中紅外激光雷達光學系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種中紅外激光雷達光學系統。本實用新型包括發射系統、接收系統、掃描系統、瞄準系統、差分光路系統，其特征是：所述的發射系統發射的激光束經過轉向鏡照射到所述的掃描系統出射后照射到被測目標上，通過瞄準系統瞄準被測目標；被測目標將激光束反射回來通過掃描系統后由接收系統接收，再入射到瞄準系統和差分光路系統；所述的掃描系統包括安裝支座，所述的安裝支座里面通過水平軸系安裝水平掃描倉，所述的水平軸系連接水平掃描驅動電機，所述的水平掃描倉通過垂直軸系連接垂直掃描倉，所述的垂直軸系連接垂直掃描驅動電機，所述的垂直掃描倉上部具有窗口。本實用新型光學性能好并且能夠克服高低溫貯存環境。
【專利說明】
中紅外激光雷達光學系統
[0001 ] 技術領域:
[0002]本實用新型涉及一種中紅外激光雷達光學系統，屬于激光雷達技術領域。
[0003]【背景技術】:
[0004]常規大氣污染物監測方式主要有電化學式、催化燃燒式、半導體式和紅外線式，探測氣體種類單一，距離近，壽命短。激光氣體監測技術是近些年發展起來的新型氣體探測技術，特點是非接觸無需采樣、靈敏度高、響應時間快、可遠程遙測。目前在大氣痕量氣體監測中最常用的光譜技術有紫外/可見波段的差分光學吸收光譜(DOAS)、差分吸收激光雷達(DIAL)、紅外波段的傅里葉變換光譜(FTIR)、可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)等。DOAS和TDLAS技術多采用紫外、近紅外固定波長激光，氣體吸收在此波段較弱，在大氣中傳輸距離受限。許多有毒有害氣體在中紅外波段(2um?4um)具有強烈的吸收峰(比可見光/近紅外波段吸收高幾個數量級)，可以獲得更高的靈敏度、更遠的探測距離。例如一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮氣體分別在2.7um、3.3um、3.5um有較強吸收峰，同時2um?4um也是大氣透過率窗口，因此允許數百米甚至千米以上的遠程探測。采用中紅外波段的激光雷達檢測污染物能夠極大的提高探測靈敏度。對于目前的環保形勢是非常必要的。
[0005]大氣污染物的來源十分廣泛，主要來源有工業生產、生活采暖、交通運輸等。工業是大氣污染的一個重要來源。工業排放到大氣中的污染物種類繁多，有煙塵、硫的氧化物、氮的氧化物、有機化合物、鹵化物、碳氫化合物等。汽車、火車、飛機、輪船是當代的主要運輸工具，它們燒煤或石油產生的廢氣也是重要的污染物。特別是城市中的汽車，量大而集中，排放的污染物能直接侵襲人的呼吸器官，對城市空氣的污染很嚴重，成為大城市空氣的主要污染源之一。汽車排放的廢氣主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氫化合物等，前三種物質危害性很大。
[0006]國內外現有煙氣污染物(S02、N0、N02等)監測儀器設備普遍存在低濃度測量組分“單一”、靈敏度低、檢測下限高等突出問題。在污染物濃度較低情況下(<50mg/m3)出現較大偏差，無法滿足超低排放標準的要求，市場急需適用于低濃度排放的檢測設備。但是目前中紅外激光雷達只能依賴于進口，急需尋找國產同等光源進行替代，同時此波段氣體探測的整體解決方案目前在國內也處于空白狀態，國內市場急需此種設備。
[0007]中紅外激光雷達光學系統是高靈敏度氣體污染探測激光雷達的重要組成部分。中紅外激光雷達光學系統承擔了激光束的發射和回波接收等重要工作。自身的光學質量直接影響整機的性能。同時由于該設備為外場工作設備，對環境適應性要求較高。該設備研發難度較大。
[0008]【實用新型內容】:
[0009]本實用新型的目的是針對上述存在的問題提供一種中紅外激光雷達光學系統，光學性能好并且能夠克服高低溫貯存環境，保證具有良好的剛性防止運載車行進過程中顛簸產生的損壞。
[0010]上述的目的通過以下的技術方案實現:
[0011]—種中紅外激光雷達光學系統，包括發射系統、接收系統、掃描系統、瞄準系統、差分光路系統，所述的發射系統發射的激光束經過轉向鏡照射到所述的掃描系統出射后照射到被測目標上，通過瞄準系統瞄準被測目標;被測目標將激光束反射回來通過掃描系統后由接收系統接收，再入射到瞄準系統和差分光路系統;所述的掃描系統包括安裝支座，所述的安裝支座里面通過水平軸系安裝水平掃描倉，所述的水平軸系連接水平掃描驅動電機，所述的水平掃描倉通過垂直軸系連接垂直掃描倉，所述的垂直軸系連接垂直掃描驅動電機，所述的垂直掃描倉上部具有窗口。
[0012]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的水平掃描倉里面設置有平面反射鏡三，所述的平面反射鏡三與所述的轉向鏡垂直設置，所述的垂直掃描倉里面設置有平面反射鏡二，所述的平面反射鏡二與所述的平面反射鏡三平行設置。
[0013]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的發射系統包括激光器，所述的激光器的發射端前部設置有擴束鏡，所述的擴束鏡的鏡頭安裝在恒溫倉中。
[0014]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的擴束鏡采用無熱化鏡頭結構，其鏡頭的工作波段為2?4μπι中紅外波段，采用硅制作正透鏡，鍺制作負透鏡實現校正熱像差。
[0015]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的接收系統包括與所述的轉向鏡設置在同一條主光軸上的平面反射鏡一以及位于所述的平面反射鏡一下方的拋物面反射鏡。
[0016]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的拋物面反射鏡采用口徑為Φ300πιπι的拋物面反射鏡。
[0017]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的系統的焦距不小于1000mm。
[0018]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的瞄準系統包括與所述的平面反射鏡一形成45°入射角的相機，所述的相機前面設置有視場校正鏡，所述的視場校正鏡前面設置有分光鏡一O
[0019]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的差分光路系統包括與所述的分光鏡一設置在同一光路上的分光鏡二，所述的分光鏡二兩側分別依次設置有波段準直鏡及濾光片、感光面。
[0020]有益效果:
[0021]1.本實用新型基于國家對大氣污染防治提出的新的更高的要求，所以迫切需要設計研發出針對污染物排放的更低檢測下限和更高檢測靈敏度的監測技術與設備。我們研制的這款中紅外激光雷達光學鏡頭順應了形勢，它具有更高的檢測靈敏度。這款鏡頭采用中紅外波段(2um?4um)作為檢測波段，許多大氣污染氣體如一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮氣體分別在2.7um、3.3um、3.5um處有較強吸收峰，所以即使少量污染氣體也可以探測得到。應用該款中紅外激光雷達光學鏡頭可以探測到更低濃度的污染物氣體(<50mg/m3)，所以這是一款具有更低檢測下限和更高檢測靈敏度的光學檢測鏡頭。
[0022]2.本實用新型的中紅外激光雷達光學鏡頭具有高環境穩定性，因為采用動態無熱化技術設計了光學系統，使得光學系統具有高溫度穩定性，也使得整機的環境適應性更好。
[0023]【附圖說明】:
[0024]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0025]圖2是本實用新型的A-A部放大圖。
[0026]圖中:1、轉向鏡；2、安裝支座;3、水平軸系;4、水平掃描倉;5、水平掃描驅動電機；
6、垂直軸系;7、垂直掃描倉;8、垂直掃描驅動電機;9、窗口 ； 10、平面反射鏡三，11、平面反射鏡二； 12、激光器；13、擴束鏡；14、平面反射鏡一；15、拋物面反射鏡；16、相機；17、視場校正鏡;18、分光鏡一;19、分光鏡二; 20、波段準直鏡及濾光片;21、感光面。
[0027]【具體實施方式】:
[0028]如圖1-2所示:本實施例的中紅外激光雷達光學系統，包括發射系統、接收系統、掃描系統、瞄準系統、差分光路系統，所述的發射系統發射的激光束經過轉向鏡I照射到所述的掃描系統出射后照射到被測目標上，通過瞄準系統瞄準被測目標;被測目標將激光束反射回來通過掃描系統后由接收系統接收，再入射到瞄準系統和差分光路系統;所述的掃描系統包括安裝支座2，所述的安裝支座里面通過水平軸系3安裝水平掃描倉4，所述的水平軸系連接水平掃描驅動電機5，所述的水平掃描倉通過垂直軸系6連接垂直掃描倉7，所述的垂直軸系連接垂直掃描驅動電機8，所述的垂直掃描倉上部具有窗口 9。本實施例的水平掃描驅動電機和垂直掃描驅動電機上可以分別安裝軸角編碼器，用來測量水平軸系或者垂直軸系的旋轉角度。本實施例的掃描系統的設計可以保證具有良好的剛性防止運載車行進過程中顛簸產生的損壞。又能夠保證回轉精度，使測量出的污染分布具有準確的空間位置精度。窗口是水平方向放置。整個掃描系統放置在接收系統的前面，位置是固定不動的，水平掃描倉在水平掃描驅動電機的驅動下可以繞主光軸水平旋轉，垂直掃描倉在垂直掃描電機的驅動下可以繞主光軸垂直旋轉。
[0029]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的水平掃描倉里面設置有平面反射鏡三10，所述的平面反射鏡三與所述的轉向鏡垂直設置，所述的垂直掃描倉里面設置有平面反射鏡二 11，所述的平面反射鏡二與所述的平面反射鏡三平行設置。
[0030]實施例2:
[0031]本實施例中所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的發射系統包括激光器12，所述的激光器的發射端前部設置有擴束鏡13，所述的擴束鏡的鏡頭安裝在恒溫倉中。擴束鏡的主要作用是擴展激光束的直徑并壓窄光束的發散角，這樣發射的激光束才能傳播的更遠。發射系統的擴束鏡設計難點是溫度適應性。激光雷達是外場工作設備，野外環境溫度變化劇烈。因此，擴束鏡頭必須進行溫度適應性設計。為了使實際使用效果更好，鏡頭安置在恒溫倉中，這樣就可以進一步避免溫度影響。但是在設備不工作時，恒溫倉是不起作用的，這時鏡頭還必須能夠克服高低溫貯存環境。這就要求鏡頭的光學設計和結構設計都要考慮環境溫度對設備的影響。為了保證鏡頭在高低溫環境下能夠正常使用，擴束鏡采用了無熱化鏡頭結構。鏡頭的工作波段為2?4μπι中紅外波段，在這波段設計無熱化鏡頭一般采用“娃”制作正透鏡，“鍺”制作負透鏡，這樣就能很好的校正熱像差。
[0032]實施例3:
[0033]本實施例中所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的接收系統包括與所述的轉向鏡設置在同一條主光軸上的平面反射鏡一 14以及位于所述的平面反射鏡一下方的拋物面反射鏡15。
[0034]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的拋物面反射鏡采用口徑為Φ300πιπι的拋物面反射鏡，所述的系統的焦距不小于1000mm。
[0035]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的瞄準系統包括與所述的平面反射鏡一形成45°入射角的相機16，所述的相機前面設置有視場校正鏡17，所述的視場校正鏡前面設置有分光鏡一18。
[0036]所述的中紅外激光雷達光學系統，所述的差分光路系統包括與所述的分光鏡一設置在同一光路上的分光鏡二 19，所述的分光鏡二兩側分別依次設置有波段準直鏡及濾光片20、感光面21。瞄準系統用來對被測目標進行瞄準，它和接收系統共用一個拋物面反射鏡，瞄準系統指向的位置就是接收系統的感光范圍。瞄準系統中增加了視場校正鏡，校正視場像差。由于拋物面反射鏡軸外像差很大，整個系統對軸外成像質量會很差，再設計時增加軸外校正鏡組，就可以很好的校正軸外像差。
[0037]工作過程:
[0038]如圖1-2所示，由激光器和擴束鏡組成的發射系統發射一束波長處于中紅外波段的激光束，經過轉向鏡到平面反射鏡三，再到平面反射鏡二、最后從掃描系統的窗口射出；光束出射后照射到遠距離的被測目標上，通過瞄準系統瞄準被測目標;被測目標將激光束反射回來，返回光束通過掃描系統后由接收系統接收，光線由拋物面反射鏡匯聚反射到平面反射鏡一，再入射到目苗準系統和差分光路系統；只有可見光波段的光線能夠通過分光鏡一和視場校正鏡照射到相機上，而射出的激光束的返回光線可以經過分光鏡一反射到差分光路系統，分光鏡二將光線分成兩個波段，每個波段的光線經過準直鏡和濾光片后照射到探測器的感光面上。
[0039]本實用新型方案所公開的技術手段不僅限于上述技術手段所公開的技術手段，還包括由以上技術特征等同替換所組成的技術方案。本實用新型的未盡事宜，屬于本領域技術人員的公知常識。
【主權項】
1.一種中紅外激光雷達光學系統，包括發射系統、接收系統、掃描系統、瞄準系統、差分光路系統，其特征是:所述的發射系統發射的激光束經過轉向鏡照射到所述的掃描系統出射后照射到被測目標上，通過瞄準系統瞄準被測目標;被測目標將激光束反射回來通過掃描系統后由接收系統接收，再入射到瞄準系統和差分光路系統;所述的掃描系統包括安裝支座，所述的安裝支座里面通過水平軸系安裝水平掃描倉，所述的水平軸系連接水平掃描驅動電機，所述的水平掃描倉通過垂直軸系連接垂直掃描倉，所述的垂直軸系連接垂直掃描驅動電機，所述的垂直掃描倉上部具有窗口。2.根據權利要求1所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的水平掃描倉里面設置有平面反射鏡三，所述的平面反射鏡三與所述的轉向鏡垂直設置，所述的垂直掃描倉里面設置有平面反射鏡二，所述的平面反射鏡二與所述的平面反射鏡三平行設置。3.根據權利要求1所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的發射系統包括激光器，所述的激光器的發射端前部設置有擴束鏡，所述的擴束鏡的鏡頭安裝在恒溫倉中。4.根據權利要求1所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的接收系統包括與所述的轉向鏡設置在同一條主光軸上的平面反射鏡一以及位于所述的平面反射鏡一下方的拋物面反射鏡。5.根據權利要求4所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的拋物面反射鏡采用口徑為Φ 300mm的拋物面反射鏡。6.根據權利要求1所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的光學系統的焦距不小于1000mm。7.根據權利要求4所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的瞄準系統包括與所述的平面反射鏡一形成45°入射角的相機，所述的相機前面設置有視場校正鏡，所述的視場校正鏡前面設置有分光鏡一。8.根據權利要求7所述的中紅外激光雷達光學系統，其特征是:所述的差分光路系統包括與所述的分光鏡一設置在同一光路上的分光鏡二，所述的分光鏡二兩側分別依次設置有波段準直鏡及濾光片、感光面。
【文檔編號】G02B1/00GK205679525SQ201620265488
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月1日 公開號201620265488.5, CN 201620265488, CN 205679525 U, CN 205679525U, CN-U-205679525, CN201620265488, CN201620265488.5, CN205679525 U, CN205679525U
【發明人】丁鉑, 朱琳
【申請人】南京英田光學工程股份有限公司