專利名稱：激光測云儀光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及激光測云儀光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光測云儀是以激光波長工作的主動式光電探測設備，設備包括激光發(fā)射器和激光接收 器兩大光學部件，每一光學部件配置一套光學系統(tǒng)，分別稱為發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng) 。發(fā)射光學系統(tǒng)用于激光器輻射的發(fā)散光束的準直，接收光學系統(tǒng)用于收聚被云層散射的激 光回波信號。從光學成像原理分析，發(fā)射光學系統(tǒng)的"物"是激光輻射源的發(fā)光面，此"物 "被發(fā)射光學系統(tǒng)所成的"像"，應在無限遠處的云層底面上，因此，發(fā)射光學系統(tǒng)應為" 準直"類光學系統(tǒng)，亦即把發(fā)散光束變換成平行光束的光學系統(tǒng)，激光發(fā)射器的發(fā)光面應被 置放于發(fā)射光學系統(tǒng)的焦平面附近。從光學成像原理分析，接收光學系統(tǒng)的"物"是被發(fā)射 激光光束在云層底面上的探照光斑，此"物"被接收光學系統(tǒng)所成的"像"，應在接收光學 系統(tǒng)的焦平面上，因此，接收光學系統(tǒng)應為"照相物鏡"類光學系統(tǒng)，亦即把平行光束變換 成會聚光束的光學系統(tǒng)，激光接收器的光敏面應被置放于接收光學系統(tǒng)的焦平面附近。
激光測云儀的光學系統(tǒng)由透鏡等光學元件組成，具有聚焦功能的透鏡由透光材料制造 ，并且有確定的厚度尺寸、口徑尺寸和確定曲率的兩個光學表面。兩光學表面的曲率中心的 連線被定義為透鏡的光軸，同一光學系統(tǒng)、多個透鏡的曲率中心的均方根等效中線被定義為 光學系統(tǒng)的光軸。激光測云儀發(fā)射光學系統(tǒng)光軸的空間取向，決定著激光發(fā)射光束的行進方 向，接收光學系統(tǒng)光軸的空間取向決定著哪個方向的返回信號被探測。發(fā)射光學系統(tǒng)光軸與 接收光學系統(tǒng)的相對位置排布，亦即激光測云儀光學系統(tǒng)的總體布局方案，對于激光測云儀 的性能水平、技術(shù)難度和成本造價，具有決定性意義。
現(xiàn)有的激光測云儀產(chǎn)品多采用發(fā)射光學系統(tǒng)光軸與接收光學系統(tǒng)光軸分離平行排布的發(fā) 、收分離型光學系統(tǒng)，這種方案布局如圖l所示，發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)各自具有各 自的透鏡，就需要兩套透鏡、兩套結(jié)構(gòu)，則此光學系統(tǒng)的方案布局具有結(jié)構(gòu)分散、體大量重 以及透鏡元件需求量多等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、體小量輕的激光測云儀光學系統(tǒng)。 本發(fā)明的激光測云儀光學系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、激光接收器、發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)，所述發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共用一套光學透鏡，在該套光學透鏡與其下方焦 平面之間斜置有分光反射鏡，該分光反射鏡位于所述光學透鏡的光軸上，所述激光發(fā)射器和 激光接收器分別設置于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的焦平面上。
在分光反射鏡與激光接收器之間設有濾波片，該濾波片位于接收光學系統(tǒng)光軸上并與該 光軸垂直設置。
所述分光反射鏡將光軸的后段分為兩條， 一條光軸沿原直線方向繼續(xù)行進， 一條光軸折 轉(zhuǎn)90°左右轉(zhuǎn)向水平，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為發(fā)射光學系統(tǒng)，將另一條折線光學系 統(tǒng)設為接收光學系統(tǒng)。
所述分光反射鏡將光軸的后段分為兩條， 一條光軸沿原直線方向繼續(xù)行進， 一條光軸折 轉(zhuǎn)90°左右轉(zhuǎn)向水平，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為接收光學系統(tǒng)，將另一條折線光學系 統(tǒng)設為發(fā)射光學系統(tǒng)。
所述分光反射鏡與透鏡光軸成45。角斜置。
所述分光反射鏡的反射率為38%。
本發(fā)明用于激光測云儀的光學系統(tǒng)使發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共用一塊透鏡、 一套 結(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體小量輕，造價低廉，分光反射鏡的使用將透鏡光軸的后段分 為兩條，同時形成發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩個系統(tǒng)焦平面，將激光發(fā)射器和激光接收器分別設 于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的焦平面上，解決了器件安裝位置的空間相干問題。
進一步的，濾波片的設置是為了減小分光反射鏡對激光接收器的干擾。
經(jīng)試驗證明，分光反射鏡38%的反射率具有很好的效果。


圖l是現(xiàn)有的發(fā)收分離型光學系統(tǒng)；
圖2是本發(fā)明的激光測云儀光學系統(tǒng)。
具體實施例方式
激光測云儀光學系統(tǒng)總體布局的可選方案，包括"發(fā)收分離"和"發(fā)收合一"兩型。 所謂發(fā)收分離型，亦即發(fā)射光學系統(tǒng)與接收光學系統(tǒng)各自具有各自的透鏡，發(fā)射光學系統(tǒng)的 光軸與接收光學系統(tǒng)的光軸彼此分離、平行排布，如圖1所示。所謂發(fā)收合一型，亦即發(fā)射 光學系統(tǒng)與接收光學系統(tǒng)共用一套透鏡，發(fā)射光學系統(tǒng)光軸與接收光學系統(tǒng)光軸部分區(qū)段彼 此重合，僅在接近器件安裝位置時才一分為二，如圖2所示。
本發(fā)明的激光測云儀光學系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、激光接收器、發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光 學系統(tǒng)，且發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共用一套光學透鏡，此處為一塊光學透鏡，為了避免激光發(fā)射器與激光接收器的安裝位置空間相互干擾，必須在光學透鏡與其下方焦平面之間 斜置有與透鏡光軸成45。角的分光反射鏡，并且該分光反射鏡位于所述光學透鏡的光軸上， 該分光反射鏡將光軸的后段分為兩條， 一條光軸沿原直線方向繼續(xù)行進， 一條光軸折轉(zhuǎn)90。 左右轉(zhuǎn)向水平，此處將光軸向左折轉(zhuǎn)90。轉(zhuǎn)向水平，這樣就將同一透鏡的焦平面由一個變成 兩個， 一般情況下，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為發(fā)射光學系統(tǒng)，將另一條折線光學系統(tǒng) 設為接收光學系統(tǒng)，將激光發(fā)射器和激光接收器分別設置于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的 焦平面上，從而解決了器件安裝位置的空間相干問題，在分光反射鏡與激光接收器之間設有 濾波片，該濾波片位于接收光學系統(tǒng)光軸上并與該光軸垂直設置。
圖2所示的發(fā)收合一型光學系統(tǒng)，激光發(fā)射器發(fā)出的發(fā)散光束經(jīng)分光反射鏡射向光學透 鏡，穿過該光學透鏡的經(jīng)壓窄的平行激光光束射向云層，被云層散射回的平行光束經(jīng)光學透 鏡后，經(jīng)分光反射鏡的反射與濾波片的濾波后會聚于激光接收器，以實現(xiàn)激光測云儀的測云 高目的。
當然發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的位置可以互換，將折線光軸所在的光學系統(tǒng)設為發(fā) 射光學系統(tǒng)，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為接收光學系統(tǒng)，然后將激光發(fā)射器和激光接收 器分別設置于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的焦平面上，激光發(fā)射器發(fā)出的發(fā)射光束經(jīng)分光 反射鏡的反射后射向光學透鏡，穿過該光學透鏡的經(jīng)壓窄的平行激光光束射向云層，被云層 散射回的平行光束經(jīng)光學透鏡后，沿直線經(jīng)濾波片的濾波后匯聚于激光接收器，同樣能夠?qū)?現(xiàn)激光測云儀的側(cè)云高目的。
斜放的分光反射鏡，是發(fā)收合一型激光測云儀光學系統(tǒng)的重要光學元件。分光反射鏡對 激光輻射的透反比性能，決定著激光發(fā)射光束能量與激光接收光束能量的利用比例分配。分 光反射鏡的反射率越高，激光發(fā)射光束能量的利用率越低，但與激光接收光束能量的利用率 越高。試驗證明，對于激光測云儀應用場合，38%左右的反射率具有更好效果。
本發(fā)明與激發(fā)收分離型光學系統(tǒng)的需要兩塊透鏡、兩套結(jié)構(gòu)、體積重量較大等不足相比 ，發(fā)收合一型光學系統(tǒng)的優(yōu)點是只需一塊透鏡、 一套結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)緊湊、體小量輕，造價低 廉。
權(quán)利要求
1.一種激光測云儀光學系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、激光接收器、發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共用一套光學透鏡，在該套光學透鏡與其下方焦平面之間斜置有分光反射鏡，該分光反射鏡位于所述光學透鏡的光軸上，所述激光發(fā)射器和激光接收器分別設置于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的焦平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光測云儀光學系統(tǒng)，其特征在于在分光 反射鏡與激光接收器之間設有濾波片，該濾波片位于接收光學系統(tǒng)光軸上并與該光軸垂直放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光測云儀光學系統(tǒng)，其特征在于所述分 光反射鏡將光軸的后段分為兩條， 一條光軸沿原直線方向繼續(xù)行進， 一條光軸折轉(zhuǎn)90。左右轉(zhuǎn)向水平，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為發(fā)射光學系統(tǒng)，將另一條折線光學系統(tǒng)設為接收 光學系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光測云儀光學系統(tǒng)，其特征在于所述分 光反射鏡將光軸的后段分為兩條， 一條光軸沿原直線方向繼續(xù)行進， 一條光軸折轉(zhuǎn)90。左右轉(zhuǎn)向水平，將直線光軸所在的光學系統(tǒng)設為接收光學系統(tǒng)，將另一條折線光學系統(tǒng)設為發(fā)射 光學系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項所述的激光測云儀光學系統(tǒng)，其特征在 于所述分光反射鏡與透鏡光軸成45。角斜置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光測云儀光學系統(tǒng)，其特征在于所述分 光反射鏡的反射率為38%。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光測云儀光學系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、激光接收器、發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)，所述發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共用一套光學透鏡，在該套光學透鏡與其下方焦平面之間斜置有分光反射鏡，該分光反射鏡位于所述光學透鏡的光軸上，所述激光發(fā)射器和激光接收器分別設置于發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的焦平面上；該發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、體小量輕、造價低廉。
文檔編號G01S7/481GK101634707SQ200910304950
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者佟增亮, 李春亮, 沙廣軍, 軍 滕 申請人:凱邁(洛陽)測控有限公司