激光扩束系统设计

1、光学设计Optical desig n题目名称：准直扩束系统的设计学校：长春理工大学学院：光电工程学院专业：光电信息工程学号： 100212338姓名：魏松岩第一章绪论11.1引言11.2激光束与其准直扩束的原理 1激光高斯光束的特性122激光束准直扩束的原理1.3折射型扩束器基本结构 4幵普勒扩束镜伽利略扩束镜第二章光学设计软件ZEMAX概述5第三章激光准直扩束系统设计93.1准直扩束系统的参数确定 93.2确定激光扩束系统的初始结构9113.3 ZEMAX 的优化第一章 绪论1.1 引言激光扩束系统是激光干涉仪、激光测距仪、激光雷达等诸多仪器设备 的重要组成部分，其光学系统多采用通过倒置的

2、望远系统，来实现对激光 的扩束，其主要作用是压缩激光束的空间发散角，使扩束后的激光束口径 满足其他系统的要求。激光器发出的光束直径很细小，通常只有零点几到几毫米，激光束的 这些特性在某些方面是很有用的。然而在一些应用领域中需要的确是宽光 束，如激光全息、光信息处理、激光照明、激光测距等。例如在激光干涉 仪的应用中，它要照射比激光束口径大得多的被测物体，然后通过光束的 干涉来实现测量。又如在激光的全息应用中，它要照射比激光束口径大得 多的全息记录介质，以实现信息的记录和重现。因此需要使用激光扩束系 统来实现激光束的准直扩束。1.2 激光束与其准直扩束的原理1.2.1 激光高斯光束的特性激光束的性

3、质是由激光共振腔的几何形状和尺寸决定的,激光束具有特殊的结构 ,光束呈双曲线形，光束的截面上最小处称束腰 （见图 2.1）, 其半 径为 其中， b 为共振腔的共振参数。共振腔的共焦参数 b 可由下式求得 : 其中， R 为共振腔球面镜的曲率半径， d 为共振腔二镜面之间的距离。1.2.2 激光束准直扩束的原理最通用的扩束镜起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入负透镜和一 个输出正透镜。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共 焦结构。一般小于20倍的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、 价格也低。尽可能的该扩束镜设计成小的球面相差、低的波前变形和消色 差。它的局限性在于不能容纳

4、空间滤波或者进行大倍率的扩束。输入磴激光束如图所示，输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上（虚焦点） ，新的束腰0'和发散角'为和式中 为入射激光束在入射镜上光束半径，I是入射激光束腰与入射 镜的距离fl是输入镜的焦距。因为0'落在输出镜的后焦平面上，并且输出镜的焦距f2大于输入镜的焦距，高斯光束将被扩束镜准直。 准直倍率如厂?丁"W7 - 7.11 + (下：式中Ti fl f2， 和0是入射光束的发散角和束腰。经过扩束镜后， 束腰0"和发散角"为和。可得：o" Ti (l)。通过采用倒置的望远镜系统不但实现了对高斯光束发散角的压

5、缩，还增大了其腰斑的尺寸，实现了对高斯光束的扩束。1.3折射型扩束器基本结构幵普勒扩束镜在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候，人们一般使用幵普勒 设计的望远镜。幵普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片，把实焦距 聚焦的光束发送到输出元件上。另外，可以通过在第一个透镜的焦点上放 置小孔来实现空间滤波。伽利略扩束镜最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。一般2.1 ZEMAX 的简单介绍ZEMAX Optical Design Program 是美国焦

6、点软件公司 ZEMAX Development Corporation 幵发出来的ZEMAX光学设计软件，ZEMAX 是Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。是目前光学设计软件中应用最为广泛的一种。它不但可以模拟并建立各种光学系统模型，还可以对光学系统的成像质量进行分析，提供 了适用于不同系统的评价函数，如各种几何相差，光学传递函数（MTF），点列图，波前函数图等，对于一个光学系统可以选择多个评价函数来进行 成像质量的分析。此外，ZEMAX软件强大的优化功能能够为设计者的优 化设计带来很大程度的方便，而软件持有的公差分析功能又能为设计者在 实际加工和

7、装调前给出可靠的光学特性误差，为实际加工提供了可靠性的 保证。2.2用户界面介绍ZEMAX的视窗类型，和 Windows 的基本一致，打幵不同的视窗可 以执行操作不同的任务，可分为：2.2.1 主视窗 (Main Window)ZEMAX启动以后，进入主视窗(图1.1 )。主视窗顶端有标题栏(titlebar)、菜单栏(menu bar )和工具栏(tools bar )。2.2.2 编辑视窗(Editor Window )图1.1 ZEMAX主视窗界面ZEMAX中有6种不同的编辑器(Editors):即镜头数据编辑器(LensData Editor )，评价函数编辑器(Merit Funct

8、ion Editor )、多重组态 编辑器(Multi-configuration Editor )、公差数据编辑器(Toleranee Data Editor )、用于补充光学面的附加数据编辑器(Extra Data Editor )、以与非序列元件编辑器(No n-seque ntial Compo nents Editor )。2.2.3 图形视窗(Graphic Window )最常用的有草图(Layout )、扇形图(Ray fans )、调制传递函数(MTF Plots )图等。2.2.4 文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionDa

9、ta ）、像差数据等显示在文本视窗中。2.2.5 对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。用于定义或更新视场 （Fields）、波长（Wavelengths ）、孔径（Apertures ）、 面型（Surface types ）等。2.3 主视窗的操作（Main Windows Operations）主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜 头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO ）、入瞳直径（ENPD ）、系统总 长（TOTR ）。主视窗中的快捷按钮和状态栏中内

10、容可以自定义，菜单栏 中有：2.3.1 文件（File ）展幵后有文件的打幵（Open ），新建（New ），存储（Save），另 存为（Save as ）等，偏好（Preferenee ）可以修改文字大小，快捷按钮 和状态栏中的内容。2.3.2 编辑器（Editors ）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展幵后可打幵 Lens dataeditor ， Merit funetion editor。2.3.3 系统（System ）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的 工作波长等。2.3.4 分析( Analysis )它是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，是用来

11、进行像质评价和分析 的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要 有： Fans 中的球差( Ray aberration )，点列图( Spot diagrams )、调 制传递函数(MTF )、点扩散函数(PSF)、波像差(Wavefront )、圆 内能量集中度( Encircled Energy )；杂项( Miscellaneous )等。2.3.5 工具( Tools )也是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行 光学镜头的局部优化( Optimization )、全局优化( Global / Search /Hammer Optimiz

12、ation )等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的 点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新 增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。 第四块是镀膜模型。第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数 配合共同使用。第六块主要用来整体设计 (1) 按焦距或放大率缩放当前系 统；(2) 在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后讨论。2.3.6 报告( Report )形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告Surface data )；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data ）;还可以给出设计结

13、果的详细数据报告（Prescript ondata ）。2.3.7 宏编程（Macros ）执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX目录下的Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命 名或函数库进行程序编写；（3 ）用Macros菜单下的“ Run/Edit Zpl Macros"执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、像质评价等，可 以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当前显示 的镜头系统。2.3.8 外部程序接口（ Extensions ）ZEM

14、AX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可 以用C语言等编程工具完成。2.3.9 视窗（Windows ）与帮助（Help ）菜单2.4 ZEMAX 的像质评价部分2.4.1 Fa ns光学中的“ Fans”，即光扇图，与光学设计中的子午面和弧矢面的光 线结构相对应。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和 弧矢面内，形成子午扇形光线和弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述 跟像差有关的像质指标，可以统称为“Fans”。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。共有“Ray Aberr

15、ation , Optical Path和 Pupil Aberration ” 三种：242Ray Aberratio n由像质评价技术，独立的几何像差是按几何光线的空间结构来定义。轴上有球差、高级球差两种单色像差；有轴向色差(一般取0.707孔径)、 色球差、二级光谱三种色差；轴外有子午像差、弧矢像差与主光线像差。子午面与弧矢面单色像差有：场曲、慧差、像散，主光线像差有畸变、垂 轴色差。在考虑视场和孔径的高级像差时，种类更加繁多，有沿轴(或轴 向)像差，每一种像差反映了几何光线在成像时的空间位置分布，如果镜 头系统理想成像，所有的像差必须为零，数据量大，不利于总体掌握成像 情况。2.4.3

16、 Stop DiagramsRay aberration 仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，几 何点列图则能反映任一物点发出的充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散 情况。几何点列图通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的 弥散情况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为 原点的量化点列图。点列图(Spot Diagrams )的表现形式有五种：标准点列图(Standard )、 离焦点列图(Through Focus )、反映视场像高的点列图 (Full Field Spot Diagrams )、随视场与波长变化的点列阵图(Matrix Spot Diag

17、rams )、 随视场与多重结构变化的点列阵图( Configuration Matrix SpotDiagrams )。其中常用的是标准点列图。2.4.4 MTFMTF 是目前使用比较普遍的一种成像质量评价指标，称为调制传递函 数。它既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学 传递函数 (OTF )的模，曲线横轴表示像面上的空间频率， 单位： lp/mm ， 即每毫米多少线对，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度。任何一种物信息，都可以细分到点，也可以细分到线，调制传递函数 (MTF )的物理意义是：应用傅立叶变换原理与光学系统相干成像理论， 计算出镜头对逐渐变细的黑白线对

18、分辨的调制度。根据计算模型的不同， MTF 分为三类：(1) FFT MTF 基于快速傅立叶变换，先计算 PSF (点扩散函数)，再由 PSF T MTF ;(2) Huygens MTF 基于惠更斯包络面原理，先计算岀瞳面上的光瞳函 数，然后把岀瞳面细分，看成次级光源，在向像面传递；因此计算惠更斯 传函时，要将出瞳面细分网格、也将像面细分网格采样；(3) 几何MTF 基于几何点列图，转化成子午面或弧矢面上的线扩散函 数，再经傅立叶变换，得到调制传递函数。2.4.5 PSFPSF( Point Spread Function )反映点物经过镜头系统后，因像差或 衍射在像面上造成的扩散情况，横轴

19、为像面上的线性尺度，纵轴为归一化 能量分布。PSF计算模型也有FFT和Huygens两种。PSF 般使用在精 细成像质量或小像差系统场合，主要是用于小像差系统。246 Wave front“瑞利判断”和斯托列尔准则是评价光学系统成像质量的两个原则。瑞利认为当“实际波面与参考波面之间的最大波像差不超过四分之一丸时，此波面可看作是无缺陷的。”斯托列尔认为当“衍射光斑中心亮度与理想 衍射斑中心亮度的比值 £刀皿时，则光学系统的成像质量可视为完善 的”。这两种评价准则是一致的。247 Miscella neousMiscella neous意为“其他”或“杂项”，归属那些不太重要或不入大类的

20、功能项。第三章激光准直扩束系统设计3.1准直扩束系统的参数确定本次设计采用幵普勒式扩束系统。根据本次课程设计的要求，激光扩 束系统的主要设计参数为：焦距f' 200mm,入瞳直径D 40mm，视场角210'，波长 0.514um。3.2确定激光扩束系统的初始结构虽然可以设计系统的初始结构，避免自动设计中由于初始结构选择的 不合理而造成优化失败，但为节省时间，按照课程设计的要求，本文采用的是从文献中，依据所设计的光学系统特性和成像质量的要求，找合适的初始系统。本文从文献中找到的如表1所示的初始结构:表一初始结构参数序号rdglasses1965K928460.23105.457.

21、4K9487.993.4ZF25451.74该初始结构的参数分别是焦距：f' 100m m相对孔径：D 40mm将数据输入ZEMAX中，得到二维图以与 MTF曲线如下图1、图2所示期X Layont-1lKiUpdatiH Settings FfirI Window T esit zoom 4-vsr-bbwpwLfilYDUTTHU iTRN 弓 201 HTOTAL flIFIL LJEMCTH? 107. I 927G MM1 .ZMXCONFXGURATXON 1口1=1图一Jjpiate Stt mgs Er mt ifi Rdow Teirt loomTS 目DEGHJ.

22、口 LD -!££W闍踱1陌«1W歸艇TH宿*SPHTIRL FREQUENCY IN CYCLES PER MH3RMFLENE WD LOW', DFTFI IMFTCURRTE!PDLTCHRL'MHTIl： 口LFFRHCTIUN MTFTHU rRN F SGi HATS FDR 取巳也 TO D.G1MQ 叫 SURFACE： IMAGE1 ZHXCCMFZCURRTXQHDF 1图二3.3 ZEMAX 的优化1. 缩放焦距由于初始结构焦距与要求相差很多，所以需要对原始系统焦距进行缩放到焦距f' 200mm。缩放方法：按F6快捷方式，Merit Function Editor 下，输入EFFL （有 效焦距），在Target （目标）下输入200，在Weight （权重）下输入1 为200来控制