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Zemax光学设计实例（96）---一个APD激光测距仪接收系统的设计

2021-12-20 11:01| 发布者：Davis| 查看：5720| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the design of an APD laser rangefinder receiving system using Zemax optical design software. The system must meet high requirements for compactness, light weight, reliability, and three-proof capabilities. The main technical indicat

引言：

激光测距仪是常用的测试设备，在建筑、航空航天、汽车、天文、军事等领域有重要的应用。

通常激光测距仪是由发射和接收两个系统构成。发射系统由激光器和扩束器构成，扩束的目的是压缩激光的发散角。

接收器的主要功能有：

（1）观察和对准目标：在通常情况下，目标为可见光，所以接收系统的波段为VIS。

（2）接收脉冲激光信号和测距：信号为目标（通常为非合作目标）发射的很微弱的散射激光信号，经过接收系统聚焦在探测器上。信号光一般为红外光（比如1064nm、1535nm（眼安全激光波段））。

（3）远程信息显示：信息中心发出的信息通过OLED叠加显示在目镜焦面上，可以同时观察目标和阅读信息。

（4）体积、重量和可靠性：为了方便机载或车载，结构必须紧凑、重量轻、可靠性高，三防要求。

（5） etendue：接收系统有三路输出，其孔径、视场、焦距和波长均不相等，设计时必须兼顾三路的etendue。

综上所述，激光测距仪是要求很高、综合性很强的光学系统。

设计指标：

主要的技术指标如下：

（1）主望远物镜入瞳直径D₀=64mm，焦距480mm，相对孔径1:7.5，视场角ω_M=1.08°。

（2）物距为10km（1.0×10⁷mm）。

（3）系统长度ST＜340mm。

（4）目镜倍率M_E=12.25，线视场半径η_E=9.0mm，目镜像方全视场角2ω`=50度，镜目距（出射光瞳到目镜最后一面之间的距离）L_p＞18mm。

（5）CCD/CMOS规格：长度a=12.8mm，宽度b=9.6mm，对角线ρ=16mm（1inch），1024×768像素，p=12.5um。

（6）APD：接收孔径Φ=0.5mm，η`_A=0.25mm，ω_A=0.163°

由以上已知的技术指标，可以计算出三个分系统的焦距f`、孔径角u`、像高η`、etendue，如下表：

在三个分系统中，目视和CCD的etendue大小接近，APD的etendue很小，三个分系统要设计到一个仪器中，首先要设计etendue最大的分系统，即将目视系统作为主光学系统。

另外，由于系统总长比焦距小得多，目视系统设计为远摄型，远摄系数为

为了方便目视观察，要求目视光路向上转折45°，因此选用斯密特屋脊棱镜，该棱镜与物镜共同作用可以保证观察到正像。

目视系统（主光路系统）的设计：

由于三个分系统共用一个物镜，Aperture Type的类型选“Float By Stop Size”，共用主光学系统的光阑。

在视场设定对话框中设置3个视场（0， 0.7，1视场），要选择“Angle（Deg）”。

在波长设定对话框中，选择F，d，C（visible）自动加入三个波长。

主物镜采用远摄物镜，焦距477mm；在负透镜后面孔径角较小的光路中插入两个厚28mm的H-K9L分光棱镜，分出两路光分别中继到CCD和APD；

斯密特屋脊棱镜的入射面设为24mm×24mm，等效的平板厚度为

选取反射棱镜的材料时，要考虑到全反射的临界角。

玻璃牌号	折射率nd	临界角ic（°）
H-K9L	1.5168	41.24
H-ZK9A	1.6204	38.11
H-LAK7	1.7130	35.70

由于CCD和APD分系统的视场角都比主系统的视场角小，为确保所有进入棱镜的光线都满足全反射条件，主系统的屋脊棱镜材料选为H-LAK7。

在LDE中输入初始结构，如下图：

目视和CCD分系统的焦距都很长，为了校正二级光谱，LENS-2的透镜材料为CAF2。

按F6打开MFE，添加以下操作数，如下图：

第3行，RANG操作数，控制输出光束准直度，第1面，最大视场光线（Hx,Hy,Px,Py）=(0,1,0,0 )的孔径角，单位是弧度。

第4行，CONS操作数，设置一个常数为57.29（=180/π）。

第5行，PROD操作数，输出第3行和第4行相乘的结果，将弧度变为度。

第6行，RANG操作数，控制输出光束准直度，第17面，0视场最大孔径光线（Hx,Hy,Px,Py）=(0,0,0,1)的孔径角，单位是弧度。

第8行，PROD操作数，输出第6行和第7行相乘的结果，将弧度变为毫弧度。

第10行，PMAG操作数，主波长的近轴垂轴放大率，仅用于有焦系统。

第11行，EFFL操作数，控制有效焦距为477mm并给权重0.1。

第12行，REAR操作数，指定第17面实际光线径向坐标，即像高。

第14行，TTHI操作数，第2面到第16面，系统总长。

第16行，DIVI操作数，第14行除以第11行，得到远摄比γ为0.65。

第18行，TTHI操作数，第2面到第9面，控制物镜总长。

第19行，OPLT操作数，控制第18行小于135。

第21行，CTGT操作数，控制镜目距为35mm。

第23行，TTHI操作数，显示物距为10km。

第25行，DIMX操作数，控制最大视场畸变为3%并给权重0.1。

第26～38行，各个操作数用于控制中心和边缘厚度的范围，并给权重0.02。

将各个LENS的Raidus和Thickness设置为变量，然后不断优化。

查看3D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看二级光谱，如下图：

由上图看出，二级光谱校正得很好。

然后将第15行等效平板改为非序列模式“Non-SequentialComponent”，在NSC中选择物体类型为“PolygonObject\SCHMIDT.POB”，参数设置如下：

查看等效平板改为斯密特屋脊棱镜的3D Layout，如下图：

CCD系统的设计：

由于三个分系统共用一个物镜，Aperture Type的类型还是“Float By Stop Size”，共用主光学系统的光阑。

在视场设定对话框中设置3个视场（0， 0.7，1视场），要选择“Angle（Deg）”。

在波长设定对话框中，选择F，d，C（visible）自动加入三个波长。

附加透镜的光焦度不大，使用两个分离的透镜作为初始结构，如下图：

按F6打开MFE，添加以下操作数，如下图：

上图中，各个操作数的使用与含义和主光学系统类似。

将两个分离的LENS的Raidus和Thickness设置为变量，两种玻璃设为“可替换”，然后不断优化。

查看3D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看MTF，如下图：

截至频率为

系统对低频到高频的响应都足够高，像质很理想。

将第二块棱镜改成45°直角反射棱镜，LDE参数如下图：

再次查看3D Layout，如下图：

APD系统的设计：

由于三个分系统共用一个物镜，Aperture Type的类型还是“Float By Stop Size”，共用主光学系统的光阑。

在视场设定对话框中设置3个视场（0， 0.7，1视场），要选择“Angle（Deg）”。

在波长设定对话框中，输入1.535um的波长。

APD分系统可选用3组4片的低倍显微镜，在显微镜前增加一个1.535um滤光片来提高信噪比，如下图：

按F6打开MFE，添加以下操作数，如下图：

上图中，各个操作数的使用与含义和主光学系统类似。

将4片LENS的Raidus和Thickness设置为变量，将各个玻璃设为“可替换”，然后不断优化。

查看3D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

经过优化后的散斑非常小，为了增加APD器件的使用寿命，可以适当离焦。

将第一块棱镜改成45°直角反射棱镜，LDE参数如下图：

再次查看3D Layout，如下图：

目镜的设计：

根据大视场和长镜目距的要求，选择变形艾尔弗长镜目距目镜，镜目距＞18mm。

初始结构参数，如下图：

查看3D Layout，如下图：

由斯密特屋脊棱镜实现45°转向，斯密特屋脊棱镜和物镜配合得到正像，方便观察。

系统合成：

把三个分系统合并在一个程序里，是为了统筹考虑和检查分系统之间光路的流向、隔离，以及合理的结构配置。

我们需要使用到三个组态来合成系统，分别对应目视分系统（Config 1）、CCD分系统（Config2）和APD分系统（Config 3）。

在MCE中，建立三个Config，如下图：

第一部分是波长WAVE，注意APD分系统的波长是1.535um。

第二部分是视场XFIE和YFIE，三个分系统的Y视场不相同；同时，为了避免光线射到屋脊棱上溢出，X视场取一个相同的小量1.000×10^-3。

第三部分采用IGNR操作符来屏蔽其他Config的数据行，说明如下：

LDE中，第1行到第10行是主物镜，是三个Config共用的。

从第11行开始，每一行由不同的Config调用，凡是属于自己Config的行，IGNR=0；不属于自己Config的行，IGNR=1，这样该行就被屏蔽了。

合成系统的LDE，如下图：

查看合成系统的3D Layout，如下图：

实际应用中，第一个分光棱镜的分光面上镀“短通”膜，可以透过可见光，反射红外光；在APD分系统中在再用一个窄带滤光膜片，只透过1.535um波段的光，这样该通道的信噪比就可以做得很高。

第二个分光棱镜的分光面上只需要镀VIS分光膜。

第一个分光棱镜的上方有一个“杂散光通道”与发射激光器相通，激光脉冲发射时的杂散光就可以激发APD，定义为发射时刻t`；目标散射光被系统探测的时间定义为接收时刻t``，通过计算时差Δt=t``-t`，计算出目标距离。

目标视场ω_M最大，CCD观察视场ω_D略小，APD视场ω_A最小，只探测视场中心部分。三个分系统的视场中心必须精确重合，经常需要增加微调机构补偿偏差。

当目标位置变化时，望远镜还需要增加调焦功能。

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