激光雷達接收光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

張鴻佳，石 澎，王麗榮，鐘明桂，莊曉科，曹秀鋒

1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東 中山 528436 2.中山市博頓光電科技有限公司，廣東 中山 528436 3.廣東弘景光電科技股份有限公司，廣東 中山 528436

0 引言

激光雷達作為信息化社會中信息獲取、傳輸和控制的主要手段，已逐步向集成化、成像化、多功能化、智能化、實時化方向發(fā)展[1]。激光雷達的基本原理與傳統(tǒng)的毫米波雷達相同，但激光雷達的工作波段比毫米波雷達短，而且具有較高的單色性，因此相較于傳統(tǒng)雷達，激光雷達具有靈敏度高、信息量大、全天候工作等優(yōu)點，使其受到越來越廣泛的關(guān)注。

激光雷達一般由激光光源、掃描系統(tǒng)、光學天線、接收系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等部分組成[2]。其成像的基本原理是激光光源發(fā)射的光束通過光學系統(tǒng)進行準直擴束后，經(jīng)過掃描控制部分實現(xiàn)對周圍目標的掃描，準直激光經(jīng)物體反射后，與大氣散射的信號一起進入接收系統(tǒng)，經(jīng)濾波處理后由光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后由信號處理系統(tǒng)進行相應的處理，從而得到探測目標的形狀、速度等信息[3]。

接收光學系統(tǒng)作為雷達的關(guān)鍵核心技術(shù)，系統(tǒng)的成像質(zhì)量的好壞，直接影響后續(xù)的信號處理，故需要根據(jù)接收視場、接收器尺寸等，設計滿足要求的接收裝置。

1 接收光學系統(tǒng)概述

接收光學系統(tǒng)主要采用以下三種形式：折射式、反射式、折反射式[4]。其中，折射式接收光學系統(tǒng)，易滿足大視場的需求，但是由于受到光學玻璃的光學特性的限制，難以同時實現(xiàn)大視場、大口徑、長焦距的要求。折反射式接收光學系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)以上要求，但體積一般較大，不能滿足激光雷達小型化的需要。為了同時實現(xiàn)大視場、大口徑、長焦距、小型化，人們將越來越多的精力投入反射式光學系統(tǒng)的研究。傳統(tǒng)的共軸反射式光學系統(tǒng)存在較大的中心遮攔，為了去除中心遮攔的影響，提高光能利用率，在設計過程中將反射鏡偏離光軸，形成離軸光學系統(tǒng)。離軸反射式光學系統(tǒng)相較于典型的共軸反射式系統(tǒng)，具有更多的可變參量，有利于軸外像差的校正，進而提升了軸外視場的成像質(zhì)量，擴大接收光學系統(tǒng)的視場，同時滿足大口徑、結(jié)構(gòu)緊湊的要求[5-7]。

對于離軸三反光學系統(tǒng)，3個反射鏡僅在離軸方向進行偏離，有利于光學系統(tǒng)的檢測、加工、裝配；若3個反射鏡均有離軸且存在一定的傾斜角度，雖然增加了可變參量，有利于像差的校正，但對加工、裝配的精度要求高。因此，為了保證系統(tǒng)的加工、裝配的簡易性，在選擇初始結(jié)構(gòu)時，更加傾向于僅具有離軸的結(jié)構(gòu)。

僅離軸的三反光學系統(tǒng)一般有兩種情況：光闌離軸和視場離軸。光闌離軸的離軸三反結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由于其光闌設置在光學系統(tǒng)的第一個面，光學系統(tǒng)的入瞳與光闌重合，且經(jīng)光學系統(tǒng)后會形成一個實出瞳，實現(xiàn)瞳窗銜接，有利于消除紅外光學系統(tǒng)的雜散光，但在設計過程中，要設置相應的變量，以保證其實出瞳的位置，導致校正系統(tǒng)像差的變量減少，增大了像差校正難度。

圖1 光闌離軸的離軸三反結(jié)構(gòu)圖

M型離軸三反系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。光闌位于次反射鏡上，為視場離軸一種結(jié)構(gòu)形式，主鏡和三鏡關(guān)于光闌對稱，有利于像散等像差的校正，是目前主要采用的離軸三反的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 M型離軸三反光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)緊湊型離軸三反系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該結(jié)構(gòu)設計過程中需要使用變量去控制光學系統(tǒng)的長度，故校正像差的變量減少，其成像質(zhì)量相比M型結(jié)構(gòu)較差。在M型結(jié)構(gòu)中使用常用的非球面即可得到良好的成像質(zhì)量，而

圖3 結(jié)構(gòu)緊湊型離軸三反結(jié)構(gòu)圖

在結(jié)構(gòu)緊湊型的光學系統(tǒng)中，需要利用自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對稱的特殊性，以校正離軸光學系統(tǒng)的像差，提升光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量[8-10]。

2 離軸反射式光學系統(tǒng)設計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視場設置

由于離軸反射式光學系統(tǒng)的反射鏡具有離軸和傾斜，系統(tǒng)的視場不再具有旋轉(zhuǎn)對稱性，故需設置垂軸、離軸兩個方向的視場，即在使用Zemax建模時需使用X、Y兩個方向進行模擬。如離軸反射光學系統(tǒng)的視場為(-2°-2°,9°-11°)，在進行視場設置時，在對稱方向可設置(0,9)、(1.4,9)、(2,9)，在離軸方向設置(0,9)、(0,10.4)、(0,11)6個視場。

2.2 優(yōu)化過程的光線控制

結(jié)合圖2可知，由于反射鏡不透光，可能發(fā)生遮攔現(xiàn)象，故在設計過程中需編寫合適的優(yōu)化操作數(shù)對光線進行控制，使得主鏡入射光束的上邊緣光線不被次鏡的下邊緣遮攔，三鏡入射的下邊緣光線不被次鏡的上邊緣遮擋，主鏡和三鏡也不發(fā)生交疊。為此，可使用RAGY、RAGZ讀取光線在個反射鏡的坐標值，同時結(jié)合DIFF、DIVI、PROD等數(shù)學操作數(shù)，控制光線的路徑。

2.3 像差控制

在優(yōu)化過程中，可設置默認評價函數(shù)，使用RMS spot優(yōu)化操作數(shù)，使得各像差得到較好的平衡，若離軸像差如像散、彗差較大時，可考慮使用非球面面型、自由曲面等，引入更多的變量，使像差得到更好的平衡，從而提升光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過研究對比光闌離軸式和視場離軸式光學結(jié)構(gòu)及其光學特性可知，適合作為激光雷達接收光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是M型視場離軸反射式結(jié)構(gòu)。但是，由于M型離軸反射式光學系統(tǒng)的次鏡可能存在光線遮攔，故在離軸反射式光學系統(tǒng)的設計過程中，還需考慮公差的合理性、加工的可行性等，否則，即便成像質(zhì)量再好也無實用價值。