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1、文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .光学设计Optical design题目名称：准直扩束系统的设计 8 目录11.1引言11.2激光束及其准直扩束的原理11.3折射型扩束器基本结构4ZEMAX593.1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110文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.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
2、， 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
3、, 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。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。1文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .文档来源为
4、 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.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0和发散角为 0f 12和 。0式中(l ) 为入射激光束在入射镜上光束半径，l 是入射激光束腰与入射镜的距离 f1 是输入镜的焦距。 因为0 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T1 f 1f 2 ， 和00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0f 1 和 。可得： 0 T1 (l ) 。0 T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
5、 , 实现了对高斯光束的扩束。1.3 折射型扩束器基本结构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。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ZE
6、MAX概述2.1 ZEMAX 的简单介绍ZEMAXOptical Design Program 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， Z
7、EMAX 软件强大的优化功能能2文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.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：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（ to
8、ols bar）。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 Function 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）
9、。图形视窗（ Graphic Window ）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTF Plots ）图等。Windows ）设计的文字资料，如详细数据（ Prescription Data）、像差数据等显示在文本视窗中。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
10、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：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。3文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.编辑器（ Editors ）栏中包括 ZEMAX中所有编辑器
11、命令，展开后可打开Lens data editor， Meritfunction editor。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。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（ 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（ Misc
12、ellaneous）等。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
13、块以后讨论。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）。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/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。外部程序接口（ Extensions）4文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .文档来源为 :从网络收集整理.word 版本可编辑 .欢迎下载支持.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。视窗（ Windows ）与帮助（ Help ）菜单2.4 ZEMAX 的
