ZEMAX在透射仪测量光路准直系统设计中的应用*

周树道，马忠良，王 敏

(1.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.南京信息工程大学 气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 211101)

ZEMAX在透射仪测量光路准直系统设计中的应用*

周树道1,2，马忠良1，王 敏1

(1.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.南京信息工程大学 气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 211101)

在ZEMAX非序列环境下建立了透射仪光学系统模型。利用建立的模型研究了LED光源表面特征对透射仪测量光路准直的影响，并通过增加扩散片优化了光学系统结构。对提出的基于扫描方式的测量光路准直方法进行了仿真研究。研究结果表明，基于该方法方位角测量最大相对误差为2%，验证了该方法的可行性。

ZEMAX；准直系统；透射仪

0 引言

透射仪是机场跑道进行水平能见度测量的常用设备[1]，也是世界气象组织(WMO)进行大规模能见度测量仪器比对时采用的标准设备[2]。在透射仪光学测量系统中，发射端与接收端之间测量光路的准直性能对接收端接收光强的影响与能见度下降对接收光强的影响相同[3]。因此，透射仪测量光路处于非准直状态时会使得能见度测量精度下降。在透射仪使用过程中，首先需进行测量光路的对准。由于透射仪发射端与接收端距离(基线)较长，测量光路对准十分困难。可见，测量光路准直技术是透射式能见度探测技术中的一项关键技术[4]。

ZEMAX是美国FocusSoftwareInc公司设计开发的光学设计及仿真分析软件[5]，具有强大的激光束传输仿真功能，提供了序列及非序列两种光线追迹模式。其中，非序列模式下有多种光源模型，包括高斯光束、半导体高斯光束、椭圆高斯光束等。将ZEMAX软件应用到透射仪测量光路准直系统设计中，可以辅助光学结构的优化设计；在系统硬件实现之前，分析系统设计方案可行性。

1 透射仪光学系统模型

1.1 系统结构

透射仪光学系统是透射仪测量系统的重要组成部分，光学系统直接反映了透射仪测量原理，光学系统设计对透射仪测量精度具有重要影响。透射仪光学系统由发射端与接收端两部分组成，如图1所示。发射部分主要包括光源、光电传感器、发射透镜、光阑、光筒。接收部分主要包括接收透镜、光电传感器、光阑、滤光片、光筒。光源发出的光经过发射透镜汇聚以近似平行光从发射端发出，光源的发散角得到压缩，探测光束的能量体积密度得到提高，使得接收光学系统可以接收到更多的能量。探测光束经过基线长度的空气传输以后经过接收透镜汇聚、光学滤波在光电二极管上形成测量光斑，产生电信号，电信号强度正比于接收光强。

与其他光源相比，LED光源具有光源面积小、发光稳定、响应速度快和易于调制的特点[6]。同时，在各类LED光

源中，530nm绿光LED更加接近人眼最敏感的光谱，因此，透射式能见度测量系统中光源采用绿光LED。为了尽量减小探测光束扩散角与接收视场视场角，发射透镜与接收透镜均采用非球面镜。接收滤光片用以过滤杂散光干扰。光阑及光筒内表面能够吸收杂散光，避免反射影响光强测量。基线长度为50m。光学系统主要参数如表1所示。

表1 透射仪光学系统主要参数

1.2 系统建模

图2 光源仿真结构

根据上述透射仪光学系统结构，在ZEMAX非序列模式下构建了透射仪光学系统模型。光源采用OSRAM公司LT-W5SN型绿色LED光源，在非序列模式操作窗口“Soucefile”导入相应光源的仿真文件可以进行光源的仿真，光源追迹光线数为5M，系统波长“Wavelength”为530nm，光源仿真结构如图2所示。

发射透镜与接收透镜材料为K9。采用“AnnularVolume”类型构建光筒及光阑模型，材料为“ABSORB”，光筒为圆柱形，光筒长度为155mm，筒壁厚度为1mm。采用“DetectorRect”类型构建光电传感器模型，传感器为2mm×2mm正方形，厚度为1mm。通过调整发射透镜与接收透镜“ZPosition”控制基线长度。光学系统模型如图3所示。

图3 光学系统模型

2 LED光源表面特征对测量光路准直的影响

图4 光源表面电极形状

为了解决LED光源发光芯片散热及电流拥挤问题，需要对LED光源发光芯片电极进行优化设计，形成一定的电极形状，且电极不发光。OSRAM公司LT-W5SN型绿色LED光源表面形状如图4所示，从图4中可明显看出L形电极形状。由于透射仪基线较长，LED光源表面特征会影响透射探测光束在接收镜头前形成的远场光斑能量分布。为了验证LED光源表面L形电极对探测光束远场光斑的影响，在接收镜头前放置400mm×400mm大小的“DetectorRect”探测器，追迹光线为5M，光源发光功率为1W。实验结果如图5所示。

图5 电极形状探测光束远场光斑的影响

由图5可知，在光斑图样中间出现能量较弱区域。当透射仪发射端对准，即透射仪探测光束远场光斑中心与接收镜头中心重合时，透射仪接收到的接收光强较弱，使得透射仪测量光路准直效果降低。同时，光斑表面L形能量较弱区域会影响能见度测量的稳定性。

图6 增加扩散片后远场光斑图样

为了克服光源表面特征的影响，考虑在发射光阑前增加扩散片，使得光源发出的光在到达发射光阑前表面时经过一次均匀发散，从而使得远场光斑能量分布得到改善。在ZEMAX非序列模式下，用“RectangularVolume”类型构建扩散片模型，扩散片内部光的传播采用米散射模式，扩散片大小为2mm×2mm，厚度为1mm。实验结果如图6所示。

与图5所示的实验结果相比，图6中L形能量较弱区域消失，探测光束远场光斑能量分布变得均匀。与不加扩散片相比，接收镜头前探测器上接收到的总能量下降50%，但是接收光阑后光电传感器接收到的能量增加30%，说明通过增加扩散片可以明显改善透射仪测量光路准直效果。

3 基于扫描方式的测量光路准直方法仿真实验

基于扫描方式的透射仪测量光路准直方法是根据透射仪测量光路的对称特性提出的准直方法。目前，基于该方法设计的测量光路准直系统仍处于设计研究阶段。基于扫描方式的测量光路自动准直方法是：使得发射端探测光束或接收端接收视场以相应的发射或接收镜头为支点，分别进行两个垂直方向上的扫描，扫描过程中记录旋转角度及相应位置的接收光强，根据得到的接收光强与旋转角度数据计算测量光路在准直状态下发射端或接收端两个垂直方向上的方位角，进而驱动发射端或接收端到达方位角指定位置，实现测量光路准直。在ZEMAX非序列模式下，可以对透射仪光学系统模型中的各物体进行精确的移动、旋转。因此，可以在非序列模式下对基于扫描方式的测量光路准直过程进行仿真研究。

3.1 非准直状态的构建及扫描过程的实现

透射仪测量光路非准直状态是指发射端探测光束中轴线与接收端接收视场中轴线不重合。为了研究准直方法的可行性，需要在ZEMAX非序列模式下利用光学系统模型构建测量光路非专职状态。将发射端所有物体的参考面设为发射透镜，将接收端所有物体的参考面设为接收透镜，通过调整发射透镜或接收透镜的“XPosition”及“YPosition”可以使得测量光路处于非准直状态。由发射端与接收端位置变化，可计算得到准直各轴向准直方位角理论值。

根据基于扫描方式的测量光路准直方法，为了实现发射端或接收端的扫描，通过调整发射透镜或接收透镜“Titleaboutx”参数使得发射端或接收端进行扫描。扫描过程中记录相应参数数值作为旋转角度数据，记录接收端“DetectorRect”探测器采集到的接收光强作为相应的接收光强数据。

3.2 仿真实验结果

根据位置参数计算出发射器与接收器两个垂直方向上准直方位角的理论值。调整发射器与接收器镜头方向参数，使其在两个垂直方向(方位角α与方位角β)上进行±0.2°的扫描，每隔0.002°记录一次接收器接收光强。基于角度和光强数据利用上述准直算法计算准直方位角的实验值，并与理论值进行对比，得到图7～图10所示的实验结果。

图7 发射端方位角α

图8 发射端方位角β

图9 发射端方位角α

图10 发射端方位角β

由实验结果可得，发射器与接收器各方向上的方位角实验值与理论值一致性较好，根据每组数据理论值与试验值之间的差可得到值最大相对误差为2%，且相对误差并不随对准偏差的增大而增大。该准直方法可以实现较小方位角的测量，实验中测得的最小方位角为0.002 8deg。实验中，每个方向上进行±0.2deg扫描，共采集200组数据，即可实现对准直方位角的测量。扫描范围较小，因此可以在较短的时间内实现发射器与接收器的对准。

4 结论

本文将ZEMAX软件应用到透射仪测量光路准直系统设计中，在ZEMAX非序列环境下构建了透射仪光学系统模型。研究结果表明，LED光源表面特征会影响透射仪发射端探测光束远场光斑能量分布，进而影响测量光路准直性能。通过增加扩散片可以明显改善测量光路准直效果。本文验证了基于扫描方式的测量光路准直方法的可行性，为基于该方法的准直系统的设计与实现提供了参考。

[1] 程绍荣,魏全忠,吕军.一种实用型大气透射式能见度仪的研制[J].光电工程,2011,38(2):144-150.

[2] 邢向楠,崔岩梅,李涛,等.基于透射法的能见度测量装置设计与实验研究[J].计测技术,2011,31(3):10-13.

[3] 马忠良，周树道.透射式能见度仪发展现状与关键技术[J].气象水文装备，2015(2):9-12.

[4] 邢向楠,崔岩梅,张富根,等.能见度测量技术现状及发展趋势综述[J].计测技术,2010,30(5):15-20.

[5] 雷平顺，薛力芳，何军，等.ZEMAX在多模光纤准直器设计中的应用[J].激光与光电子学进展,2011，48(1):58-61.

[6] 罗晓霞，刘华，卢振武，等.实现LED准直照明的优化设计[J].光子学报，2011，40(9):1351-1355.

Research on an improved SVPWM algorithm for a three-level inverter

ZhouShudao1,2，MaZhongliang1，WangMin1

(1.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210044,China；2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

AnopticalsystemmodelofthetransmittancemeterisestablishedintheZEMAXnon-sequenceenvironment.TheinfluenceofthesurfacecharacteristicsofLEDonthealignmentofopticalpathisstudiedbyusingthemodel,andthestructureofopticalsystemisoptimizedbyincreasingthediffusionsheet.Themethodofalignmentformeasuringlightpathbasedonscanningisstudiedinsimulation.Researchresultsshowthatthemaximumrelativeerrorofazimuthmeasurementis2%andthefeasibilityofthemethodisverified.

ZEMAX；alignmentsystem；transmittancemeter

国家自然基金(无人机实时全景遥感成像技术研究)(41301370)

TN12；P

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.024

周树道，马忠良，王敏.ZEMAX在透射仪测量光路准直系统设计中的应用[J].微型机与应用，2016,35(22)：92-94,97.

2016-05-19)

周树道(1964)，男，硕士，教授，主要研究方向：透射式能见度探测技术。

马忠良(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向：透射式能见度探测技术。

王敏(1983)，女，硕士，讲师，主要研究方向：信号与信息处理。