大角度偏转收发一体光纤准直器的制作方法

本发明涉及高功率光纤激光器件技术领域，具体涉及一种大角度偏转收发一体光纤准直器。

背景技术：

现有的光纤激光准直器主要用于光纤输出激光的准直扩束，功能单一。而在空间光通信、激光传能、激光清障等激光远距离传输领域中，需要同时实现光束的准直发射、大角度偏转和目标成像等多种功能。目前主要采用万向架+望远镜的技术方案，系统复杂，体积重量大，限制了其应用。需要同时搭载更多的器件，使得整个系统的体积和重量大大增加，限制了其的应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种大角度偏转收发一体光纤准直器。本发明可在不显著增加系统体积重量的情况下，实现光纤激光的准直发射、大角度偏转和目标成像等功能，在激光远距离传输领域具有广阔的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

大角度偏转收发一体光纤准直器，包括相机、中央挡光镜、双色镜、准直透镜以及旋转双棱镜，激光的发射光路依次设置有双色镜、准直透镜以及双棱镜，光纤输出激光传输至双色镜，经双色镜反射出的激光输出至准直透镜，准直为平行光后作为发射光经旋转双棱镜发射至目标，来自目标的目标散射/反射光作为目标探测光沿原光路反向传输，目标散射/反射光经旋转双棱镜入射到准直透镜聚焦后入射到双色镜，经双色镜输出至中央挡光镜，入射到中央挡光镜中央部分的光被中央挡光镜挡掉，入射到中央挡光镜其边缘的光透射后进入相机，相机位于透射光的焦平面上，实现对目标的成像探测。

本发明中所述相机、中央挡光镜、双色镜、准直透镜以及旋转双棱镜的中心轴线重合。

本发明中，所述旋转双棱镜包括1#棱镜、2#棱镜、1#棱镜驱动机构以及2#棱镜驱动机构，1#棱镜和2#棱镜均为楔形棱镜，1#棱镜和2#棱镜分别安装在1#棱镜驱动机构和2#棱镜驱动机构上，1#棱镜和2#棱镜能够在对应的棱镜驱动机构驱动下绕旋转轴旋转，实现入射到旋转双棱镜上的发射光的光束偏转，其中旋转轴为入射到旋转双棱镜上的发射光的光轴。其中1#棱镜驱动机构以及2#棱镜驱动机构结构相同，均包括力矩电机、传动机构和支撑机构，棱镜安装在支撑机构上，力矩电机连接传动机构，传动机构连接支撑机构上的棱镜，力矩电机通过传动机构带动棱镜旋转；所述棱镜驱动机构上还设置有角度位移传感器、速度传感器以及加速度传感器，分别用于检测棱镜在旋转过程中的角度位移、速度以及加速度。

作为优选方案，本发明所述1#棱镜和2#棱镜均为直角楔形棱镜，1#棱镜和2#棱镜的直角平面尽量贴近。定义过直角楔形棱镜其直角面圆心的最薄端与最厚端间的直径为直角楔形棱镜的标记线。

作为优选方案，本发明所述1#棱镜、2#棱镜均是由中央圆形棱镜和边缘环形棱镜两部分组成，中央圆形棱镜的直径与边缘环形棱镜的中央圆孔的孔径尺寸相等，中央圆形棱镜安设在边缘环形棱镜的中央圆孔内，其中中央圆形棱镜用于激光发射，边缘环形棱镜用于目标探测。

因为中央圆形棱镜要求能够耐受发射激光功率，因此中央圆形棱镜镀发射光波段增透膜，其棱镜楔角按照如下公式进行计算：

其中，γ是所需的发射光的最大偏转角，由用户根据实际使用情况确定，为已知项；n为中央圆形棱镜折射率；α为中央圆形棱镜楔角。

边缘环形棱镜镀探测光波段增透膜。进一步地，本发明所述边缘环形棱镜有两种优选结构设计方式，一是按照折射率匹配方式设计，边缘环形棱镜选择与中央圆形棱镜不同的基底材料使得边缘环形棱镜在目标探测光波长/段处的折射率与中央圆形棱镜在发射光波长/波段处的折射率相等，边缘环形棱镜楔角与中央圆形棱镜楔角相等，使得发射光与目标探测光同光轴。二是楔角匹配方式，该方式中边缘环形棱镜选择与中央圆形棱镜相同的基底材料，通过设计与中央圆形棱镜不同的棱镜楔角来最小化发射光与目标探测光的光轴角度差，方法如下：

两中央圆形棱镜作为楔形棱镜，两中央圆形棱镜其标记线间的夹角定义为标记线夹角，旋转两中央圆形棱镜，改变两中央圆形棱镜的标记线夹角的角度，获取发射光偏转角随不同标记线夹角的变化曲线a；

确定边缘环形棱镜的基底材料在目标探测光波长处的折射率，在目标探测光波长处的折射率下，获取目标探测光偏转角随边缘环形棱镜不同棱镜楔角的变化曲线b，不断调整边缘环形棱镜的棱镜楔角大小，直至获得的变化曲线b与变化曲线a的方差最小，以此时对应的棱镜楔角作为最终所需的边缘环形棱镜的棱镜楔角。

本发明中所述准直透镜可采用单一透镜或透镜组实现，可耐受发射激光功率，镀发射和探测光双波段增透膜，优先考虑发射光波段高增透。透镜或透镜组设计时需保证发射光在准直透镜处的光斑尺寸小于中央圆形棱镜的直径。透镜或透镜组在光学设计时需同时考虑发射光的光束质量和探测光的成像质量指标。

本发明中所述双色镜朝向光纤端帽的一面镀发射光波长/波段高反且探测光高透的光学薄膜，优先考虑发射光高反；另一面镀探测光高透膜。镜片基底和薄膜能够耐受发射光功率，镜片尺寸满足探测光所需通光孔径。

本发明中所述中央挡光镜片为目标探测光的带通滤光片，在相机的成像波段响应范围内仅能通过目标探测光波段的光，中央挡光镜片的中央圆形区域采用吸光材料涂黑，阻止目标探测光透过，涂黑的中央圆形区域直径略大于中央圆形棱镜所透过的目标探测光在中央挡光镜片上的成像区域。

本发明所述相机采用商用相机，能够响应探测光波段，帧频、像素尺寸等参数可根据系统实际需求进行选择。

1#棱镜和2#棱镜分别由各自对应的棱镜驱动机构驱动旋转相应的角度，即1#棱镜的旋转角度θ1和2#棱镜的旋转角度θ2，，则发射光经双棱镜后的出射光束的偏转角为δ，方位角为ω。

本发明所提供的大角度偏转收发一体光纤准直器可以按方阵或其它方式排列成准直器阵列，实现拼接大视场探测和阵列光束同时发射。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于旋转双棱镜的高功率大角度偏转收发一体光纤准直器方案，在不采用万向架机构、体积重量较小的情况下，同时解决了高功率光纤准直器的光束发射、大角度偏转和目标成像等功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为组成双棱镜的楔形棱镜的正面图；

图4为折射率匹配方式得到的楔形棱镜的剖视图；

图5为角度匹配方式得到的楔形棱镜的剖视图；

图6为中央挡光镜片结构示意图；

图7为棱镜旋转角度与光线传输关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本实施例提供一种大角度偏转收发一体光纤准直器，包括相机6、中央挡光镜5、双色镜2、准直透镜3以及旋转双棱镜4，激光的发射光路依次设置有双色镜2、准直透镜3以及双棱镜4，从光纤端帽1发射的发射激光入射至双色镜2，经双色镜2反射出的激光输出至准直透镜3准直为平行光后作为发射光经旋转双棱镜4发射至目标，来自目标的目标散射/反射光作为目标探测光沿原光路反向传输，目标散射/反射光经旋转双棱镜4入射到准直透镜3聚焦后入射到双色镜2，经双色镜2输出至中央挡光镜5，入射到中央挡光镜5中央部分的光被中央挡光镜5挡掉，入射到中央挡光镜5其边缘的光透射后进入相机6，相机6位于透射光的焦平面上，实现对目标的成像探测。如图1所示，所述相机6、中央挡光镜5、双色镜2、准直透镜3以及旋转双棱镜4的中心轴线重合。

参照图1，所述旋转双棱镜包括1#棱镜7、2#棱镜8、1#棱镜驱动机构9以及2#棱镜驱动机构10，1#棱镜7和2#棱镜8均为楔形棱镜，1#棱镜7和2#棱镜8分别安装在1#棱镜驱动机构9和2#棱镜驱动机构10上，1#棱镜7和2#棱镜8能够在对应的棱镜驱动机构驱动下绕旋转轴旋转，实现入射到旋转双棱镜上的发射光的光束偏转，其中旋转轴为入射到旋转双棱镜上的发射光的光轴。

1#棱镜驱动机构以及2#棱镜驱动机构结构相同，各棱镜驱动机构均包括力矩电机、传动机构和支撑机构，棱镜安装在支撑机构上，力矩电机连接传动机构，传动机构连接支撑机构上的棱镜，力矩电机通过传动机构带动棱镜旋转；棱镜驱动机构主要实现两棱镜沿光轴方向任意角度旋转，该机构在高精度旋转应用领域中有广泛应用，只需要针对本发明中的棱镜具体尺寸设计即可。

本实施例中，所述1#棱镜7和2#棱镜8均为直角楔形棱镜，1#棱镜7和2#棱镜8的直角平面尽量靠近。定义过直角楔形棱镜其直角面圆心的最薄端与最厚端间的直径为直角楔形棱镜的标记线。

由于发射激光和探测目标光为不同波长/波段光，同一种材质的棱镜对两种光的折射率存在差异，致使发射光与探测光的光轴存在夹角，最终导致发射激光指向的目标位置与探测的目标位置存在差异，该差异随着光束偏转角度的增大而增大，严重时将导致目标位置超出相机的探测视场，无法实现目标成像。为此，本发明提出一种组合棱镜，棱镜中央部分和边缘部分的棱镜楔角或折射率存在差异，中央部分用于激光发射，边缘部分用于目标探测，通过合理选择折射率、楔角和探测波长可有效实现发射光与探测光的实时共轴。本发明中所述1#棱镜7、2#棱镜8均是由中央圆形棱镜12和边缘环形棱镜13两部分组成的组合棱镜，如参照图3所示。中央圆形棱镜12的直径与边缘环形棱镜13的中央圆孔的孔径尺寸相等，两棱镜均为直角棱镜。中央圆形棱镜12安设在边缘环形棱镜13的中央圆孔内，确保两棱镜的直角面位于同一平面上。定义过棱镜直角面圆心的最薄端与最厚端的直径为棱镜的标记线，两棱镜标记线重合。其中中央圆形棱镜12用于激光发射，边缘环形棱镜13用于目标探测。中央圆形棱镜能够耐受发射激光功率，中央圆形棱镜镀发射光波段增透膜，其棱镜楔角按照如下公式进行计算：

其中，γ是所需的发射光的最大偏转角，由用户根据实际使用情况确定，为已知项；n为中央圆形棱镜折射率；α为中央圆形棱镜楔角。

边缘环形棱镜13镀探测光波段增透膜。进一步地，本发明提供边缘环形棱镜13的两种优选结构设计方式，一是按照折射率匹配方式设计，边缘环形棱镜选择与中央圆形棱镜不同的基底材料使得边缘环形棱镜在目标探测光波长/段处的折射率与中央圆形棱镜在发射光波长/波段处的折射率相等，边缘环形棱镜楔角与中央圆形棱镜楔角相等，使得发射光与目标探测光同光轴。如图4所示，为折射率匹配方式得到的楔形棱镜的剖视图。

边缘环形棱镜13的第二种结构设计方式是楔角匹配方式，该方式中边缘环形棱镜的基底材料与中央圆形棱镜的基底材料相同，通过设计与中央圆形棱镜不同的楔角大小来最小化发射光束与探测光束光轴角度差。具体设计方法为：

(1)两中央圆形棱镜作为楔形棱镜，两中央圆形棱镜其标记线间的夹角定义为标记线夹角，旋转两中央圆形棱镜，改变两中央圆形棱镜的标记线夹角的角度，获取出发射光偏转角随不同标记线夹角的变化曲线a；

(2)确定边缘环形棱镜的基底材料在目标探测光波长处的折射率，在目标探测光波长处的折射率下，获取目标探测光偏转角随边缘环形棱镜不同棱镜楔角的变化曲线b，不断调整边缘环形棱镜的棱镜楔角大小，直至获得的变化曲线b与变化曲线a方差最小，以此时对应的棱镜楔角作为最终所需的边缘环形棱镜的棱镜楔角。如图5所示，图5为角度匹配方式得到的楔形棱镜的剖视图。

第一种方式可实现所有情况下探测光光轴与发射光光轴的完美重合。而第二种方式与采用单一棱镜的情况相比，可大幅降低探测光与发射光的光轴偏差。

所述准直透镜3可采用单一透镜或透镜组实现，可耐受发射激光功率，镀发射和探测光双波段增透膜，优先考虑发射光波段高增透。透镜或透镜组设计时需保证发射光在准直透镜处的光斑尺寸小于中央圆形棱镜的直径。透镜或透镜组在光学设计时需同时考虑发射光的光束质量和探测光的成像质量指标。

所述双色镜2朝向光纤端帽的一面镀发射光波长/波段高反且探测光高透的光学薄膜，优先考虑发射光高反；另一面镀探测光增透膜。镜片基底和薄膜能够耐受发射光功率，镜片尺寸满足探测光所需通光孔径。

参照图6，所述中央挡光镜片5为探测光的带通滤光片，在相机的成像波段响应范围内仅能通过探测光波段，中央挡光镜片5中央圆形区域14采用吸光材料涂黑，阻止探测光透过，涂黑区域直径略大于棱镜中央圆形区域透过探测光在中央挡光镜片上的成像区域。

所述相机6采用商用相机，能够响应探测光波段，帧频、像素尺寸等参数可根据系统实际需求进行选择。

参照图2，本实施例提供一种大角度偏转收发一体光纤准直器，包括相机6、中央挡光镜5、双色镜2、准直透镜3以及旋转双棱镜4，激光的发射光路依次设置有双色镜2、准直透镜3以及双棱镜4，从光纤端帽1发射的发射激光入射至双色镜2，经双色镜2反射出的激光输出至准直透镜3准直为平行光后作为发射光经旋转双棱镜4发射至目标，来自目标的目标散射/反射光作为目标探测光沿原光路反向传输，目标散射/反射光经旋转双棱镜4入射到准直透镜3聚焦后入射到双色镜2，经双色镜2输出至中央挡光镜5，入射到中央挡光镜5中央部分的光被中央挡光镜5挡掉，入射到中央挡光镜5其边缘的光透射出来后进入相机6，相机6位于透射光的焦平面上，实现对目标的成像探测。如图2所示，所述相机6、中央挡光镜5、双色镜2、准直透镜3以及旋转双棱镜4的中心轴线重合。

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中的旋转双棱镜还包括控制器11，位移传感器、速度传感器、加速度传感器以及各力矩电机均连接控制器11，位移传感器、速度传感器、加速度传感器将采集的信号传输给控制器，控制器控制各力矩电机的工作。本领域技术人员还可对控制器进行更优化的设计，比如控制器还可用于实时计算1#棱镜和2#棱镜旋转角度与发射光束指向间的对应关系，并生成相应控制信号发送给棱镜驱动机构。控制器可以采用dsp、fpga等数据处理芯片研制，也可采用商用电子计算机。控制器还可接收外部系统发来的目标位置信息，也可向外部系统发送当前系统光束的指向信息，可向棱镜驱动机构发送棱镜旋转控制信号。

对于以上实施例所提供的大角度偏转收发一体光纤准直器，如果已知双棱镜中两棱镜的当前旋转角度，可以求解出发射光经双棱镜后的出射光束的方位角和偏转角，称之为正向解，方法如下：

参照图7，1#棱镜7和2#棱镜8的直角平面贴合且圆心重合，并以圆心作为原点建立直角坐标系，棱镜直角平面为xoy面，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，发射光沿z轴正方向入射；发射光经双棱镜后的出射光束与z轴的夹角δ定义为出射光束的偏转角，出射光束与z轴形成的平面与xoz平面的夹角ω定义为出射光束的方位角；1#棱镜的标记线15与x轴正方向的夹角定义为1#棱镜的旋转角，2#棱镜的标记线16与x轴正方向的夹角定义为2#棱镜的旋转角，各棱镜的旋转角范围均为-π～π，逆时针为正，顺时针为负；

设当前1#棱镜的旋转角度为θ1，2#棱镜的旋转角度为θ2，θ1和θ2已知，则通过以下公式计算得到发射光经双棱镜后的出射光束的偏转角δ和方位角ω：

其中：α为中央圆形棱镜楔角，n为中央圆形棱镜折射率，γ为所需的发射光的最大偏转角，为中间变量。

对于以上实施例提供的大角度偏转收发一体光纤准直器，如果已知发射光经双棱镜后要获得的出射光束的偏转角δ和方位角ω，则可以通过以下方法得到双棱镜中两棱镜需要旋转的旋转角度，称之为反向解，方法如下：

参照图7，1#棱镜7和2#棱镜8的直角平面贴合且圆心重合，并以圆心作为原点建立直角坐标系，棱镜直角平面为xoy面，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，发射光沿z轴正方向入射；发射光经双棱镜后的出射光束与z轴的夹角δ定义为出射光束的偏转角，出射光束与z轴形成的平面与xoz平面的夹角ω定义为出射光束的方位角；1#棱镜的标记线15与x轴正方向的夹角定义为1#棱镜的旋转角，2#棱镜的标记线16与x轴正方向的夹角定义为2#棱镜的旋转角，各棱镜的旋转角范围均为-π～π，逆时针为正，顺时针为负；

设定发射光经双棱镜后的出射光束需要满足偏转角为δ和方位角为ω，采用以下公式求解1#棱镜的旋转角度θ1和2#棱镜的旋转角度θ2：

其中α为中央圆形棱镜楔角，n为中央圆形棱镜折射率，η、β、h均为中间变量。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。