用于激光测距的小F数接收光学系统设计
摘要：为解决远距离漫反射激光测距系统能量损耗严重问题，并提高测距系统的响应速度，设计了一种小探测靶面大通光孔径的接收镜头。以3组4片式 Petzval结构作为接收镜头的初始原型，将孔径光阑前移放置在第一面，同时增大其孔径以提高接收效率，最后一片引入非球面，以减小球差并使系统小型化；靶面采用直径为75μm的雪崩光电二极管探测器，保证响应速度小于 45ns。经过优化设计得到通光孔径为120mm的接收镜头，F数为0.6，可用于远距离漫反射激光测距领域。
关键词：光学设计；激光测距；小F数；Petval镜头
引言
自上世纪1960年代激光技术问世以来，就因其单色性好、方向性好等特点，被广泛应用于各种领域。激光测距是激光最早应用的领域之一，在经历四、五十年的发展后，激光测距技术日臻成熟，在军事领域中有着广泛的应用，特别是在侦查、瞄准、制导等方面均发挥着重要的作用。自2006年美国重启激光跟踪验证项目的研究以来，轻型化的激光测距装置越来越受到重视，如何以小的体积实现更高效、更快速的距离测量成为激光测距领域研究的重点。当前，国内外的研究机构都投入大量精力进行研发，澳大利亚的ESLR系统实现测距距离为12km，美国的ELRF系统测距距离最远可达50km。我国目前装备有85式和88式测距仪，但在探测距离、探测精度等方面还有着提高的空间。
远距离和高精度的激光测距对接收光学系统提出了严格要求，特别是对于非合作目标的漫反射接收。为提高接收效率则要采用大口径的接收镜头来获取足够能量的反射信号。而更快的响应速度需要更小靶面的探测器进行信号接收和处理，同时还需要保证具有合格的成像质量。在光学接收系统中还需考虑杂散光的影响，若不采取有效措施进行抑制，就会产生大量的噪声影响信号检测。因此，提高接收光学系统的效率和精度成为解决上述问题的关键。
为了实现大通光孔径的接收和快速响应，本文设计了基于非球面透镜的小靶面大孔径接收镜头进行激光接收。采用3组4片式基本结构，优化设计了通光孔径120mm，F数为0.6的接收光学镜头，可为靶面为75μm的探测器所接收，同时满足小型化的要求。
1 接收系统的理论模型
针对作用于远距离非合作目标信号漫反射接收的1064nm光学镜头，接收系统的通光孔径的计算公式如下：
（1）
......
4 结论
研究了一种应用于远距离非合作目标激光测距的光学接收系统。为了有效地提高接收能量的效率并对信号做出快速响应，设计了小靶面大孔径透射式接收光学镜头，对传统的Petzval结构做出改进，通过引入非球面解决了传统Petzval结构固有的球差和场曲问题。通过设计优化后，接收系统整体长度为108mm，接收系统的通光孔径为120mm，探测器靶面为75μm，F数为0.6，光斑大小满足系统要求，场曲和畸变都小于0.25μm，可应用于机载系统中。由于引入了非球面镜片，会增加镜片加工和检测的成本，同时由公差分析结果可知，接收镜头的高级像差较大，公差敏感度高，后期装调的难度会有所提高，可通过高精度的调节设备进行装调来克服。该研究成果可为机载激光测距接收系统的设计提供参考。
《工业激光应用》杂志社。
