1、光學設計Opticaldesign題目名稱：準直擴束系統的設計學校：長春理工大學學院：光電工程學院專業：光電信息工程學號：姓名：魏松巖目錄第一章緒論11.1 引言11.2 激光束及其準直擴束的原理11.3 折射型擴束器基本結構41.3.1 開普勒擴束鏡1.3.2 伽利略擴束鏡第二章光學設計軟件ZEMAX概述5第三章激光準直擴束系統設計93.1 準直擴束系統的參數確定93.2 確定激光擴束系統的初始結構9第一章緒論1.1 引言激光擴束系統是激光干涉儀、激光測距儀、激光雷達等諸多儀器設備的重要組成部分，具光學系統多采用通過倒置的望遠系統，來實現對激光的擴束，其主要作用是壓縮激光束的空間發散角，使擴

2、束后的激光束口徑滿足其他系統的要求。激光器發出的光束直徑很細小，通常只有零點幾到幾毫米，激光束的這些特性在某些方面是很有用的。然而在一些應用領域中需要的確是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干涉儀的應用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干涉來實現測量。又如在激光的全息應用中，它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質，以實現信息的記錄和重現。因此需要使用激光擴束系統來實現激光束的準直擴束。1.2 激光束及其準直擴束的原理激光束的性質是由激光共振腔的幾何形狀和尺寸決定的，激光束具有特殊的結構，光束呈雙曲線形，光束的截面上最小處稱束腰（見圖2.1）

3、,其半徑為力入其中，b為共振腔的共振參數。共振腔的共焦參數b可由下式求得：其中，R為共振腔球面鏡的曲率半徑,d為共振腔二鏡面之間的距離。最通用的擴束鏡起源于伽利略望遠鏡，通常包括一個輸入負透鏡和一個輸出正透鏡。輸入鏡將一個虛焦點光束傳送給輸出鏡，兩個透鏡是虛共焦結構。一般小于20倍的擴束鏡都用該原理制造，因為它簡單、體積小、價格也低。盡可能的該擴束鏡設計成小的球面相差、低的波前變形和消色差。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進行大倍率的擴束如圖所示，輸入鏡將入射的激光束聚焦在前焦平面上（虛焦點），新的束腰一，fi.2和發散角為0'2-和'式中（1）為入射激光束在入射鏡上光束半徑

4、，l是入射激光束腰與入射鏡的距離fi是輸入鏡的焦距。因為0落在輸出鏡的后焦平面上，并且輸出鏡的焦距f2大于輸入鏡的焦距，高斯光束將被擴束鏡準直。準直倍率如下:式中Tifif2,和。是入射光束的發散角和束腰。經過擴束鏡后，束腰和發散角為0"f1和"o可得：0"（i）。0'T通過采用倒置的望遠鏡系統不但實現了對高斯光束發散角的壓縮，還增大了其腰斑的尺寸，實現了對高斯光束的擴束。1.3 折射型擴束器基本結構1.3.1 開普勒擴束鏡在需要空間濾波或者進行大倍率的擴束的時候，人們一般使用開普勒設計的望遠鏡。開普勒望遠鏡一般有一個凸透鏡作為輸入鏡片，把實焦距聚焦的光束

5、發送到輸出元件上。另外，可以通過在第一個透鏡的焦點上放置小孔來實現空間濾波。1.3.2 伽利略擴束鏡最通用的擴束鏡類型起源于伽利略望遠鏡，通常包括一個輸入的凹透鏡和一個輸出的凸透鏡。輸入鏡將一個虛焦距光束傳送給輸出鏡。一般的低倍數的擴束鏡都用該原理制造，因為它簡單、體積小、價格也低。一般的盡可能的被設計為小的球面相差，低的波前變形和消色差。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進行大倍率的擴束。第二章光學設計軟件ZEMAX概述2.1 ZEMAX的簡單介紹ZEMAXOpticalDesignProgram是美國焦點軟件公司ZEMAXDevelopmentCorporation開發出來的ZEMAX光學

6、設計軟件，ZEMAX是Windows平臺上的視窗式的用戶界面，操作習慣和快捷鍵風格如同Windowso是目前光學設計軟件中應用最為廣泛的一種。它不但可以模擬并建立各種光學系統模型，還可以對光學系統的成像質量進行分析，提供了適用于不同系統的評價函數，如各種幾何相差，光學傳遞函數(MTF)，點列圖，波前函數圖等，對于一個光學系統可以選擇多個評價函數來進行成像質量的分析。此外，ZEMAX軟件強大的優化功能能夠為設計者的優化設計帶來很大程度的方便，而軟件持有的公差分析功能又能為設計者在實際加工和裝調前給出可靠的光學特性誤差，為實際加工提供了可靠性的保證。2.2 用戶界面介紹ZEMAX的視窗類型，和Wi

7、ndows的基本一致，打開不同的視窗可以執行操作不同的任務，可分為：2.2.1 主視窗(MainWindow)ZEMAX啟動以后，進入主視窗(圖1.1)。主視窗頂端有標題欄(titlebar)、菜單欄(menubar)和工具欄(toolsbar)。2.2.2 編輯視窗(EditorWindow)圖1.1ZEMAX主視窗界面ZEMAX中有6種不同的編輯器(Editors)：即鏡頭數據編輯器(LensDataEditor)，評價函數編輯器(MeritFunctionEditor)、多重組態編輯器(Multi-configurationEditor)、公差數據編輯器(ToleranceDataEdi

8、toi)、用于補充光學面的附加數據編輯器(ExtraDataEditor)、以及非序列元件編輯器(Non-sequentialComponentsEditor。2.2.3 圖形視窗(GraphicWindow)最常用的有草圖(Layout)、扇形圖(Rayfans)、調制傳遞函數(MTFPlots)圖等。2.2.4 文本視窗(TextWindows)設計的文字資料，如詳細數據(PrescriptionData)、像差數據等顯示在文本視窗中。2.2.5 對話框(Dialogs)固定大小，在過程中跳出來的視窗(鼠標拖曳不能改變大小)。用于定義或更新視場(Fields)、波長(Wavelength、

9、孔徑(Apertures)、面型(Surfacetypes)等。2.3 主視窗的操作(MainWindowsOperations)主視窗在執行ZEMAX后顯示出來，可以用鼠標拖動改變大小，如圖1.1所示。上部有標題欄、菜單欄、快捷按鈕。底部狀態欄中顯示當前鏡頭系統的焦距(EFFL)、F數(WFNO)、入瞳直徑(ENPD)、系統總長(TOTR)。主視窗中的快捷按鈕和狀態欄中內容可以自定義，菜單欄中有：2.3.1 文件（File）展開后有文件的打開（Open）,新建（New）,存儲（Save）,另存為（SaveaS）等，偏好（Preference可以修改文字大小，快捷按鈕和狀態欄中的內容。2.3.

10、2 編輯器（Editors）欄中包括ZEMAX中所有編輯器命令，展開后可打開Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。系統（System）定義或更新光學系統的光學特性數據，例如相對孔徑、視場和選取的工作波長等。2.3.4 分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜單之一，是用來進行像質評價和分析的主要工具，對于其中的每一項的數據的含義，單位要很好地理解。主要有：Fans中的球差（Rayaberration）,點列圖（Spotdiagrams、調制傳遞函數（MTF）、點擴散函數（PSF）、波像差（Wavefront）、圓內能量集中度（EncircledEn

11、ergy）；雜項（Miscellaneous-,）等。2.3.5 工具（Tools）也是ZEMAX中的非常重要的菜單之一，分成七塊：第一塊用來進行光學鏡頭的局部優化（Optimization）、全局優化（Global/Search/HammerOptimization）等；第二塊分析鏡頭的公差，計算傳遞函數的點列圖，波差等變化量表。第三塊是材料選擇，有察勘玻璃庫或向庫中新增添或刪除玻璃條目，尋找簡單的透鏡數據并插入到透鏡數據編輯器中。第四塊是鍍膜模型。第五塊是系統中鏡頭的孔徑的定義，可以與漸暈系數配合共同使用。第六塊主要用來整體設計（1）按焦距或放大率縮放當前系統；（2）在當前系統中加入或刪除

12、折轉發射鏡。第七塊以后討論。2.3.6 報告（Report）形成鏡頭設計結果的報告，可以作為每一個光學面的形成報告（Surfacedata）；也能為鏡頭系統形成高斯參數或光學特性參數的報告（Systemdata；還可以給出設計結果的詳細數據報告（Prescriptiondata）。2.3.7 宏編程（Macros）執行已經編譯好的宏程序。宏程序的編程過程：（1）使用一般的文本編輯器或使用ZEMAX自身的編輯功能創建擴展名為“*.ZPL”文件，該文件置于ZEMAX目錄下的Macros目錄中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函數庫進行程序編寫；（3）用Macros菜單下的“Run/EditZplM

13、acros”執行宏程序。宏程序可以提取光線追跡數據、像質評價等，可以定義新的優化設計用的操作符。執行時，宏程序作用的對象是當前顯示的鏡頭系統。2.3.8 外部程序接口(Extensions)ZEMAX環境中，使用該接口可以執行外部擴展名為“*.EXE”的執行程序，用來與ZEMAX交換數據，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C語言等編程工具完成。視窗(Windows)與幫助(Help)菜單2.4 ZEMAX的像質評價部分2.4.1 Fans光學中的“Fans”，即光扇圖，與光學設計中的子午面和弧矢面的光線結構相對應。由任一物點發出的不同孔徑高的光線組分別在子午面內和弧矢面內，形成子午扇形光

14、線和弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述跟像差有關的像質指標，可以統稱為“FanS'。因此，Fans描述的是子午與弧矢兩個截面內的像差曲線圖。共有“RayAberration,OpticalPath和PupilAberration”三種：2.4.2 ?RayAberration由像質評價技術，獨立的幾何像差是按幾何光線的空間結構來定義。軸上有球差、高級球差兩種單色像差；有軸向色差(一般取0.707孔徑)、色球差、二級光譜三種色差；軸外有子午像差、弧矢像差與主光線像差。子午面與弧矢面單色像差有：場曲、慧差、像散，主光線像差有畸變、垂軸色差。在考慮視場和孔徑的高級像差時，種類更加繁多，有沿

15、軸(或軸向)像差，每一種像差反映了幾何光線在成像時的空間位置分布，如果鏡頭系統理想成像，所有的像差必須為零，數據量大，不利于總體掌握成像情況。2.4.3 StopDiagramsRayaberration僅能反映子午、弧矢面內光線造成像的彌散情況，幾何點列圖則能反映任一物點發出的充滿入瞳的光錐，在像面上的交點彌散情況。幾何點列圖通常以主光線與像面交點為原點，進行量化計算點列圖的彌散情況，ZEMAX在此基礎上，還給出以虛擬的“質心”、“平均”為原點的量化點列圖。點列圖(SpotDiagrams,)的表現形式有五種：標準點列圖(Standard)、離焦點列圖(ThroughFocus)、反映視場像

16、高的點列圖(FullFieldSpotDiagrams)、隨視場與波長變化的點列陣圖(MatrixSpotDiagrams)、隨視場與多重結構變化的點列陣圖(ConfigurationMatrixSpotDiagrams)。其中常用的是標準點列圖。MTF是目前使用比較普遍的一種成像質量評價指標，稱為調制傳遞函數。它既與光學系統的像差有關，又與光學系統的衍射效果有關，是光學傳遞函數(OTF)的模，曲線橫軸表示像面上的空間頻率，單位：lp/mm,即每毫米多少線對，縱軸表示對這些黑白細實線物分辨的調制度。任何一種物信息，都可以細分到點，也可以細分到線，調制傳遞函數(MTF)的物理意義是：應用傅立葉變

17、換原理與光學系統相干成像理論，計算出鏡頭對逐漸變細的黑白線對分辨的調制度。根據計算模型的不同，MTF分為三類：(1) FFTMTF基于快速傅立葉變換，先計算PSF(點擴散函數)，再由PS1MTF(2) HuygensMTF基于惠更斯包絡面原理，先計算出瞳面上的光瞳函數，然后把出瞳面細分，看成次級光源，在向像面傳遞；因此計算惠更斯傳函時，要將出瞳面細分網格、也將像面細分網格采樣；(3) 幾何MTF-基于幾何點列圖，轉化成子午面或弧矢面上的線擴散函數，再經傅立葉變換，得到調制傳遞函數。2.4.5 PSFPSF(PointSpreadFunction)反映點物經過鏡頭系統后，因像差或衍射在像面上造成

18、的擴散情況，橫軸為像面上的線性尺度，縱軸為歸一化能量分布。PSF計算模型也有FFT和Huygens兩種。PSF一般使用在精細成像質量或小像差系統場合，主要是用于小像差系統。2.4.6 Wavefront“瑞利判斷”和斯托列爾準則是評價光學系統成像質量的兩個原則。瑞利認為當“實際波面與參考波面之間的最大波像差不超過四分之一兒時，此波面可看作是無缺陷的。”斯托列爾認為當“衍射光斑中心亮度與理想衍射斑中心亮度的比值史分工0_8時，則光學系統的成像質量可視為完善的”。這兩種評價準則是一致的。2.4.7 MiscellaneousMiscellaneous意為“其他”或“雜項”，歸屬那些不太重要或不入大類的功能項。第三章激光準直擴束系統設計3.1準直擴束系統的參數確定本次設計采用開普勒式擴束系統根據本次課程設計的要求，激光擴束系統的主要設計參數為：焦距f'200mm,入瞳直徑D40mm,視場角210',波長0.514um。3.2 確定激光擴束系統的初始結構雖然可以設計系統的初始結構，避免自動設計中由于初始結構選擇的不合理而造成優化失敗，但為節省時間，按照課程設計的要求，本文采用的是從文獻中，依據所設計的光學系統特性和成像質量的要求，找合適的初始系統。本文從文獻中找到的如表1所示的初始結構：表一初始結構參數在舁廳Prdglasses1965K92