激光擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

...---可修編.光學(xué)設(shè)計(jì)Opticaldesign題目名稱：準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)校：理工大學(xué)學(xué)院：光電工程學(xué)院專業(yè)：光電信息工程學(xué)號：100212338：松巖2014.01.08目錄緒論………………11.1引言……………………11.2激光束及其準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理………………11.2.1激光高斯光束的特性1.2.2激光束準(zhǔn)直擴(kuò)束的原理1.3折射型擴(kuò)束器根本構(gòu)造……41.3.1開普勒擴(kuò)束鏡1.3.2伽利略擴(kuò)束鏡光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX概述…………5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)的初始構(gòu)造………………93.3ZEMAX的優(yōu)化………………11..第一章緒論1.1引言激光擴(kuò)束系統(tǒng)是激光干預(yù)儀、激光測距儀、激光雷達(dá)等諸多儀器設(shè)備的重要組成局部，其光學(xué)系統(tǒng)多采用通過倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對激光的擴(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)域中需要確實(shí)是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干預(yù)儀的應(yīng)用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干預(yù)來實(shí)現(xiàn)測量。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1.2.1激光高斯光束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,激光束具有特殊的構(gòu)造,光束呈雙曲線形，光束的截面上最小處稱束腰(見圖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。1.2.2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，通常包括一個輸入負(fù)透鏡和一個輸出正透鏡。輸入鏡將一個虛焦點(diǎn)光束傳送給輸出鏡，兩個透鏡是虛共焦構(gòu)造。一般小于20倍的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗唵?、體積小、價格也低。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。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進(jìn)展大倍率的擴(kuò)束。如下圖，輸入鏡將入射的激光束聚焦在前焦平面上〔虛焦點(diǎn)〕，新的束腰和發(fā)散角為和。式中為入射激光束在入射鏡上光束半徑，是入射激光束腰與入射鏡的距離f1是輸入鏡的焦距。因?yàn)槁湓谳敵鲧R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，和是入射光束的發(fā)散角和束腰。經(jīng)過擴(kuò)束鏡后，束腰和發(fā)散角為和?？傻茫骸Ｍㄟ^采用倒置的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對高斯光束發(fā)散角的壓縮,還增大了其腰斑的尺寸,實(shí)現(xiàn)了對高斯光束的擴(kuò)束。1.3折射型擴(kuò)束器根本構(gòu)造1.3.1開普勒擴(kuò)束鏡在需要空間濾波或者進(jìn)展大倍率的擴(kuò)束的時候，人們一般使用開普勒設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡。開普勒望遠(yuǎn)鏡一般有一個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，可以通過在第一個透鏡的焦點(diǎn)上放置小孔來實(shí)現(xiàn)空間濾波。1.3.2伽利略擴(kuò)束鏡最通用的擴(kuò)束鏡類型起源于伽利略望遠(yuǎn)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(shù)的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗唵?、體積小、價格也低。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)展大倍率的擴(kuò)束。第二章光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX概述2.1ZEMAX的簡單介紹ZEMAXOpticalDesignProgram是美國焦點(diǎn)軟件公司ZEMAXDevelopmentCorporation開發(fā)出來的ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，ZEMAX是Windows平臺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，還可以對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)展分析，提供了適用于不同系統(tǒng)的評價函數(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，對于一個光學(xué)系統(tǒng)可以選擇多個評價函數(shù)來進(jìn)展成像質(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的視窗類型，和Windows的根本一致，翻開不同的視窗可以執(zhí)行操作不同的任務(wù)，可分為：2.2.1主視窗〔MainWindow〕ZEMAX啟動以后，進(jìn)入主視窗〔圖1.1〕。主視窗頂端有標(biāo)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(shù)據(jù)編輯器〔LensDataEditor〕，評價函數(shù)編輯器〔MeritFunctionEditor〕、多重組態(tài)編輯器〔Multi-configurationEditor〕、公差數(shù)據(jù)編輯器〔ToleranceDataEditor〕、用于補(bǔ)充光學(xué)面的附加數(shù)據(jù)編輯器〔ExtraDataEditor〕、以及非序列元件編輯器〔Non-sequentialponentsEditor〕。2.2.3圖形視窗〔GraphicWindow〕最常用的有草圖〔Layout〕、扇形圖〔Rayfans〕、調(diào)制傳遞函數(shù)〔MTFPlots〕圖等。2.2.4文本視窗〔TextWindows〕設(shè)計(jì)的文字資料，如詳細(xì)數(shù)據(jù)〔PrescriptionData〕、像差數(shù)據(jù)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(biāo)拖曳不能改變大小〕。用于定義或更新視場〔Fields〕、波長〔Wavelengths〕、孔徑〔Apertures〕、面型〔Surfacetypes〕等。2.3主視窗的操作〔MainWindowsOperations〕主視窗在執(zhí)行ZEMAX后顯示出來，可以用鼠標(biāo)拖動改變大小，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〔TOTR〕。主視窗中的快捷按鈕和狀態(tài)欄中容可以自定義，菜單欄中有：2.3.1文件〔File〕展開后有文件的翻開〔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(tài)欄中的容。2.3.2編輯器〔Editors〕欄中包括ZEMAX中所有編輯器命令，展開后可翻開Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。2.3.3系統(tǒng)〔System〕定義或更學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性數(shù)據(jù)，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(jìn)展像質(zhì)評價和分析的主要工具，對于其中的每一項(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〔Rayaberration〕，點(diǎn)列圖〔Spotdiagrams〕、調(diào)制傳遞函數(shù)〔MTF〕、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)〔PSF〕、波像差〔Wavefront〕、圓能量集中度〔EncircledEnergy〕；雜項(xiàng)〔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(jìn)展光學(xué)鏡頭的局部優(yōu)化〔Optimization〕、全局優(yōu)化〔Global/Search/HammerOptimization〕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，有察勘玻璃庫或向庫中新增添或刪除玻璃條目，尋找簡單的透鏡數(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)中參加或刪除折轉(zhuǎn)發(fā)射鏡。第七塊以后討論。2.3.6報告〔Report〕形成鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果的報告，可以作為每一個光學(xué)面的形成報告〔Surfacedata〕；也能為鏡頭系統(tǒng)形成高斯參數(shù)或光學(xué)特性參數(shù)的報告〔Systemdata〕；還可以給出設(shè)計(jì)結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)報告〔Prescriptiondata〕。2.3.7宏編程〔Macros〕執(zhí)行已經(jīng)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(chuàng)立擴(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)庫進(jìn)展程序編寫；〔3〕用Macros菜單下的"Run/EditZplMacros…〞執(zhí)行宏程序。宏程序可以提取光線追跡數(shù)據(jù)、像質(zhì)評價等，可以定義新的優(yōu)化設(shè)計(jì)用的操作符。執(zhí)行時，宏程序作用的對象是當(dāng)前顯示的鏡頭系統(tǒng)。2.3.8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語言等編程工具完成。2.3.9視窗〔Windows〕與幫助〔Help〕菜單2.4ZEMAX的像質(zhì)評價局部2.4.1Fans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構(gòu)造相對應(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和弧矢面，形成子午扇形光線和弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述跟像差有關(guān)的像質(zhì)指標(biāo)，可以統(tǒng)稱為"Fans〞。因此，F(xiàn)ans描述的是子午與弧矢兩個截面的像差曲線圖。共有"RayAberration，OpticalPath和PupilAberration〞三種：2.4.2RayAberration由像質(zhì)評價技術(shù)，獨(dú)立的幾何像差是按幾何光線的空間構(gòu)造來定義。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(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。2.4.3StopDiagramsRayaberration僅能反映子午、弧矢面光線造成像的彌散情況，幾何點(diǎn)列圖那么能反映任一物點(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)展量化計(jì)算點(diǎn)列圖的彌散情況，ZEMAX在此根底上，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〔SpotDiagrams〕的表現(xiàn)形式有五種：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖〔Standard〕、離焦點(diǎn)列圖〔ThroughFocus〕、反映視場像高的點(diǎn)列圖〔FullFieldSpotDiagrams〕、隨視場與波長變化的點(diǎn)列陣圖〔MatrixSpotDiagrams〕、隨視場與多重構(gòu)造變化的點(diǎn)列陣圖〔ConfigurationMatrixSpotDiagrams〕。其中常用的是標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖。2.4.4MTFMTF是目前使用比擬普遍的一種成像質(zhì)量評價指標(biāo)，稱為調(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，縱軸表示對這些黑白細(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)用傅立葉變換原理與光學(xué)系統(tǒng)相干成像理論，計(jì)算出鏡頭對逐漸變細(xì)的黑白線對分辨的調(diào)制度。根據(jù)計(jì)算模型的不同，MTF分為三類：〔1〕FFTMTF－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〕HuygensMTF－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，看成次級光源，在向像面?zhèn)鬟f；因此計(jì)算惠更斯傳函時，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)。2.4.5PSFPSF〔PointSpreadFunction〕反映點(diǎn)物經(jīng)過鏡頭系統(tǒng)后，因像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)場合,主要是用于小像差系統(tǒng)。2.4.6Wavefront"瑞利判斷〞和斯托列爾準(zhǔn)那么是評價光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的兩個原那么。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四分之一時，此波面可看作是無缺陷的。〞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，那么光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量可視為完善的〞。這兩種評價準(zhǔn)那么是一致的。2.4.7MiscellaneousMiscellaneous意為"其他〞或"雜項(xiàng)〞，歸屬那些不太重要或不入大類的功能項(xiàng)。激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)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，入瞳直徑，視場角，波長。3.2確定激光擴(kuò)束系統(tǒng)的初始構(gòu)造雖然可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的初始構(gòu)造，防止自動設(shè)計(jì)中由于初始構(gòu)造選擇的不合理而造成優(yōu)化失敗，但為節(jié)省時間，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，找適宜的初始系統(tǒng)。本文從文