透过率随接收视场角变化的光学滤波装置的制造方法
【专利摘要】一种透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，包括接收主透镜，沿该接收主透镜光轴和激光回波方向依次是视场光阑、准直透镜、保温罩的前窗口玻璃、干涉滤光片、保温罩的后窗口玻璃和聚焦透镜，所述的视场光阑位于所述的接收主透镜焦平面，半导体制冷器和热敏电阻安装在所述的保温罩上，所述的前窗口玻璃、干涉滤光片和后窗口玻璃的平面相互平行。本发明将一定角度入射干涉滤光片的中心波长与接收光匹配，在保证边缘大视场透过率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中探测的动态范围。
【专利说明】
透过率随接收视场角变化的光学滤波装置
技术领域
[0001]本发明涉及光学滤波，特别是一种透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，该装置在保证边缘大视场透过率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中探测的动态范围。
【背景技术】
[0002]激光雷达在水、雾等强散射介质中进行目标探测，由于强散射介质导致的强衰减，目标回波信号的距离衰减要比在常规大气中的衰减严重得多，因此，会对激光雷达的探测的动态范围提出更高的要求。目前常用的提升激光雷达在强散射介质中探测动态范围的方式主要有固定比例分通道技术、对数放大技术、偏振技术、门控和同步变增益技术。
[0003]固定比例分通道技术是在接收光路上安装固定比例的分光片，分光少的通道用于近距离强回波信号测量，实现对近距离强回波信号的光衰减，分光多的通道用于远距离弱回波信号测量，保证对远距离弱回波信号的光透过率。该技术简单、成熟，虽然能够扩展激光雷达的动态范围，但是分光多的通道仍然会收到近距离强回波信号而导致饱和，一定程度上影响该通道探测器对远距离弱回波信号的探测灵敏度和稳定性。
[0004]对数放大技术是在探测电路上使用对数放大器来实现电信号的动态范围压缩，该技术能够有效扩展激光雷达系统后端采集电路的动态范围，但是，无法解决近距离强回波信号导致的探测器饱和问题。
[0005]偏振技术是采用光学偏振接收方法抑制强散射介质的回波干扰导致的动态范围增大，不能提高激光雷达在强散射介质中对硬目标探测的动态范围。
[0006]门控技术可以通过光学或者电学方法使激光雷达在某一次测量中只对某一段距离的回波信号进行相应，然后通过调整参数分别多次对不同距离进行探测，实现对探测动态范围的扩展。但是，该技术需要激光雷达进行多次探测来满足回波信号的时间连续性，不适合对探测时间有要求的快速探测应用。
[0007]同步变增益技术是将探测器增益与激光发射时间建立关系，以激光发射作为起始时刻，随着时间推移快速提高探测器的增益，实现对不同距离回波探测的灵敏度变化。该技术已经广泛应用在测距和大气探测激光雷达中，但是在强散射介质中，变增益曲线的上升时间往往会缩短至百纳秒以内，这么高速的增益变化会对探测器和电路带来较高的噪声，影响信号输出的稳定性。因此，对于当前在强散射介质中使用的激光雷达，探测的动态范围仍然是一个需要解决和优化的关键问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决激光雷达对水、雾等强散射介质探测时面临的探测动态范围不足问题，提供一种透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，该装置利用干涉滤光片中心波长随光入射角度变化的特性，在保证边缘大视场回波光较高透过率的基础上，实现对中心小视场回波光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。
[0009]本发明的工作原理:
[0010]激光在强散射介质中传播，激光的光斑直径会随传播距离而迅速增大，在较短的距离上形成较大的视场变化和散射信号强度变化，其形成的散射光回波信号具有如下特占.V W、.
[0011]1、近距离处，光回波信号集中在中心小视场；
[0012]2、远距离处，光回波信号分散到边缘大视场；
[0013]3、远距离的光回波信号强度要远远小于近距离的光回波信号强度。
[0014]基本原理是干涉滤光片的中心波长随入射光角度变化的特性:λθ= λο[1-(Νθ/Ν)2Sin2Qf'其中，λο是光线O角度入射时的中心波长，Ne是外部介质折射率，N是滤光片折射率，Θ是光线入射角，λθ是光线Θ角入射时的中心波长。在光学接收透镜的中继准直光路上安装一个带温度控制的带通干涉滤光片，干涉滤光片的中心波长会随温度变化，通过对带通干涉滤光片的的温度控制，将光线边缘大视场角入射时的滤光片中心波长设置为接收光的波长。当接收光从边缘大视场角进入时，干涉滤光片的中心波长与接收光波长一致，此时的光学滤波装置透过率最高。当接收光从中心小视场角进入时，干涉滤光片的中心波长与接收光波长偏离最大，此时的光学滤波装置透过率最低。该光学滤波装置的透过率会随接收视场角的增大而增大，因此，该装置在保证远距离边缘大视场弱信号透过率的前提下，可以实现对近距离中心小视场强回波信号的抑制，提升回波光学接收系统的动态范围。
[0015]本发明的技术解决方案如下:
[0016]—种透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，其特点在于:该装置包括接收主透镜，沿该接收主透镜光轴和激光回波方向依次是视场光阑、准直透镜、保温罩的前窗口玻璃、干涉滤光片、保温罩的后窗口玻璃和聚焦透镜，所述的视场光阑位于所述的接收主透镜焦平面，半导体制冷器和热敏电阻安装在所述的保温罩上，所述的前窗口玻璃、干涉滤光片(和后窗口玻璃的平面平行；
[0017]所述的接收主透镜将激光回波会聚到所述的视场光阑内，所述的视场光阑只透过接收视场内的光，透过的光经过所述的准直透镜准直后经过所述的干涉滤光片，透过干涉滤光片的光由所述的聚焦透镜聚焦到后续的探测器。
[0018]在预设温度下，所述的干涉滤光片对应边缘视场角的中心波长与接收主透镜接收的光波长一致。
[0019]所述的前窗口玻璃和后窗口玻璃镀有与接收主透镜接收光的波长一致的增透介质膜。
[0020]所述的半导体制冷器的一端紧贴所述的保温罩的外表面，另一端安装在散热片上，所述的半导体制冷器根据热敏电阻的测量温度与预设温度的差对保温罩进行加热或制冷，将保温罩的内部温度控制在预设温度± 1°C范围。
[0021]本发明的优点在于:
[0022]1、利用激光在强散射介质中传输的特点，本发明透过率随接收视场角变化的光学滤波装置无需增加探测通道，可以有效抑制近场的强回波信号，并保持信号的完整性；
[0023]2、对于不同散射强度的散射介质，可以通过对干涉滤光片温度的在线调节，来调整干涉滤光片的中心波长，从而改变透过率随视场角的变化曲线，即改变远近场信号的透过率比值，更好地适应环境参数。
【附图说明】
[0024]图1是本发明透过率随接收视场角变化的光学滤波装置的结构框图；
[0025]图中:I一接收主透镜、2—视场光阑、3—准直透镜、4一干涉滤光片、5—保温罩、5_1 一保温罩前窗玻璃、5-2—保温罩后窗玻璃、6—半导体制冷器、6-1—半导体制冷器散热片、7—热敏电阻、8—聚焦透镜。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0027]先请参阅图1，图1是本发明透过率随接收视场角变化的光学滤波装置的结构框图，由图可见，本发明透过率随接收视场角变化的光学滤波装置包括接收主透镜1、视场光阑2、准直透镜3、干涉滤光片4、保温罩5、保温罩前窗玻璃5-1、保温罩后窗玻璃5-2、半导体制冷器6、半导体制冷器散热片6-1、热敏电阻7、聚焦透镜8，上述元部件的连接关系如下:
[0028]所述的接收主透镜I将激光在强散射介质中的回波会聚到所述的视场光阑2内，所述的视场光阑2只透过接收视场内的光，透过的光经过所述的准直透镜3准直后经过所述的干涉滤光片4，透过干涉滤光片的光由所述的聚焦透镜8聚焦到后续的探测器，所述的干涉滤光片4安装在所述的保温罩5内，所述的半导体制冷器6和热敏电阻7安装在所述的保温罩上，实现对保温罩的温度控制。
[0029]下面是一个实施例采用的主要器件及参数:
[0030]所述的接收主透镜I为非球面透镜，通光口径200mm，数值孔径0.4，波长526.5nm的透过率为99.9% ；
[0031]所述的视场光阑2是一个安装在接收主透镜I焦平面上的圆孔光阑，孔径为10mm，与所述的接收主透镜I光轴同轴；
[0032]所述的准直透镜3和聚焦透镜8为非球面透镜，通光口径60mm，数值孔径0.4，波长526.5nm的透过率为99.9% ；
[0033]所述的干涉滤光片4的预设温度20°C，其对应20mrad角的中心波长为526.5nm，对应Omrad角的中心波长为526.9nm。干涉滤光片的光学带宽为0.6nm，其对于20mrad角度入射的526.5nm光的透过率为0.7，而对于Omrad角度入射的526.5nm光的透过率仅为0.002。
[0034]所述的保温罩5包括前窗玻璃5-1和后窗玻璃5-2，两个窗玻璃平面与干涉滤光片4的平面平行，分别位于干涉滤光片前后，且窗玻璃镀有526.5nm增透介质膜，透过率为99.9%。
[0035]所述的热敏电阻7安装在保温罩内部，用于测量保温罩内部的温度。
[0036]所述的半导体制冷器6—端紧贴保温罩的外表面，另一端安装在半导体制冷器散热片6-1上，根据热敏电阻7反馈温度与20°C预设温度的差来对保温罩进行加热或制冷，将保温罩的内部温度控制在20°C ± 1°C范围。
【主权项】
1.一种透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，其特点在于:该装置包括接收主透镜(I)，沿该接收主透镜(I)光轴和激光回波方向依次是视场光阑(2)、准直透镜(3)、保温罩(5)的前窗口玻璃(5-1)、干涉滤光片(4)、保温罩(5)的后窗口玻璃(5-2)和聚焦透镜(8)，所述的视场光阑(2)位于所述的接收主透镜(I)焦平面，半导体制冷器(6)和热敏电阻(7)安装在所述的保温罩(5)上，所述的前窗口玻璃(5-1)、干涉滤光片(4)和后窗口玻璃(5-2)的平面相互平行； 所述的接收主透镜(I)将激光回波会聚到所述的视场光阑内(2)，所述的视场光阑(2)只透过接收视场内的光，透过的光经过所述的准直透镜(3)准直后经过所述的干涉滤光片(4)，透过干涉滤光片的光由所述的聚焦透镜(8)聚焦到后续的探测器。2.根据权利要求1所述的透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，其特征在于在预设温度下，所述的干涉滤光片(4)对应边缘视场角的中心波长与接收主透镜(I)接收的光波长一致。3.根据权利要求1所述的透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，其特征在于所述的前窗口玻璃(5-1)和后窗口玻璃(5-2)镀有与接收主透镜(I)接收光的波长一致的增透介质膜。4.根据权利要求1至3任一项所述的透过率随接收视场角变化的光学滤波装置，其特征在于所述的半导体制冷器(6)的一端紧贴所述的保温罩的外表面，另一端为散热片(6-1上，所述的半导体制冷器(6)根据热敏电阻(7)的测量温度与预设温度的差对保温罩进行加热或制冷，使所述的保温罩(5)内部的温度控制在预设温度± 1°C范围。
【文档编号】G02F1/01GK105911534SQ201610223507
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】贺岩, 刘继桥, 耿立明, 陈卫标, 朱小磊
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所