CN102928831A - 一种激光测量光机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光测量光机系统，包括：激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件；激光发射组件包括脉冲半导体激光二极管、准直透镜；激光反射组件包括：空心反射镜及连接装置；连接装置与空心反射镜连接，并且具有与激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件连接的安装接口；望远镜组件包括由负目镜、镜筒和物镜组成的光学望远镜；激光探测组件包括窄带滤波片、聚焦透镜和光电探测器。该系统的激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件之间的光路均为平行光路，通过连接装置的分别与激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件相连的安装接口，实现了能够在不需要精确测量和定位的情况下对组件的安装或替换。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统领域，尤其是涉及一种激光测量光机系统。
背景技术
云在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程中扮演着极其重要的角色。正确观测、分析云的变化，准确、及时地获取云的信息，是了解大气物理状况，掌握天气变化规律的一个重要因素。半导体激光云高仪是结合大气散射理论和激光测距原理发展起来的一种常用的激光测量光机系统，其测量原理是：从地面垂直向上发射激光，激光进入云层时，在云层边界处将产生较强的后向散射，散射信号的时域信息体现了云底的高度，散射信号的幅值信息则体现了云的类型、大气特性等参数。因此通过对后向散射信号的处理，可以反演出云底位置、云底高度、云层数、云厚和云量等关于云的信息。
半导体激光云高仪的系统设计中，收发同轴是常用的一种结构。这种结构可以尽可能多的收集反射的信号光，还可以解决非同轴光学系统中盲区过大的问题。在现有技术中，实现这种收发同轴的常用技术手段之一是采用卡塞格林式反射望远镜，将发射激光从接收望远镜的侧面反射到望远镜中心，但是这种结构存在的最大问题是很难保证发射光束的光轴与接收望远镜的光轴始终保持共轴或平行。另外一种实现收发同轴的常用技术手段是采用图1所示的结构，这种结构中发光光源发射激光，通过平面反射镜5的出射光孔以及透镜1射出激光，而平面反射镜将接收的回波信号反射至光接收组件9。因此，该结构中通过空心的平面反射镜将发射和接收光路分离，保证了发射光束的光轴与接收望远镜的光轴始终保持共轴或平行。但由于该结构中的激光为发散光，因此发射的光源和光接收组件9都要很精确的放置在透镜1的焦点上，因此对整个结构的调整精度要求很高。在安装和更换该结构中的部件时，需要进行精密的调整，因此给安装和维护带来极大的不便。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种激光测量光机系统，实现能够在不需要精确测量和定位的情况下对激光测量光机系统的组件进行装调，从而方便对激光测量光机系统的安装和维护。
为此，本发明解决技术问题的技术方案是：
本发明提供了一种激光测量光机系统，所述系统包括：激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件。
所述激光发射组件包括脉冲半导体激光二极管、准直透镜；所述准直透镜用于将脉冲半导体激光二极管发射的激光准直成平行光。
所述激光反射组件包括：空心反射镜及连接装置；所述连接装置与所述空心反射镜连接，并且具有与所述激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件连接的安装接口；所述空心反射镜具有方形空心，所述空心反射镜用于将所述准直透镜准直后的平行光透过至望远镜组件中的负目镜，所述空心反射镜面对所述负目镜的一面的实心部分镀有全反射膜；所述全反射膜的反射波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长。
所述望远镜组件包括由负目镜、镜筒和物镜组成的光学望远镜；所述负目镜的尺寸大于所述空心反射镜透过的平行光的尺寸；所述物镜的尺寸大于所述空心反射镜透过的平行光经负目镜和镜筒传输到所述物镜时的尺寸。
所述激光探测组件包括窄带滤波片、聚焦透镜和光电探测器；所述窄带滤波片用于对所述空心反射镜反射的激光回波进行滤波，所述聚焦透镜用于将所述窄带滤波片滤波后的激光回波聚焦到光电探测器。
优选地，所述激光反射组件的连接装置具有与所述激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件对应连接的凹槽。
优选地，所述空心反射镜的方形空心的尺寸与所述准直透镜准直后的平行光的尺寸相同。
优选地，其特征在于，所述空心反射镜的尺寸与所述负目镜的尺寸相配合。
优选地，所述空心反射镜为方形或椭圆形。
优选地，所述负目镜和所述物镜的两面均镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的增透膜。
优选地，所述准直透镜的两面镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的的增透膜。
优选地，所述聚焦透镜的两面镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的的增透膜。
优选地，所述脉冲半导体激光二极管的发射波长为905nm，则所述全反射膜的反射波长、所述窄带滤波片的中心波长均为905nm。
优选地，所述系统用于半导体激光云高仪、气溶胶探测激光雷达或微脉冲激光雷达。
通过上述技术方案可知，本发明中的激光测量光机系统采用了模块化的组件结构，激光发射组件中的准直透镜将脉冲半导体激光二极管发射的激光准直成平行光，该平行光从空心反射镜的空心处透过至望远镜组件，望远镜组件对该平行光进行扩束并压缩发散角。并且望远镜组件接收的激光回波也为平行光束。因此，激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件之间的光路均为平行光路，从而降低了该光机系统中对组件之间调整精度的要求，并且通过激光反射组件的连接装置中的分别与激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件相连的安装接口，能够实现在不需要精确测量和定位的情况下对该光机系统的组件进行安装或替换。从而方便对激光测量光机系统的安装和维护。
附图说明
图1为现有技术中一种激光测量光机系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种激光测量光机系统具体实施例的结构示意图；
图3为空心反射镜的一种结构示意图；
图4为空心反射镜的另一结构示意图；
图5为本发明提供的一种激光测量光机系统另一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，本发明提供了一种激光测量光机系统的具体实施例，该实施例中，所述系统包括：激光发射组件201、激光反射组件202、望远镜组件203以及激光探测组件204。
激光发射组件201包括脉冲半导体激光二极管2011、准直透镜2012。脉冲半导体激光二极管2011用于发射方形光斑的脉冲激光。准直透镜2012用于将脉冲半导体激光二极管2011发射的激光准直成平行光。可以在准直透镜的双面或一面镀上增透膜，该增透膜的增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长。
激光反射组件202包括：空心反射镜2021及连接装置2022。连接装置2022与空心反射镜2021连接，并且连接装置2022具有与激光发射组件201、望远镜组件203以及激光探测组件204连接的安装接口。空心反射镜2021具有方形空心，空心反射镜2021能够将准直透镜2012准直后的平行光透过至望远镜组件203中的负目镜2031，空心反射镜2021面对负目镜2031的一面的实心部分镀有全反射膜。该全反射膜的反射波长为脉冲半导体激光二极管2011的发射波长。
望远镜组件203包括由负目镜2031、镜筒2032和物镜2033组成的光学望远镜。负目镜2031的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光的尺寸，物镜2023的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光经负目镜2031和镜筒2032传输到物镜2033时的尺寸。负目镜2031是凹透镜，物镜2033是凸透镜。负目镜2031的两面可以均镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的增透膜。物镜2033的两面可以均镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的增透膜。望远镜组件203能够对空心反射镜2021透过的平行光进行扩束和压缩发散角，使得发散角满足应用需求(通常发散角约1mrad或更小)。
激光探测组件204包括窄带滤波片2041、聚焦透镜2042和光电探测器2043。窄带滤波片2041用于对空心反射镜2021反射的激光回波进行滤波，聚焦透镜2042用于将窄带滤波片2041滤波后的激光回波聚焦到光电探测器2043。窄带滤波片的滤波波长为脉冲半导体激光二极管2011的发射波长。可以在聚焦透镜的双面镀上增透膜，该增透膜的增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长。
当使用该实施例中的激光测量光机系统测量云信息时，激光发射组件201中的脉冲半导体激光二极管2011从地面垂直向上发射方形光斑的脉冲激光，准直透镜2012将脉冲半导体激光二极管2011发射的激光准直成平行光。经准直透镜2012准直后的平行光透过空心反射镜2021的方形空心，经望远镜组件203中的负目镜2031、镜筒2032和物镜2033后垂直地面向上发射。望远镜组件203中的负目镜2031、镜筒2032和物镜2033组成望远镜系统，对透过空心反射镜2021的方形空心的平行光进行扩束和发散角压缩。
垂直地面向上发射的激光进入云层后，在云层边界处产生后向散射激光回波，由于物镜2023的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光经负目镜2031和镜筒2032传输到物镜2033时的激光的尺寸，并且负目镜2031的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光的尺寸，因此后向散射激光回波经望远镜组件接收后发送至空心反射镜2021。此时后续散射激光回波中只有平行光束或近似平行光束被望远镜组件接收到，这是由于除平行光束外其他角度的激光回波会偏出望远镜组件的接收部分。空心反射镜2021面对负目镜2031的一面的实心部分镀有全反射膜，该全反射膜的反射波长为脉冲半导体脉冲激光2011的发射波长。因此激光回波经空心反射镜2021的实心部分反射至激光探测组件204。激光探测组件204的窄带滤波器2041对空心反射镜2021反射的激光回波进行滤波，聚焦透镜2042将窄带滤波片2041滤波后的激光回波聚焦到光电探测器2043。其中，窄带滤波器2041的滤波波长为脉冲半导体脉冲激光2011的发射波长。
该实施例中的激光测量光机系统采用了模块化的组件结构，激光发射组件中的准直透镜将脉冲半导体激光二极管发射的激光准直成平行光，该平行光从空心反射镜的空心处透过至望远镜组件，望远镜组件对该平行光进行扩束并压缩发散角。并且望远镜组件接收的激光回波也为平行光束。因此，激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件之间的光路均为平行光路，从而降低了该光机系统中对组件之间调整精度的要求，并且通过激光反射组件的连接装置中的分别与激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件相连的安装接口，实现了能够在不需要精确测量和定位的情况下对该光机系统的组件进行安装或替换。从而方便对激光测量光机系统的安装和维护。此外，由于空心反射镜2021的实心部分反射至窄带滤波器的激光回波为平行光，因此对窄带滤波器的加工精度要求更低、工艺上也更容易实现。
该实施例中，连接装置2022与空心反射镜2021连接，并且连接装置2022具有与激光发射组件201、望远镜组件203以及激光探测组件204相连的安装接口，安装接口是指能够将激光发射组件201、望远镜组件203以及激光探测组件204分别安装在连接装置2022上的接口。这里，安装接口可以为凹槽接口，此时，激光反射组件202的连接装置2022具有分别与激光发射组件201、望远镜组件203以及激光探测组件204对应连接的凹槽。
在安装本发明提供的激光测量光机系统时，将激光反射组件202作为结构的基准，激光发射组件2011、激光探测组件204、望远镜组件203都与激光反射组件202上有同轴度、平行度和垂直度的结构精度要求，安装时也以激光反射组件202为核心，逐步安装激光发射组件201、望远镜组件203和激光探测组件204。
优选地，激光测量光机系统的接受视场角大于发射的发散角。这里，激光测量光机系统发射的发散角由脉冲半导体激光二极管2011的发光截面、准直透镜2012的焦距和望远镜组件203的放大倍数决定，激光测量光机系统的接受视场角由光电探测器2043的光敏面大小、聚焦透镜2042的焦距和望远镜组件203的放大倍数决定。
优选地，空心反射镜2021的方形空心的尺寸大于或等于准直透镜2012准直后的平行光的尺寸。
优选地，空心反射镜2021为空心45°反射镜。
优选地，空心反射镜2021的尺寸与负目镜2031的通光口径的尺寸相配合。如图3和图4所示，空心反射镜2021的外形尺寸可以为方形或椭圆形。例如，负目镜2031的通光口径的直径为25mm，空心反射镜2021的外形尺寸可以为25mm×35.4mm的方形或者长轴35.4mm、短轴25mm的椭圆形。
优选地，准直透镜2012为非球面透镜。
优选地，聚焦透镜2042为非球面透镜。
图5为本发明提供的激光测量光机系统的另一具体实施例，该实施例中，脉冲半导体激光二极管的发射波长为905nm。
所述系统包括：激光发射组件201、激光反射组件202、望远镜组件203以及激光探测组件204。
激光发射组件201包括脉冲半导体激光二极管2011、准直透镜2012。脉冲半导体激光二极管2011用于发射方形光斑的脉冲激光，发光面为200μm×360μm，发散角成9°×25°不对称分布。准直透镜2012为直径20mm、焦距40mm的非球面透镜，准直透镜2012双面镀有增透波长为905nm的增透膜，经过准直透镜2012后，脉冲半导体激光二极管2011发射的激光被准直成尺寸约6.3mm ×17.8mm、发散角5mrad×9mrad的平行光。
激光反射组件202包括：空心反射镜2021及连接装置2022。连接装置2022与空心反射镜2021连接，并且连接装置2022具有与激光发射组件201、望远镜组件203以及激光探测组件相连204的安装接口；空心反射镜2021的尺寸为25mm×35.4mm，并且具有尺寸为6.3mm×17.8mm方形空心，空心反射镜2021能够将准直透镜2012准直后的平行光透过至望远镜组件203中的负目镜2031，空心反射镜2021面对负目镜2031的一面的实心部分镀有反射波长为905nm的全反射膜。
望远镜组件203包括由负目镜2031、镜筒2032和物镜2033组成的光学望远镜。负目镜2031为直径25mm、焦距为-45mm的平凹透镜，物镜2033为直径150mm、焦距为300mm的平凸非球面透镜，负目镜2031和物镜2033的双面均镀有增透波长为905nm的增透膜，并组合成放大倍数6.67的光学望远镜。可以将激光发射组件201发射的激光发散角压缩为0.75mrad×1.35mrad。
激光探测组件204包括窄带滤波片2041、聚焦透镜2042和光电探测器2043。窄带滤波片2041用于对空心反射镜2021反射的激光回波进行滤波，聚焦透镜2042用于将窄带滤波片2041滤波后的激光回波聚焦到光电探测器2043。窄带滤光片2041采用中心波长905nm，半高宽25nm的带通滤光片，窄带滤光片2041保证只有波长在905±25nm范围的光束可以通过并聚焦到光电探测器2043上面，从而极大地滤掉了太阳光等杂光的干扰。聚焦透镜2042采用直径25mm、焦距40mm的非球面透镜，聚焦透镜2042双面镀有增透波长为905nm的增透膜。光电探测器2043采用中心响应波长900nm的雪崩光电二极管，接收孔径直径0.8mm，响应度为3MV/W，可以将微弱的光信号转换为电压信号。由于聚焦透镜2042的焦距是40mm，光电探测器2043的直径是0.8mm，因此，光电探测器的接收视场角为0.8mm/40mm＝20mrad，又由于望远镜组件203的放大倍数为6.67，因此该系统的接收视场角为3mrad。
将该实施例用于半导体激光云高仪系统时，由于发射、接收光路共用一个望远镜组件203，物镜2023的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光经负目镜2031和镜筒2032传输到物镜2033时的激光的尺寸，负目镜2031的尺寸大于空心反射镜2021透过的平行光的尺寸，并且接收视场角3mrad大于发射的发散角0.75mrad×1.35mrad，因此可以很好地保证后向散射激光回波被激光探测组件204接收。这种接收视场完全涵盖发射光束角度的模块化光机设计方案，解决了低高度云层的测量问题，而且降低了多个后散射效应，使得云高仪同样可以在降水和雾霾等天气下运行。
本发明提供的所有实施例均可以用于半导体激光云高仪、气溶胶探测激光雷达或微脉冲激光雷达中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光测量光机系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射组件、激光反射组件、望远镜组件以及激光探测组件；
所述激光发射组件包括脉冲半导体激光二极管、准直透镜；所述准直透镜用于将脉冲半导体激光二极管发射的激光准直成平行光；
所述激光反射组件包括：空心反射镜及连接装置；所述连接装置与所述空心反射镜连接，并且具有与所述激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件连接的安装接口；所述空心反射镜具有方形空心，所述空心反射镜用于将所述准直透镜准直后的平行光透过至望远镜组件中的负目镜，所述空心反射镜面对所述负目镜的一面的实心部分镀有全反射膜；所述全反射膜的反射波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长；
所述望远镜组件包括由负目镜、镜筒和物镜组成的光学望远镜；所述负目镜的尺寸大于所述空心反射镜透过的平行光的尺寸；所述物镜的尺寸大于所述空心反射镜透过的平行光经负目镜和镜筒传输到所述物镜时的尺寸；
所述激光探测组件包括窄带滤波片、聚焦透镜和光电探测器；所述窄带滤波片用于对所述空心反射镜反射的激光回波进行滤波，所述聚焦透镜用于将所述窄带滤波片滤波后的激光回波聚焦到光电探测器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光反射组件的连接装置具有与所述激光发射组件、望远镜组件以及激光探测组件对应连接的凹槽。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空心反射镜的方形空心的尺寸与所述准直透镜准直后的平行光的尺寸相同。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空心反射镜的尺寸与所述负目镜的尺寸相配合。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空心反射镜为方形或椭圆形。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述负目镜和所述物镜的两面均镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的增透膜。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述准直透镜的两面镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的的增透膜。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述聚焦透镜的两面镀有增透波长为脉冲半导体激光二极管的发射波长的的增透膜。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述脉冲半导体激光二极管的发射波长为905nm，则所述全反射膜的反射波长、所述窄带滤波片的中心波长均为905nm。
10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统用于半导体激光云高仪、气溶胶探测激光雷达或微脉冲激光雷达。
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