準(zhǔn)直擴(kuò)束
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時間：2023-05-11
準(zhǔn)直擴(kuò)束的實例教程
在實際生產(chǎn)中，測量設(shè)備面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)：
傳統(tǒng)接觸式測量易造成工件表面損傷，且測量誤差受壓力、溫度等環(huán)境因素影響顯著；超聲波測量、偏振成像測量等非接觸方法存在抗干擾能力弱、精度不足等問題；光學(xué)成像系統(tǒng)因透鏡裝配偏心、光軸不重合，導(dǎo)致準(zhǔn)直性下降，測量誤差難以控制；現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或視場過小（如部分系統(tǒng)物方線視場僅60mm），無法適配大型階梯軸測量需求。
隨著高端裝備制造對精度要求的不斷提升，行業(yè)迫切需要一款兼具大視場、高精度、高穩(wěn)定性的光學(xué)成像測量系統(tǒng)。
基于Zemax的對稱式雙遠(yuǎn)心光路設(shè)計
團(tuán)隊提出的對稱式雙遠(yuǎn)心光路-雙CCD測量方法，以平面反射鏡誤差補償為核心創(chuàng)新點，通過Zemax軟件完成光路設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化與性能仿真，構(gòu)建了滿足大型階梯軸測量需求的光學(xué)系統(tǒng)。
（一）設(shè)計原理：雙遠(yuǎn)心光路的精度保障
雙遠(yuǎn)心光路將物方遠(yuǎn)心與像方遠(yuǎn)心光路融合，孔徑光闌置于物方和像方共同焦點位置，使物像方主光線均平行于光軸。這一設(shè)計從根本上消除了物距、像距變化引起的測量誤差，確保放大倍率恒定[2]，為高精度測量奠定基礎(chǔ)。
針對大型階梯軸尺寸超過CCD光敏面的問題，系統(tǒng)采用對稱式雙CCD布局，如圖1所示：光源經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)形成平行光，投射至被測軸表面形成陰影，兩個CCD傳感器分別采集軸的兩側(cè)邊緣數(shù)據(jù)，通過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換及算法計算，得到實際直徑尺寸。其核心計算公式為：
其中，D0為標(biāo)準(zhǔn)件直徑， 和 為被測軸邊緣像寬，β為系統(tǒng)放大倍率。
圖1 改進(jìn)前測量系統(tǒng)原理圖
（二）關(guān)鍵創(chuàng)新：平面反射鏡的誤差補償作用
為解決光軸不重合、鏡片安裝偏斜等問題，團(tuán)隊在準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)與成像系統(tǒng)之間增設(shè)平面反射鏡，如圖2所示。
展開 激光擴(kuò)束系統(tǒng)是激光干涉儀、激光測距儀、激光雷達(dá)等諸多儀器設(shè)備的重要組成部分，其光學(xué)系統(tǒng)多采用通過倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，來實現(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)域中需要的確是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干涉儀的應(yīng)用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干涉來實現(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)來實現(xiàn)激光束的準(zhǔn)直擴(kuò)束。
本文設(shè)計的是一種帶折疊光路的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，可以有效節(jié)省系統(tǒng)空間。
設(shè)計要求：EPD=10mm、f2/f1=10、波長1064nm、輸入輸出均為準(zhǔn)直光、系統(tǒng)總長<450mm、使用兩個平面鏡折疊光路、波前差、。
設(shè)計步驟
1、 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定
孔徑類型選擇入瞳直徑，孔徑值輸入10，；波長選擇ND：YAG，或者直接輸入1.064，其它保持系統(tǒng)默認(rèn)。
2、 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中輸入如下初始結(jié)構(gòu)數(shù)值。
設(shè)置變量優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)。
查看布局圖和標(biāo)準(zhǔn)點列圖。
添加反射鏡，第一塊反射鏡X傾斜-90°，第二塊反射鏡X傾斜90°。
設(shè)置雙膠合透鏡，使光路平行出射。
進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，此時針對平行光優(yōu)化評價函數(shù)要選擇波前。
查看3D布局圖和波前圖。
3、 控制系統(tǒng)總長
打開評價函數(shù)編輯器，插入空行，并改為OPLT來控制總長，設(shè)置如下。
最后再根據(jù)需求修改鏡片尺寸等參數(shù)。
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展開 3、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例，包括經(jīng)典成像系統(tǒng)和無焦準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計，從初始結(jié)構(gòu)設(shè)計到最終系統(tǒng)分析、優(yōu)化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設(shè)計到復(fù)雜的多重結(jié)構(gòu)，變焦鏡頭、掃描鏡頭設(shè)計。
4、Zemax的優(yōu)化技巧探討，設(shè)定評價函數(shù)及評估系統(tǒng)性能的方法，優(yōu)化操作函數(shù)的選擇，玻璃材料的優(yōu)化方法。
5、衍射光學(xué)理論，衍射極限系統(tǒng)分析，MTF傳遞函數(shù)定義及作為評價標(biāo)準(zhǔn)時對優(yōu)化操作的要求。結(jié)合雙高斯照相鏡頭實例進(jìn)行MTF優(yōu)化設(shè)計，像模擬功能實現(xiàn)對成像的實時模擬。
6、新功能復(fù)合表面功能介紹，在序列模式中通過疊加多個表面的Sag分布來定義整體的面型，也打破了TEZI，TEXI，TIRR等操作數(shù)之前版本中只針對特定表面公差分析的局限。
7、非旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)在Zemax中的模擬。使用坐標(biāo)斷點精確模擬系統(tǒng)偏心旋轉(zhuǎn)的方法。結(jié)合掃描系統(tǒng)和離軸三反系統(tǒng)實例精細(xì)講解分析。
8、多重組態(tài)介紹及多重組態(tài)系統(tǒng)案例分析，變焦系統(tǒng)、變倍系統(tǒng)案例分析，消熱差分析。
9、光學(xué)系統(tǒng)公差分析，模擬實際加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，預(yù)測系統(tǒng)的可制造性能以及能否達(dá)到設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)。公差分析和操作詳細(xì)步驟，蒙特卡羅結(jié)果分析及闡釋。
ZEMAX照明設(shè)計課程
☆本課程為Zemax照明學(xué)習(xí)課程，針對工業(yè)及特殊照明產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化而設(shè)定的，涵蓋了室內(nèi)外照明燈具、工業(yè)照明等方面的建模設(shè)計和分析優(yōu)化，主要內(nèi)容包括：
1、光源的精確建立、復(fù)雜物體的各種構(gòu)建方式、探測器的建立和分析。
2、分光案例分析，散射模型分析，膜層的光學(xué)屬性設(shè)定，投影系統(tǒng)中X棱鏡的模擬。
3、馬克斯托夫望遠(yuǎn)鏡的雜散光分析案例，成像鏡頭鬼影分析等高級光路分析。
4、拋物面反光杯的計算及光研技術(shù)團(tuán)隊編寫的鱗甲反光杯ZPL實例剖析。
展開 3、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例，包括經(jīng)典成像系統(tǒng)和無焦準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計，從初始結(jié)構(gòu)設(shè)計到系統(tǒng)分析、優(yōu)化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設(shè)計到復(fù)雜的多重結(jié)構(gòu)，變焦鏡頭、掃描鏡頭設(shè)計。
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5、衍射光學(xué)理論，衍射極限系統(tǒng)分析，MTF傳遞函數(shù)定義及作為評價標(biāo)準(zhǔn)時對優(yōu)化操作的要求。結(jié)合雙高斯照相鏡頭實例進(jìn)行MTF優(yōu)化設(shè)計，像模擬功能實現(xiàn)對成像的實時模擬。
6、新功能復(fù)合表面功能介紹，在序列模式中通過疊加多個表面的Sag分布來定義整體的面型，也打破了TEZI，TEXI，TIRR等操作數(shù)之前版本中只針對特定表面公差分析的局限。
7、非旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)、多反射鏡系統(tǒng)在ZEMAX中的模擬。使用坐標(biāo)斷點精確模擬系統(tǒng)偏心旋轉(zhuǎn)的方法。結(jié)合掃描系統(tǒng)和離軸三反系統(tǒng)實例精細(xì)講解分析。
8、多重組態(tài)介紹及多重組態(tài)系統(tǒng)案例分析。變焦系統(tǒng)，變倍系統(tǒng)案例分析。激光柱面鏡優(yōu)化方法。消熱差分析。
9、光學(xué)系統(tǒng)公差分析，模擬實際加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，預(yù)測系統(tǒng)的可制造性能以及能否達(dá)到設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)。公差分析和操作詳細(xì)步驟，蒙特卡羅結(jié)果分析集闡釋。
ZEMAX 高級實戰(zhàn)課程
☆本課程回顧并延伸了標(biāo)準(zhǔn)課程的設(shè)計思想，進(jìn)一步加大了設(shè)計實例的深入研究，涵蓋了更加復(fù)雜成像的設(shè)計和分析，包括如何根據(jù)需求設(shè)定不同的求解類型，如何選用局部和全局優(yōu)化，利用Image Simulation功能進(jìn)行實際像分析。
展開 添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場。
對于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉(zhuǎn) 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴(kuò)展的纖芯。然后，可以通過 Universal Plot 工具對 coordinate breaks執(zhí)行掃描來評估 fiber alignment對耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。為了更好地可視化，從Universal Plot結(jié)果中提取數(shù)據(jù)，歸一化并轉(zhuǎn)換為dB( 10xlog10(Coupling Efficiency) )。
上圖顯示，如果沒有微透鏡，當(dāng)光纖偏離最佳位置時，耦合效率下降得更快。使用 3dB 損耗作為參考來估計帶寬，我們看到在使用微透鏡時，對準(zhǔn)容差會放寬，這是意料之中的，因為光束在被微透鏡準(zhǔn)直之前會擴(kuò)束。
系統(tǒng)損耗計算 - “OUT” 方向
對于out方向，損耗在 POP 分析窗口的耦合結(jié)果上得到。耦合數(shù)是總的系統(tǒng)損耗與輸出場（微透鏡之后）和光纖模式（在 POP 分析窗口的光纖數(shù)據(jù)選項卡中選擇）之間的重疊積分的乘積。因此，對于這個例子：0.593864 × 0.66287 = 0.39365 ~ 40%。
第 3 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計（“IN”方向）
打開文件 Microlens_IN.zprj。在 POP 的 Display 選項卡上，應(yīng)勾選"Save Output Beam To"。
展開 
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準(zhǔn)直擴(kuò)束的最新內(nèi)容
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場。
圖1 改進(jìn)前測量系統(tǒng)原理圖
（二）關(guān)鍵創(chuàng)新：平面反射鏡的誤差補償作用
為解決光軸不重合、鏡片安裝偏斜等問題，團(tuán)隊在準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)與成像系統(tǒng)之間增設(shè)平面反射鏡，如圖2所示。
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場。
3、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例，包括經(jīng)典成像系統(tǒng)和無焦準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計，從初始結(jié)構(gòu)設(shè)計到最終系統(tǒng)分析、優(yōu)化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設(shè)計到復(fù)雜的多重結(jié)構(gòu)，變焦鏡頭、掃描鏡頭設(shè)計。
4、Zemax的優(yōu)化技巧探討，設(shè)定評價函數(shù)及評估系統(tǒng)性能的方法，優(yōu)化操作函數(shù)的選擇，玻璃材料的優(yōu)化方法。
5、衍射光學(xué)理論，衍射極限系統(tǒng)分析，MTF傳遞函數(shù)定義及作為評價標(biāo)準(zhǔn)時對優(yōu)化操作的要求。
因此需要使用激光擴(kuò)束系統(tǒng)來實現(xiàn)激光束的準(zhǔn)直擴(kuò)束。
本文設(shè)計的是一種帶折疊光路的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，可以有效節(jié)省系統(tǒng)空間。
設(shè)計要求：EPD=10mm、f2/f1=10、波長1064nm、輸入輸出均為準(zhǔn)直光、系統(tǒng)總長<450mm、使用兩個平面鏡折疊光路、波前差、。
3、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例，包括經(jīng)典成像系統(tǒng)和無焦準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計，從初始結(jié)構(gòu)設(shè)計到系統(tǒng)分析、優(yōu)化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設(shè)計到復(fù)雜的多重結(jié)構(gòu)，變焦鏡頭、掃描鏡頭設(shè)計。
4、ZEMAX的優(yōu)化技巧探討，設(shè)定評價函數(shù)及評估系統(tǒng)性能的方法，優(yōu)化操作函數(shù)的選擇，玻璃材料的優(yōu)化方法。
