采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计_于潇_姚园_徐正平

文章编号 2097-1842（2024）02-0382-08基于单传感器的三波段共口径光学系统设计张　坤1，李京宸1,2，孙　思1 *，谌庆荣1，杨　帆1（1. 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209；2. 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室, 四川 成都 610209）摘要：针对现有多波段成像系统体积大、功耗高和集成化设计困难的问题，本文提出了一种基于单传感器的三波段共口径成像光学系统的设计方法。

首先，在光学系统的光阑处设计1×2多波段透镜阵列，把可见光波段和短波红外波段同时成像在一个像平面上，并把两个波段中心波长的成像位置偏差控制在一个像元内以实现双波段融合成像。

然后，针对双波段成像衍射极限不同的问题，提出分通道透镜阵列的离轴偏移量和通光口径大小联合优化方法，并采用双电动光阑高速控制三个成像通道的切换速度。

最后，设计了一个基于单传感器的焦距为30 mm ，工作波段分别为480~900 nm 、900~1 700 nm 和480~1 700 nm 的三波段共口径光学系统。

设计及分析结果表明该系统具有成像质量好、结构紧凑、无运动光学元件、成像波段切换速度快等优点。

关 键 词：单传感器；透镜阵列；多波段成像系统；光学设计中图分类号：O439 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0098Design of three-band co-aperture optical system based on single sensorZHANG Kun 1，LI Jing-chen 1,2，SUN Si 1 *，CHEN Qing-rong 1，YANG Fan 1（1. Institute of Optics and Electronics , Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610209, China ；2. National Key Laboratory of Optical Field Manipulation Science and Technology ,Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610209, China ）* Corresponding author ，E-mail : ************.cnAbstract : The existing multi-band imaging system has the problems of large volume, high power consump-tion, and difficulty in integrating design. To address these challenges, we proposed a three-band co-aperture imaging optical system based on single sensor. First, a 1×2 multi-band lens array in the aperture stop of the optical system is designed. This array effectively captures both the visible and short-wave infrared bands sim-ultaneously in a single image plane. In addition, the imaging position deviation of the center wavelength of both bands are controlled within one pixel, resulting in dual-band fusion imaging. To address the issue of dif-ferent diffraction limits in multi-band imaging, we propose to use the joint optimization method to simultan-收稿日期：2023-06-07；修订日期：2023-06-27基金项目：四川省自然科学基金（No. 2023NSFSC1308，No. 2023NSFSC0491）；四川省重点研发项目（No. 2022YFG0249）；中国科学院光电技术研究所前沿布点项目（No. C21K003）Supported by Natural Science Foundation of Sichuan Province (No. 2023NSFSC1308, No. 2023NSFSC0491);Key Research and Development Project of Sichuan Province (No. 2022YFG0249); Cutting-edge Distribution Program of Institute of Optics and Electronics Chinese Academy Sciences (No. C21K003)第 17 卷　第 2 期中国光学（中英文）Vol. 17　No. 22024年3月Chinese OpticsMar. 2024eously control the off-axis offset and aperture size of the split channel lens array. On the above basis, we sug-gest utilizing a dual electric diaphragm to control the switching speed of the three imaging channels. Finally, a three-band co-aperture optical system based on single sensor with a focal length of 30 mm and operating bands ranging from 480 to 900 nm, from 900 to 1 700 nm, and from 480 to 1 700 nm is designed. The system exhibits multiple advantages, such as excellent imaging quality, a compact structure, no moving optical ele-ments, and a rapid switching speed of the imaging band, as indicated by the design and analysis results.Key words: single sensor；lens array；multi-band imaging system；optical design1 引　言同单波段成像系统相比，多波段成像系统兼具多个单波段光学系统的成像优势[1]。

基于4元APD阵列的激光测距技术研究
寇松峰;陈钱;顾国华;季尔优
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2008(38)6
【摘要】提出了一种基于盖革模式(Geiger mode)下雪崩二极管(APD)阵列作为接收器件的激光测距新技术.盖革模式下的APD阵列具有单光子探测能力,能够对微弱的激光回波信号实现探测,并能够实现高精度的起始点判别,从而准确地确定激光飞行时间,最终计算出目标距离.实验结果证明相比传统的测距技术,新的测距技术可以实现低激光发射功率下的高精度,远距离测距,为激光测距技术的发展提供了一条新思路.
【总页数】4页(P537-540)
【作者】寇松峰;陈钱;顾国华;季尔优
【作者单位】南京理工大学电光学院441教研室,江苏,南京,210094;南京理工大学电光学院441教研室,江苏,南京,210094;南京理工大学电光学院441教研室,江苏,南京,210094;南京理工大学电光学院441教研室,江苏,南京,210094
【正文语种】中文
【中图分类】P225.2;TN958.98
【相关文献】
1.基于APD阵列的三维成像激光雷达方案 [J], 陈辉
2.基于盖革模式APD的光子计数激光雷达探测距离研究 [J], 罗韩君;詹杰;丰元;张
禹涛
3.基于APD的远程激光测距系统光电匹配研究 [J], 胡建人
4.基于盖革模式APD阵列的非扫描激光三维成像雷达研究综述 [J], 赵洪利;范有臣;孙华燕;李迎春
5.基于APD的电外差技术在无合作目标激光测距中的应用 [J], 赵欣;王相金;张毅;赵平建;涂碧海;姚萍萍
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采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计_于潇_姚园_徐正平摘要：针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求，设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。

在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上，给出了激光3D成像光学系统结构框图：激光经衍射元件实现分束照明，采根据激光测距方程，确定了接收光学用双工反射镜实现收发光路的耦合。

该光学系统用于2km 以内的目标三维成像，系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。

为避免造成像素之间串扰，设计了5倍扩束比的发射光学系统。

最后，采用降低了发射光路对接收光路的影响。

设计结果表明：接收光学系统弥散斑直偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光，畸变小于0.2%。

该光学系统体积小、重量轻，成像质量良好，可为同类激光成像光学系统提供借鉴参径小于120μm，考。

关键词：光学设计;激光3D成像;发射/接收共光路;消杂光文献标识码：Adoi：10．3788/CO．20160903．0349中图分类号：TP721．2；TP703LaserimagingopticalsystemdesignwithasharedapertureemployingA PDarrayYUXiao*，YAOYuan，XUZhengping （KeyLaboratoryofAirborneOpticalImagingandMeasurement，ChangchunInstituteofOpticsFineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China）*Correspondingauthor，Email：yuxiaojllove@126．comAbstract：Tomeettherequirementsoflightandsmalllaser3Dimagingsystemonairborn eplatforms，acoaperturelasertransceiveropticalsystemisdesignedemployingAPDarray ．Onthebasisofabriefanalysisoftheimagingsystemilluminationpatternand opticalsystemstructure，thelaser3Dimagingsystemblockdiagramisgivenasfollowing：thelaserbeamcanpassthroughadiffractionelementtoachievebeamsplitting andthemirrorwithaholeinthemiddleisusedtoachievecoupledlaunching/tr ansmittingopticalpath．Theopticalsystemisusedforthreedimensionalima gingwithinadistanceof2km，andthereceivingopticalsystemparametersaredeterminedaccordingtothela seroperatingrangeequationtoobtainenoughechoenergytosatisfy0126；修订日期：20160223收稿日期：201614S123）；吉林省科技发展计划资助项目基金项目：中国科学院国防科技创新基金项目（No．CXJJ（20150204022GX）SupportedbyInnovationFundProjectofNationalDefenseScienceandTechno logy，ChineseAcademyofSciences（No．CXJJ14S123），JilinProvincialS ＆TDevelopmentProgramProjectofChina中国光学第9卷，，（No．20150204022GX）350thenoiseratio．Inordertoavoidcrosstalkbetweenpixels．Finallybeamexpanderoffivetimesisdesigned thestraylightisdiminishedtoreducetheimpactoftheemittedlightpathonrec eivinglightpathbycombiningthepolaroidandquarterwaveplate．Theresult sindicatethatthereceivingopticshasadiffu sespotdiameterlessthan120μmanddistortionlessthan0.2%．Thewholeop ticalsystemcouldbeanexampleforthesimilardesignwithsmallsize，lightweightandfineimagingquality．Keywords：opticaldesign；laser3Dimaging；launching/receivingcommonaperture；straylightelimination合置两种结构形式。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711068865.1(22)申请日 2017.11.03(71)申请人 长春理工大学地址 130000 吉林省长春市朝阳区卫星路7089号(72)发明人 王春阳　史红伟　牛启凤　刘雪莲　辛瑞昊　(74)专利代理机构 长春菁华专利商标代理事务所(普通合伙) 22210代理人 陶尊新(51)Int.Cl.G01S 17/89(2006.01)G01S 7/481(2006.01)(54)发明名称基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统(57)摘要基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，涉及雷达工程领域，本发明为解决现有成像技术单一，无法同时满足远距离、大视场与高帧频、高分辨率成像的需求等问题，本发明能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统；激光发射系统包括激光器模块、第一发射系统、第二发射系统，回波接收系统包括第一接收系统和第二接收系统；本发明采用光学相控阵作为光束偏转器件，有效的减小了系统的体积。

采用盖革模式APD阵列作为光电探测接收器件，实现更远距离的探测，以及获取更高的距离分辨率。

权利要求书2页 说明书4页 附图4页CN 107589428 A 2018.01.16C N 107589428A1.基于多面阵APD阵列的复合模式激光成像雷达系统，所述成像雷达系统能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；其特征是，包括中央处理单元(6)、激光发射系统和回波接收系统；所述激光发射系统包括激光器模块(1)、第一发射系统(2)、第二发射系统(3)，第一发射系统(2)包括相位调制器阵列、光纤放大器阵列、准直扩束光路阵列、单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；第二发射系统(3)包括相位调制器(3-1)、光纤放大器(3-2)、准直扩束光路(3-3)、单向玻璃(3-4)和光学相控阵(3-5)；所述回波接收系统包括第一接收系统(4)和第二接收系统(5)；所述第一接收系统(4)包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、多组淬火电路和第一距离测量单元；第二接收系统(5)包括滤光片(5-1)、双胶合透镜(5-2)、面阵APD(5-3)、淬火电路(5-4)和第二距离测量单元(5-5)；所述中央处理单元(6)向激光器模块(1)发送控制信号，向激光发射系统发送驱动信号；激光器模块(1)接收到中央处理单元(6)发送的控制信号后发射多束激光，所述多束激光分别经第一发射系统(2)的相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束光路阵列后经单向玻璃阵列进入光学相控阵阵列，所述第一发射系统(2)中的光学相控阵阵列根据接收的驱动信号控制多束激光偏转并对目标区域进行电光扫描；多束激光经过目标区域反射后，再次经过光学相控阵阵列、单向玻璃阵列反射至第一接收系统，多束激光分别经过滤光片阵列和双胶合透镜阵列后汇聚到面阵APD阵列的感光面上，所述面阵APD阵列将接收的多束激光的光信号转换成电信号，经对应的淬火电路后由第一距离测量单元计算目标区域的距离信息，并传递至中央处理单元(6)；所述中央处理单元(6)根据多束激光偏转角度信息以及目标区域的距离信息，获得目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统扫描成像。

基于APD阵列的三维激光成像系统及方法
（19）中华人民共和国国家知识产权局
（12）发明专利说明书
（10）申请公布号
CN105242281B
（43）申请公布日2017.10.20（21）申请号CN201510555861.0
（22）申请日2015.09.01
（71）申请人西安交通大学
地址710049 陕西省西安市咸宁路28号
（72）发明人孙剑;刘倩玉
（74）专利代理机构西安智大知识产权代理事务所
代理人何会侠
（51）Int.CI
权利要求说明书说明书幅图
（54）发明名称
基于APD阵列的三维激光成像系统及方法
（57）摘要
基于APD阵列的三维激光成像系统及
方法，该系统包括激光发射器，固定在激光
发射器出光端的半透半反镜，固定于半透半
反镜透射光路上的达曼光栅，目标物体固定
于达曼光栅出光端，固定于目标物体反射光
路上的第一汇聚透镜，固定于第一汇聚透镜
汇聚光路上的数字微镜器件DMD，固定于数
字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透
镜，固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的8*8
的APD阵列探测器；固定于半透半反镜反射
光路上的第三汇聚透镜，固定于第三汇聚透。

空间成像与激光通信共口径光学系统设计金光;李艳杰;钟兴;任秉文;王长庚【摘要】针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题,提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统.从像差理论出发,给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法.实际设计了共口径光学系统,该系统口径为600 mm,次镜遮拦比为0.225,成像系统的传递函数在50 lp/mm时大于0.47,接近衍射极限;发射分系统波像差远小于λ/20,发射激光的最小束散角可达4 μrad,出射光斑质量良好;接收系统达到衍射极限,光斑远小于探测端面,满足探测要求.最后,进行了公差分析,给出了光学系统的装调方法.该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积,同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)008【总页数】8页(P2067-2074)【关键词】共口径光学系统;卡塞格林天线;遮拦比;空间成像;激光通信【作者】金光;李艳杰;钟兴;任秉文;王长庚【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】O435.2;TH7031 引言随着高分辨率成像系统的发展，出现了星际、星地海量数据快速传输的需求。

激光的短波长，高载波频率特性使其具有传输速率高、信息容量大的优势，有望突破微波传输的带宽瓶颈；此外，激光通信具有功耗低、抗截获能力强等特点，适合于星际、星地、空空、空地等链路通信［1－3］；因此，空间激光通信系统的研制备受关注。

专利名称：阵列光束发射与成像一体化装置、系统及使用方法专利类型：发明专利
发明人：姚刚,胡黎明,宋磊,赵东舸,彭小康,李强,武春风,张贵清,熊准,陈欣,李梦庆,兰硕,韦博
申请号：CN202110081559.1
申请日：20210121
公开号：CN112764236A
公开日：
20210507
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种阵列光束发射与成像一体化装置、系统及使用方法，该装置包括：孔径光阑、多个光束发射与成像子模块以及光学合成成像单元，孔径光阑设有多个子孔径；每个光束发射与成像子模块均包括：与每个所述子孔径一一对应设置的光路单元、与每个所述光路单元一一对应设置的分光单元以及与每个所述分光单元一一对应设置的激光发射单元；光学合成成像单元用于将所有分光单元透射的光相干合成形成图像。

本发明可实现对远距离弱小目标、高速机动目标的有效成像识别。

另外，光学合成成像单元与每个光束发射与成像子模块的激光发射单元，共用一个子孔径、一个光路单元以及一个分光单元，可使阵列光束发射与成像一体化装置的整体重量和体积更小。

申请人：湖北航天技术研究院总体设计所
地址：430040 湖北省武汉市东西湖区金山大道9号
国籍：CN
代理机构：武汉智权专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：邱云雷
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