透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置的制造方法
【專利摘要】一種透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，包括接收主透鏡，沿該接收主透鏡光軸和激光回波方向依次是視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直透鏡、保溫罩的前窗口玻璃、干涉濾光片、保溫罩的后窗口玻璃和聚焦透鏡，所述的視場(chǎng)光闌位于所述的接收主透鏡焦平面，半導(dǎo)體制冷器和熱敏電阻安裝在所述的保溫罩上，所述的前窗口玻璃、干涉濾光片和后窗口玻璃的平面相互平行。本發(fā)明將一定角度入射干涉濾光片的中心波長(zhǎng)與接收光匹配，在保證邊緣大視場(chǎng)透過(guò)率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心小視場(chǎng)接收光的衰減，可有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。
【專利說(shuō)明】
透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)濾波，特別是一種透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，該裝置在保證邊緣大視場(chǎng)透過(guò)率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心小視場(chǎng)接收光的衰減，可以有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雷達(dá)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，由于強(qiáng)散射介質(zhì)導(dǎo)致的強(qiáng)衰減，目標(biāo)回波信號(hào)的距離衰減要比在常規(guī)大氣中的衰減嚴(yán)重得多，因此，會(huì)對(duì)激光雷達(dá)的探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍提出更高的要求。目前常用的提升激光雷達(dá)在強(qiáng)散射介質(zhì)中探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的方式主要有固定比例分通道技術(shù)、對(duì)數(shù)放大技術(shù)、偏振技術(shù)、門控和同步變?cè)鲆婕夹g(shù)。
[0003]固定比例分通道技術(shù)是在接收光路上安裝固定比例的分光片，分光少的通道用于近距離強(qiáng)回波信號(hào)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)近距離強(qiáng)回波信號(hào)的光衰減，分光多的通道用于遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)測(cè)量，保證對(duì)遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)的光透過(guò)率。該技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，雖然能夠擴(kuò)展激光雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍，但是分光多的通道仍然會(huì)收到近距離強(qiáng)回波信號(hào)而導(dǎo)致飽和，一定程度上影響該通道探測(cè)器對(duì)遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)的探測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性。
[0004]對(duì)數(shù)放大技術(shù)是在探測(cè)電路上使用對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮，該技術(shù)能夠有效擴(kuò)展激光雷達(dá)系統(tǒng)后端采集電路的動(dòng)態(tài)范圍，但是，無(wú)法解決近距離強(qiáng)回波信號(hào)導(dǎo)致的探測(cè)器飽和問(wèn)題。
[0005]偏振技術(shù)是采用光學(xué)偏振接收方法抑制強(qiáng)散射介質(zhì)的回波干擾導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)范圍增大，不能提高激光雷達(dá)在強(qiáng)散射介質(zhì)中對(duì)硬目標(biāo)探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。
[0006]門控技術(shù)可以通過(guò)光學(xué)或者電學(xué)方法使激光雷達(dá)在某一次測(cè)量中只對(duì)某一段距離的回波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)，然后通過(guò)調(diào)整參數(shù)分別多次對(duì)不同距離進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。但是，該技術(shù)需要激光雷達(dá)進(jìn)行多次探測(cè)來(lái)滿足回波信號(hào)的時(shí)間連續(xù)性，不適合對(duì)探測(cè)時(shí)間有要求的快速探測(cè)應(yīng)用。
[0007]同步變?cè)鲆婕夹g(shù)是將探測(cè)器增益與激光發(fā)射時(shí)間建立關(guān)系，以激光發(fā)射作為起始時(shí)刻，隨著時(shí)間推移快速提高探測(cè)器的增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離回波探測(cè)的靈敏度變化。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在測(cè)距和大氣探測(cè)激光雷達(dá)中，但是在強(qiáng)散射介質(zhì)中，變?cè)鲆媲€的上升時(shí)間往往會(huì)縮短至百納秒以內(nèi)，這么高速的增益變化會(huì)對(duì)探測(cè)器和電路帶來(lái)較高的噪聲，影響信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。因此，對(duì)于當(dāng)前在強(qiáng)散射介質(zhì)中使用的激光雷達(dá)，探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍仍然是一個(gè)需要解決和優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決激光雷達(dá)對(duì)水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)探測(cè)時(shí)面臨的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍不足問(wèn)題，提供一種透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，該裝置利用干涉濾光片中心波長(zhǎng)隨光入射角度變化的特性，在保證邊緣大視場(chǎng)回波光較高透過(guò)率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心小視場(chǎng)回波光的衰減，可以有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。
[0009]本發(fā)明的工作原理:
[0010]激光在強(qiáng)散射介質(zhì)中傳播，激光的光斑直徑會(huì)隨傳播距離而迅速增大，在較短的距離上形成較大的視場(chǎng)變化和散射信號(hào)強(qiáng)度變化，其形成的散射光回波信號(hào)具有如下特占.V W、.
[0011]1、近距離處，光回波信號(hào)集中在中心小視場(chǎng)；
[0012]2、遠(yuǎn)距離處，光回波信號(hào)分散到邊緣大視場(chǎng)；
[0013]3、遠(yuǎn)距離的光回波信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于近距離的光回波信號(hào)強(qiáng)度。
[0014]基本原理是干涉濾光片的中心波長(zhǎng)隨入射光角度變化的特性:λθ= λο[1-(Νθ/Ν)2Sin2Qf'其中，λο是光線O角度入射時(shí)的中心波長(zhǎng)，Ne是外部介質(zhì)折射率，N是濾光片折射率，Θ是光線入射角，λθ是光線Θ角入射時(shí)的中心波長(zhǎng)。在光學(xué)接收透鏡的中繼準(zhǔn)直光路上安裝一個(gè)帶溫度控制的帶通干涉濾光片，干涉濾光片的中心波長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化，通過(guò)對(duì)帶通干涉濾光片的的溫度控制，將光線邊緣大視場(chǎng)角入射時(shí)的濾光片中心波長(zhǎng)設(shè)置為接收光的波長(zhǎng)。當(dāng)接收光從邊緣大視場(chǎng)角進(jìn)入時(shí)，干涉濾光片的中心波長(zhǎng)與接收光波長(zhǎng)一致，此時(shí)的光學(xué)濾波裝置透過(guò)率最高。當(dāng)接收光從中心小視場(chǎng)角進(jìn)入時(shí)，干涉濾光片的中心波長(zhǎng)與接收光波長(zhǎng)偏離最大，此時(shí)的光學(xué)濾波裝置透過(guò)率最低。該光學(xué)濾波裝置的透過(guò)率會(huì)隨接收視場(chǎng)角的增大而增大，因此，該裝置在保證遠(yuǎn)距離邊緣大視場(chǎng)弱信號(hào)透過(guò)率的前提下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近距離中心小視場(chǎng)強(qiáng)回波信號(hào)的抑制，提升回波光學(xué)接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0016]—種透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，其特點(diǎn)在于:該裝置包括接收主透鏡，沿該接收主透鏡光軸和激光回波方向依次是視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直透鏡、保溫罩的前窗口玻璃、干涉濾光片、保溫罩的后窗口玻璃和聚焦透鏡，所述的視場(chǎng)光闌位于所述的接收主透鏡焦平面，半導(dǎo)體制冷器和熱敏電阻安裝在所述的保溫罩上，所述的前窗口玻璃、干涉濾光片(和后窗口玻璃的平面平行；
[0017]所述的接收主透鏡將激光回波會(huì)聚到所述的視場(chǎng)光闌內(nèi)，所述的視場(chǎng)光闌只透過(guò)接收視場(chǎng)內(nèi)的光，透過(guò)的光經(jīng)過(guò)所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)所述的干涉濾光片，透過(guò)干涉濾光片的光由所述的聚焦透鏡聚焦到后續(xù)的探測(cè)器。
[0018]在預(yù)設(shè)溫度下，所述的干涉濾光片對(duì)應(yīng)邊緣視場(chǎng)角的中心波長(zhǎng)與接收主透鏡接收的光波長(zhǎng)一致。
[0019]所述的前窗口玻璃和后窗口玻璃鍍有與接收主透鏡接收光的波長(zhǎng)一致的增透介質(zhì)膜。
[0020]所述的半導(dǎo)體制冷器的一端緊貼所述的保溫罩的外表面，另一端安裝在散熱片上，所述的半導(dǎo)體制冷器根據(jù)熱敏電阻的測(cè)量溫度與預(yù)設(shè)溫度的差對(duì)保溫罩進(jìn)行加熱或制冷，將保溫罩的內(nèi)部溫度控制在預(yù)設(shè)溫度± 1°C范圍。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]1、利用激光在強(qiáng)散射介質(zhì)中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，本發(fā)明透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置無(wú)需增加探測(cè)通道，可以有效抑制近場(chǎng)的強(qiáng)回波信號(hào)，并保持信號(hào)的完整性；
[0023]2、對(duì)于不同散射強(qiáng)度的散射介質(zhì)，可以通過(guò)對(duì)干涉濾光片溫度的在線調(diào)節(jié)，來(lái)調(diào)整干涉濾光片的中心波長(zhǎng)，從而改變透過(guò)率隨視場(chǎng)角的變化曲線，即改變遠(yuǎn)近場(chǎng)信號(hào)的透過(guò)率比值，更好地適應(yīng)環(huán)境參數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖中:I一接收主透鏡、2—視場(chǎng)光闌、3—準(zhǔn)直透鏡、4一干涉濾光片、5—保溫罩、5_1 一保溫罩前窗玻璃、5-2—保溫罩后窗玻璃、6—半導(dǎo)體制冷器、6-1—半導(dǎo)體制冷器散熱片、7—熱敏電阻、8—聚焦透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置的結(jié)構(gòu)框圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置包括接收主透鏡1、視場(chǎng)光闌2、準(zhǔn)直透鏡3、干涉濾光片4、保溫罩5、保溫罩前窗玻璃5-1、保溫罩后窗玻璃5-2、半導(dǎo)體制冷器6、半導(dǎo)體制冷器散熱片6-1、熱敏電阻7、聚焦透鏡8，上述元部件的連接關(guān)系如下:
[0028]所述的接收主透鏡I將激光在強(qiáng)散射介質(zhì)中的回波會(huì)聚到所述的視場(chǎng)光闌2內(nèi)，所述的視場(chǎng)光闌2只透過(guò)接收視場(chǎng)內(nèi)的光，透過(guò)的光經(jīng)過(guò)所述的準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)所述的干涉濾光片4，透過(guò)干涉濾光片的光由所述的聚焦透鏡8聚焦到后續(xù)的探測(cè)器，所述的干涉濾光片4安裝在所述的保溫罩5內(nèi)，所述的半導(dǎo)體制冷器6和熱敏電阻7安裝在所述的保溫罩上，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫罩的溫度控制。
[0029]下面是一個(gè)實(shí)施例采用的主要器件及參數(shù):
[0030]所述的接收主透鏡I為非球面透鏡，通光口徑200mm，數(shù)值孔徑0.4，波長(zhǎng)526.5nm的透過(guò)率為99.9% ；
[0031]所述的視場(chǎng)光闌2是一個(gè)安裝在接收主透鏡I焦平面上的圓孔光闌，孔徑為10mm，與所述的接收主透鏡I光軸同軸；
[0032]所述的準(zhǔn)直透鏡3和聚焦透鏡8為非球面透鏡，通光口徑60mm，數(shù)值孔徑0.4，波長(zhǎng)526.5nm的透過(guò)率為99.9% ；
[0033]所述的干涉濾光片4的預(yù)設(shè)溫度20°C，其對(duì)應(yīng)20mrad角的中心波長(zhǎng)為526.5nm，對(duì)應(yīng)Omrad角的中心波長(zhǎng)為526.9nm。干涉濾光片的光學(xué)帶寬為0.6nm，其對(duì)于20mrad角度入射的526.5nm光的透過(guò)率為0.7，而對(duì)于Omrad角度入射的526.5nm光的透過(guò)率僅為0.002。
[0034]所述的保溫罩5包括前窗玻璃5-1和后窗玻璃5-2，兩個(gè)窗玻璃平面與干涉濾光片4的平面平行，分別位于干涉濾光片前后，且窗玻璃鍍有526.5nm增透介質(zhì)膜，透過(guò)率為99.9%。
[0035]所述的熱敏電阻7安裝在保溫罩內(nèi)部，用于測(cè)量保溫罩內(nèi)部的溫度。
[0036]所述的半導(dǎo)體制冷器6—端緊貼保溫罩的外表面，另一端安裝在半導(dǎo)體制冷器散熱片6-1上，根據(jù)熱敏電阻7反饋溫度與20°C預(yù)設(shè)溫度的差來(lái)對(duì)保溫罩進(jìn)行加熱或制冷，將保溫罩的內(nèi)部溫度控制在20°C ± 1°C范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，其特點(diǎn)在于:該裝置包括接收主透鏡(I)，沿該接收主透鏡(I)光軸和激光回波方向依次是視場(chǎng)光闌(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、保溫罩(5)的前窗口玻璃(5-1)、干涉濾光片(4)、保溫罩(5)的后窗口玻璃(5-2)和聚焦透鏡(8)，所述的視場(chǎng)光闌(2)位于所述的接收主透鏡(I)焦平面，半導(dǎo)體制冷器(6)和熱敏電阻(7)安裝在所述的保溫罩(5)上，所述的前窗口玻璃(5-1)、干涉濾光片(4)和后窗口玻璃(5-2)的平面相互平行； 所述的接收主透鏡(I)將激光回波會(huì)聚到所述的視場(chǎng)光闌內(nèi)(2)，所述的視場(chǎng)光闌(2)只透過(guò)接收視場(chǎng)內(nèi)的光，透過(guò)的光經(jīng)過(guò)所述的準(zhǔn)直透鏡(3)準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)所述的干涉濾光片(4)，透過(guò)干涉濾光片的光由所述的聚焦透鏡(8)聚焦到后續(xù)的探測(cè)器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，其特征在于在預(yù)設(shè)溫度下，所述的干涉濾光片(4)對(duì)應(yīng)邊緣視場(chǎng)角的中心波長(zhǎng)與接收主透鏡(I)接收的光波長(zhǎng)一致。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，其特征在于所述的前窗口玻璃(5-1)和后窗口玻璃(5-2)鍍有與接收主透鏡(I)接收光的波長(zhǎng)一致的增透介質(zhì)膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的透過(guò)率隨接收視場(chǎng)角變化的光學(xué)濾波裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體制冷器(6)的一端緊貼所述的保溫罩的外表面，另一端為散熱片(6-1上，所述的半導(dǎo)體制冷器(6)根據(jù)熱敏電阻(7)的測(cè)量溫度與預(yù)設(shè)溫度的差對(duì)保溫罩進(jìn)行加熱或制冷，使所述的保溫罩(5)內(nèi)部的溫度控制在預(yù)設(shè)溫度± 1°C范圍。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK105911534SQ201610223507
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】賀巖, 劉繼橋, 耿立明, 陳衛(wèi)標(biāo), 朱小磊
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所