CODE V微信简报：光学设计的应用——激光雷达系统中接收器的封闭能量优化（二）

使用CODE V封闭能量宏函数

CODE V光学设计软件提供了一个新工具，非常适合帮助光学工程师在能量封闭的系统中进行分析或优化。该工具在CODE V中通过Macro-PLUS™功能来提供，以帮助设计师分析和优化在探测器上特定尺寸或封闭在特定直径内的能量。

为了使用函数来评估封闭能量，设计者需提供关于目标封闭能量的几何形状信息、能量的计算方法(固定在质心或在X、Y、或X&Y扫描)和采样的信息。CODE V可以用来优化在能量背景下的系统和其他光学系统的约束。CODE V具有多种分析选项，可以灵活的对封闭能量进行评估，包括点扩散函数(PSF)、光束传播(BSP)和照明分析(LUM)等选项。此外，PSF数据也可以用于优化，如下所示。

图7：矩形探测器上的封闭能量示意图

图8:起始系统的能量分布，中心视场（左图）和左上角视场（右图），200µm x 200µm区域，检查50µm x 50µm探测器单元(对应物空间145mm x 145mm的正方形)

起始系统的能量分布显示光的扩散面积是我们所需要的APD探测器尺寸(大约15µm x15µm)的十倍以上。来自单个观测块(物体分辨率单元)的大部分光将在接收平面上分散在几个像素上。对于视场中的离轴点来说尤其如此。

使接收器能量均匀的优化

为了解决能量扩散的不均匀的问题，我们接下来在CODE V中对封闭能量进行优化。我们通过上述提到的CODE V 的Macro-PLUS™编程语言创建的封闭能量约束，使用新的封闭能量函数来实现这一点。我们设定了75%能量的目标，每个视场点的直径为15µm的圆内。优化速度非常快(只需要一分钟多一点的计算时间)。注意，封闭能量几何形状不需要最小化，可以根据应用设置任意尺寸。

图9：优化后的激光雷达接收器的光学系统

图10：封闭能量约束进行优化之前(左)和优化之后(右)的封闭能量图

图11：能量分布，观察区视场中心(左图)，左上角视场(右图)，200µm x 200µm区域，检查50µm x 50µm探测器单元(对应物空间145mm x 145mm斑块)

图12:第一幅图是对应编号的场点在优化后的点列图(尺度仍然为500µm)，第二和第三幅图是中心视场和1个边缘视场的3D PSF图

从这些分析中，我们可以看到最终系统的衍射能量图已经达到了我们的设计目标，在15µm的圆内能量为75%。我们可以看到物空间145 mm x 145 mm的方形斑块投影到APD阵列(激光雷达接收器)平面的能量更均匀，并且最后的点列图和3D PSF图都显示了在整个视场能量的均匀性，这对于激光雷达系统来说非常适用。

总结

新的CODE V宏函数可以帮助光学工程师，为各种几何结构的封闭能量提供便捷的分析和优化。当封闭能量是设计要求的一个重要指标(或者实际上可能是关键部分)时，这个功能对于设计系统来说是非常有用的。我们讨论了一个激光雷达接收系统的实例，并给出了在指定目标块大小和分辨率下，探测器阵列平面上封闭能量均匀性的优化结果。许多光学系统都能从这种灵活、高效的设计中获益。CODE V光学设计软件为用户提供了这种有效的封闭能量优化，对于任何光学系统，这都是一个有用的性能指标。