激光擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、.光學(xué)設(shè)計(jì)Optical design題目名稱(chēng)：準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)校：長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)院：光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：光電信息工程學(xué)號(hào)：100212338姓名：魏松巖;.目錄第一章 緒論 11.1引言 11.2激光束及其準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理 1激光高斯光束的特性激光束準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理1.3 折射型擴(kuò)束器基本結(jié)構(gòu)41.3.1開(kāi)普勒擴(kuò)束鏡1.3.2伽利略擴(kuò)束鏡第二章 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX概述 5第三章 激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的參數(shù)確定 93.2確定激光擴(kuò)束系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu) 93.3 ZEMAX的優(yōu)化 11;.第一章緒論1.1 引言激光擴(kuò)束系統(tǒng)是激光干涉儀、激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等諸多儀器設(shè)備的重要

2、組成部分，其光學(xué)系統(tǒng)多采用通過(guò)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的擴(kuò)束， 其主要作用是壓縮激光束的空間發(fā)散角，使擴(kuò)束后的激光束口徑滿足其他系統(tǒng)的要求。激光器發(fā)出的光束直徑很細(xì)小，通常只有零點(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)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(cè)距等。例如在激光干涉儀的應(yīng)用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測(cè)物體，然后通過(guò)光束的干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。又如在激光的全息應(yīng)用中， 它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)信息的記錄和重現(xiàn)。因此需要使用激光擴(kuò)束系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的準(zhǔn)直擴(kuò)束。1.2 激光束及其準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理激光高斯光束

3、的特性激光束的性質(zhì)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(jié)構(gòu) , 光束呈雙曲線形，光束的截面上最小處稱(chēng)束腰 ( 見(jiàn)圖 2.1), 其半徑為其中，b 為共振腔的共振參數(shù)。共振腔的共焦參數(shù)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。激光束準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理最通用的擴(kuò)束鏡起源于伽利略望遠(yuǎn)鏡，通常包括一個(gè)輸入負(fù)透鏡和一個(gè)輸出正透鏡。輸入鏡將一個(gè)虛焦點(diǎn)光束傳送給輸出鏡，兩個(gè)透鏡是虛共焦結(jié)構(gòu)。 一般小于 20 倍的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗?jiǎn)單、體積小、價(jià)格也低。盡可能;.的該擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)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

4、能容納空間濾波或者進(jìn)行大倍率的擴(kuò)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(diǎn)），新的束腰0'和發(fā)散角'為 0'f 1'2和。0'式中(l ) 為入射激光束在入射鏡上光束半徑，l 是入射激光束腰與入射鏡的距離 f1 是輸入鏡的焦距。 因?yàn)?' 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(kuò)束鏡準(zhǔn)直。準(zhǔn)直倍率如下：;.式中T1 f 1f 2 ， 和00是入射光束的發(fā)散角和束腰。 經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后，束腰 "和發(fā)散角 " 為0"f 1 和 " ?？傻茫?0" T1

5、 (l ) 。0 'T通過(guò)采用倒置的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光束發(fā)散角的壓縮 , 還增大了其腰斑的尺寸 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光束的擴(kuò)束。1.3 折射型擴(kuò)束器基本結(jié)構(gòu)開(kāi)普勒擴(kuò)束鏡在需要空間濾波或者進(jìn)行大倍率的擴(kuò)束的時(shí)候， 人們一般使用開(kāi)普勒設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡一般有一個(gè)凸透鏡作為輸入鏡片， 把實(shí)焦距聚焦的光束發(fā)送到輸出元件上。 另外，可以通過(guò)在第一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)上放置小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)空間濾波。伽利略擴(kuò)束鏡最通用的擴(kuò)束鏡類(lèi)型起源于伽利略望遠(yuǎn)鏡， 通常包括一個(gè)輸入的凹透鏡和一個(gè)輸出的凸透鏡。 輸入鏡將一個(gè)虛焦距光束傳送給輸出鏡。 一般的低倍數(shù)的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗?jiǎn)單、體積小、價(jià)格也低。

6、一般的盡可能的被設(shè)計(jì)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(jìn)行大倍率的擴(kuò)束。;.第二章光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX概述2.1 ZEMAX 的簡(jiǎn)單介紹ZEMAXOptical Design Program 是美國(guó)焦點(diǎn)軟件公司ZEMAXDevelopmentCorporation 開(kāi)發(fā)出來(lái)的 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件， ZEMAX 是 Windows 平臺(tái)上的視窗式的用戶界面， 操作習(xí)慣和快捷鍵風(fēng)格如同 Windows。是目前光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中應(yīng)用最為廣泛的一種。 它不但可以模擬并建立各種光學(xué)系統(tǒng)模型， 還可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行分析， 提供了適用于不同系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函

7、數(shù)， 如各種幾何相差，光學(xué)傳遞函數(shù)（ MTF ），點(diǎn)列圖，波前函數(shù)圖等，對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以選擇多個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)進(jìn)行成像質(zhì)量的分析。此外， ZEMAX 軟件強(qiáng)大的優(yōu)化功能能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)很大程度的方便， 而軟件持有的公差分析功能又能為設(shè)計(jì)者在實(shí)際加工和裝調(diào)前給出可靠的光學(xué)特性誤差， 為實(shí)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(lèi)型，和 Windows 的基本一致，打開(kāi)不同的視窗可以執(zhí)行操作不同的任務(wù)，可分為：主視窗（ Main Window ）ZEMAX 啟動(dòng)以后，進(jìn)入主視窗（圖 1.1）。主視窗頂端有標(biāo)題欄 （title bar）、菜單欄（ menu bar）

8、和工具欄（ tools bar）。編輯視窗（ Editor Window ）圖 1.1 ZEMAX 主視窗界面ZEMAX 中有 6 種不同的編輯器（ Editors）：即鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（ Lens Data Editor ）， 評(píng)價(jià) 函數(shù) 編 輯 器 （ Merit Function Editor ） 、多 重組 態(tài)編 輯器（ Multi-configuration Editor ）、公差數(shù)據(jù)編輯器（ Tolerance Data Editor）、用于;.補(bǔ)充光學(xué)面的附加數(shù)據(jù)編輯器（Extra Data Editor ）、以及非序列元件編輯器（ Non-sequential Component

9、s Editor）。圖形視窗（ Graphic Window ）最常用的有草圖（Layout）、扇形圖（Ray fans）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF Plots ）圖等。文本視窗（ Text Windows ）設(shè)計(jì)的文字資料，如詳細(xì)數(shù)據(jù)（ Prescription Data）、像差數(shù)據(jù)等顯示在文本視窗中。對(duì)話框（ Dialogs）固定大小，在過(guò)程中跳出來(lái)的視窗（鼠標(biāo)拖曳不能改變大?。?。用于定義或更新視場(chǎng)（ Fields）、波長(zhǎng)（ Wavelengths）、孔徑（ Apertures）、面型（ Surfacetypes）等。2.3 主視窗的操作（ Main Windows Operations ）主

10、視窗在執(zhí)行 ZEMAX后顯示出來(lái)，可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)改變大小， 如圖 1.1 所示。上部有標(biāo)題欄、菜單欄、快捷按鈕。底部狀態(tài)欄中顯示當(dāng)前鏡頭系統(tǒng)的焦距（ EFFL）、 F 數(shù)（ WFNO ）、入瞳直徑（ ENPD）、系統(tǒng)總長(zhǎng)（ TOTR）。主視窗中的快捷按鈕和狀態(tài)欄中內(nèi)容可以自定義，菜單欄中有：文件（ File ）展開(kāi)后有文件的打開(kāi)（ Open），新建（New），存儲(chǔ)（Save），另存為（ Saveas）等，偏好（ Preference）可以修改文字大小，快捷按鈕和狀態(tài)欄中的內(nèi)容。編輯器（ Editors ）欄中包括 ZEMAX 中所有編輯器命令，展開(kāi)后可打開(kāi) Lens data editor，

11、Merit function editor。系統(tǒng)（ System）定義或更新光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性數(shù)據(jù)，例如相對(duì)孔徑、視場(chǎng)和選取的工作波長(zhǎng)等。分析（ Analysis ）它是 ZEMAX中的非常重要的菜單之一， 是用來(lái)進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)和分析的主要工具，對(duì)于其中的每一項(xiàng)的數(shù)據(jù)的含義，單位要很好地理解。主要有： Fans中的球差（ Ray aberration），點(diǎn)列圖（ Spot diagrams）、調(diào)制傳遞函數(shù)（ MTF ）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（ PSF）、波像差（ Wavefront）、圓內(nèi)能量集中度（ Encircled Energy）；雜項(xiàng)（ Miscellaneous）等。工具（ Tools）;.也是

12、 ZEMAX 中的非常重要的菜單之一，分成七塊：第一塊用來(lái)進(jìn)行光學(xué)鏡頭的局部?jī)?yōu)化（Optimization ）、全局優(yōu)化（ Global / Search /Hammer Optimization）等；第二塊分析鏡頭的公差，計(jì)算傳遞函數(shù)的點(diǎn)列圖，波差等變化量表。第三塊是材料選擇，有察勘玻璃庫(kù)或向庫(kù)中新增添或刪除玻璃條目， 尋找簡(jiǎn)單的透鏡數(shù)據(jù)并插入到透鏡數(shù)據(jù)編輯器中。 第四塊是鍍膜模型。 第五塊是系統(tǒng)中鏡頭的孔徑的定義，可以與漸暈系數(shù)配合共同使用。第六塊主要用來(lái)整體設(shè)計(jì)(1)按焦距或放大率縮放當(dāng)前系統(tǒng)； (2)在當(dāng)前系統(tǒng)中加入或刪除折轉(zhuǎn)發(fā)射鏡。第七塊以后討論。報(bào)告（ Report ）形成鏡頭設(shè)計(jì)

13、結(jié)果的報(bào)告， 可以作為每一個(gè)光學(xué)面的形成報(bào)告 （ Surface data）；也能為鏡頭系統(tǒng)形成高斯參數(shù)或光學(xué)特性參數(shù)的報(bào)告（ System data）；還可以給出設(shè)計(jì)結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)報(bào)告（ Prescription data）。宏編程（ Macros ）執(zhí)行已經(jīng)編譯好的宏程序。宏程序的編程過(guò)程： （ 1）使用一般的文本編輯器或使用 ZEMAX 自身的編輯功能創(chuàng)建擴(kuò)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(shù)庫(kù)進(jìn)行程序編寫(xiě)；（ 3）用 Macros 菜單下的“ Run/Edit Zpl Macros”執(zhí)行宏程序。宏

14、程序可以提取光線追跡數(shù)據(jù)、像質(zhì)評(píng)價(jià)等，可以定義新的優(yōu)化設(shè)計(jì)用的操作符。執(zhí)行時(shí)，宏程序作用的對(duì)象是當(dāng)前顯示的鏡頭系統(tǒng)。外部程序接口（ Extensions）ZEMAX 環(huán)境中，使用該接口可以執(zhí)行外部擴(kuò)展名為“*.EXE ”的執(zhí)行程序，用來(lái)與 ZEMAX 交換數(shù)據(jù)，或 ZPL 宏不能完成的功能。外部程序可以用C 語(yǔ)言等編程工具完成。視窗（ Windows ）與幫助（ Help ）菜單2.4 ZEMAX 的像質(zhì)評(píng)價(jià)部分光學(xué)中的“ Fans”，即光扇圖，與光學(xué)設(shè)計(jì)中的子午面和弧矢面的光線結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。由任一物點(diǎn)發(fā)出的不同孔徑高的光線組分別在子午面內(nèi)和弧矢面內(nèi)， 形成子午扇形光線和弧矢扇形光線組， 由這些

15、扇形光線組描述跟像差有關(guān)的像質(zhì)指標(biāo)，可以統(tǒng)稱(chēng)為“ Fans”。因此，F(xiàn)ans 描述的是子午與弧矢兩個(gè)截面內(nèi)的像差曲線圖。共有“ Ray Aberration， Optical Path 和 Pupil Aberration ”三種：Ray Aberration;.由像質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)，獨(dú)立的幾何像差是按幾何光線的空間結(jié)構(gòu)來(lái)定義。軸上有球差、高級(jí)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(jí)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(chǎng)曲、慧差、像散，主光線像差有畸變、垂軸色差。在考慮視場(chǎng)和孔徑的高級(jí)像差時(shí)，種類(lèi)更加繁多，有沿軸（或軸向）像

16、差，每一種像差反映了幾何光線在成像時(shí)的空間位置分布， 如果鏡頭系統(tǒng)理想成像， 所有的像差必須為零，數(shù)據(jù)量大，不利于總體掌握成像情況。Ray aberration僅能反映子午、弧矢面內(nèi)光線造成像的彌散情況，幾何點(diǎn)列圖則能反映任一物點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光錐，在像面上的交點(diǎn)彌散情況。幾何點(diǎn)列圖通常以主光線與像面交點(diǎn)為原點(diǎn)， 進(jìn)行量化計(jì)算點(diǎn)列圖的彌散情況， ZEMAX 在此基礎(chǔ)上，還給出以虛擬的“質(zhì)心”、“平均”為原點(diǎn)的量化點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖（ Spot Diagrams）的表現(xiàn)形式有五種：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖（Standard）、離焦點(diǎn)列圖（ Through Focus）、反映視場(chǎng)像高的點(diǎn)列圖（ Full Fiel

17、d Spot Diagrams）、隨視場(chǎng)與波長(zhǎng)變化的點(diǎn)列陣圖（ Matrix Spot Diagrams）、隨視場(chǎng)與多重結(jié)構(gòu)變化的點(diǎn)列陣圖（Configuration Matrix Spot Diagrams ）。其中常用的是標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖。MTF 是目前使用比較普遍的一種成像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱(chēng)為調(diào)制傳遞函數(shù)。它既與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān)，是光學(xué)傳遞函數(shù)（ 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(duì)，縱軸表示對(duì)這些黑白細(xì)實(shí)線物分辨的調(diào)制度。任何一種物信息，都可以細(xì)分到點(diǎn)，也可以細(xì)分到線，調(diào)制傳遞函數(shù)（ MTF ）的物理意義是： 應(yīng)用傅立葉

18、變換原理與光學(xué)系統(tǒng)相干成像理論， 計(jì)算出鏡頭對(duì)逐漸變細(xì)的黑白線對(duì)分辨的調(diào)制度。根據(jù)計(jì)算模型的不同， MTF 分為三類(lèi)：（ 1）FFT MTF 基于快速傅立葉變換，先計(jì)算 PSF（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)），再由 PSF MTF；（ 2） Huygens MTF 基于惠更斯包絡(luò)面原理，先計(jì)算岀瞳面上的光瞳函數(shù)，然后把岀瞳面細(xì)分，看成次級(jí)光源，在向像面?zhèn)鬟f；因此計(jì)算惠更斯傳函時(shí)，要將出瞳面細(xì)分網(wǎng)格、也將像面細(xì)分網(wǎng)格采樣；（ 3）幾何 MTF 基于幾何點(diǎn)列圖，轉(zhuǎn)化成子午面或弧矢面上的線擴(kuò)散函數(shù)，再經(jīng)傅立葉變換，得到調(diào)制傳遞函數(shù)。;.PSF（ Point Spread Function）反映點(diǎn)物經(jīng)過(guò)鏡頭系統(tǒng)后，因像

19、差或衍射在像面上造成的擴(kuò)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(jì)算模型也有 FFT 和 Huygens 兩種。 PSF 一般使用在精細(xì)成像質(zhì)量或小像差系統(tǒng)場(chǎng)合 , 主要是用于小像差系統(tǒng)?！叭鹄袛唷?和斯托列爾準(zhǔn)則是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的兩個(gè)原則。瑞利認(rèn)為當(dāng)“實(shí)際波面與參考波面之間的最大波像差不超過(guò)四分之一時(shí)，此波面可看作是無(wú)缺陷的。 ”斯托列爾認(rèn)為當(dāng) “衍射光斑中心亮度與理想衍射斑中心亮度的比值時(shí)，則光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量可視為完善的”。這兩種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是一致的。Miscellaneous 意為“其他”或“雜項(xiàng)”，歸屬那些不太重要或不入大類(lèi)的功能項(xiàng)。第三章 激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)

20、計(jì)3.1 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的參數(shù)確定本次設(shè)計(jì)采用開(kāi)普勒式擴(kuò)束系統(tǒng)。 根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的要求， 激光擴(kuò)束系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：焦距 f '200mm，入瞳直徑 D40mm ，視場(chǎng)角 210' ，波長(zhǎng)0.514um。3.2 確定激光擴(kuò)束系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)雖然可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，避免自動(dòng)設(shè)計(jì)中由于初始結(jié)構(gòu)選擇的不合理而造成優(yōu)化失敗，但為節(jié)省時(shí)間，按照課程設(shè)計(jì)的要求， 本文采用的是從文獻(xiàn)中，依據(jù)所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)特性和成像質(zhì)量的要求， 找合適的初始系統(tǒng)。 本文從文獻(xiàn)中找到的如表 1 所示的初始結(jié)構(gòu) :;.表一 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)序號(hào)rdglasses1965K928460.23105.457.4K94