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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

2021-12-14 14:37| 发布者：optkt| 查看：2681| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax进行光学设计的实例，涵盖了一个APD激光测距仪接收系统的设计，包括目视系统、CCD和APD分系统等。该系统具有体积轻、重量小、可靠性高等特点，同时满足不同系统的技术指标要求。使用Zemax进行设计可以保证系统的最大化etendue和视场角，同时校正二级光谱等问题。

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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