OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统设计

蔡震，吉俊文

（江苏亮点光电科技有限公司，江苏 苏州 215100）

引言

激光扩束镜头在激光测距领域应用广泛，通过压缩激光出射光束发散角，可进一步提高光束准直性[1-6]。为满足不同距离的测距要求，激光扩束镜头的出射光束发散角需连续可调。OPO 激光器具有阈值低、转换效率高、重复频率高等特点，出射激光为人眼安全波长，是激光测距领域激光源的选型趋势[7-9]。因此，设计一款适用于OPO 激光测距机发射端的变倍扩束镜头是很有必要的。

许多文献报道了激光变倍扩束镜头，但均不适用于OPO 激光测距机。王培芳等人设计了一款激光变倍准直扩束镜头，其入射光束口径仅为ϕ1 mm，远小于OPO 激光器出射光束口径[10]；贾勇等人设计的激光变倍扩束镜头，引入非球面反射元件，存在加工成本高、装调流程繁琐等问题[11-14]；刘宇承等人设计的激光变倍扩束镜头，入射光束直径仅为ϕ3.6 mm，扩束倍率为2～3.5倍，且引入胶合面，强激光照射胶合面易损坏[15]。

为了实现大范围激光测距，提升激光测距过程中人眼安全性，本文提出采用OPO 激光器作为激光测距机发射端光源，其出射激光中心波长为1 570 nm（人眼安全波长），避免了激光测距过程对人眼的损伤，并具有烟、雾穿透能力强的优势。设计的光学系统可满足较大口径光束入射，且具有变倍扩束功能，突破了现有变倍扩束镜头仅能实现小口径光束入射的限制。OPO 激光器出射光束发散角为6 mrad，出射光束直径为ϕ7 mm。变倍扩束系统采用两级扩束，一级激光变倍扩束倍率为2～4倍，二级激光扩束倍率为3倍，系统扩束倍率为6～12倍，采用全球面设计，无胶合面，易于装调，利于工程化。

1 设计指标

激光变倍扩束系统设计指标如下：

1）波长：1 570 nm；

2）输入激光光束直径：ϕ7 mm；

3）输入激光发散角：6 mrad；

4）变倍扩束倍率：6～12倍；

5）系统总长：＜300 mm。

2 光学系统设计

发射端采用发射波长为1 570 nm 的OPO 激光器，输出激光光束直径为ϕ7 mm，发散角为6 mrad。输入激光光束直径较大，采用两级扩束子系统。一级扩束子系统入射激光光束直径较大，采用低倍率折射式变倍扩束形式，其扩束倍率为2～4倍；二级扩束子系统输入光束直径相比一级扩束子系统更大，采用折射式定倍率扩束形式，扩束倍率为3 倍。变倍扩束功能由一级扩束子系统和二级扩束子系统共同实现，变倍扩束倍率可达6～12 倍。

发射端采用的激光器峰值功率较高，与一般光学系统相比，对光学系统的整体性能要求更高，要求各光学元件具有高抗光损阈值，热变形小，且不使用胶合透镜。

激光变倍扩束系统作为发射端，若仅进行几何光学追迹，设计结果与实际情况存在偏差。激光光源为高斯光，球差在光瞳边缘的效应相比均匀光小很多，因此，引入高斯光束作为其光源输入形式。设置高斯切趾为1，则光瞳边缘光强度是峰值光强度的1/e2（13.5%），与OPO 激光器出射光束光强分布特征相符。

2.1 变倍扩束子系统设计

激光扩束分为反射式和折射式两种形式。反射式激光扩束主要包括卡塞格林、格里高利及离轴三反等形式，其特点是使用大口径反射镜面，增大扩束比，非球面设计时像差校正效果好，但卡塞格林扩束存在中心挡光现象；离轴三反则会引入较大的轴外像差，为保证光束质量，需引入多个非球面，增加了加工装调难度及成本。此外，反射式扩束形式的扩束比不可调节，只能针对某一光束口径进行设计，应用范围受到限制。折射式激光变倍扩束形式则不存在上述问题。

变倍扩束镜头由前固定组、变倍组和补偿组构成，扩束镜头不需要成像，无需后固定组。在3 组元透镜或镜组组合而成的变倍扩束镜头中，变倍组移动时，其放大率会有所变化，即出射光束口径会通过变倍组的移动而变化。设计的变倍扩束子系统如图1 所示。图1中，透镜1 为前固定组，透镜2 和透镜3 为变倍组，透镜4 为补偿组。

图1 变倍扩束子系统Fig.1 Zoom beam-expansion subsystem

对于光焦度确定的多个镜片，可通过改变镜片间的距离实现总光焦度的变化。变倍扩束子系统原始扩束比为D2/D1，当变倍组移动时，固定组与变倍组的等效焦距发生改变，从而获得新的扩束比，扩束比增大到D3/D1。扩束比越大，越有利于减小激光测距机出射光束发散角，有利于增大测距距离。变倍扩束子系统参数如表1 所示。

表1 变倍扩束子系统参数Table 1 Parameters of zoom beam-expansion subsystem

激光扩束镜头是小像差系统，一般采用波像差和光学传递函数评价设计质量。光学镜头波像差越小，调制传递函数越接近衍射极限，表明该光学镜头设计质量越好。

变倍扩束子系统2 倍扩束时波面图如图2 所示。从图2 可以看出，轴上点波像差为0.009 1λ，边缘视场波像差为0.033 2λ，优于0.25λ，满足扩束子系统对波前的要求。变倍扩束子系统4 倍扩束时波面图如图3 所示。从图3 可以看出，轴上点波像差为0.061 8λ，边缘视场波像差为0.215 9λ，优于0.25 λ，满足扩束子系统对波前的要求。

图2 扩束2 倍波面图Fig.2 Wavefront with beam expansion rate of 2 times

图3 扩束4 倍波面图Fig.3 Wavefront with beam expansion rate of 4 times

激光扩束镜头的光学传递函数曲线如图4 所示。从图4 可以看出，各扩束子系统的传递函数曲线均接近衍射极限，表明此变倍扩束子系统设计质量较好。

图4 光学传递函数曲线Fig.4 MTF curve

2.2 定倍扩束子系统设计

从一级扩束子系统出射的激光束，是具有一定口径，且发散角较小的平行光束。对于二级定倍扩束子系统，入射光束引起的轴外像差很小，主要像差为轴上宽光束引起的球差。反射式扩束形式仍存在加工成本高，装调流程繁琐的问题，因此，采用折射式扩束形式实现定倍扩束功能。

折射式激光扩束子系统一般由两片或多片透镜组成，分为开普勒和伽利略两种形式。开普勒形式存在激光聚焦点，强激光聚焦时会产生空气击穿，光学元件易损伤。伽利略形式则为虚焦点，不存在空气击穿问题，实际应用中，一般采用伽利略形式，不仅结构简单，且可缩小外形尺寸。设计的定倍扩束子系统如图5 所示。该子系统由4 片透镜构成，实现3 倍定倍扩束，系统长度180 mm。定倍扩束子系统参数见表2 所示。

表2 定倍扩束子系统参数Table 2 Parameters of beam expansion subsystem with fixed magnification

图5 定倍扩束子系统光路Fig.5 Beam expansion subsystem with fixed magnification

定倍扩束子系统波面图如图6 所示。从图6可以看出，轴上点波像差为0.043 7λ，优于0.1λ；边缘视场波像差为0.051 5λ，优于0.25λ，满足扩束子系统对波前的要求。定倍扩束子系统光学传递函数曲线如图7 所示。从图7 可以看出，各视场的传递函数曲线均接近衍射极限，说明该定倍扩束子系统设计质量较好。

图6 定倍扩束子系统波面图Fig.6 Wavefront of fixed beam expansion subsystem

图7 光学传递函数曲线Fig.7 MTF curve

3 变倍扩束子系统与定倍扩束子系统组合

将变倍扩束子系统和定倍扩束子系统组合，并再次优化，得到OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统，如图8 所示，系统参数见表3 所示。

表3 变倍扩束系统参数Table 3 System parameters

图8 OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统Fig.8 Zoom beam expansion system of OPO laser rangefinder transmitter

OPO 激光测距机发射端扩束6 倍时，波面图如图9 所示。从图9 可以看出，轴上点波像差为0.039 4λ，优于0.1λ；边缘视场波像差为0.049λ，优于0.25λ，满足发射端扩束系统对波前的要求。OPO 激光测距机发射端扩束12 倍时，波面图如图10 所示。从图10 可以看出，轴上点波像差为0.1λ；边缘视场波像差为0.179 4λ，优于0.25λ，满足扩束系统发射端对波前的要求。

图9 扩束6 倍波面图Fig.9 Wavefront with beam expansion rate of 6 times

图10 扩束12 倍波面图Fig.10 Wavefront with beam expansion rate of 12 times

OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统的光学传递函数曲线如图11 所示。从图11 可以看出，系统的传递函数曲线与衍射极限一致，说明该光学系统设计质量良好。

图11 光学传递函数曲线Fig.11 MTF curve

4 公差分析

OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统为无焦系统，出射光束为平行光，在发射端出光口设置理想透镜，将其转换为会聚系统。发射端变倍扩束系统设计时，采用的多重结构包括5 种工况，需要分别进行公差分析，以得出较合适的公差参数，如表4 所示。

表4 公差参数Table 4 Tolerance parameters

根据现有光学及机械元件的加工能力，确定透镜曲率半径公差为3 光圈，厚度公差为±0.03 mm，X偏心和Y偏心公差为±0.05 mm，X倾斜和Y倾斜公差为1′；透镜装配X偏心和Y偏心公差为±0.05 mm，X倾斜和Y倾斜公差为2′；折射率和阿贝数公差分别为0.001 和±0.5%。

采用灵敏度公差分析方法，以Diff.MTF.Avg为评价标准，对各工况进行蒙特卡罗分析，分析次数100 次。分析结果表明，上述公差参数符合设计要求，便于加工和装调。

5 结论

本文采用OPO 激光器作为激光源，基于两级激光扩束，设计了一款OPO 激光测距机发射端变倍扩束系统。该光学系统可实现大范围测距，并可有效避免测距过程激光对人眼造成损伤。系统由8 片透镜组成，镜头性价比高，利于工程化。该发射端变倍扩束系统具有较宽松的公差范围，能够满足实际应用要求。通过对系统波面图和光学传递函数曲线的分析结果可知，该光学系统满足激光测距功能要求。