蔡震,吉俊文
(江蘇亮點光電科技有限公司,江蘇 蘇州 215100)
激光擴束鏡頭在激光測距領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,通過壓縮激光出射光束發(fā)散角,可進一步提高光束準直性[1-6]。為滿足不同距離的測距要求,激光擴束鏡頭的出射光束發(fā)散角需連續(xù)可調(diào)。OPO 激光器具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、重復(fù)頻率高等特點,出射激光為人眼安全波長,是激光測距領(lǐng)域激光源的選型趨勢[7-9]。因此,設(shè)計一款適用于OPO 激光測距機發(fā)射端的變倍擴束鏡頭是很有必要的。
許多文獻報道了激光變倍擴束鏡頭,但均不適用于OPO 激光測距機。王培芳等人設(shè)計了一款激光變倍準直擴束鏡頭,其入射光束口徑僅為?1 mm,遠小于OPO 激光器出射光束口徑[10];賈勇等人設(shè)計的激光變倍擴束鏡頭,引入非球面反射元件,存在加工成本高、裝調(diào)流程繁瑣等問題[11-14];劉宇承等人設(shè)計的激光變倍擴束鏡頭,入射光束直徑僅為?3.6 mm,擴束倍率為2~3.5倍,且引入膠合面,強激光照射膠合面易損壞[15]。
為了實現(xiàn)大范圍激光測距,提升激光測距過程中人眼安全性,本文提出采用OPO 激光器作為激光測距機發(fā)射端光源,其出射激光中心波長為1 570 nm(人眼安全波長),避免了激光測距過程對人眼的損傷,并具有煙、霧穿透能力強的優(yōu)勢。設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)可滿足較大口徑光束入射,且具有變倍擴束功能,突破了現(xiàn)有變倍擴束鏡頭僅能實現(xiàn)小口徑光束入射的限制。OPO 激光器出射光束發(fā)散角為6 mrad,出射光束直徑為?7 mm。變倍擴束系統(tǒng)采用兩級擴束,一級激光變倍擴束倍率為2~4倍,二級激光擴束倍率為3倍,系統(tǒng)擴束倍率為6~12倍,采用全球面設(shè)計,無膠合面,易于裝調(diào),利于工程化。
激光變倍擴束系統(tǒng)設(shè)計指標如下:
1)波長:1 570 nm;
2)輸入激光光束直徑:?7 mm;
3)輸入激光發(fā)散角:6 mrad;
4)變倍擴束倍率:6~12倍;
5)系統(tǒng)總長:<300 mm。
發(fā)射端采用發(fā)射波長為1 570 nm 的OPO 激光器,輸出激光光束直徑為?7 mm,發(fā)散角為6 mrad。輸入激光光束直徑較大,采用兩級擴束子系統(tǒng)。一級擴束子系統(tǒng)入射激光光束直徑較大,采用低倍率折射式變倍擴束形式,其擴束倍率為2~4倍;二級擴束子系統(tǒng)輸入光束直徑相比一級擴束子系統(tǒng)更大,采用折射式定倍率擴束形式,擴束倍率為3 倍。變倍擴束功能由一級擴束子系統(tǒng)和二級擴束子系統(tǒng)共同實現(xiàn),變倍擴束倍率可達6~12 倍。
發(fā)射端采用的激光器峰值功率較高,與一般光學(xué)系統(tǒng)相比,對光學(xué)系統(tǒng)的整體性能要求更高,要求各光學(xué)元件具有高抗光損閾值,熱變形小,且不使用膠合透鏡。
激光變倍擴束系統(tǒng)作為發(fā)射端,若僅進行幾何光學(xué)追跡,設(shè)計結(jié)果與實際情況存在偏差。激光光源為高斯光,球差在光瞳邊緣的效應(yīng)相比均勻光小很多,因此,引入高斯光束作為其光源輸入形式。設(shè)置高斯切趾為1,則光瞳邊緣光強度是峰值光強度的1/e2(13.5%),與OPO 激光器出射光束光強分布特征相符。
激光擴束分為反射式和折射式兩種形式。反射式激光擴束主要包括卡塞格林、格里高利及離軸三反等形式,其特點是使用大口徑反射鏡面,增大擴束比,非球面設(shè)計時像差校正效果好,但卡塞格林擴束存在中心擋光現(xiàn)象;離軸三反則會引入較大的軸外像差,為保證光束質(zhì)量,需引入多個非球面,增加了加工裝調(diào)難度及成本。此外,反射式擴束形式的擴束比不可調(diào)節(jié),只能針對某一光束口徑進行設(shè)計,應(yīng)用范圍受到限制。折射式激光變倍擴束形式則不存在上述問題。
變倍擴束鏡頭由前固定組、變倍組和補償組構(gòu)成,擴束鏡頭不需要成像,無需后固定組。在3 組元透鏡或鏡組組合而成的變倍擴束鏡頭中,變倍組移動時,其放大率會有所變化,即出射光束口徑會通過變倍組的移動而變化。設(shè)計的變倍擴束子系統(tǒng)如圖1 所示。圖1中,透鏡1 為前固定組,透鏡2 和透鏡3 為變倍組,透鏡4 為補償組。
圖1 變倍擴束子系統(tǒng)Fig.1 Zoom beam-expansion subsystem
對于光焦度確定的多個鏡片,可通過改變鏡片間的距離實現(xiàn)總光焦度的變化。變倍擴束子系統(tǒng)原始擴束比為D2/D1,當(dāng)變倍組移動時,固定組與變倍組的等效焦距發(fā)生改變,從而獲得新的擴束比,擴束比增大到D3/D1。擴束比越大,越有利于減小激光測距機出射光束發(fā)散角,有利于增大測距距離。變倍擴束子系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。
表1 變倍擴束子系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of zoom beam-expansion subsystem
激光擴束鏡頭是小像差系統(tǒng),一般采用波像差和光學(xué)傳遞函數(shù)評價設(shè)計質(zhì)量。光學(xué)鏡頭波像差越小,調(diào)制傳遞函數(shù)越接近衍射極限,表明該光學(xué)鏡頭設(shè)計質(zhì)量越好。
變倍擴束子系統(tǒng)2 倍擴束時波面圖如圖2 所示。從圖2 可以看出,軸上點波像差為0.009 1λ,邊緣視場波像差為0.033 2λ,優(yōu)于0.25λ,滿足擴束子系統(tǒng)對波前的要求。變倍擴束子系統(tǒng)4 倍擴束時波面圖如圖3 所示。從圖3 可以看出,軸上點波像差為0.061 8λ,邊緣視場波像差為0.215 9λ,優(yōu)于0.25 λ,滿足擴束子系統(tǒng)對波前的要求。
圖2 擴束2 倍波面圖Fig.2 Wavefront with beam expansion rate of 2 times
圖3 擴束4 倍波面圖Fig.3 Wavefront with beam expansion rate of 4 times
激光擴束鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出,各擴束子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線均接近衍射極限,表明此變倍擴束子系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量較好。
圖4 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線Fig.4 MTF curve
從一級擴束子系統(tǒng)出射的激光束,是具有一定口徑,且發(fā)散角較小的平行光束。對于二級定倍擴束子系統(tǒng),入射光束引起的軸外像差很小,主要像差為軸上寬光束引起的球差。反射式擴束形式仍存在加工成本高,裝調(diào)流程繁瑣的問題,因此,采用折射式擴束形式實現(xiàn)定倍擴束功能。
折射式激光擴束子系統(tǒng)一般由兩片或多片透鏡組成,分為開普勒和伽利略兩種形式。開普勒形式存在激光聚焦點,強激光聚焦時會產(chǎn)生空氣擊穿,光學(xué)元件易損傷。伽利略形式則為虛焦點,不存在空氣擊穿問題,實際應(yīng)用中,一般采用伽利略形式,不僅結(jié)構(gòu)簡單,且可縮小外形尺寸。設(shè)計的定倍擴束子系統(tǒng)如圖5 所示。該子系統(tǒng)由4 片透鏡構(gòu)成,實現(xiàn)3 倍定倍擴束,系統(tǒng)長度180 mm。定倍擴束子系統(tǒng)參數(shù)見表2 所示。
表2 定倍擴束子系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of beam expansion subsystem with fixed magnification
圖5 定倍擴束子系統(tǒng)光路Fig.5 Beam expansion subsystem with fixed magnification
定倍擴束子系統(tǒng)波面圖如圖6 所示。從圖6可以看出,軸上點波像差為0.043 7λ,優(yōu)于0.1λ;邊緣視場波像差為0.051 5λ,優(yōu)于0.25λ,滿足擴束子系統(tǒng)對波前的要求。定倍擴束子系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出,各視場的傳遞函數(shù)曲線均接近衍射極限,說明該定倍擴束子系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量較好。
圖6 定倍擴束子系統(tǒng)波面圖Fig.6 Wavefront of fixed beam expansion subsystem
圖7 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線Fig.7 MTF curve
將變倍擴束子系統(tǒng)和定倍擴束子系統(tǒng)組合,并再次優(yōu)化,得到OPO 激光測距機發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng),如圖8 所示,系統(tǒng)參數(shù)見表3 所示。
表3 變倍擴束系統(tǒng)參數(shù)Table 3 System parameters
圖8 OPO 激光測距機發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)Fig.8 Zoom beam expansion system of OPO laser rangefinder transmitter
OPO 激光測距機發(fā)射端擴束6 倍時,波面圖如圖9 所示。從圖9 可以看出,軸上點波像差為0.039 4λ,優(yōu)于0.1λ;邊緣視場波像差為0.049λ,優(yōu)于0.25λ,滿足發(fā)射端擴束系統(tǒng)對波前的要求。OPO 激光測距機發(fā)射端擴束12 倍時,波面圖如圖10 所示。從圖10 可以看出,軸上點波像差為0.1λ;邊緣視場波像差為0.179 4λ,優(yōu)于0.25λ,滿足擴束系統(tǒng)發(fā)射端對波前的要求。
圖9 擴束6 倍波面圖Fig.9 Wavefront with beam expansion rate of 6 times
圖10 擴束12 倍波面圖Fig.10 Wavefront with beam expansion rate of 12 times
OPO 激光測距機發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線如圖11 所示。從圖11 可以看出,系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線與衍射極限一致,說明該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量良好。
圖11 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線Fig.11 MTF curve
OPO 激光測距機發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)為無焦系統(tǒng),出射光束為平行光,在發(fā)射端出光口設(shè)置理想透鏡,將其轉(zhuǎn)換為會聚系統(tǒng)。發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)設(shè)計時,采用的多重結(jié)構(gòu)包括5 種工況,需要分別進行公差分析,以得出較合適的公差參數(shù),如表4 所示。
表4 公差參數(shù)Table 4 Tolerance parameters
根據(jù)現(xiàn)有光學(xué)及機械元件的加工能力,確定透鏡曲率半徑公差為3 光圈,厚度公差為±0.03 mm,X偏心和Y偏心公差為±0.05 mm,X傾斜和Y傾斜公差為1′;透鏡裝配X偏心和Y偏心公差為±0.05 mm,X傾斜和Y傾斜公差為2′;折射率和阿貝數(shù)公差分別為0.001 和±0.5%。
采用靈敏度公差分析方法,以Diff.MTF.Avg為評價標準,對各工況進行蒙特卡羅分析,分析次數(shù)100 次。分析結(jié)果表明,上述公差參數(shù)符合設(shè)計要求,便于加工和裝調(diào)。
本文采用OPO 激光器作為激光源,基于兩級激光擴束,設(shè)計了一款OPO 激光測距機發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍測距,并可有效避免測距過程激光對人眼造成損傷。系統(tǒng)由8 片透鏡組成,鏡頭性價比高,利于工程化。該發(fā)射端變倍擴束系統(tǒng)具有較寬松的公差范圍,能夠滿足實際應(yīng)用要求。通過對系統(tǒng)波面圖和光學(xué)傳遞函數(shù)曲線的分析結(jié)果可知,該光學(xué)系統(tǒng)滿足激光測距功能要求。