激光测距仪用非球面准直透镜优化设计
激光测距仪用非球面准直透镜优化设计
作者:樊玉赢;孙杰;安亮;陈平
激光测距仪具有精度高、分辨率高、探测距离远、抗干扰能力强等优点,被广泛地应用于工业生产、航空航天控制、大地探测和机器人控制技术等领域。激光测距仪使用的光源常采用半导体激光二极管(LD),但半导体LD 输出的光束在垂直于结平面方向和平行于结平面方向是非对称的,输出光束为像散椭圆高斯光束。光束截面分布不均衡,给光电测量带来困难,需对发散角进行准直整形,才能满足测量仪器使用要求。目前有多种准直方法可减小光束发散角,比如望远镜系统的准直[1]、光纤微透镜耦合系统的准直[2]等。但是这些方法大都结构复杂,不能满足仪器小型化、模块化要求。而参考文献[3]中提到的采用单透镜进行准直,虽有利于小型化,但存在严重的像差,不利于激光测距仪的信号接收等,无法满足精度的要求。为满足激光测距仪的便携式和高精度的应用需求,提出了采用非球面透镜准直的方法,减少了采用球面透镜产生的球差问题,有效地改善了光学系统像质。
1、半导体LD 发射光束性质
半导体LD 有源层很薄,在垂直于结平面和平行于结平面两个方向上的发光面尺寸不同,故LD 发射光束的角度也随之不同。 y 方向发光面尺寸较小,对应较大的发散角;x 方向发光面尺寸较大,对应较小的发散角,即 θy0 > θx0 。因此,LD 输出光束为具有一定像散的椭圆高斯光束。
半导体LD 所发出的光束具有发散角大、在垂直于结平面方向和平行于结平面方向发散角不相等、远场光斑为椭圆形的特点。在激光测距仪中为了使发散角光能量集中、传播距离更远,因此需要利用发射光学系统对半导体LD 发出的光束进行准直整形。有时,在设计光束整形系统时将LD 近似看成一个无像散的点光源[5],半导体LD 输出光波的单色性较好,因此透镜的色差可以不必考虑,但在一般情况下,为了准确地设计系统,保证出射光束的质量,则不能忽略像散。
2激光测距原理
2.1测距目标
激光测距是将激光投射到目标物体表面,然后 通过测量目标物体上反射光束到达目标物体的时间 来计算出激光测距与目标物体之间的距离。所以, 估算目标的反射截面是十分重要的。这里,采用微 波雷达截面的概念来表征目标散射能力。定义目标 截面 σ 为截取这样大小功率的面积,即当所有方向上的散射都相同时,该功率在接收口径产生的散射 功率密度等于目标产生的散射功率密度工程上根据目标物体光学特性,目标可以分为镜面目标、漫反射目标、朗伯面目标、点目标、扩展目标等几种。对于激光测距仪来说,通常目标为漫反射目标和镜面目标。
2.2激光测距性能方程
在测距方程中可以看到:随着目标距离 R 的增大,激光测距系统接收到的目标回波功率迅速缩小; 当被测目标物体一定时,为了保证一定的接收功率, 发射功率 PT 与发散角 θ 成正比。因此,为了保证有足够的回波接收功率,需要对激光进行准直。
3透镜设计
设光轴为 z 轴,即非球面的对称轴,坐标原点取在顶点。由高斯光束束腰的变换关系式可以得出高斯光束的发散角。这时,通过透镜可以使发散角达到最小,获得最好的准直效果。
4 透镜成像仿真
采用光学设计程序ZEMAX 来进行准直透镜的仿真模拟,软件版本为February 3,2005。根据光路可逆的原理进行透镜设计:即考虑一束准直光经过透镜后汇聚的问题。文中使用了 7.5~8.5 mm 焦距的RMS 数值,绘制出的焦距与RMS 点列图的关系曲线如图3 所示。RMS 点尺寸是径向尺寸的均方根,数值越小说明聚焦效果越好。
焦距在7.890 004 mm 时,RMS达到最小值,也就是聚焦效果最好,即此处准直效果可达到最好。通过运用ZEMAX 强大的优化函数,计算出系统焦距为7.890 004 mm,通光孔径为4 mm 的非球面透镜的前后表面半径分别为 6.370 712 mm 和-9.996 805 mm,厚度为2 mm,透镜介质采用光学玻璃BK7,系统的结构图应用于激光测距仪准直时,应将光路倒置。
优化后的像质分析其中 Ray 的MAXIMUM SCALE 为 ± 1 μm,OPD 的 MAXIMUMSCALE 为±0.01 waves,可见聚焦情况很好,像差控制很理想。通过ZEMAX 软件的模拟,从Ray Trace Data 中得出了设计光路中的发散角为28.515 853 066°,与选用的激光二极管的发散角度相近,因此可以用文中设计的透镜进行准直。
若采用球面透镜则会出现严重的像差问题,表1 为球面透镜与非球面透镜像差分析图的数据比较, 明显看出:球面透镜存在严重像差问题,不利于激光 测距仪的信号接收等,无法满足精度的要求。而采 用非球面透镜准直的方法,减少了采用球面透镜产 生的球差问题,有效地改善了光学系统像质。
随着计算机数控研磨和抛光技术[9]、光学玻璃透 镜模压成型技术等加工技术的完善以及非球面检验 技术的进步,非球面设计与加工将会变得相对成熟, 易于推广,满足以轻、薄、短、小为特点的激光测距仪 等产品的发展趋势。
5 结论
介绍了采用非球面透镜对半导体激光二极管光束进行准直整形的方法,采用本方法使发散角压缩到了0.199 9 mrad,准直整形后的光斑更均匀,能量利用率提高,而采用球面透镜准直时只能使发散角压缩到0.392 mrad,且有严重的球差问题。非球面透镜准直在保证像差控制的同时满足了激光测距仪的使用要求,还解决了激光测距仪小型化、模块化、质量轻等要求,保证了足够的接收功率。文中设计的单 个非球面透镜适应当今时代科学技术的发展趋势, 具有很强的实用性。
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