【摘 要】
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MEMS微镜的日趋成熟为激光雷达扫描光路设计提供了新的思路,但是其有效镜面尺寸的限制使得光束准直扫描光路设计中难以兼顾小的发散角、大的扫描范围以及高的发射效率,给激光雷达发射光学系统设计带来了很大的难度。为此,论文引入遗传算法,研究了MEMS激光雷达扫描发射光学系统理想镜组参数的最优化设计问题,得到了满足光学系统约束条件的最优化设计结果。论文在深入资料调研的基础上,梳理了项目组已有MEMS激光雷达
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MEMS微镜的日趋成熟为激光雷达扫描光路设计提供了新的思路,但是其有效镜面尺寸的限制使得光束准直扫描光路设计中难以兼顾小的发散角、大的扫描范围以及高的发射效率,给激光雷达发射光学系统设计带来了很大的难度。为此,论文引入遗传算法,研究了MEMS激光雷达扫描发射光学系统理想镜组参数的最优化设计问题,得到了满足光学系统约束条件的最优化设计结果。论文在深入资料调研的基础上,梳理了项目组已有MEMS激光雷达扫描发射光路的数学模型,推导了发射光路耦合效率计算公式;建立了基于遗传算法的MEMS激光雷达扫描发射光学系统理想镜组参数最优化设计方法,给出了设计变量、约束条件、设计目标、基因编码和交叉遗传变异算法以及最优化设计流程。在MATLAB软件环境下,编写了基于遗传算法的最优化设计程序,并对某款MEMS激光雷达研制所需扫描发射光路的理想镜组参数进行了最优化设计,结果为光束变换透镜组焦距f1=12.17mm、像点补偿透镜组焦距f2=17.002mm、准直透镜组焦距f3=10.613mm、光束变换透镜组焦点与光源距离x=3.682mm、MEMS微镜中心与光束汇聚点的距离R=34.014mm、光束变换透镜组孔径D1=9.735mm、像点补偿透镜组孔径D2=8.544mm、准直透镜组的孔径D3=8.49mm,经ZEMAX软件仿真验证,发散角达到0.0312rad、扫描范围达到28.47°以及发射效率达到75.39%。在此基础上,利用ZEMAX软件对上述镜组进行了面型、材料和厚度等镜片参数的详细设计,同时给出了镜组装配的位置参数。在实验上,以SPLLL90-3激光二极管为光源搭建了扫描发射光路的原理实验系统,测量了发射光斑、角度扫描范围和发射效率,分别达到0.033rad、27.69°、65.3%,与理论设计结果基本一致,验证了MEMS激光雷达发射光学系统优化的正确性。论文研究结果对于MEMS激光雷达扫描发射光学系统以及其它光束扫描系统的优化设计具有重要参考价值。
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