TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4825 ~ 4 8 3 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.436 6          4825     Re cei v ed  Jan uary 3, 2014;  Re vised Ma rch 16, 2014; A c cepted Ma rch 29, 2014   Design of an Optical Emitting System for Scannerless  Imaging LIDAR Based on ZEMAX      M. R. Anjum 1 , Wang Xiao w e i 1 , Khanz a da T. J. S 2 , M. A. Shaheen 1   1 Beijin g Institute of  T e chnol og y, Beij in g, Chin a, 1000 81   2 Mehran U n ive r sit y  of Eng i ne erin g & T e c hnolog y Jams horo,  Sindh 7 6 0 62, Pakistan   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  engr.riz w a n@ iub.e du.pk       A b st r a ct  Optical em itting  system  is an  e ssential part  of scanner less  im ag ing  LIDA R. It plays  an  im portant   role in d e cre a s ing the d i ver genc e ang le a nd ho m oge ni z i ng the be a m  spot w h ich ha ve an i m mens e   influence  on the light  signal  back from  the target. This res earch  work pr oposes the  des ign of the syste m   usin g Z E MAX mo de l also  det ermine th e inc l udes sh ap i ng and  z o o m i ng  features of  desi gn  mod e l. In th e   shaping system  feature we  used two  cylindrical lenses   whose acc u rat e  pos itions  have been s o lved by   using the theor ies  of  m a trix  optics  and Gauss optics. The  cam curv e of  a  three-gr oup z oom  system with  (2x-7x)  z o o m  r a tios  has  bee n  draw n. T h e  si mu lati on r e su lt s verify the  av aila bi lity that th e b e a m  fro m  t h e   laser d i od e me ets the requir e me nts a fter optical e m iss i o n  from syste m .     Ke y w ords :   LI DAR, optical em itting system ,  optical design,  Matlab, ZEMAX      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Imaging LIDA R are hi gh an gular a nd ha s range resolu tion It can get the high re solution  3D imag e wh ich contain s  the dista n ce a nd inten s it y informatio n. Therefo r e, it is suitable fo r the  developm ent  of the  mi ssil e  gui dan ce,  aircraft  navig ation, terrain  survey, und e r wate r dete c tion   and related  a pplication [1-4]. Imaging LI DAR i s  divi de d into two typ e s: sca nne r a nd sca nne rle ss.  Comp ared to  the sca n  i m aging  LIDA R, the  sc an nerle ss ima g i ng LIDA R,  whi c h i s   without  scann er mirror, n o t only i s  m o re  sta b l e , but al so  h a a hi ghe r i m age  upd ate  rate and  a  lager  field angle of  view [5-8].   Ho wever a miniaturi z e d   scann erle ss  i m aging LIDA with semi con d u c tor  la ser unit  need s a  unifo rm la se r spot  as it s sou r ce . A solution  should  be fou n d  to bal an ce t he la rge  bea diverge n ce a l ong  with the  different an gles  of two  axes of  semi con d u c tor la ser [9], an for  improvin g the  sign al-to - noi se ratio. Wh e n  the la s e returns bac k ,  the LIDAR  s hould take a better  use  of the  so urce en ergy. This  re sea r ch  wo rk i s  h e lpf u l to the en gi neeri ng a ppli c ation  of ima g ing   lase r ra dar.   Radi ation ch ara c teri stic o f     laser diod f eature s   carri es  due to  its small  si ze, light  quality, low t h re shol d, low co st,  these  prop ertie s   th e  la ser diod e play an  im portant  role  in the   informatio n time, esp e ci al ly in the field  of comm unication LI DAR. Th e lase r dio de  has  unbal an ced  active region  and the  bea m ha s the la rge  and  different dive rge n c e a ngle s  al on g   hori z ontal  an d vertical ax es  (the fa r-fi e ld di ve rge n c angl es in  the  slo w -axi s a nd fa st-a xis  dire ction s   are  abo ut 1 0  d e g ree s  an d 3 0   degre e s,  re spectively) [10 ,  11],  [18-20].  This effect is   s h ow n  in  F i gu r e  1 .       Figure 1. Rad i ation Pattern  of a Semicon ducto r Dio d e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4825 – 4 832   4826 Whe r e   ω      , are the half length s  of th e active regi on in the parallel and pe rpen dicula dire ction s ,   ߐ         , are the h a lf far-field di vergen ce a n g les in the p a rallel a nd p e rpe ndi cula dire ction s   re spectively. For optical  de sig n , we ju st  co nce r n th e wa velength (905 nm) a nd the  far- field dive rgen ce  angl es   (2 5  deg re es alo n g  X axi s   and   10 d e g r ee al ong Y  axis)  of PGAS1S12 H the la se r di od e of Pe rkinEl mer In c,  und er  ob servat io n for this work.  With o u r suppo rt  circuit, the   pea k po we of this dio de  can  be u p  to  100 W,  by usi ng the n on-seque ntial mo de of ZEMAX to   simulate  the  radi ation  of the dio de.  The b eam  spot ra diation  pattern  a s   sho w n  in Fi g. 2   represent s the better view  of visibility or observation .          (Dete c to r si ze: 20mm x 20mm. Distan ce : 50mm)    Figure 2. Inco here n t Irradi a t ion of the Diode        This  re sea r ch  pape r i s  o r g anized a s  foll ow s. Sectio 2 presents  o u r p r op osed  sha p ing  system d e si g n  of LIDAR  with t heoreti c al  analysi s  an d  discu ssio n . The zoom  sy stem de sig n   and   simulatio n  re sult are p r e s e n ted in se ctio n 3. Section 4  con c lud e s th e article.        2.  Shaping Sy s t em De sign   The sh apin g  systems of  semic ond uctor lase r are  often taken  into cylindri c al len s asp heri c al  le ns  and  mi cro-p r ism   stack [12 - 1 4 ]. T he b e st  ch oi ce  whi c h  m eets th e a c t ual  requi rem ent of our re se a r ch i s  the orthogon al  cylindri c al len s e s  system. In  orde r to get a  rotational  symmetry bea m, the ratio of the focal len g th of two cylindri c al len s e s  sh ould b e  larg e r   than the ratio  of the two far-fiel d  divergen ce angl es (whi ch is se t to be the r a tio of 2.5).  The  para m eters o f  two cylindri c al lenses, whi c h are  used for ou r simul a tion, are sho w n in Table 1.       Table 1. The  Paramete rs o f  Two Cylind r i c al Le nses / mm  Aperture   Object Focal Len gth  Radius of Curvat ure   Back Focal Length  Center   Thickness  25.4 25  12.92   17.09   12  25.4 75  38.76   72.89   3.2      The two cyli ndri c al le nse s  collimate t he sl ow -axis and fa st-axi s, re sp ectivel y . This is  s h ow n  in  F i gu r e  3 ,   w h er e   ߐ   , are th e h a lf far-field  di vergen ce  an gles i n  the p a rallel  (Y axi s and p e rpen d i cula r (X  axis)  dire ction s  re spe c tively  1 d , 3 d are th e first an d the  seco nd le ns  distan ce s fro m  diod e a n d   2 d , 4 d   a r e  th e   s pec ific   d i s t an c e s  fr om th e  two  le ns es . If we  co ns id er   the two direct ions h a ve the  same  spot  si ze   an d divergen ce an gle s  on the dotte d line, the laser  spot shoul d b e  circle.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of an  Optical Em itting Syst em  fo r Scan nerl e ss Im aging LIDAR… (M. R.  Anjum )   4827     Figure 3. Sch e matic of Sha p ing System       To determi ne  the position s  of two len s e s , a  single  geometri cal  optics  c ann ot get the strict   results, however the  method  with  mat r ix optics and  Gauss opti c w ill get the better results.  With  combi nation s  of q parame t er of Gauss beam, it  is  easy for the  matrix optics to describe  the   transmitting p r ocedu re of the beam in th e air and o p tical sy stem s [15].  The q pa ram e ter is defin e d  as:     2 11 (z ) ( ) ( z ) i qR z                           (1)     Whe r e , (z ) R , (z)   are  the wavele ngth of the lase r bea m, the radiu s  of curvatu r e  of  equip h a s su rface  at a  sp ecific di stance  an d  th spot si ze  at a  spe c ific  dista n ce  re sp ectiv e ly.   The tran smi s sion  matrix  of a  beam,  whi c h i s  f r om  the  sou r ce t o  the ta rg et throu gh th e e n tire   medium, is d e fined a s   A B T CD                         (2)     So as  we  k n ow that:    1( x , y ) 2( x , y ) 1( x , y ) Aq B q Cq D                                                                       (3)    Whe r e 1( x , y ) q , 2( x , y ) q are th e q  pa ramete rs of the  be a m  at the  be gi nning  an d th e q  pa ramete r of   the  beam  a t  the targ et   re spe c tively. The i ndex  (x, y)  rep r e s ent s the  dif f erent di re cti on.   Substituting  Equation (1) i n  Equati on (3 ) then we  can  get an equati on:    24 2 1( x , y ) 1( x , y ) 2 2( x , y ) 2 1( x , y ) 24 2 1 ( x, y ) 1 ( x, y ) 2( x , y ) 42 1( x , y ) 1( x , y ) 1( x , y ) (A B / R ) ( ) (A D B C ) (A B / R ) ( ) (A B / R ) (C D / R ) B n B R BD                        (4)     Whe r e (1, 2)   rep r e s ent the lase r bea m at the be ginnin g  and the end, respectively.   ݊   is  refra c tive in d e x of the  me dium  (in th air).  The  p r o c ess i s   com p u t ed by M a tlab . It is  req u ire d  to  dra w  the   tran smissio n  cu rves of Gau s s beam in the   two dire ction s , X (fast-axi s ) an d Y (slo w- axis). The  co mputation p r o c e ss h a s two parts:   a)  Determine th e position s  where the si ze s of  beam lo st of the two  dire ction s  are  the  bigge st, so th e diverge n ce angle s  are the smalle st re spe c tively.  b)  Fine a d just t he po sition s t o  ma ke the t r ansmi ssion  curves in two  dire ction s  sh ould   be nea rly parallel, so the b eam sp ot will be nea rly circle in a large  range.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4825 – 4 832   4828 The tran smi ssi on  cu rve  has d r a w n t he tw part s , the  re sult  sh own in   Figure 4   corre s p ondin g  to Table  2.  The dive rge n c e a ngle s  of t he fast -axis a nd sl ow-axis  are 0.0 635  m r ad  and 0.06 22 m r ad. The s re sults a r e ba sed on an id ea l situation       Figure 4. The  Tran smi ssio n  Curve s  of Different Axis      Table 2. The  Beam in Two  Dire ction s  Pa ramete rs    Direction  position of lens (mm)   size  of w a ist (m m)  position of w a ist     (m)   Divergence  angl e   (mrad )   fast () X  17.429   9.067   -25.065   0.0635   slow () Y  74.010   9.259   -65.998   0.0622       The pa ramet e rs p a sse d  to the system  and t he po si tions of two  cylindri c al le n s e s  are  pro c e ss  into  ZEMAX.The model and the simul a tion  of beam spo t  are sho w n i n  Figure 5 a nd  Figure 6 re sp ectively.        Figure 5. The  Model of Shaping System       (a)     (b)   Figure 6. Inco here n t Irradi a t ion of the Diode after Sha p ing (Dete c to r si ze: 20mm  x 20mm);   (a) 1 00mm di stan ce,  (b)  2 00mm di stan ce       3.  Zoom Sy ste m  Design   Usually the emission fro m  optical sy stem  of the scann erle ss imaging LI DAR ca nnot   cover th e targets u n iforml y, if it has a  singl e sh apin g  system. T h e beam  sh ou ld be in cre a sed  and it a d ju sted for the a d apting of  different  situatio ns  e.g. the  same ta rget i s  at the diffe rent  dist an ce s o r   two targets  a r e the   same  distan ce but  the  carry  different sizes.  T h ree   group s are  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of an  Optical Em itting Syst em  fo r Scan nerl e ss Im aging LIDAR… (M. R.  Anjum )   4829 cho s e n  as th e  structu r e o f  zoom syste m  such  that fixed grou p, zoom group a nd com pen sa tion  grou p [16-17] . As sho w n i n   Figure  7, whe r 1 d is the distan ce b e twee n zo om g r oup  and fixe d   grou p before  zoomin g,   ' 1 d   after zoomin g,  2 d are the dist ances bet we en com pen sa ting grou and fixed gro up befo r e an d after re sp e c tively.  Zoom  ratio dep end s on the m o vements of t h e   zoom g r o up a nd the com p e n satio n  gro u p  to realize b e am zoo m .       Figure 7. The  Structure Ch art of  Thre e Grou ps Z oom  System      To draw th e  cam  cu rves it is criti c al  to  kee p  the  optical  syste m  duri ng the  desi gn  pro c e ss. T h e  cam  cu rves,  however  it is determi ned  by the focal  l ength of the t h ree  group s.  In  orde r to make the system  reali z ed. Th e focal len g ths  sho u ld con s id er for the follo wing rule s:  a)  Long er than   15mm. It  will  be difficult to  pro c e s s the  l ens, if  its fo cal len g ths a r e  too  s h ort.  b)  The sp ace  b e twee two grou ps which   is  affecte d   by the fo cal  l ength s   sho u l d  be  longe r than 5 mm or the group s ca n’t be  installed tog e ther.   These rule s are im pleme n t ed by the ai ded d e sig n  u s ing M a tlab. It is req u ire d  the focal lengt hs  of fixed grou p, zoom g r ou p and compe n satio n   gro u p  as 89m m, -29mm, -120 mm, resp ecti vely  and dete r min e  the zoom  ratio is 2x-7x as  nee ded t hen the re sul t ant cam curves are  sho w n in  Figure 8, the related d a ta a r e sh own in T able 3         Figure 8. The  Cam Cu rve s  of the Zoom System      Table 3. The  Space from F i xed Grou p at Different Zoo m  Ratio    Zoom ratio   2x 3x  4x 5x  6X  7x  ݀ /mm  103.01 124.52 146.03 167.54 189.05 210.55   ݀ /mm  153.13   91.75   61.60  42.65  30.37   21.69       It is requi red  the model s for thre e different zo o m  rati os a s  shown  in Figure 9. An ideal  parall e l beam  is expand ed  by the zoom  system  by ge tting the different width s  value.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4825 – 4 832   4830   (a) 2x     (b) 4x       (c ) 7x     Figure 9. The  Zoom Syste m  with Differe nt Ratios      4.  Resul t s of O v erall S y ste m   The two p a rt s of th e emi s sion  optical  sys tem have  b een  desi gne d  and  asse mbl ed a s  it  is sh own in Figure 1 0 . The  whol e length  of the system  is sho r ter tha n  300mm         Figure 10. Th e Emissi on O p tical System       Simulation i s  perfo rme d   by usin g ZE MAX and a  se rie s  of result s of in coherent  irra diation  are presented   in Figu re  11.  The  Fi gu re  11(a) is th e la ser be a m  witho u t b e ing  expand ed by  the zo om sy stem an d it g i ves mo re  uni form an d exp ende d bea after 2x, 4x, 7 x   zoom. T he irradiation  unifo rmity is calcul ated a fter im p o rting the  bea m data into M a tlab an d the n   the ratio of specified mini mum  illuminance to average  illuminance  called uni f ormity of laser  diode  witho u t any opti c al  system s, the  beam   after sha p ing syst em  an the  beam after  t h e   overall sy ste m  are 3.181 6 ,  3.2583 and  4.9390 respe c tively. So one can see tha t  the beam spo t   at the target become s  more uniform,  which  h a s a g r eat benefit for the signal p r oce s sing.          (a)  without zo om system     (b) 2x zoom       (c ) 4x  zoo m     (d) 7x zoom     Figure 11. Incoherent Irra di ati on of Laser Beam (Dete c tor si ze: 100 mm x 100mm .  Distan ce:  500mm )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of an  Optical Em itting Syst em  fo r Scan nerl e ss Im aging LIDAR… (M. R.  Anjum )   4831 In orde r to ge t the actual di vergen ce  ang le, when th e zoom  ratio i s  4x, the beam  spot at   3m dista n ce are p r e s ente d  in Figure 1 2 . The sp ot sizes at 0.5 m  and 3m di stan ce a r e a bout   40mm and  70mm so the  divergence angle i s  ab out  6 mrad then the beam  si ze  will  cover  the   targets  uniformly at hundre d s of meters  distan ce.         (a) at 0.5m di stan ce     (b) at 3m di st ance     Figure 12. Incoherent Irra di ation of Beam at 4x (Dete c tor  size: 100 mm x 100mm .              5. Conclu sion   This  pap er  p r esents an  o p tical e m itting sy stem fo r scan nerl e ss imagin g  LI DAR. It  deploy s the shapin g  syste m  from the m a trix opt ics a nd Gau s s opt ics. Fu rthe rm ore the u n iform  lase r bea m and adj usta bl e zoo m  syst em ha s bee n determi ned . The simulat i on re sult s h a ve  verified the p r acti cal value s  in variou cru c ia situati ons. We hav e pre s ente d  the theoreti c al  spe c ification  of optical de sign,  which p r ovide s  a po ssi bility for widely use d  scanne rle ss fiel ds  sy st em d e sig n .        Referen ces   [1]  Mole bn y, Vas y l ,  Gar y  Kam e rmanb, OveStei n vallc.  L a ser ra dar: from  ear ly  history to n e w  trends . Proc.   of SPIE. 2010; 783 5: 783 50 2-1.  [2]  Marino RM, Steph ens T ,  Hatch RE, et al.  A comp act 3D  ima g in g laser  radar system  usin g Geiger- m o de AP D arr a ys: system   and meas urem ents.  AeroSens 200 3. Internati ona l Soci et y fo r Optics an d   Photon ics. 200 3; 1-15.   [3]  Richmo nd, R i c hard  D, Steph en C  Cai n Dir ect-detection LADAR systems.  SPIE Press, Bellingham.   201 0. ISBN: 97808 19 480 73 6   [4]  Gleckler, Anthony  D.  Mu ltipl e -slit streak tu be i m agi ng  LIDA R (MS-ST I L) ap plic atio ns . AeroSens e   200 0.  Internati ona l Societ y fo r Optics and Photon ics. 200 0; 266-2 78.   [5]  Gelbart A, Redman BC, Light RS, et al.  F l ash LIDAR  base d  on  mult iple -s lit streak  tube imagi n g   LIDAR . AeroS ense 2 0 0 2 . Internati ona l Soci et y  for Optics a nd Photo n ics.  200 2; 9-18.   [6]  Ailisto, H e ikki,  et al. Scan nerl e ss ima g in g p u lse d -las er ran ge fin d in g.  Jo urn a l   o f  Op ti cs A: Pu re  an Appl ied Optics.  2002; 4.6: S33 7 [7]  Guang, De ng,  Liu Qing w a n g , Li Z eng yu a n , Z hang  Xu,  and Hu an g Z hench un. A Kind of Li da r   Appl icatio n Gr id Bas e d  on  eScie n ce ’s  Vie w T E LKO M NIKA Indo n e sia n  Jo urna l  of Electric a   Engi neer in g.  2012; 10( 5): 114 7-11 50.   [8]  Ji, Z hon g x i ao.  Ada p tive  Ca n c ellati on  of  Li ght  R e lativ e  I n tensit Nois e   for Fiber Opti c G y r o scope.   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2013; 1 1 (12):  749 0-74 99.   [9]  Hemin g   Che n ,  Xin y a n  Z h ao . T he princi pl e a nd  ap plic a t ion  of the  la ser. Pub lish i n g  H ouse  o f   Electron ics Ind u str y , Beij in g. 200 9. ISBN: 97871 21 085 05 5.  [10]  Pflibse n, Kent  P, Albert N  Stuppi. L a ser   lig ht beam  h o mog eniz e r a nd im agi ng  LIDAR s y ste m   incor porati ng s a me. U.S. Pat ent No. 5,303,0 84.12A pr. 199 4.  [11]  W A NG, De, XQ Li. Ne w   pro g r ess in semic o nductor l a sers  and th eir ap plic ations.  Optics and Prec isio n   Engi neer in g . 2001; 9(3): 2 79- 283.   [12]  Clarkso n W A DC H ann a. T w o -mirror  be a m-shapi ng  tec hni que  for h i g h - po w e di od e b a rs.  Optics  letters.  1996; 2 1 (6): 375- 37 7.  [13]  Serkan, Mert, Hul y aKirk i ci.  Optical bea m-shapi ng d e s ign b a sed  on asp heric al  lenses fo r   circular izati on, collim atio n, an d ex pa nsio n of  elliptic a l l a ser  beams.  Appl ie d optics . 200 8;  47(2): 230- 241   [14]  Shi,  Pe ng, et al.  Micro- prism  stack b eam  s hap er for  hi gh   po w e r l a ser  di ode  arra y.   Actaoptic asin ica.   200 0; 20(1 1 ): 1544- 154 7.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4825 – 4 832   4832 [15]  Peng, W u , et al. Stud y   on C o llim atin g of Semico nductor  Diod e  Las er.  Semico nductor  T e chnol og y .   200 9; 5: 012.   [16]  T ao Chun-k an.  Z oom  optica l   s y stem  des ign .  Natio nal  d e fe nse  ind u str y  p r ess, Bei jin g,  198 8. ISBN:   711 80 001 24.   [17]  ZEMAX Optica l Desig n  pro g ra m, User’s  Guid e Z E MAX Dev e lo pment  Cor p oratio n. 200 5.  [18]  Moosa A  Did a ,  MR Anjum,  F  M anzoor. C o mpar ative An al ysis of Ortho gon al F r eq ue n c y     D i visi o n   Multipl e xi ng a nd Si ngl e C a rrier C y cl ic Pr efix M o d u lati o n  Schem es in  Po w e rl in e C o mmunic a tio n   S y stems.  IJERT  Journal . ISSN # 227 8-0 181 . 2013; 2(1 2 ).  [19]  Shi P engf ei, M R  An jum, Z h a o  Yue. T one- Re servat io n b a se d o n  fracti ona F ourier  T r ansform for C h ir p- based OFDM.  Internati ona Journ a l of Sc i entific & E ngi n eeri ng (IJSER) . ISSN # 22 29 -551 8. 20 13;   4(7).  [20]  MR Anjum,  yin bei L i , shifen g fei. Improved c a libr a tio n  meth od of  amp litu d e  and  ph ase er rors base d   o n   dia gon al l o a d in g.  Internatio na l  jour nal  of Adv ance d  Materi al s Rese arch . S w itz e rla nd. 2 0 1 3 ; 717: 3 59- 364. ISSN: 166 2-89 85.                     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.