一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列

设计了一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列,该三片式微透镜阵列以加入场镜的开普勒望远结构为原型,通过微透镜阵列之间的微小横向位移进行接收视场的选择与发射光线的同步偏转,完成扫描光学系统对大视场区域的光束收发。设计约束望远镜的视觉放大率为1,即入射和出射端口的微单元通光孔径相等,从而实现收发共用且不会造成能量损失和串扰。利用ZEMAX光学设计软件,采用发射、接收端口单独设计然后拼接的方法搭建模型。微透镜阵列工作中心波长为1 064 nm,凝视视场为±1.06°,扫描视场为±10°,单元规格为1 mm×1 mm,且只需移动一片即可实现双向扫描,具有体积小、扫描角度大、灵敏度高等优点。     

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.     

非扫描测风激光雷达光学系统设计

光学系统是测风激光雷达小型化的关键,光学设计的质量直接影响系统的整机性能。提出了一种全光纤多路收发非扫描多普勒测风激光雷达系统方案,对其工作原理作了简要介绍;在对激光雷达系统信噪比开展理论分析的基础上,提出了光学天线的视场、孔径、焦距等设计参数,并利用光学设计软件对光学天线进行了设计和仿真实验。该系统工作波长为1064nm,设计结果表明,光学天线相对口径为1∶4.28,全视场角为20°×22.5°,总长为277mm,后截距127.28 mm,有效焦距300 mm,口径70 mm,各视场光纤耦合效率均在65%以上,满足设计指标要求。     

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。     

基于二维MEMS振镜的激光雷达系统的光学设计

近年来人们对具有安全驾驶、智能控制功能的汽车需求增长,使智能驾驶汽车快速发展起来,激光雷达作为智能驾驶的核心传感器之一得到广泛的关注,其中MEMS激光雷达具有高帧率、高分辨率、体积小、成本低的优点,是国内外车载激光雷达的主要发展趋势之一。光学系统是MEMS激光雷达重要组成部分之一,分为发射光学系统和接收光学系统,本文基于镜面直径5mm的二维MEMS振镜设计了发射光学系统,将25W的半导体激光器准直为弧矢方向发散半角为1mrad,子午方向发散半角为3mrad的光束;设计了大相对孔径为1∶1、焦距为11.01mm的镜头作为接收镜头,并提出采用放大倍率为2.2的纤维光锥与16线APD阵列探测器耦合,扩大接收光学系统的视场;APD阵列探测器采用选通模式,提高雷达系统的信噪比。基于此设计结果搭建激光雷达样机,实验验证系统探测距离可达45m,全视场角40°×10°。结果表明系统可一定程度上提高激光雷达探测距离和视场角。     

漫射光宽视场光学天线的设计

利用光线追迹的方法分析了半球光学天线及另外两种截取角小于90°的欠半球和大于90°的超半球光学天线的光学增益和接收视场,提出了选择合适截取角的原则,并确认半球形光学天线是一种很合适的漫射光宽视场光学天线;同时分析了均匀能量环境下半球光学天线圆截面上接收到光功率的分布,并提出了设计半球形光学天线基本参量的原则;用光学理论推导出了采用半球形光学天线时能够到达光敏面的光线所应满足的条件,分析了它对光学滤波设计的意义.     

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3)m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411dBm和16.4956dBm。     

光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线

针对多光谱通信的需求,设计了一种光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线。相比同类多光谱通信光学系统,该光学天线具有信道数多、增益大、效率高等优点。经过理论分析,提出了采用双柱面镜结合反射式光栅的天线结构,在光谱维保持较高的光谱分辨率,增加信道数,提高系统的通信速率;同时缩小光斑空间维的大小,提高系统的增益。仿真分析表明,该光学天线可以同时高效地对8个不同的单光谱信号进行探测接收,视场角高达18°×0.4°,增益为12.6,信噪比高达48.28 d B,天线尺寸为9 cm×12 cm。最后,根据设计仿真制作了原理样机,实验结果显示该光学天线可以清晰地分开多光谱信号并实现探测接收,信号间没有产生串扰,信噪比较高,适用于多光谱波分复用通信系统。     

用于移动可见光通信的球面型可变焦光学接收天线

针对可见光通信环境的复杂多样性以及传统光学接收天线应用的局限性,设计了一种可变焦光学天线作为移动可见光通信系统的接收天线。通过引入直角反射棱镜折叠空间光路的方法减小天线的厚度,且该天线各透镜面型均为球面,较大地节约了系统成本。仿真分析结果显示:系统的变倍比为2.5倍,视场角可以在16°~42°之间连续变化,最大增益可达16.2,系统尺寸为18 mm×6 mm,探测面照度均匀且相对照度较高,满足通信应用。最后,在5 m×5 m×3 m的通信环境中对变焦天线和定焦天线在不同应用场景下的接收性能进行了对比分析。分析结果表明,变焦光学接收天线满足大视场高增益要求的同时,在系统的稳定性、移动性和环境适用性方面明显优于定焦光学天线,非常适于可见光通信应用。     

线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计北大核心CSCD

发射透镜直接准直半导体激光光源方案能够使线扫描激光雷达结构更紧凑、成本更低,但是由于高功率半导体激光光源发热严重会导致光学元件热变形,从而导致探测器接收到的光功率急剧降低而不可探测。提出了一种30m探测距离的线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计方法。以预设工作温度40℃至80℃的中间温度60℃为初始条件,基于Zemax软件优化设计了发射透镜与接收透镜的光路系统,使工作温度为60℃时的光路系统光学性能最佳;使用有限元方法分析该光路与相应的机械结构随温度变化时光学元件热形变的情况,通过添加SiO2气凝胶作为隔热材料进行光路系统的机械结构优化。优化结果表明,采用光机热集成优化设计方法后,优化后的光路与机械结构在工作温度40℃至80℃范围内探测器接收到的光功率始终在10^-4w量级,相比仅仅使用Zemax软件优化设计发射透镜与接收透镜方法(探测器接收到的光功率10^-6~10^-4w)有了显著的提升。     

红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0~±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。     

Dynamic measurement of beam divergence angle of different fields of view of scanning lidar

The laser beam divergence angle is one of the important parameters to evaluate the quality of the laser beam.It can not only accurately indicate the nature of the beam divergence when the laser beam is transmitted over a long distance,but also objectively evaluate the performance of the laser system.At present,lidar has received a lot of attention as a core component of environment awareness technology.Micro-electromechanical system(MEMS)micromirror has become the first choice for three-dimensional imaging lidar because of its small size and fast scanning speed.However,due to the small size of the MEMS micromirror,the lidar scanning system has a small field of view(FOV).In order to achieve a wide range of scanning imaging,collimating optical system and wide-angle optical system are generally added to the system.However,due to the inherent properties of the optical lens,it is impossible to perfect the imaging,so the effects of collimating and expanding the beam will be different at different angles.This article aims to propose a measurement system that dynamically measures the divergence angles of MEMS scanning lidar beams in different fields of view to objectively evaluate the performances of scanning lidar systems.     

基于微扫描镜的激光投影

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15 V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通...     

电接口以太网传输大气激光通信系统的研制

介绍了基于电接口的大气激光通信系统的工作原理及各部分的组成，测试了光学天线的天线效率以及准直发散角的大小(天线效率约为35％，准直发散角为1.3mrad)，并对系统进行了光功率链路的估算。计算结果表明：所设计的系统完全可以满足2km内大气传输的要求。在此基础上研制出基于电接口的通过以太网传输的大气激光通信系统。该系统由激光器收发子系统、光学天线子系统以及媒体传输子系统组成，其中为了避免大气湍流，光学天线采用了双路发射、双路接收的形式。此系统可以实现计算机和以太网之间以及2台计算机之间的通信。工作速率为10Mb/s和100Mb/s自适应，工作距离为500m。     

一种基于运动式发射天线的光学接收天线设计

设计一款应用于多发射天线多接收天线自由空间激光通信系统中的折射式光学接收天线。天线焦距120.02 mm,相对孔径1∶1.13,工作波长为850 nm,波长范围覆盖820 nm ~880 nm,在50 lp/mm频率处0视场的MTF为0.5。接收天线可以在发射天线移动48 mm范围内利用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管（APD）接收3 mrad发散角的光信号。该天线由两组、共4片球面透镜组成,结构简单,可实现对运动式发射天线的光信号的接收。     

激光接收与彩色电视共窗口设计

介绍了激光接收和彩色电视共窗口的多波段光谱融合技术.采用一个焦距为20~450 mm的连续变焦距镜头(视场角在13.68°×10.26°~0.61°×0.46°内连续变化),在会聚光或平行光的条件下,采用立方棱镜或平板玻璃分光,分别进行了对比试验.结果显示,使用会聚光下的立方棱镜分光,在大视场13.68°×10.26°的情况下,光线入射角最大,色偏移严重,图像颜色严重失真.随着视场角的减小,光线入射角减小,图像颜色失真程度逐渐减小,越接近小视场0.61°×0.46°,图像颜色失真现象基本消失;而使用平板玻璃对平行光分光的条件下分光,连续变焦距镜头在整个视场范围内,不仅光学像差满足要求,同时解决了棱镜分光的色偏移问题,图像颜色正常,在空间尺寸苛刻的情况下,彩色电视光学系统MTF在108 lp/mm时达到了0.3,设计结果满足工程应用要求.     

激光主动探测拼接光学系统的装调设计

介绍由两组视场为8°×6°的光学系统在水平方向拼接为视场不小于15°×6°的探测接收系统。为保证其在整个探测视场范围内的视场拼接质量和角定位精度,对该探测接收系统的装调方法及流程进行了详细设计,对各装调步骤的精度指标进行了分配。重点针对折转光路的光轴平行性、分辨率以及视场拼接的装调方法及要点进行阐述。通过对各装调步骤的精度进行严格控制,最终探测接收系统的测试结果为:焦距f ′=52.7 mm、视场15.2°×6.2°,达到设计指标要求。     

Optical receiving solution for optical scanning lag effect of LADAR

Optical scanning plays a very important role in LADAR system for large field of view (FOV). But it introduces the optical scanning lag effect due to the optical scanning and the time delay between laser pulse transmitting and receiving. Optical scanning lag angle will make a part of received optical energy fall out of the optical sensitive area of detector, which will greatly degrade the detecting performance of LADAR in many cases. Optical scanning lag effect and optical scanning lag angle are firstly computational analyzed in detail in this paper. A novel optical receiving design approach is proposed, and the experimental result is given.     

光电雷达红外调制检测技术

因红外调制检测技术用于检测扫描积分型光电雷达调制器的工作性能,为此设计一套与调制器固有属性匹配的光学传递和激光准直系统。运用标准伺服控制理论为调制脉码信号建立Ⅲ型条件稳定的轴系扫描模型,通过截获、跟踪视场切换及驱动电压调幅,使模拟红外汇聚的激光扫描光束与3°×3°、40′×40′十字靶标重合,计量扫描视场及零位精度偏差,采集标定反射镜振动位置和扫描频率的过零脉冲,用以实现红外信号调制性能的检测。测试结果表明,该红外调制检测技术对调制器扫描视场的精度测量优于0.5′(1σ),零位误差的精度测量不大于5′(1σ),系统检测的相对误差不大于±1%,满足光电雷达红外光轴瞄准线工艺装配的精度要求,可应用于线列扫积型调制器的性能检测。