1、激光扩束系统设计光学设计Optical design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11.1引言11.2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93.3 ZEMAX的优化11第一章 绪论1.1引言 激光扩
2、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
3、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
4、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
5、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2.1 ZEMAX的简单介绍ZEMAX Optical Desig
6、n Program是美国焦点软件公司ZEMAX Development Corporation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
7、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 (Main Window)ZEMAX启动以后,进入主视窗(图1.1)。主视窗顶端有标题栏(title bar)、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(Lens Data 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(Tolerance Data Editor)、用于补充光学面的附加数据编辑器(Extra Data Editor)、以及非序列元件编辑器(Non-sequential Components 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(Prescription Data)、像差数据等显示在文
9、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容可以自定义,菜单栏中有:2.3.1 文件(Fi
10、le)展开后有文件的打开(Open),新建(New),存储(Save),另存为(Save as)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Lens data editor,Merit function 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
11、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 Optimization)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
12、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);还可以给出设计结果的详细数据报告(Prescription data)。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
13、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)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(Wi
14、ndows)与帮助(Help)菜单2.4 ZEMAX的像质评价部分2.4.1 Fans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 Aberration,Optical Path和Pupil Aberration”三种:2.4.2 Ray Aberration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
15、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 Stop Diagrams Ray 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
16、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 Diagrams)、随视场与多重结构变化的点列阵图(Configuration Matrix Spot Diagrams)。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
17、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)FFT MTF基于快速傅立叶变换,先计算PSF(点扩散函数),再由PSF 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;
18、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。2.4.6 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
19、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。2.4.7 MiscellaneousMiscellaneous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
20、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 dglasses1965K928460.23105.457.4K9487.993.4ZF25451.74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 图一图二3.3 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。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)
21、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Merit Function Editor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rdglass1175.9755K928900.23142.0957.4K94-224.8873.4ZK252439.315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曲线图欢迎您的下载,资料仅供参考!致力为企业和个人提供合同协议,策划案计划书,学习资料等等打造全网一站式需求
copyright@ 2008-2022 冰豆网网站版权所有
经营许可证编号:鄂ICP备2022015515号-1