基于卡塞格林系统的激光测距接收光学系统的设计
基于卡塞格林系统的激光测距接收光学系统的设计
作者:季云飞;谢桂娟;
激光发射功率,激光发散角,激光接收口径以及探测器的灵敏度是影响激光测距系统测程的重要因素。从成本和实现难度方面考虑,激光测距系统常常通过增大激光发射光学系统的扩束倍率来减小发散角,以及增大激光接收口径来接收更多的目标反射激光能量的方法来提高测程,而不仅仅只是提高激光器本身发射功率,过度压缩激光器的原始发散角的方法,而传统的大口径透镜系统会使系统重量比较大,为了能精简结构,保证测程,本文采用了卡塞格林系统作为接收物镜,并在物镜焦点处加入了与视场相匹配的视场光阑,抑制杂散光对探测能力的影响。通过合理优化布局,平衡系统横向尺寸与主次镜遮挡比,使得系统成像质量好,结构紧凑,重量轻,满足实际应用需求。
1 系统设计原则
针对1064nm波长的远程测距系统,在探测器确定的情况下,常采用增大发射系统的扩束倍率或增大接收口径的方式来增加测程。而通常激光远程测距系统的激光器发射功率较大,加大扩束倍率会使得光学系统复杂化,能量损失大,同时对玻璃材料的激光抗损伤特性要求比较高,鉴于此,系统在对发射系统常规扩束后,采用增大接收口径的方式来增加测程。
对于接收光学系统,探测器光敏面大小和接收视场便决定了系统焦距大小。较大的接收视场可以收集到较多的反射光能量,但是视场角过大会使系统焦距变小,从而使系统相对孔径变大,设计上加大了难度。同时,鉴于系统轻量化,紧凑型需求,需要光学系统长度较小,重量轻。为了满足工程应用上的各种严苛条件,需设计一种大相对孔径的接收光学系统,这就必然导致了最后光束入射到探测器的角度较大,而激光测距系统为了降低背景光噪声,采用的干涉滤波片的中心波长会随光束入射角度的变化产生偏移,故通常将其置于平行光路中,所以此光学系统需要先进行望远系统缩束。
针对激光测距接收系统大孔径、小视场角的特点,采用具备此特性的卡塞格林系统作为接收物镜,为了进一步降低背景光的噪声,在卡塞格林系统物镜焦点处加入了与视场相匹配的视场光阑,在后端采用准直镜来进行卡塞格林系统焦点的调节,同时平衡像差,这样就构成了前端望远系统。在望远系统后依次加入干涉滤波片和聚焦镜便构成了完整的接收系统。
为了缩短系统的横向尺寸,充分利用空间,在满足系统遮挡比的情况下,将准直镜、滤波片、聚焦镜置于卡塞格林主次镜之间的空间中,为了避免在进行结构设计时二次挡光,系统设计时保证准直镜及后端系统的通光口径小于卡塞格林次镜口。
2 激光测距机接收光学系统设计
21 系统设计
对于激光接收系统,F#= fD =200120=167,相对孔径比较大,这样可以有效增大接收能量,但同时也增大了系统的设计难度。系统焦距f=f1f2f3
,其中,f1为卡塞格林物镜焦距,f2为准直镜焦距,f3为聚焦镜焦距。
为了保证卡塞格林主次镜加工难度与像差平衡能力[8-10],主镜F#≥2,兼顾系统总长≤170mm,同时保证干涉滤波片口径≤20mm,通过计算,前端采用8×望远系统,其中,f1=320mm,f2=40mm,f325mm。
系统点列图可知,系统的存在部分彗差,其像质足以满足一次成像检测要求,但会对后端聚焦光路有影响。在焦点处,放置孔径光阑,孔径光阑直径d=f1×θ,θ为接收视场角。
为了保证前端望远系统的像质,加入准直镜进行像差平衡,以及进行后期装调时的焦点调节。系统点列图,MTF曲线图由MTF曲线图以及点列图可知,系统的成像质量接近衍射极限。经过前端望远系统后,聚焦镜的通光口径为15mm,焦距为25mm,F#=167,针对这种小口径,大相对孔径的系统,采用3片镜片,优化后的结构由系统点列图,MTF曲线图可知,系统的成像质量比较好。
综上,接收系统的总体结构系统点列图,包围圈能量分布图,由MTF曲线图以及点列图可知,系统的成像质量比较好,当包围圈直径为0016mm时,各个视场的能量集中度皆大于95%,能量分布比较集中。
3 结 论
文中设计了一种大相对孔径的激光测距激光系统,采用前端望远系统与后端聚焦镜组合的结构方式,引入了卡塞格林系统作为大口径的望远物镜,通过准直镜的像差补偿,保证了前端8×望远系统的像质比较好。后端采用3片球面透镜实现了F#为167的聚焦镜头设计,整个接收系统的成像质量比较好,能量集中度高,结构紧凑,满足了系统小型化、轻量化需求。
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