激光主動照明光學系統設計

劉　韜，胡　玥，董　健，申軍立

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

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激光主動照明光學系統設計

劉韜*，胡玥，董健，申軍立

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

為提高跟蹤測量系統對暗弱目標的探測能力，設計一套自動化激光主動照明光學系統，對跟蹤測量視場范圍進行主動輔助照明。該系統在0.2～5 km距離處的照明直徑均為10 m，計算出其在-20 ℃及+45 ℃的溫度調焦量，照明仿真結果表明系統照明不均勻性<15%。通過研究系統像差對照明均勻性的影響，以及對設計的調光組進行分析，得到調光組移動量與照明距離之間的理論關系，表明自動調節調光組位置即可實現不同照明距離處的均勻照明。設計和分析結果表明，該主動照明系統能夠自動調節調光組位置，實現跟蹤測量視場內的均勻照明，有利于跟蹤測量系統對于暗弱目標的探測。

激光主動照明；自動化；照度均勻

1　引　言

隨著激光技術、成像技術和計算技術的日趨成熟，光電跟蹤測量設備需要更好地適應復雜背景的需求。對于夜晚或低能見度條件的遠程小暗目標，傳統被動測量成像系統即使使用高靈敏的微光探測相機也無法提供足夠的對比度與分辨率。主要原因是返回信號的能量很弱，或者背景干擾非常嚴重，有用的信號被干擾光、背景光所淹沒，很難識別發現目標[14]。

增加激光主動照明系統是提高返回信號能量的有效手段。利用激光的高亮度、高方向性和高單色性等特點，對遠、小、暗目標或其局部進行照射，以增加返回信號的能量,采用距離選通技術有效抑制后向散射等背景輻射的影響，獲得遠、小、暗目標的高分辨，高對比圖像，實現跟蹤探測功能[14]。

目前，國內外已有多家單位將激光主動照明成像系統應用于實際工程中，如加拿大Albedos和Elviss激光主動成像系統等[14]。同時，國內外對激光主動照明技術的研究主要集中在距離選通技術及探測距離等領域，并未對不同照明距離處照明亮度的一致性及均勻性的問題進行分析，而從目前激光主動成像系統來看，存在目標照度不均勻及照度動態范圍過大的問題[14]。

本文結合工程實際需要，針對跟蹤探測系統所選用的相機存在動態范圍小及靈敏度低的缺點，要求所設計的激光主動照明光學系統對跟蹤測量視場范圍進行主動輔助照明，且實現在0.2～5 km不同距離范圍內，照明區域均為直徑為10 mm的圓形區域。配合激光主動測距系統自動實現對不同照明距離下的照射區域照度相對均勻一致。

由于激光主動照明系統的發射激光和回波信號均在大氣中傳輸，不同遠近照明區域的大氣背景輻射、透過率、能見度及湍流等特性有所不同，照明系統結合大氣能見度分析儀及激光測距系統，可針對不同的大氣環境及照明距離，調節激光器的發射功率，以保證照度相對均勻一致，其詳細技術方案本文不贅述。本文著重論述激光主動照明系統的光學系統設計、照明結果仿真及調光分析等部分。

2　光學系統設計

2.1設計指標

激光主動照明系統如圖1所示，它主要由大功率半導體激光器、勻化光纖、照明光學系統、激光測距系統、能見度分析儀及控制計算機組成。

圖1　激光主動成像系統示意圖 Fig.1　Schematic diagram of laser active imaging system

激光光源直接輸出的光功率密度為高斯分布，需要進行勻光處理，使用傳統光棒勻光混合效果不佳，且光功率損耗比較大。光纖具有可彎曲、可多光纖合束、可長距離傳輸、光功率損耗低等諸多優點，故選取光纖作為激光混光和中繼傳輸器件[14]。本文采用多模石英光纖，纖芯直徑徑為D1=400 μm，NA=0.22，其內部包含的模數非常大，其出射光完全可以用幾何光學近似處理。所以在此種情況下，光纖完全可以實現對激光光束的勻光處理。

鑒于跟蹤測量系統所選用探測相機的波段需要，所選用半導體激光器功率為0～50 W連續線性可調，工作波段為(808±3) nm，并支持遠端自動控制。

為保證對0.2～5 km不同遠近處目標，系統的照明區域均為直徑為10 m的圓形區域，激光光源經照明光學系統后其發散角度θ應為2 mrad(5 km)～50 mrad(0.2 km)可調。系統的最小發散角度θ5 km由光纖直徑D1與系統焦距f共同確定，如式(1)所示：

(1)

由式(1)可知，系統焦距為200 mm，又由光纖數值孔徑NA=0.22可知，系統口徑為D=88 mm。當照明距離為5 km時，光纖出射端口應位于照明光學系統的物方焦點處，當照明距離小于5 km時，通過調節光纖出射端口與照明光學系統之間的間隔L來控制系統的孔徑角θ1，從而增大系統照明發散角度θ。照明距離與照明孔徑角關系如表1所示。

表1　照明距離與照明孔徑角關系

2.2系統結構型式

系統結構型式如圖2所示。照明光學系統共由5片鏡片組成，其中第1片與第5片玻璃均為石英材料的平板保護玻璃，第2片到第4片透鏡用于調整照明發散角，其材料依次為H-ZK9A、H-ZK9A及H-ZF7LA。第1片石英玻璃保護系統內部，防止污損。第5片石英玻璃保護光纖頭，防止光纖頭損壞。5片鏡片表面均鍍增透膜，保證單面透過率為99.4%，考慮玻璃材料透過率的影響，最終系統的總透過率為90.9%。在激光器滿功率50 W照射的前提條件下， 不考慮元件導熱及散熱問題，系統所能承受的最大工作時間至少為470 s，滿足系統對工作時間的要求。溫度調焦與照明發散角調整部件共用一組鏡片作為調光組。系統通過移動中間3片透鏡的方式實現系統的照明控制功能。系統設計時考慮到裝調與檢測的便利性，可調整調光組位置，使系統RMS檢測結果<1/40λ(檢測波長為λ=632.8 nm)。

圖2　激光主動照明光學系統結構圖 Fig.2　Structure of laser active illumination system

2.3照明仿真分析

利用LightTools軟件模擬了不同距離處被照射面的照度情況，結果證實各距離處的照度比較均勻。不同距離處，照明仿真分析結果如圖3所示。經過照明仿真分析，在不考慮系統透過率及大氣影響的前提條件下，不同距離處調節發散角后主動照明情況分析結果如表2。其中對均勻照明區域的照明均勻性的計算方法如式(2)所示：

(2)

式中，Lmax為照度最大值，LA為照度平均值，N為計算結果的百分值[14]。表2中均勻照明半徑的邊界點照度為中心區域照度的95%，這樣認為邊界點之內的照明區域為均勻的。由圖3及表2可知，不同照明距離處照明不均勻性<15%，且平均照明功率變化在30%范圍內，滿足跟蹤測量系統對照度一致性的要求。

表2　不同距離處照明分布情況

圖3　不同距離處照度分布情況 Fig.3　Illumination distribution at different distances

2.4溫度調焦分析

由于系統在不同溫度下工作，若不進行溫度調焦，則會引起照明發散角的變化，從而影響被照明處的照度分布。通過分析，系統所使用的機械固定件為鋼，溫度調焦量情況如表3所示，變化量在+0.15 mm(45 ℃)到-0.245 mm(-20 ℃)之間。可通過調節調焦組移動量實現溫度調焦控制基本消除溫度變化的影響，說明系統具有較好的溫度適應性。

表3　不同距離處溫度調焦情況

3　調光組分析

調光組所選用的步進電機單級推力為84 N，步長為0.012 1 mm，頻率為800 pps，所選用電位器滿程10圈，最大行程為24.2 mm。以5 km處調焦組位置為起點，照明距離調焦的調焦量為0 mm(5 km)～21.7 mm(0.2 km)，總調焦量(距離調光+溫度調焦)為-0.245 mm(5 km，-20 ℃)～21.807 mm(0.2 km，45 ℃)，取整后總行程為-0.5～22 mm，因此總行程為22.5 mm<24.2 mm，調焦總時間為2.16 s，滿足行程與精度的要求。激光主動照明光學系統中間3片鏡片的重量分別為390.895 g、155.888 g、163.290 g，共計710.073 g，考慮移動鏡筒重量及摩擦系數，移動鏡筒所需的最大推力約為15.5 N<84 N，滿足電機推力要求。

3.1調光組移動量與照明距離的關系

激光主動照明系統根據不同的照明距離，準確移動調光組，保證照明區域的大小一致且照度均勻，不會因為距離的改變而發生明顯的明暗變化。由激光測距系統測出所需照明距離為d(m)，不同距離處的照明孔徑角為θ2，光纖出射端口孔徑角為θ1，不同距離處系統的放大倍率為β，光纖出射端口對應照明系統的物距和像距分別為l，l′，照明系統焦距為f′，由高斯公式及幾何關系可推出，調光組移動量x與照明距離d關系如下式(3)～(6)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，θ1≈0.221 8 rad，f′=200 mm，由上式可推出調光組移動量x與照明距離d之間關系如式(7)所示：

(7)

由于像差等因素理論計算所得調光組移動量x會略有偏差，根據CODE V仿真結果與理論計算進行比對如表4及圖4所示。

表4　理論調光組移動量與CODE V仿真結果對比表

理論移動量的偏差值小于電機的一個步長，偏差值在5 km時最大，根據LightTools仿真結果，該偏差值會使5 km處均勻照明半徑變化約1%以內，滿足跟蹤探測對照明均勻性及照度一致性的要求，說明該理論曲線能夠實現根據激光測距系統反饋的距離值d自動控制調光組移動量，且滿足對照明均勻性的要求。

圖4　調光組移動量與照明距離關系曲線 Fig.4　Relation curves between the dimming group movement and illumination distances

3.2系統波像差與照明均勻性的影響

由于照明光學系統各種像差的存在，目標照度分布會出現不均勻現象，影響系統的跟蹤與測量。波像差是影響照明均勻性的主要原因，波像差的大小通常用其均方根值(RMS值)表示[14]。各照明距離對應系統RMS值如圖5所示。

圖5　各照明距離對應系統波像差RMS值 Fig.5　Wave aberration RMS at different illumination distances

由圖3、圖5及表3可知，在調光組整個運動過程中，照明光學系統的波像差RMS值<1/5λ，其中λ=808 nm。系統波像差RMS最大值出現在照明距離為0.5～1 km附近時，而此時系統照明的最大不均勻性為14.7%，仍滿足跟蹤測量系統對照明均勻性的要求。照明距離為0.78 km時，照明仿真結果如圖6所示，其照明不均勻性仍滿足要求，均勻照明直徑為7.5 m。

圖6　照明距離為0.78 km處照度分布情況 Fig.6　Illumination distribution with the illumination distance of 0.78 km

3.3系統公差分析

通過CODE V對系統的公差進行分析，分析的公差限為CODE V默認值，得到如圖7所示公差分析結果。圖7表明裝調檢測位置系統的MTF高于0.89的概率大于90%，因此該系統滿足實際加工裝調的要求。結合CODE V分析與系統實際加工與裝調能力，得出裝調后系統的整體波像差RMS值將會小于1/5λ(λ=632.8 nm)，其中材料誤差、厚度、間隔及半徑誤差擬用調光組的移動會得到補償改進，而部分元件的楔形、傾斜及偏心的公差雖然要求比較嚴格，但仍然在現有加工和裝調技術范圍內。

圖7　檢測位置公差分析后MTF變化情況 Fig.7　MTF change of test position after tolerance analysis

實際裝調時需使用工作波長632.8 nm的干涉儀進行實時檢測，調節調光鏡筒的位置(調光組移動量為0.6 mm)，檢測當系統波像差最小時，調光組的位置，設為標志位，完成系統裝調。通過干涉儀檢測確定裝調后實際系統零位位置，最大程度降低了因實際裝調誤差而引起的照度不均勻的問題。

圖8　照明系統結構 Fig.8　Mechanical structure of illumination system

4　結　論

本文的激光主動照明光學系統設計中，為了保證不同照明距離處照度一致性的要求，將勻化光纖、激光測距系統及照明光學系統聯合使用，分析了溫度調焦量的大小，給出了系統調光組移動量與照明距離之間的理論關系，實現了0.2～5 km處照明直徑均為10 m且照度相對均勻一致自動控制。仿真及分析結果表明此照明距離范圍內系統的照明不均勻性小于15%，滿足跟蹤探測系統對于照明均勻性的要求。

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Design of laser active illumination optical system

LIU Tao*, HU Yue, DONG Jian, SHEN Jun-li

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail:liutaosd123@126.com

In order to improve detection ability of tracking system for the dim target, a set of automatic laser active illumination system is designed for actively illuminating the view field of tracking and measurement. The illumination diameter is always 10 meters at a distance of 0.2 km to 5 km away from the system. The amount of focusing group movement at -20 ℃ and 45 ℃ is given. The simulation results show that the illumination nonuniformity is less than 15%. By analyzing the optical aberration effects on the illumination uniformity and designed dimming group, the theoretical relationship between the dimming group movement and the illumination distance is gotten. The design result shows that the illumination in different distances will be uniform by adjusting the dimming group position automatically. The design and analysis results show that laser active illumination system can accomplish uniform illumination for the view field of tracking and measurement by moving the dimming group, which is beneficial for the dim target detection and measurement.

laser active illumination;automation;uniform illumination

2016-01-18；

2016-02-13

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(No.2014AA7031082A)

2095-1531(2016)03-0342-07

TN202

A

10.3788/CO.20160903.0342

劉韜(1989—)，男，吉林長春人，碩士，研究實習員，2012年于北京理工大學獲得碩士學位，主要從事光學系統設計方面的研究。E-mail：liutaosd123@126.com

Supported by National High-tech R&D Program of China(No.2014AA7031082A)