蔡震，吉俊文

（江蘇亮點(diǎn)光電科技有限公司，江蘇 蘇州 215100）

引言

激光擴(kuò)束鏡頭在激光測(cè)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(jìn)一步提高光束準(zhǔn)直性[1-6]。為滿足不同距離的測(cè)距要求，激光擴(kuò)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(diǎn)，出射激光為人眼安全波長，是激光測(cè)距領(lǐng)域激光源的選型趨勢(shì)[7-9]。因此，設(shè)計(jì)一款適用于OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端的變倍擴(kuò)束鏡頭是很有必要的。

許多文獻(xiàn)報(bào)道了激光變倍擴(kuò)束鏡頭，但均不適用于OPO 激光測(cè)距機(jī)。王培芳等人設(shè)計(jì)了一款激光變倍準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡頭，其入射光束口徑僅為?1 mm，遠(yuǎn)小于OPO 激光器出射光束口徑[10]；賈勇等人設(shè)計(jì)的激光變倍擴(kuò)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(jì)的激光變倍擴(kuò)束鏡頭，入射光束直徑僅為?3.6 mm，擴(kuò)束倍率為2～3.5倍，且引入膠合面，強(qiáng)激光照射膠合面易損壞[15]。

為了實(shí)現(xiàn)大范圍激光測(cè)距，提升激光測(cè)距過程中人眼安全性，本文提出采用OPO 激光器作為激光測(cè)距機(jī)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(cè)距過程對(duì)人眼的損傷，并具有煙、霧穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)可滿足較大口徑光束入射，且具有變倍擴(kuò)束功能，突破了現(xiàn)有變倍擴(kuò)束鏡頭僅能實(shí)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(kuò)束系統(tǒng)采用兩級(jí)擴(kuò)束，一級(jí)激光變倍擴(kuò)束倍率為2～4倍，二級(jí)激光擴(kuò)束倍率為3倍，系統(tǒng)擴(kuò)束倍率為6～12倍，采用全球面設(shè)計(jì)，無膠合面，易于裝調(diào)，利于工程化。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)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(kuò)束倍率：6～12倍；

5）系統(tǒng)總長：＜300 mm。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jí)擴(kuò)束子系統(tǒng)。一級(jí)擴(kuò)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(kuò)束形式，其擴(kuò)束倍率為2～4倍；二級(jí)擴(kuò)束子系統(tǒng)輸入光束直徑相比一級(jí)擴(kuò)束子系統(tǒng)更大，采用折射式定倍率擴(kuò)束形式，擴(kuò)束倍率為3 倍。變倍擴(kuò)束功能由一級(jí)擴(kuò)束子系統(tǒng)和二級(jí)擴(kuò)束子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)，變倍擴(kuò)束倍率可達(dá)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(duì)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(kuò)束系統(tǒng)作為發(fā)射端，若僅進(jìn)行幾何光學(xué)追跡，設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)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(qiáng)度是峰值光強(qiáng)度的1/e2（13.5%），與OPO 激光器出射光束光強(qiáng)分布特征相符。

2.1 變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光擴(kuò)束分為反射式和折射式兩種形式。反射式激光擴(kuò)束主要包括卡塞格林、格里高利及離軸三反等形式，其特點(diǎn)是使用大口徑反射鏡面，增大擴(kuò)束比，非球面設(shè)計(jì)時(shí)像差校正效果好，但卡塞格林?jǐn)U束存在中心擋光現(xiàn)象；離軸三反則會(huì)引入較大的軸外像差，為保證光束質(zhì)量，需引入多個(gè)非球面，增加了加工裝調(diào)難度及成本。此外，反射式擴(kuò)束形式的擴(kuò)束比不可調(diào)節(jié)，只能針對(duì)某一光束口徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍受到限制。折射式激光變倍擴(kuò)束形式則不存在上述問題。

變倍擴(kuò)束鏡頭由前固定組、變倍組和補(bǔ)償組構(gòu)成，擴(kuò)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(kuò)束鏡頭中，變倍組移動(dòng)時(shí)，其放大率會(huì)有所變化，即出射光束口徑會(huì)通過變倍組的移動(dòng)而變化。設(shè)計(jì)的變倍擴(kuò)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(bǔ)償組。

圖1 變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)Fig.1 Zoom beam-expansion subsystem

對(duì)于光焦度確定的多個(gè)鏡片，可通過改變鏡片間的距離實(shí)現(xiàn)總光焦度的變化。變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)原始擴(kuò)束比為D2/D1，當(dāng)變倍組移動(dòng)時(shí)，固定組與變倍組的等效焦距發(fā)生改變，從而獲得新的擴(kuò)束比，擴(kuò)束比增大到D3/D1。擴(kuò)束比越大，越有利于減小激光測(cè)距機(jī)出射光束發(fā)散角，有利于增大測(cè)距距離。變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of zoom beam-expansion subsystem

激光擴(kuò)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(píng)價(jià)設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量越好。

變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)2 倍擴(kuò)束時(shí)波面圖如圖2 所示。從圖2 可以看出，軸上點(diǎn)波像差為0.009 1λ，邊緣視場(chǎng)波像差為0.033 2λ，優(yōu)于0.25λ，滿足擴(kuò)束子系統(tǒng)對(duì)波前的要求。變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)4 倍擴(kuò)束時(shí)波面圖如圖3 所示。從圖3 可以看出，軸上點(diǎn)波像差為0.061 8λ，邊緣視場(chǎng)波像差為0.215 9λ，優(yōu)于0.25 λ，滿足擴(kuò)束子系統(tǒng)對(duì)波前的要求。

圖2 擴(kuò)束2 倍波面圖Fig.2 Wavefront with beam expansion rate of 2 times

圖3 擴(kuò)束4 倍波面圖Fig.3 Wavefront with beam expansion rate of 4 times

激光擴(kuò)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(kuò)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(kuò)束子系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量較好。

圖4 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線Fig.4 MTF curve

2.2 定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從一級(jí)擴(kuò)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(duì)于二級(jí)定倍擴(kuò)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(kuò)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(kuò)束形式實(shí)現(xiàn)定倍擴(kuò)束功能。

折射式激光擴(kuò)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(diǎn)，強(qiáng)激光聚焦時(shí)會(huì)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(diǎn)，不存在空氣擊穿問題，實(shí)際應(yīng)用中，一般采用伽利略形式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可縮小外形尺寸。設(shè)計(jì)的定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)如圖5 所示。該子系統(tǒng)由4 片透鏡構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)3 倍定倍擴(kuò)束，系統(tǒng)長度180 mm。定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)參數(shù)見表2 所示。

表2 定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of beam expansion subsystem with fixed magnification

圖5 定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)光路Fig.5 Beam expansion subsystem with fixed magnification

定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)波面圖如圖6 所示。從圖6可以看出，軸上點(diǎn)波像差為0.043 7λ，優(yōu)于0.1λ；邊緣視場(chǎng)波像差為0.051 5λ，優(yōu)于0.25λ，滿足擴(kuò)束子系統(tǒng)對(duì)波前的要求。定倍擴(kuò)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(chǎng)的傳遞函數(shù)曲線均接近衍射極限，說明該定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量較好。

圖6 定倍擴(kuò)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

3 變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)與定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)組合

將變倍擴(kuò)束子系統(tǒng)和定倍擴(kuò)束子系統(tǒng)組合，并再次優(yōu)化，得到OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端變倍擴(kuò)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(kuò)束系統(tǒng)參數(shù)Table 3 System parameters

圖8 OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端變倍擴(kuò)束系統(tǒng)Fig.8 Zoom beam expansion system of OPO laser rangefinder transmitter

OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端擴(kuò)束6 倍時(shí)，波面圖如圖9 所示。從圖9 可以看出，軸上點(diǎn)波像差為0.039 4λ，優(yōu)于0.1λ；邊緣視場(chǎng)波像差為0.049λ，優(yōu)于0.25λ，滿足發(fā)射端擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)波前的要求。OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端擴(kuò)束12 倍時(shí)，波面圖如圖10 所示。從圖10 可以看出，軸上點(diǎn)波像差為0.1λ；邊緣視場(chǎng)波像差為0.179 4λ，優(yōu)于0.25λ，滿足擴(kuò)束系統(tǒng)發(fā)射端對(duì)波前的要求。

圖9 擴(kuò)束6 倍波面圖Fig.9 Wavefront with beam expansion rate of 6 times

圖10 擴(kuò)束12 倍波面圖Fig.10 Wavefront with beam expansion rate of 12 times

OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端變倍擴(kuò)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(jì)質(zhì)量良好。

圖11 光學(xué)傳遞函數(shù)曲線Fig.11 MTF curve

4 公差分析

OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端變倍擴(kuò)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(huì)聚系統(tǒng)。發(fā)射端變倍擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用的多重結(jié)構(gòu)包括5 種工況，需要分別進(jìn)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(jī)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各工況進(jìn)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(jì)要求，便于加工和裝調(diào)。

5 結(jié)論

本文采用OPO 激光器作為激光源，基于兩級(jí)激光擴(kuò)束，設(shè)計(jì)了一款OPO 激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端變倍擴(kuò)束系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)距，并可有效避免測(cè)距過程激光對(duì)人眼造成損傷。系統(tǒng)由8 片透鏡組成，鏡頭性價(jià)比高，利于工程化。該發(fā)射端變倍擴(kuò)束系統(tǒng)具有較寬松的公差范圍，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。通過對(duì)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(cè)距功能要求。