的其它部件技術(shù)都有了很大提高的條件下，對(duì)其光接收器的光學(xué)質(zhì)量也提出了相應(yīng)較高的要求。所有這些，都是菲涅爾透射式望遠(yuǎn)鏡已不再在激光雷達(dá)中被采用的原因。經(jīng)檢索，未發(fā)現(xiàn)一種激光雷達(dá)光接收裝置被公開使用。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種光學(xué)性能好、收光效率高、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，使用方便的激光雷達(dá)光接收器。
為此本發(fā)明提供了一種激光雷達(dá)光接收器，它由激光發(fā)射器、光接收器和信號(hào)處理器三部分組成，激光發(fā)射器發(fā)出激光束射向探測目標(biāo)，從目標(biāo)散射回來的微弱光由光接收器收集，最后經(jīng)信號(hào)處理器顯示和記錄。由于激光雷達(dá)的探測目標(biāo)(如大氣)的光散射率很低，而且通常被探測目標(biāo)的距離很遠(yuǎn)(如高空探測激光雷達(dá)的探測距離在100公里量級(jí)，衛(wèi)星激光雷達(dá)的探測距離在1000公里量級(jí))。這樣，經(jīng)目標(biāo)散射回來的光是非常微弱的，通常是以單個(gè)光子的形式散射回來。因此，要求激光雷達(dá)的光接收器要有很高的收光效率。而且，激光雷達(dá)通常工作于信號(hào)光很弱而本底雜散光很強(qiáng)的條件下，這就要求其光接收器具有很好的視場控制能力，以達(dá)到在全部接收信號(hào)光的同時(shí)，最大限度抑制本底雜散光。也就是說，光接收器必須具有很高的光學(xué)質(zhì)量，尤其是很小的彌散斑尺寸。按照這些要求我們設(shè)計(jì)了一種非球面透射式激光雷達(dá)光接收器，該器包括非球面物透鏡，非球面物透鏡呈橢球面形，可調(diào)視場光欄和球面目透鏡及窄帶濾光片、光電倍增管均安裝在四根支桿和三塊夾板組成的支桿，夾板組件上，激光雷達(dá)光接收器呈正方柱體形狀，主體部分由四根鋼桿和上、中、下三塊鋁質(zhì)套板構(gòu)成，其四周用薄鋁板包圍，主體中所有金屬構(gòu)件均發(fā)黑或涂以無光黑漆以防止雜光散射。上套板用以安裝非球面物透鏡，中套板位于其焦平面附近用以安裝視場光欄組件，下套板用以安裝園形鑄鐵底座以支撐主體結(jié)構(gòu)。視場光欄和球面目透鏡需做成一體，形成組件，并固定兩者相對(duì)位置使視場光欄處于球面目透鏡焦平面上，整個(gè)組件安裝在中套板下方，并有微調(diào)機(jī)構(gòu)以保證視場光欄處于非球面物透鏡焦平面上，系統(tǒng)光軸的調(diào)準(zhǔn)可用兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)非球面透鏡的兩維角度調(diào)節(jié)或視場光欄組件的兩維線度調(diào)節(jié)。相對(duì)而言，前者較為簡單，后者較為穩(wěn)定。
采用非球面物透鏡可以有效地消除物鏡系統(tǒng)的主要象差——球差，從而使物透鏡焦平面上的彌散斑尺寸大為減少。本非球面物透鏡采用y2＝ax+bx2所示的簡單橢球面形，在口徑＝400mm，焦距＝1490mm，中心厚度＝40mm，邊緣厚度＝15mm時(shí)，其邊緣球差僅為0.028，其焦平面彌散斑尺寸僅為0.02mm，均比相應(yīng)的普通球面面形的光學(xué)玻璃物透鏡的象差和彌散斑尺寸小數(shù)百倍，比塑料制的菲涅爾物透鏡就要小得更多，由于彌散斑尺寸的減少，使本光接收器可以工作于小視場狀態(tài)，從而減小了許多其它的軸外象差。而且，彌散斑的減小也有利于有效地遠(yuǎn)用焦平面補(bǔ)償方法，以減少系統(tǒng)的色差。進(jìn)入非球面物透鏡的光線被聚焦于其焦平面，經(jīng)視場光欄控制接收視場后，由球面目透鏡準(zhǔn)直變成平行光束，再經(jīng)窄帶濾光片后，由光電倍增管接收。由于通過視場光欄之后的光線將以光強(qiáng)形式被檢測，對(duì)象差影響沒有特殊要求，故采用普通球面目透鏡即可。采用口徑＝35mm，焦距＝70mm的球面目透鏡，使準(zhǔn)直后的平行光束直徑約為20mm，可直接用光電倍增管接收，省去了濾光后的聚焦透鏡，進(jìn)一步減化結(jié)構(gòu)和降低成本。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，光學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉和收光效率高，和目前常用的反射式結(jié)構(gòu)相比，由于目鏡從使用兩塊反射鏡變成僅用一塊透射鏡，使主體結(jié)構(gòu)大為簡化，再加上合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之經(jīng)數(shù)年使用不需重新調(diào)整，不僅降低了成本、方便了使用，而且還保證了該系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。由于不存在反射式系統(tǒng)中兩塊反射鏡反射率的限制和輔鏡擋光等問題，使本透射式系統(tǒng)的收光效率大大優(yōu)于反射式系統(tǒng)。通過采用非球面物鏡有效地消除了球差，減小了彌散斑尺寸，使本非球面透射式系統(tǒng)與菲涅爾透射式系統(tǒng)相比，在光學(xué)質(zhì)量上有了較大的提高。由于球差的消除和彌散斑尺寸的減少，使本系統(tǒng)的視場控制有效。這樣，不僅降低了系統(tǒng)的各種軸外象差、還使色散得到有效補(bǔ)償。同時(shí)，小視場的運(yùn)用還大大提高了激光雷達(dá)的本底雜散光抑制能力，提高了激光雷達(dá)的探測性能。這些都是菲涅爾透射式系統(tǒng)難以達(dá)到的。此外，光學(xué)玻璃透鏡的透光能力也比塑料菲涅爾鏡透的透光能力高得多，且光學(xué)玻璃透鏡還可以通過鍍增透膜的方法進(jìn)一步增加其透射，這就更加提高了本透射式系統(tǒng)的收光能力。該激光雷達(dá)瑞散射部的最大探測高度已達(dá)80公里，其鈉層熒光部分的探測范圍達(dá)80-110公里，本激光雷達(dá)光接收器適合應(yīng)用于各種中、小型激光雷達(dá)中。


圖1為激光雷達(dá)光接收器結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明根據(jù)圖1可知，整個(gè)裝置的主體是一個(gè)長方體框架結(jié)構(gòu)，呈正方柱體形狀，主體部分由四根鋼桿和上、中、下三塊鋁質(zhì)套板構(gòu)成，長方體框架由外壁14密封，外壁14與上夾板2、中夾板6、下夾板10連接固定，四根鋼桿4的上端與上夾板2上的孔螺紋連接，中夾板6上有四個(gè)通孔穿過鋼桿4用卡子固定，鋼桿4的底端穿過下夾板10用鎖緊螺母23緊固。底座24與框架相連，整個(gè)框架放在底座24上并由八個(gè)螺栓緊固?？蚣苌喜渴欠乔蛎嫖锿哥R(橢球面)3，非球面物透鏡3裝在物鏡固定板1內(nèi)，由物鏡壓圈12固定在物鏡固定板1與上夾板2之間并與8根彈簧13相連，另外在物鏡固定板1上裝有三個(gè)調(diào)節(jié)絲桿11，由于重力作用使絲桿11的另一端與上夾板2緊密接觸，這三個(gè)絲桿11可調(diào)整非球面物透鏡3的水平。視場光欄5擰在光欄套筒15的上端，球面目鏡7裝在目鏡套筒17內(nèi)，并由目鏡壓圈18固定，目鏡套筒17與光欄套筒15螺紋相連，使球面目鏡7可相對(duì)于視場光欄5上下移動(dòng)，便于對(duì)焦，并用緊固螺釘鎖定在其下端，光欄套筒15與套筒支架16螺紋相連，使視場光欄系統(tǒng)可上下移動(dòng)，便于與非球面物透鏡3的焦點(diǎn)重合，套筒支架16用螺栓固定在中夾板6下方。四根支架22的下部與下夾板10螺釘相連，四根支架22的上部與支架板21螺釘相連，支架板21的上部套有一個(gè)濾光片套筒20，內(nèi)裝濾光片8，并用濾光片壓圈19螺紋壓緊，整個(gè)濾光片套筒20部分可隨時(shí)拿出更換濾光片，支架板21的下部與光電倍增等9螺栓相連。
權(quán)利要求
1.一種激光雷達(dá)光接收器，它由鋼桿(4)、球面目鏡(7)、濾光片(8)、外壁(14)構(gòu)成，其特征是非球面物透鏡(3)裝在物鏡固定板(1)內(nèi)，物鏡壓圈(12)固定在物鏡固定板(1)與上夾板(2)之間并與彈簧(13)相連，球面目鏡(7)裝在目鏡套筒(17)內(nèi)，目鏡壓圈(18)固定目鏡套筒(17)并與光欄套筒(15)相連，光欄套筒(15)與套筒支架(16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達(dá)光接收器，其特征是外壁(14)與上夾板(2)、中夾板(6)、下夾板(10)連接固定，鋼桿(4)的上端與上夾板(2)上的孔螺紋連接，中夾板(6)上通孔穿過鋼桿(4)并用卡子固定，鋼桿(4)的底端穿過下夾板(10)用鎖緊螺母(23)緊固。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達(dá)光接收器，其特征是物鏡固定板(1)上裝有調(diào)節(jié)絲桿(11)，調(diào)節(jié)絲桿(11)的另一端與上夾板(2)緊密接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達(dá)光接收器，其特征是球面目鏡(7)裝在目鏡套筒(17)內(nèi)，并由目鏡壓圈(18)固定，目鏡套筒(17)與光欄套筒(15)螺紋相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達(dá)光接收器，其特征是非球面物透鏡(3)呈橢球面形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光雷達(dá)光接收器,它由鋼桿、球面目鏡、濾光片、外壁構(gòu)成,非球面物透鏡裝在物鏡固定板內(nèi),物鏡壓圈固定在物鏡固定板與上夾板之間并與彈簧相連,球面目鏡裝在目鏡套筒內(nèi),目鏡壓圈固定目鏡套筒并與光欄套筒相連,光欄套筒與套筒支架相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低廉,使用方便,光學(xué)性能好,收光效率高,本裝置適用于各種中、小型激光雷達(dá)中。
文檔編號(hào)G01S17/88GK1257210SQ9812171
公開日2000年6月21日 申請日期1998年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月17日
發(fā)明者龔順生, 劉誼平, 李津蕊 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所