ZEMAX在透射儀測量光路準直系統設計中的應用*

周樹道，馬忠良，王 敏

(1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學 氣象災害預警與評估協同創新中心，江蘇 南京 211101)

ZEMAX在透射儀測量光路準直系統設計中的應用*

周樹道1,2，馬忠良1，王 敏1

(1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學 氣象災害預警與評估協同創新中心，江蘇 南京 211101)

在ZEMAX非序列環境下建立了透射儀光學系統模型。利用建立的模型研究了LED光源表面特征對透射儀測量光路準直的影響，并通過增加擴散片優化了光學系統結構。對提出的基于掃描方式的測量光路準直方法進行了仿真研究。研究結果表明，基于該方法方位角測量最大相對誤差為2%，驗證了該方法的可行性。

ZEMAX；準直系統；透射儀

0 引言

透射儀是機場跑道進行水平能見度測量的常用設備[1]，也是世界氣象組織(WMO)進行大規模能見度測量儀器比對時采用的標準設備[2]。在透射儀光學測量系統中，發射端與接收端之間測量光路的準直性能對接收端接收光強的影響與能見度下降對接收光強的影響相同[3]。因此，透射儀測量光路處于非準直狀態時會使得能見度測量精度下降。在透射儀使用過程中，首先需進行測量光路的對準。由于透射儀發射端與接收端距離(基線)較長，測量光路對準十分困難。可見，測量光路準直技術是透射式能見度探測技術中的一項關鍵技術[4]。

ZEMAX是美國FocusSoftwareInc公司設計開發的光學設計及仿真分析軟件[5]，具有強大的激光束傳輸仿真功能，提供了序列及非序列兩種光線追跡模式。其中，非序列模式下有多種光源模型，包括高斯光束、半導體高斯光束、橢圓高斯光束等。將ZEMAX軟件應用到透射儀測量光路準直系統設計中，可以輔助光學結構的優化設計；在系統硬件實現之前，分析系統設計方案可行性。

1 透射儀光學系統模型

1.1 系統結構

透射儀光學系統是透射儀測量系統的重要組成部分，光學系統直接反映了透射儀測量原理，光學系統設計對透射儀測量精度具有重要影響。透射儀光學系統由發射端與接收端兩部分組成，如圖1所示。發射部分主要包括光源、光電傳感器、發射透鏡、光闌、光筒。接收部分主要包括接收透鏡、光電傳感器、光闌、濾光片、光筒。光源發出的光經過發射透鏡匯聚以近似平行光從發射端發出，光源的發散角得到壓縮，探測光束的能量體積密度得到提高，使得接收光學系統可以接收到更多的能量。探測光束經過基線長度的空氣傳輸以后經過接收透鏡匯聚、光學濾波在光電二極管上形成測量光斑，產生電信號，電信號強度正比于接收光強。

與其他光源相比，LED光源具有光源面積小、發光穩定、響應速度快和易于調制的特點[6]。同時，在各類LED光

源中，530nm綠光LED更加接近人眼最敏感的光譜，因此，透射式能見度測量系統中光源采用綠光LED。為了盡量減小探測光束擴散角與接收視場視場角，發射透鏡與接收透鏡均采用非球面鏡。接收濾光片用以過濾雜散光干擾。光闌及光筒內表面能夠吸收雜散光，避免反射影響光強測量。基線長度為50m。光學系統主要參數如表1所示。

表1 透射儀光學系統主要參數

1.2 系統建模

圖2 光源仿真結構

根據上述透射儀光學系統結構，在ZEMAX非序列模式下構建了透射儀光學系統模型。光源采用OSRAM公司LT-W5SN型綠色LED光源，在非序列模式操作窗口“Soucefile”導入相應光源的仿真文件可以進行光源的仿真，光源追跡光線數為5M，系統波長“Wavelength”為530nm，光源仿真結構如圖2所示。

發射透鏡與接收透鏡材料為K9。采用“AnnularVolume”類型構建光筒及光闌模型，材料為“ABSORB”，光筒為圓柱形，光筒長度為155mm，筒壁厚度為1mm。采用“DetectorRect”類型構建光電傳感器模型，傳感器為2mm×2mm正方形，厚度為1mm。通過調整發射透鏡與接收透鏡“ZPosition”控制基線長度。光學系統模型如圖3所示。

圖3 光學系統模型

2 LED光源表面特征對測量光路準直的影響

圖4 光源表面電極形狀

為了解決LED光源發光芯片散熱及電流擁擠問題，需要對LED光源發光芯片電極進行優化設計，形成一定的電極形狀，且電極不發光。OSRAM公司LT-W5SN型綠色LED光源表面形狀如圖4所示，從圖4中可明顯看出L形電極形狀。由于透射儀基線較長，LED光源表面特征會影響透射探測光束在接收鏡頭前形成的遠場光斑能量分布。為了驗證LED光源表面L形電極對探測光束遠場光斑的影響，在接收鏡頭前放置400mm×400mm大小的“DetectorRect”探測器，追跡光線為5M，光源發光功率為1W。實驗結果如圖5所示。

圖5 電極形狀探測光束遠場光斑的影響

由圖5可知，在光斑圖樣中間出現能量較弱區域。當透射儀發射端對準，即透射儀探測光束遠場光斑中心與接收鏡頭中心重合時，透射儀接收到的接收光強較弱，使得透射儀測量光路準直效果降低。同時，光斑表面L形能量較弱區域會影響能見度測量的穩定性。

圖6 增加擴散片后遠場光斑圖樣

為了克服光源表面特征的影響，考慮在發射光闌前增加擴散片，使得光源發出的光在到達發射光闌前表面時經過一次均勻發散，從而使得遠場光斑能量分布得到改善。在ZEMAX非序列模式下，用“RectangularVolume”類型構建擴散片模型，擴散片內部光的傳播采用米散射模式，擴散片大小為2mm×2mm，厚度為1mm。實驗結果如圖6所示。

與圖5所示的實驗結果相比，圖6中L形能量較弱區域消失，探測光束遠場光斑能量分布變得均勻。與不加擴散片相比，接收鏡頭前探測器上接收到的總能量下降50%，但是接收光闌后光電傳感器接收到的能量增加30%，說明通過增加擴散片可以明顯改善透射儀測量光路準直效果。

3 基于掃描方式的測量光路準直方法仿真實驗

基于掃描方式的透射儀測量光路準直方法是根據透射儀測量光路的對稱特性提出的準直方法。目前，基于該方法設計的測量光路準直系統仍處于設計研究階段。基于掃描方式的測量光路自動準直方法是：使得發射端探測光束或接收端接收視場以相應的發射或接收鏡頭為支點，分別進行兩個垂直方向上的掃描，掃描過程中記錄旋轉角度及相應位置的接收光強，根據得到的接收光強與旋轉角度數據計算測量光路在準直狀態下發射端或接收端兩個垂直方向上的方位角，進而驅動發射端或接收端到達方位角指定位置，實現測量光路準直。在ZEMAX非序列模式下，可以對透射儀光學系統模型中的各物體進行精確的移動、旋轉。因此，可以在非序列模式下對基于掃描方式的測量光路準直過程進行仿真研究。

3.1 非準直狀態的構建及掃描過程的實現

透射儀測量光路非準直狀態是指發射端探測光束中軸線與接收端接收視場中軸線不重合。為了研究準直方法的可行性，需要在ZEMAX非序列模式下利用光學系統模型構建測量光路非專職狀態。將發射端所有物體的參考面設為發射透鏡，將接收端所有物體的參考面設為接收透鏡，通過調整發射透鏡或接收透鏡的“XPosition”及“YPosition”可以使得測量光路處于非準直狀態。由發射端與接收端位置變化，可計算得到準直各軸向準直方位角理論值。

根據基于掃描方式的測量光路準直方法，為了實現發射端或接收端的掃描，通過調整發射透鏡或接收透鏡“Titleaboutx”參數使得發射端或接收端進行掃描。掃描過程中記錄相應參數數值作為旋轉角度數據，記錄接收端“DetectorRect”探測器采集到的接收光強作為相應的接收光強數據。

3.2 仿真實驗結果

根據位置參數計算出發射器與接收器兩個垂直方向上準直方位角的理論值。調整發射器與接收器鏡頭方向參數，使其在兩個垂直方向(方位角α與方位角β)上進行±0.2°的掃描，每隔0.002°記錄一次接收器接收光強。基于角度和光強數據利用上述準直算法計算準直方位角的實驗值，并與理論值進行對比，得到圖7～圖10所示的實驗結果。

圖7 發射端方位角α

圖8 發射端方位角β

圖9 發射端方位角α

圖10 發射端方位角β

由實驗結果可得，發射器與接收器各方向上的方位角實驗值與理論值一致性較好，根據每組數據理論值與試驗值之間的差可得到值最大相對誤差為2%，且相對誤差并不隨對準偏差的增大而增大。該準直方法可以實現較小方位角的測量，實驗中測得的最小方位角為0.002 8deg。實驗中，每個方向上進行±0.2deg掃描，共采集200組數據，即可實現對準直方位角的測量。掃描范圍較小，因此可以在較短的時間內實現發射器與接收器的對準。

4 結論

本文將ZEMAX軟件應用到透射儀測量光路準直系統設計中，在ZEMAX非序列環境下構建了透射儀光學系統模型。研究結果表明，LED光源表面特征會影響透射儀發射端探測光束遠場光斑能量分布，進而影響測量光路準直性能。通過增加擴散片可以明顯改善測量光路準直效果。本文驗證了基于掃描方式的測量光路準直方法的可行性，為基于該方法的準直系統的設計與實現提供了參考。

[1] 程紹榮,魏全忠,呂軍.一種實用型大氣透射式能見度儀的研制[J].光電工程,2011,38(2):144-150.

[2] 邢向楠,崔巖梅,李濤,等.基于透射法的能見度測量裝置設計與實驗研究[J].計測技術,2011,31(3):10-13.

[3] 馬忠良，周樹道.透射式能見度儀發展現狀與關鍵技術[J].氣象水文裝備，2015(2):9-12.

[4] 邢向楠,崔巖梅,張富根,等.能見度測量技術現狀及發展趨勢綜述[J].計測技術,2010,30(5):15-20.

[5] 雷平順，薛力芳，何軍，等.ZEMAX在多模光纖準直器設計中的應用[J].激光與光電子學進展,2011，48(1):58-61.

[6] 羅曉霞，劉華，盧振武，等.實現LED準直照明的優化設計[J].光子學報，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

國家自然基金(無人機實時全景遙感成像技術研究)(41301370)

TN12；P

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.024

周樹道，馬忠良，王敏.ZEMAX在透射儀測量光路準直系統設計中的應用[J].微型機與應用，2016,35(22)：92-94,97.

2016-05-19)

周樹道(1964)，男，碩士，教授，主要研究方向：透射式能見度探測技術。

馬忠良(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向：透射式能見度探測技術。

王敏(1983)，女，碩士，講師，主要研究方向：信號與信息處理。