激光扩束系统设计.docx
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激光扩束系统设计
光学设计
Opticaldesign
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
2014.01.08
第1章绪论………………………………………………1
1.1引言……………………………………………………1
1.2激光束及其准直扩束的原理………………………………1
1.2.1激光高斯光束的特性
1.2.2激光束准直扩束的原理
1.3折射型扩束器基本结构……………………………………4
1.3.1开普勒扩束镜
1.3.2伽利略扩束镜
第2章光学设计软件ZEMAX概述…………………………5
第3章激光准直扩束系统设计……………………………9
3.1准直扩束系统的参数确定…………………………………9
3.2确定激光扩束系统的初始结构………………………………9
3.3ZEMAX的优化………………………………………………11
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激光束及其准直扩束的原理
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空间滤波或者进行大倍率的扩束。
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
和发散角
为
和
。
式中
为入射激光束在入射镜上光束半径，
是入射激光束腰与入射镜的距离f1是输入镜的焦距。
因为
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。
准直倍率如下：
式中
，
和
是入射光束的发散角和束腰。
经过扩束镜后，束腰
和发散角
为
和
。
可得：
。
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
1.3.1开普勒扩束镜
在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候，人们一般使用开普勒设计的望远镜。
开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。
1.3.2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。
一般的尽可能的被设计为小的球面相差，低的波前变形和消色差。
它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
第二章光学设计软件ZEMAX概述
2.1ZEMAX的简单介绍
ZEMAXOpticalDesignProgram是美国焦点软件公司ZEMAXDevelopmentCorporation开发出来的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，打开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（MainWindow）
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（menubar）和工具栏（toolsbar）。
2.2.2编辑视窗（EditorWindow）
图1.1ZEMAX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（LensDataEditor），评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）、多重组态编辑器（Multi-configurationEditor）、公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（ExtraDataEditor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequentialComponentsEditor）。
2.2.3图形视窗（GraphicWindow）
最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTFPlots）图等。
2.2.4文本视窗（TextWindows）
设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionData）、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（Surfacetypes）等。
2.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）
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容可以自定义，菜单栏中有：
2.3.1文件（File）
展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Saveas）等，偏好（Preference）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，展开后可打开Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。
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（Rayaberration），点列图（Spotdiagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（EncircledEnergy）；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/HammerOptimization）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（Surfacedata）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（Systemdata）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescriptiondata）。
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/EditZplMacros…”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）
ZEMAX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
2.4ZEMAX的像质评价部分
2.4.1Fans
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“RayAberration，OpticalPath和PupilAberration”三种：
2.4.2RayAberration
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。
2.4.3StopDiagrams
Rayaberration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（SpotDiagrams）的表现形式有五种：
标准点列图（Standard）、离焦点列图（ThroughFocus）、反映视场像高的点列图（FullFieldSpotDiagrams）、随视场与波长变化的点列阵图（MatrixSpotDiagrams）、随视场与多重结构变化的点列阵图（ConfigurationMatrixSpotDiagrams）。
其中常用的是标准点列图。
2.4.4MTF
MTF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分辨的调制度。
根据计算模型的不同，MTF分为三类：
（1）FFTMTF－基于快速傅立叶变换，先计算PSF（点扩散函数），再由PSF→MTF；
（2）HuygensMTF－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。
2.4.5PSF
PSF（PointSpreadFunction）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一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。
2.4.6Wavefront
“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
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
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。
2.4.7Miscellaneous
Miscellaneous意为“其他”或“杂项”，归属那些不太重要或不入大类的功能项。
第3章激光准直扩束系统设计
3.1准直扩束系统的参数确定
本次设计采用开普勒式扩束系统。
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
，入瞳直径
，视场角
，波长
。
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
r
d
glasses
1
96
5
K9
2
846
0.2
3
105.45
7.4
K9
4
87.99
3.4
ZF2
5
451.74
该初始结构的参数分别是焦距：
相对孔径：
将数据输入ZEMAX中，得到二维图以及MTF曲线如下图1、图2所示
图一
图二
3.3ZEMAX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
。
缩放方法：
按F6快捷方式，MeritFunctionEditor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来控制焦距。
选择所有半径和厚度进行OPT优化。
得到
。
2.系统优化
缩放焦距后设置MTF值，选择衍射极限和截止频率输入80，如图三示。
图三设定最高空间频率
然后对各个变量进行重新优化。
重新优化方法：
参考赛得和数，找出其中影响较大的，首先进行手动优化。
优化过程中出现子午或者弧矢MTF值过小时，在MeritFunctionEditor下加入MTFS或者MTFT设定目标值，权重值后重复优化直到达到要求。
优化完成之后，对半径和厚度进行调整，，对系统进行综合优化，找出最优结果。
归化后的系统结构参数如表二所示。
表二优化完成后系统结构参数
序号
r
d
glass
1
175.975
5
K9
2
890
0.2
3
142.095
7.4
K9
4
-224.887
3.4
ZK2
5
2439.315
最终结构如图四所示：
图四最终结构图
其MTF曲线如图五所示：
图五MTF曲线图
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