采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

于　潇，姚　园，徐正平

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量中国科学院重点实验室，吉林 长春 130033)



采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

于潇*，姚园，徐正平

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量中国科学院重点实验室，吉林 长春 130033)

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求，设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上，给出了激光3D成像光学系统结构框图：激光经衍射元件实现分束照明，采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像，根据激光测距方程，确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰，设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后，采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光，降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明：接收光学系统弥散斑直径小于120 μm，畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻，成像质量良好，可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。

光学设计；激光3D成像；发射/接收共光路；消杂光

1　引　言

激光3D成像系统是指通过扫描或凝视有限视场来获得远处目标的反射率、光谱、偏振、多普勒频移以及三维数据等信息的系统[1-6]。在二维图像的基础上，该系统可以提供距离信息，从而提高从背景中提取目标的能力[7]。因此，激光3D成像系统在军事领域，如目标识别、定位、追踪，武器制导、障碍回避等方面有着广泛的应用[8]。

目前，国外对激光3D成像系统已开展了大量研究[9]。照明方式包括分束照明和泛光照明。与泛光照明系统相比，采用分束照明的系统可以提高单位时间内像元接收到的能量并且能有效避免串扰，放宽了像质要求，降低了系统尺寸、重量、成本等。其次，根据发射和接收过程是否共用一套望远系统，而光学系统又分为收发分置和收发合置两种结构形式。收发分置结构可以避免发射光路对接收光路的干扰，而收发合置结构则可以大大降低光学系统的重量和尺寸，同时提高收发对准精度，避免探测盲区。John等人采用收发合置的光学系统，整个激光3D成像系统的体积为0.07 m3，重量为33 kg[10]。因此，针对机载平台的应用，采用APD阵列的共口径激光3D成像系统具有很大优势。国内在激光成像与共口径光学系统方面的研究取得了一系列成果[11-16]，但是没有将二者有效地结合起来进行研究，因此，采用APD阵列共口径激光3D成像系统光学系统的研究具有一定的实际应用价值。

2　共口径激光3D成像光学系统

共口径激光3D成像光学系统原理如图1所示。

图1　激光发射/接收系统结构示意图 Fig.1　Block diagram of laser launching/receiving imaging system

鉴于分束照明方式在小型化激光系统的优势，系统采用Damman光栅作为二维衍射元件，对激光进行分束。激光器输出的单束脉冲激光通过能量光纤传输并经过准直镜准直，入射到光栅上，衍射成多束以不同角度传播的平行光，经过目镜会聚，在中间像面上形成按阵列分布的亮斑。为使出射光斑的二维分布与成像光纤匹配，在中间像面设置视场光阑，滤除由衍射元件产生的不需要的光线。由于空间尺寸的限制，采用中间开孔的双工反射镜来代替棱镜进行分光，实现发射光路与接收光路的耦合。将发射系统的出瞳设置在双工反射镜的开孔处，能够提高能量利用率并且降低激光散斑对成像的影响。投影物镜将中间像面的亮斑投影出去，照到目标的各个单元面积内，由目标反射的光线再通过投影物镜及双工反射镜聚焦到接收像面，经成像光纤及耦合镜组导入到探测器敏感元区，从而记录下各个测量单元面积内激光束往返的时间，反演出高程，获得三维图像。由于双工反射镜的开孔很小，并且目标的回波能量较弱，对激光器的影响可以忽略不计。

3　接收光学系统设计

投影物镜是整个收发系统的关键组件，既作为接收系统，又是发射光学系统的一部分，决定了整个激光3D成像系统的性能，因此，首先对接收光学系统进行设计。

3.1接收光学系统的设计约束

作用距离是激光3D成像系统的一项重要指标，光学系统的口径主要受作用距离、激光器发射功率、探测器性能、光学系统效率等因素的影响。根据激光测距方程可以确定光学系统的口径，由于激光光束被分成8×8束，激光测距方程[10]将被修改成如下形式：

(1)

式中，Pr为探测器接收光功率，Pt为激光器发射功率，ρ为目标反射率，η1为光学系统透过率，η2为分束元件衍射效率，η3为往返大气透过率，η4为成像光纤效率，D为光学系统口径，r为激光成像系统作用距离。

从式(1)中可以看出，接收光功率与光学口径的平方成正比，因此在允许的条件下口径越大越好。然而受到系统体积尺寸的限制，初步选择50 mm光学口径，进一步通过对系统信噪比的计算来验证口径尺寸是否合理。

激光3D成像光学系统的参数包括工作波段、焦距、相对口径和视场等。焦距取决于系统的空间分辨率，视场由APD探测器的大小和焦距决定。除此之外，在设计光学系统时，要考虑像质对3D成像效果的影响。为了使激光3D成像图像与实际景物之间不失真，就要避免接收光斑同时点亮两个敏感源，造成敏感元之间的串扰，根据成像光纤纤芯直径和中心距离，可以约束弥散圆的尺寸以及最大视场处的畸变值。

根据以上分析，光学系统的约束如表1所示。

表1　光学设计约束

3.2接收光学系统设计结果

根据系统设计约束，接收光学系统的结构如图2所示。为增大系统透过率，尽量减少透镜的数量，而若要满足成像质量，每片透镜的光焦度不宜过大，因此折中选取6片透镜组合，第1片、第6片为正透镜，其余为负透镜。为降低加工检测难度，镜面均采用球面。系统采用3种玻璃材料，分别是HLAK2、HZF62和HZK3。

图2　接收光学系统结构图 Fig.2　Structure diagram of receiving optical system

对该光学系统进行像质分析，结果如图3、图4所示。图3显示出系统的最大畸变值η<0.2%，由图4可以看出全视场内激光回波的95%能量集中在Φ120 μm弥散圆内，满足探测器成像需求。

图3　接收光学系统场曲和畸变曲线 Fig.3　Field curves and distortion graph of receiving optical system

图4　能量集中度曲线 Fig.4　Diffraction encircled energy graph of receiving optical system

为满足光学系统透过率的要求，每片透镜表面镀增透膜，透过率为0.98，接收光学系统的透过率为0.88。

4　发射光学系统设计

激光发射光学系统的目的是对光束进行扩束准直，以提高能量集中度，满足测量要求，其设计结果如图5所示。发射光学系统由目镜和物镜组成，8×8束激光先经过目镜会聚在中间像面上，再由投影物镜投射到目标上。由于激光3D成像系统采用的是分束照明方式，为提高系统的能量利用率，避免激光照亮目标时产生混叠，经发射系统出射的光斑阵列应与探测器具有相同的占空比，因此约束激光束散角与衍射分束角之间的比值小于0.64。根据系统的空间分辨率要求，可以确定激光束之间的角间距为1 mrad，即激光束散角应小于0.64 mrad。扩束比同时受视场的限制，目镜的视场为40 mrad，物镜的视场为8 mrad，确定发射系统的扩束比为5。激光经能量光纤传输后的束散角为1 mrad，扩束后束散角为0.2 mrad，满足上述要求。望远系统的扩束比可由式(2)表达：

(2)

式中，f物为物镜焦距，f目为目镜焦距。已知物镜焦距为320 mm，得到目镜的焦距为64 mm。目镜的口径小，像差相对容易校正，采用两片正透镜组合。扩束后的激光光束口径为12 mm×12 mm。采用反射镜将光路进行折叠，整个光学系统的尺寸被压缩至Φ125 mm×200 mm的圆柱形空间内。发射光学系统包括8片透镜，1片窗口镜，5片反射镜，反射镜的反射率为0.93，因此发射系统的透过率为0.59，激光在往返光路的光学系统总透过率为0.52。

图5　发射光学系统结构示意图 Fig.5　Principle diagram of transmitting optical system

本系统选用的脉冲激光器频率为10 Hz，峰值功率为100 kW，地面目标的反射率取平均值为0.35，光学系统透过率为0.5，Damman光栅的衍射效率取经验值为0.7，成像光纤的传输效率为0.8。在作用距离为2 km时，大气往返总透过率为0.35。系统的噪声主要包括探测器固有噪声及背景噪声，探测器选择8×8 APD阵列，响应度R为5 A/W，暗电流噪声σdark为0.3 nA。在日光照射条件下，1 064 nm处目标表面反射的辐亮度为7.039 321×10-7W/(cm2·sr)，等效的背景电流ibackground=0.03 nA。该系统的信噪比由(3)式表达：

(3)

根据该公式及以上数据条件计算得到系统的信噪比为116，基本能够满足激光3D成像需求。但是以上计算值是在考虑的理想情况下得到的，在实际情况中，不同的处理电路会带来不同量级的电路噪声，信噪比还需要通过实验来验证。

5　消杂光设计

在收发合置的光学系统中，发射光路会对接收光路产生干扰。接收光路中的噪声主要来自投影物镜表面对激光的反射。因此为提高信噪比，减少3D成像系统的测量盲区，需在系统中加入消除杂光的措施。针对不同的照射目标，消除杂光的方法略有不同。如果目标表面光滑，则反射激光的偏振度基本不变，如果目标表面粗糙，则目标会对激光产生退偏作用。根据上述偏振效应，采用偏振片与1/4波片相结合，设计了相应的消杂光光路，如图1中虚线部分所示。激光在经光栅衍射之前先经过偏振片起偏，通过投影物镜后的1/4波片后变为圆偏振光，经光滑目标反射后再次通过1/4波片变为线偏振光，且方向转过90°，通过检偏器后入射到像面。而由投影物镜的内反射光偏振方向不变，且与检偏器方向垂直，即达到消杂光的目的。如果目标表面粗糙，则由目标的反射光为自然光，则去掉1/4波片即可。除了采用偏振原理消除镜面反射杂光，还要消除来自空间的其他杂散光。激光3D成像光学系统实物图如图6所示，用金属罩罩在镜头外部，避免激光在空间的散射给成像带来影响。在实验过程中，通过观察发射光学系统和接收光学系统的光斑图来调整二者的相对位置，进而实现发射与接收的配准，如图7所示。对于表面光滑的目标成像，C10508采集到的目标回波信号，实验结果如图8所示，3条曲线分别代表无偏振片、偏振片垂直放置、偏振片倾斜放置时，探测器采集到的回波信号。左侧波形代表杂光信号，右侧波形代表目标回波信号。从实验结果可以看出，采用偏振原理可以在一定程度上降低杂光的影响，但是1/4波片需要与光轴成一定角度放置，否则表面反射会给接收光路带来更大的影响。

图6　激光3D成像光学系统实物图 Fig.6　Optical system of laser 3D imaging

图7　激光照射Damman光栅后和激光照射成像光纤后光斑分布图 Fig.7　Spot distribution of laser irradiated Damman grating and laser spot distribution of laser fiber after laser irradiation

图8　镜头前无波片、波片垂直放置、波片倾斜放置时，C10508采集到的目标回波信号 Fig.8　Echoing signal in condition of no wave plate, with wave plate vertically placed and wave plate tilted

6　结　论

本文根据航空机载激光3D成像系统小型化的应用需求，开展了对采用APD阵列的共口径激光成像光学系统的研究。首先介绍了光学系统的工作原理，提出了激光成像系统的照明方式以及收发光路的耦合方法。在分析系统作用距离以及空间分辨率的基础上，分别设计了接收和发射光学系统。最后，给出了在接收光学系统测量时降低杂光的方法。设计结果表明：接收光学系统弥散斑直径小于120 μm，畸变小于0.2%。共口径激光收发光学系统的外形尺寸是Φ125 mm×200 mm，基本满足了小型化激光成像系统的测量要求。

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Laser imaging optical system design with a shared aperture employing APD array

YU Xiao*, YAO Yuan, XU Zheng-ping

(Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement,Changchun Institute of OpticsFineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor，E-mail：yuxiaojllove@126.com

To meet the requirements of light and small laser 3D imaging system on airborne platforms, a co-aperture laser transceiver optical system is designed employing APD array. On the basis of a brief analysis of the imaging system illumination pattern and optical system structure, the laser 3D imaging system block diagram is given as following: the laser beam can pass through a diffraction element to achieve beam splitting and the mirror with a hole in the middle is used to achieve coupled launching/transmitting optical path. The optical system is used for three-dimensional imaging within a distance of 2 km, and the receiving optical system parameters are determined according to the laser operating range equation to obtain enough echo energy to satisfy the noise ratio. In order to avoid crosstalk between pixels, beam expander of five times is designed. Finally, the stray light is diminished to reduce the impact of the emitted light path on receiving light path by combining the polaroid and quarter-wave plate. The results indicate that the receiving optics has a diffuse spot diameter less than 120 μm and distortion less than 0.2%. The whole optical system could be an example for the similar design with small size, light weight and fine imaging quality.

optical design;laser 3D imaging;launching/receiving common aperture;stray light elimination

2016-01-26；

2016-02-23

中国科学院国防科技创新基金项目(No.CXJJ-14-S123)；吉林省科技发展计划资助项目(20150204022GX)

2095-1531(2016)03-0349-07

TP721.2; TP703

A

10.3788/CO.20160903.0349

于潇(1990—)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士，研究实习员，2014年于哈尔滨工业大学获硕士学位，主要从事航空光学成像链路与光学系统设计方面的研究。E-mail:yuxiaojllove@126.com

Supported by Innovation Fund Project of National Defense Science and Technology, Chinese Academy of Sciences(No.CXJJ-14-S123), Jilin Provincial S&T Development Program Project of China(No.20150204022GX)