一種激光變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1、第33卷第4期2010年12月長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）Dec.2010一種激光變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計劉煥寶1，安志勇1，高瑀含1，肖作江2(1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022；2.長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春130022)摘要：為實現(xiàn)對氦氖激光器光束的擴束，通過對三組元變焦系統(tǒng)的分析，推導(dǎo)出變倍組、補償組和固定組之間的移動的規(guī)律。利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對理論設(shè)計出的結(jié)果進行了驗證，并設(shè)計優(yōu)化出了擴束比為2×12×的變焦擴束系統(tǒng)。最后通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對該系統(tǒng)的像差進行了優(yōu)化，使其滿足對像差的要求。從最后得到的系統(tǒng)可以得出：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性

2、能優(yōu)良，是一種可以被實際應(yīng)用的連續(xù)變倍的激光擴束系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：擴束系統(tǒng)；變焦；光學(xué)設(shè)計；ZEMAX中圖分類號：O435文獻標識碼：A文章編號：1672-9870（2010）04-0043-03SystemDesignofAVarifocalBeamExpanderLIUHuanbao1，ANZhiyong1，GAOYuhan1，XIAOZuojiang2（1.SchoolofPhoto-electronicEngineering，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022；2.SchoolofLifeScienceInst

3、itute，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022）Keywords：expandersystem；varifocus；opticaldesign；ZEMAX激光擴束系統(tǒng)是構(gòu)成諸如激光雷達、激光測距儀等儀器的重要組成部分。其主要作用是通過改善激光束的空間發(fā)散角，提高光束的準直性，使激光束達到對孔徑的要求1，2。擴束系統(tǒng)根據(jù)擴束比是否可調(diào)，可分為固定式和可調(diào)式。變焦擴束系統(tǒng)與其它擴束系統(tǒng)相比具有擴束比可調(diào)的優(yōu)點，故其在全息照相、激光測距以及光通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。變焦擴束系統(tǒng)根據(jù)組元的多少可分為二組元系統(tǒng)、三組元系統(tǒng)

4、和四組元系統(tǒng)等3。本文根據(jù)應(yīng)用光學(xué)理論，推導(dǎo)出求解三組元變焦擴束系統(tǒng)參數(shù)的公式，并根據(jù)理論結(jié)果設(shè)計了擴束比為2×12×的擴束系統(tǒng)。通過應(yīng)用ZEMAX軟件，對設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化，滿足系統(tǒng)的像差要求。1變焦擴束系統(tǒng)原理通過對二組元、三組元和四組元變焦系統(tǒng)的分析，本設(shè)計采用三組元變焦系統(tǒng)。其分別為變倍組、固定組和補償組。其優(yōu)點是：可以實現(xiàn)連續(xù)變倍；系統(tǒng)像差較小和系統(tǒng)總長較短。具體采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中2為固定組；為變倍組2主面之間的距離；2與補償組1時，若固定組與補償組3重合時，則出射光束即為平行于光軸的平行光。為改變出射光束的口徑，以達到改變變倍比的收稿日期：2010-0

5、5-16基金項目：某兵工企業(yè)委托項目作者簡介：劉煥寶（1982-），男，碩士研究生，主要從事光學(xué)設(shè)計及光電測控技術(shù)的研究，E-mail:france418。的像方孔徑角。若令系統(tǒng)的擴束比為31=圖1Fig.1三組元變焦系統(tǒng)圖2三組元系統(tǒng)變倍擴束的原理ThezoomlenswithFig.2Thetheoryofzoomthreeelementslenswiththreeelements目的，要求當變倍組補償組要移動距離的像點時，則相應(yīng)的3的前焦點，固定組3之間的移動規(guī)律，從而設(shè)計出變倍比為2×12×的變焦擴束系統(tǒng)。通過對圖2的分析，擬取2360；2=165。令擴束比為2(2

6、(1的移1和固定組。2為固定組11其中：的放大率。則固定組移動距離向右移動時，1向左移動時，12動量值帶入到（2）式中，即可以得出。當擴束比改變時，重復(fù)上述補償組過程，可得到相應(yīng)的變倍組3的移動量。通過上述的計算，得出了1與固定組1和固定組3主面之間的距離1和補償組，也同時代表固定組為變倍組3在不同的擴束比2之間的間距。從圖3中可以看出：變倍組3的運動規(guī)律是非直線運動。列高斯公式即可得到1313向右移動時，3向左移動時，1，出射光的高度為；1=3Ϊ¹Ì¶¨×é=1圖3變倍組3的移動變倍曲線Fig.3Thecurv

7、eofthevariator3'smovement將上述的數(shù)據(jù)輸入到ZEMAX軟件中后，利用其可以使用理想透鏡的功能，驗證上述計算得到的數(shù)據(jù)可否實現(xiàn)擴束比為2×12×的要求。通過對表1因擴束比的不同所得到的不同的Tab.1Thevalueofthe=31值withthechangingofthemagnification=5=7=9=11(mm)(a)(b)圖4ZEMAX計算所得的數(shù)據(jù)Fig.4ThedatecalculatedbyZEMAXZEMAX軟件得到的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出上述的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)是可行的。=12×時，ZEMAX的計算所得的數(shù)據(jù)如圖

8、4所示。=12×時，ZEMAX二維圖如圖5所示。(a)(b)圖5ZEMAX輸出的二維圖Fig.5The2DlayoutoftheZEMAX4系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計在上述驗證的基礎(chǔ)上，用實際的透鏡來替代理想透鏡。具體采用的形式為：用一個1；用兩個總焦距為2；用一個3。其具體系統(tǒng)參數(shù)如圖6所示。圖6優(yōu)化前的系統(tǒng)具體參數(shù)Fig.6Theparameterofthesystembeforeoptimization表2優(yōu)化后得到的不同的2值Tab.2Thevalueofthe2aftertheoptimization=3=51(mm)通過設(shè)置優(yōu)化函數(shù)，應(yīng)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件的自動優(yōu)化功能，對系

9、統(tǒng)進行優(yōu)化使其最終滿足擴束比為2×12×的要求。最終得到的系統(tǒng)參數(shù)如圖7所示；=5×，=12×時ZEMAX輸出的實體圖如圖8所示。圖7優(yōu)化后系統(tǒng)的最終參數(shù)Fig.7Theparameterofthesystemaftertheoptimization(a)=5×(c)M=8×(d)M=12×圖8ZEMAX輸出的實體圖Fig.8TheshadowlayoutoftheZEMAX根據(jù)優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù)1和補償組1的運動規(guī)律是直線運動；補償組1和補償組1andcompensator，在=4×，=6×，=11

10、15;時系=7=9=113結(jié)論通過小波變換利用光譜信號與噪聲的頻率差異，在不同尺度上自適應(yīng)的設(shè)定閾值消除噪聲，對光譜信號的損傷很小，是一種理想的去噪方法。通過模擬理想原始光譜信號，對光譜信號進行軟、硬函數(shù)閾值去噪處理，在小麥樣品閾值處理時，運用軟閾值函數(shù)比運用硬閾值函數(shù)處理效果更好，而軟閾值函數(shù)中的最大最小閾值去噪效果更好。參考文獻1陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)M.北京：中國石化出版社，2000.2StephenRD，RonaldEP，KarlHN.SensitivityofNear-InfraredAbsorptiontoMoistureContentsVersusWa

11、terActivityinStarchandCelluloseJ.CerealChemistry，69（1）：107-109.3邵學(xué)廣，龐春艷，孫莉.小波變換與分析化學(xué)信號處理J.化學(xué)進展，2000，12（3）：233-235.4李弼程，羅建文.小波分析及其應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2003：47-82.5褚小立，袁洪福，陸婉珍.近紅外分析中光譜預(yù)處理及波長選擇方法進展與應(yīng)用J.化學(xué)進展，2004，16（4）：54-68.6呂瑞蘭.小波閾值去噪的性能分析及基于能量元的小波閾值去噪方法研究D.浙江：浙江大學(xué)碩士論文，2003.（上接第45頁）(a)=6×(c)統(tǒng)的波象差小于0.15=2×，=11×時系統(tǒng)的波象差(OPD)如圖10所示。質(zhì)，故此系統(tǒng)是一種可以在實際中應(yīng)用的連續(xù)變倍的激光擴束系統(tǒng)。參考文獻1孔祥蕾，郝沛明.變焦擴束系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計J.應(yīng)用光學(xué)，2001，22（5）：7-11.2李永剛，張葆，丁金偉.紅外連續(xù)變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計J.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，32（1）：60-63.3陶純