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固态面阵激光雷达接收光学系统设计

魏雨 蒋世磊 孙国斌 张兴星 王玉宁

魏雨, 蒋世磊, 孙国斌, 张兴星, 王玉宁. 固态面阵激光雷达接收光学系统设计[J]. 中国光学, 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166
引用本文: 魏雨, 蒋世磊, 孙国斌, 张兴星, 王玉宁. 固态面阵激光雷达接收光学系统设计[J]. 中国光学, 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166
WEI Yu, JIANG Shi-lei, SUN Guo-bin, ZHANG Xing-xing, WANG Yu-ning. Design of solid-state array laser radar receiving optical system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166
Citation: WEI Yu, JIANG Shi-lei, SUN Guo-bin, ZHANG Xing-xing, WANG Yu-ning. Design of solid-state array laser radar receiving optical system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

doi: 10.3788/CO.2019-0166
基金项目: 陕西省教育厅重点实验室科研计划(No. 18JS053);陕西省科技厅重点实验室项目(No. 2013SZS14-P01)
详细信息
    作者简介:

    魏雨:魏 雨(1992—),男,陕西西安人,硕士研究生,主要从事光学系统设计、光学精密仪器设计方面的研究工作。E-mail: 544874529@qq.com

    蒋世磊(1963—),男,河北石家庄人,教授,主要从事光学精密仪器设计,光电检测与校正技术方面的研究工作。E-mail: 2429765449@qq.com

    孙国斌(1982-),男,山西长治人,讲师,主要从事精密光学加工、光学精密仪器设计方面的研究工作。Email:83680337@qq.com

    张兴星(1993-)女,陕西韩城人,硕士生,事主要从事精密光学加工方面的研究工作,Email:1419111795@qq.com

    王玉宁(1994-)男,山西运城人,硕士生,事主要从事精密光学加工方面的研究工作,Email:304367013@qq.com

    通讯作者:

    蒋世磊(1963—),男,河北石家庄人,教授,主要从事光学精密仪器设计,光电检测与校正技术方面的研究工作。Email:2429765449@qq.com

  • 中图分类号: O439

Design of solid-state array laser radar receiving optical system

Funds: Supported by Research Program of Key Laboratory of Education Department of Shaanxi Province (No. 18JS053); Key Laboratory Project of Shaanxi Provincial Department of Science and Technology (No. 2013SZS14-P01)
More Information
  • 摘要: 在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。
  • 图  1  快轴功率密度分布

    Figure  1.  Power density distribution of fast axis

    图  2  慢轴功率密度分布

    Figure  2.  Power density distribution of slow axis

    图  3  激光器光场能量拟合的概率密度函数图

    Figure  3.  Probability density function of laser field energy fitting

    图  4  中心单位像元接收功率示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of receiving power of central unit pixel

    图  5  边缘单位像元接收功率示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of receiving power of edge unit pixel

    图  6  全塑非球面光学镜组

    Figure  6.  All plastic aspheric lens group

    图  7  双高斯光学镜组

    Figure  7.  Double gaussian optical lens group

    图  8  反远距光学镜组

    Figure  8.  Reflective telephoto optical mirror group

    图  9  反远距物镜结构图

    Figure  9.  Reflective telephoto objective structure

    图  10  复杂前组及后组结构图

    Figure  10.  Complex pre-group and post-group structure diagram

    图  11  广角反摄远光学系统初始结构图

    Figure  11.  Initial structure of wide-angle inverse telephoto optical system

    图  12  采用本文设计结果的光学系统结构图

    Figure  12.  Structure diagram of optical system applied the design results in this paper

    图  13  光学系统弥散斑点列图

    Figure  13.  Dispersion speckle pattern of optical system

    图  14  光学系统MTF曲线图

    Figure  14.  MTF curves of optical system

    图  15  光学系统相对照度曲线图

    Figure  15.  Relative illumination curve of optical system

    图  16  光学系统场曲畸变图

    Figure  16.  Field distortion diagram of optical system

    图  17  系统衍射圆包围能量图

    Figure  17.  Energy diagram of diffraction circle surrounded system

    图  18  80次Monte Carlo灵敏度分析后MTF曲线

    Figure  18.  MTF curves after 80 Monte Carlo sensitivity analyses

    表  1  概率密度函数参数

    Table  1.   Parameters of probability density function

    参数axbxcxay1ay2
    数值5.580.820 716.919.508−0.562
    参数ay3ay4by1by2cy
    数值0.144 50.237 8−0.181 6−2.3113.626
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    表  2  积分时间为1.2×10−6 s单像元接收光能量的光电转换值

    Table  2.   Photoelectric conversion value of single pixel receiving light energy when integration time is 1.2×10−6 s

    项目光子数电子数电压 / V
    中心3.024×103604.796 86.451×10−4
    快轴边缘26.157 05.231 45.580×10−6
    慢轴边缘26.157 04.761 15.078×10−6
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    表  3  积分时间为2×10−2 s单像元接收光能量的光电转换值

    Table  3.   Photoelectric conversion value of single pixel receiving light energy when integration time is 2×10−2 s

    项目光子数电子数电压 / V
    中心5.040×1071.008×1072×10−2
    快轴边缘4.359 5×1058.719 0×10410.751 9
    慢轴边缘3.967 6×1057.935 2×1040.093 0
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    表  4  光学参数表

    Table  4.   Optical parameter table

    ItemsRequirement
    Field of view(FOV)/(°)76
    Relative aperture1/1.4
    Focal length/mm15
    Spectral range/μm0.895~0.910
    Relative distortion @ 0.8 FOV<10%
    Llumination uniformity<10%
    Dispersion spot radius/μm20
    MTF@20 lp/mm>0.5
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    表  5  光学结构参数

    Table  5.   Parameters of optical structure

    SurfaceRadius/mmThickness/mmGlassConic
    1OBJECT37.3842H-ZLAF53B0
    215.43480
    336.1463EP8000−3.241
    417.64715−0.111
    532.1466H-QF30
    6−45.55310
    7STOPInfinity8.3940
    8−58.1533H-ZLAF920
    9−124.4170.9570
    1095.7024.927H-ZLAF900
    11−53.5950.7230
    122 848.5344EP800039.972
    13−67.37828.4099.173
    14IMACEInfinity
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    表  6  非球面高次项数据表

    Table  6.   High-order data of aspheric mirror

    Surface2nd4th6th8th
    120−1.573×10−52.001×10−8−9.333×10−10
    1301.065×10−5−7.026×10−83.473×10−10
    Surface10th12th14th16th
    124.642×10−12−1.225×10−14−1.047×10−179.050×10−20
    13−2.131×10−12−1.311×10−143.658×10−17−6.123×10−20
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    表  7  公差参数表

    Table  7.   Tolerance parameters

    ItemsValue
    Fringe power/λ3~5
    Surface irregular/λ0.2~0.3
    Thickness/mm0.05~0.08
    Airspace/mm0.01~0.02
    Tilt/(')0.5~0.9
    Decenter&Roll/mm0.05~0.07
    Refractive index0.000 5~0.000 7
    Abbe number0.005~0.007
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-13
  • 修回日期:  2019-10-12
  • 刊出日期:  2020-06-01

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