激光测距机发射光学系统透射特性研究
激光测距机发射光学系统透射特性研究
作者:沈学举;周胜国;张亚峰
激光测距仪机发射的激光能量是决定其测距性能的主要参量之一。测距机中激光器发射的激光经发射光学系统扩束准直[122 ]时将引起激光能量的降低。当光波通过光学元件表面时, 其透射系数除与光学元件折射率、入射面上入射点位置有关外, 还与光波的偏振参量有关[328 ]。由于激光器发射的激光是随机的部分偏振光, 因此不同时刻发射的激光通过发射光学系统时透射率是不同的[3 ]。本文对激光测距机发射光学系统透射率随激光偏振参量和几何光学参量的变化进行了定量分析, 表明激光偏振特性将影响激光测距机发射的激光能量。
1 发射光学系统透射率计算
激光测距机发射光学系统是一倒置的伽利略望远系统 。已知透镜折射率为n, r1、r2 和d 分别为负目镜两球面曲率半径及两球面顶点间距离, R 1、R 2 和D 分别为物镜两球面曲率半径及两球面顶点间距离, f 和F 分别为负目镜和物镜焦点到透镜中心距离。对轴上物点发出的与光轴夹角为v1、入射高度为h1 的光线进行光路追迹,可得到光线经各界面传输时的入射角和折射角间的关系。
2 发射光学系统透射特性分析
相应的光学参量r1 = ∞, r2 = 6. 5 mm , f ′= - 10 mm , d = 1. 5 mm , n = 1. 653, R 1 = 35 mm , R 2 = 115 mm , F = -40 mm , D = 2 mm。利用(6) 式和m atlab 软件对其透射率随入射光偏振参量及光线坐标变化的情况进行定量分析。
测距机发射系统透射率随入射光偏振参量和入射光线几何参量的变化曲线。其中图3 (a) 是 Η= 0 ,° Ε= 0 ,° h1 = 0. 3 mm , Η1 = 0 ,° 5 ,°10 ,°P = 0, 0. 5, 1 时透射率随光线入射点方位角Υ的变化曲线。图3 (b) 是Η= 0 ,°Υ= 0 ,°h1= 0. 3 mm ,1 = 0°、5°、10 ,°Ε= 0, Π4, Π2 时透射率随入射光偏振度P 的变化曲线。是Η= 0 ,°Υ= 0 ,°h1=0. 3 mm , Η1 = 0 ,°5 ,°10 ,°P = 0, 0. 5, 1 时透射率随入射光椭率角Ε的变化曲线。由图3 可看出, 当Η1由0°增加到10°时, 透射率变化约4% , 且随Η1增加, 偏振参量P 和 Ε对透射率的影响也增加, 当Η1 = 10°时, 透射率随P , Ε的变化范围增加约4%。图3 (d)是 Η= 0 ,° Υ= 0 ,° Ε= 0 ,° Η1 = 0 ,° 5 ,° 10 ,° P = 0,0. 5, 1 时透射率随h1 的变化曲线。可以看出, 随着1增加, h1 变化对透射率影响迅速增加, 当 Η1为10°时, 随着 h1 由 0 增加到 2 mm , 透射率的变化增加约20%。Η= 0 ,°Ε= 0 ,°Η1 = 0 ,°0. 5 ,°P = 0,0. 5, 1 时以光轴为中心, x , y 方向各为±2 mm 的截面上系统透射率分布曲线。图3 (d) 中曲线实际是图4 中曲线和y = 0 平面的交线。
强度分布曲线。当Η= 0 ,°Ε= 0 ,°P = 0. 5, Η1 = 0°时对应的透射率分布如图4 (b) 所示, 将图5 (a) 和图4 (b) 相乘得到输出激光束近似相对强度分布曲线,如图5 (b) 所示。当Η1= 5°时对应的透射率分布 相乘得到输出激光束近似相对强度分布曲线如图5 (c) 所示。可以看出,由于发射光学系统透射率与入射光偏振参量和入射光线几何参量有关, 在光束截面上呈现一定分布, 引起出射激光束能量降低的同时, 其强度分布也不再是高斯分布。
为分析偏振度对透射率影响, 取腰斑为 2 mm , Υ= 0 ,°Η= 0 ,°Ε= 0°的高斯光束, 计算3. 2 mm ×3. 2 mm 面积上透射能量随入射角及偏振度的变化。当 Η1 = 0°时, P 由 0 变为 1, 透射能量变化0.44%。当Η1= 5°时, P 由0 变为1, 透射能量变化1.34%。当Η1= 10°时, P 由0 变为1, 透射能量变化3. 1%。即随着入射角增加, 偏振度对测距机发射激光能量的影响越大。
3 结论
为分析激光测距机发射光学系统的透射特性,根据光学元件的光学参量定量计算了激光偏振参量和入射光线几何光学参量对其透射率的影响, 在垂直于光轴截面内透射率呈现一定分布, 使发射激光束分布发生变化, 且随入射角增加, 偏振参量对透射率的影响增加。由于激光测距机中激光器发射的激光是偏振度随机变化的部分偏振光, 因此发射光学系统的透射特性将对激光测距机发射激光脉冲能量检测的准确性产生影响。
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