馬堃，焦錚

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245041）

《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》應(yīng)用型課程教學(xué)設(shè)計
——以激光掃描系統(tǒng)為例

馬堃，焦錚

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245041）

《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》是一門實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，是高校課堂教學(xué)中培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要課程之一。激光掃描系統(tǒng)作為一個典型的光學(xué)系統(tǒng)，包括了準(zhǔn)直、擴束和掃描等光學(xué)部件，設(shè)計中涉及多重結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)斷點等ZEMAX的一些高級應(yīng)用，具有很強的代表性。以固體紅寶石激光器作為光源，展示激光掃描系統(tǒng)各部件的設(shè)計和優(yōu)化過程。

光學(xué)系統(tǒng)；ZEMAX；激光掃描

1 引言

《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》是光電類專業(yè)一門實踐性課程，是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的使用要求，基于工程光學(xué)中的幾何光學(xué)和像差理論，系統(tǒng)地計算滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，包括各系統(tǒng)所采用光學(xué)元件的性能參數(shù)、外形尺寸、光學(xué)元件之間的距離、工作環(huán)境等[1]。通過對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程的學(xué)習(xí)，旨在強化學(xué)生在專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)、拓展在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面的能力。早期的光學(xué)系統(tǒng)主要根據(jù)相應(yīng)的光學(xué)理論，采取人工計算的方式開展設(shè)計研究，過程十分復(fù)雜，計算量也十分龐大，導(dǎo)致本科階段的課堂上很難開展相關(guān)方面的講授。而這一部分內(nèi)容也正是與實踐緊密聯(lián)系的環(huán)節(jié)，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件極大地簡化了設(shè)計過程，可以在本科生的課堂上完整展示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程，讓學(xué)生熟悉作為一名光學(xué)工程師在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的問題。

近些年，隨著地方高校應(yīng)用型本科建設(shè)的開展，地方院校向“應(yīng)用型轉(zhuǎn)變”已成為各高校發(fā)展的熱點和重點。在向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變過程中，我校經(jīng)過多方調(diào)研和論證，于2011年正式開始招收光電信息科學(xué)與工程本科專業(yè)學(xué)生，目前已成功招生6屆。新專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展是一個不斷完善是過程，為了更好地將光電專業(yè)的人才培養(yǎng)與實踐相聯(lián)系，畢業(yè)后的學(xué)生可以更好、更快地服務(wù)市場，我們對2013級光電專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂，從2013級開始，在大二上學(xué)期開設(shè)了《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計》課程[2]，主要目的是通過實踐教學(xué)，使學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計思路與外形尺寸計算方法、了解光線追跡的基本算法和光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價方法與指標(biāo)，并初步具備計算機輔助光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的能力。為了讓學(xué)生能夠更快地掌握如何利用計算機輔助完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，我們在實際教學(xué)中選用了目前使用較為普遍的ZEMAX作為輔助軟件。

本文將以激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計為例，展示ZEMAX軟件在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用。選擇激光掃描系統(tǒng)作為例子主要考慮到其應(yīng)用的廣泛性，它是激光刻蝕、激光掃描、激光測距等光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，而且激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計過程還涉及到多重結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)斷點等ZEMAX的一些高級應(yīng)用，因此該實例在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)中具有一定的代表性。

2 激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計

激光掃描系統(tǒng)包括激光準(zhǔn)直、激光擴束和激光掃描等部件，本文將基于ZEMAX軟件，完成各部件的設(shè)計和優(yōu)化過程。ZEMAX軟件是美國Radiant Zemax公司開發(fā)的一款綜合性光學(xué)設(shè)計仿真軟件，它可以在計算機平臺下統(tǒng)一實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的設(shè)計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表等設(shè)計過程，簡化了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計過程中繁瑣的計算，具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點。關(guān)于ZEMAX軟件的詳細(xì)使用手冊，可以參考文獻(xiàn)[1]，本文不再累述。

2.1 激光準(zhǔn)直部件的ZEMAX設(shè)計

相對于自然光束而言，激光具有很好的準(zhǔn)直性能，但是由于激光光束本身的雙曲性質(zhì)，導(dǎo)致光束在遠(yuǎn)距離傳播時必然會產(chǎn)生發(fā)散行為。光學(xué)系統(tǒng)接收的理想光束應(yīng)該是準(zhǔn)直的，因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，需要對光學(xué)系統(tǒng)所接收到的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直處理[3]。

下面利用ZEMAX軟件設(shè)計一個激光準(zhǔn)直部件，其主要技術(shù)指標(biāo)為：有效焦距200mm，通光口徑100mm，工作波長選擇為固體紅寶石激光器發(fā)出的760nm激光光束，要求準(zhǔn)直后發(fā)散角小于等于1mrad。圖1給出了激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，主要用了一塊中心厚度為7mm的BK7透鏡，透鏡兩面的曲率半徑設(shè)置為變量，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行優(yōu)化。

在該案例中，由于激光光束的發(fā)散性質(zhì)，因此在激光遠(yuǎn)距離傳輸時，可以將入射光束看成是軸上物點發(fā)出的光線。為了有效地減小系統(tǒng)的球差，設(shè)計中將透鏡第二個面的Conic系數(shù)設(shè)置為-1。該準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計時，“Aperture”選項中選擇了無焦系統(tǒng)，在評價函數(shù)設(shè)置中，選擇默認(rèn)評價函數(shù)波前的RMS值進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化之后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如圖2所示?？梢钥闯鰞?yōu)化之后系統(tǒng)的主透鏡是一雙凸透鏡，左右兩個面的曲率半徑分別為585.367mm和-128.976mm。

圖3和圖4分別給出了優(yōu)化之后的激光準(zhǔn)直部件3D結(jié)構(gòu)圖和點列圖，從圖3可以看出，點發(fā)散光束經(jīng)過雙凸透鏡之后，變成了一束準(zhǔn)直光束。為了定量了解該準(zhǔn)直部件對光線的準(zhǔn)直效果，圖4給出了該準(zhǔn)直光束的發(fā)散角，可以看出無論是RMS和GEO半徑，其發(fā)散角均小于1mrad，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。此外，從點列圖中可以看出，該部件剩余的像差主要來自球差。

圖1 激光準(zhǔn)直部件的初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖2 優(yōu)化之后激光準(zhǔn)直部件的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖3 激光準(zhǔn)直部件的3D結(jié)構(gòu)圖

圖4 激光準(zhǔn)直部件的點列圖

2.2 激光擴束部件的ZEMAX設(shè)計

激光擴束部件是激光掃描儀、激光干涉儀、激光測距儀等諸多激光儀器設(shè)備的重要組成部件，其主要作用是壓縮激光的空間發(fā)散角，提高或者減小激光光束功率密度，使擴束后的激光光束口徑滿足其它系統(tǒng)的參數(shù)要求[4]。為此可以利用ZEMAX軟件構(gòu)建一個激光擴束部件，其輸入光束為前一小節(jié)經(jīng)過準(zhǔn)直后輸出光束，光束直徑為100mm，入射波長為固體紅寶石激光。具體設(shè)計要求為5倍壓縮光束，以使得輸出的激光光束直徑為20mm。本例中利用了兩塊BK7玻璃透鏡和一塊理想透鏡，理想透鏡的主要作用是評價輸出光束準(zhǔn)直性能。為實現(xiàn)設(shè)計要求，將第一塊透鏡的兩個面和第二塊透鏡的第二個面的曲率半徑作為變量，并將第二塊透鏡的第二個面設(shè)置為偶次非球面型，目的是減小系統(tǒng)的球差。為了實現(xiàn)擴束的作用，優(yōu)化時利用“REAY”操作數(shù)，將目標(biāo)數(shù)設(shè)置為“10”。由于在本光學(xué)系統(tǒng)的最后放置了一塊理想透鏡，因此默認(rèn)評價函數(shù)選擇了點列圖半徑的RMS值。優(yōu)化之后的激光擴束系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)可見圖5。

圖6是相應(yīng)的3D結(jié)構(gòu)圖，可以看出，入射光束半徑為50mm激光光束經(jīng)過該光學(xué)元件之后，光束半徑變成了10mm。從圖7的點列圖可以看出，輸出光束經(jīng)理想透鏡聚焦后的點列圖RMS和GEO半徑均小于50μm，說明擴束之后的光束準(zhǔn)直性能仍然很好。

圖5 優(yōu)化之后激光擴束部件的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖6 優(yōu)化之后激光擴束部件的3D結(jié)構(gòu)圖

2.3 激光掃描部件的ZEMAX設(shè)計

圖7 優(yōu)化之后激光擴束部件的點列圖

激光器輸出的激光光束經(jīng)過準(zhǔn)直和擴束之后，進(jìn)入激光掃描部分，其核心部件是一個由電機帶動的反射鏡，入射光束經(jīng)過反射鏡后，改變傳播方向，其后再經(jīng)過聚焦透鏡聚焦，反射鏡與電機相連，通過控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)激光光束在像屏的不同位置聚焦，聚焦后的激光束可以進(jìn)一步完成激光刻蝕、激光打標(biāo)、激光條碼掃描等方面的應(yīng)用。

圖8給出了優(yōu)化之后的激光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)平面鏡的偏轉(zhuǎn)及其對系統(tǒng)中光線的轉(zhuǎn)向，在平面鏡兩側(cè)分別添加了2個坐標(biāo)斷點。內(nèi)層的坐標(biāo)斷點實現(xiàn)平面鏡的轉(zhuǎn)向，外層的坐標(biāo)斷點實現(xiàn)整個系統(tǒng)光線的轉(zhuǎn)向。圖9是優(yōu)化之后的3D結(jié)構(gòu)圖，圖中給出了平面鏡偏轉(zhuǎn)10度、5度、0度、-5度和-10度5個組態(tài)的光路?？梢钥闯?，在像平面上，平面鏡偏轉(zhuǎn)不同角度時，光線的聚焦情況都很好。為更加精細(xì)地了解不同角度下的聚焦情況，圖10給出了5個組態(tài)下的像平面上的點列圖，從點列圖上可以看出，平面鏡在偏轉(zhuǎn)±5度的范圍內(nèi)，光束聚焦非常好，在10度時，存在一定的像差，這個像差主要來自像散，可以通過減小入射角度來降低像散。

圖8 優(yōu)化之后激光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖9 激光掃描系統(tǒng)的3D結(jié)構(gòu)圖

圖10 激光掃描系統(tǒng)的點列圖

3 總結(jié)

本文以固體紅寶石激光器作為光源，經(jīng)過激光準(zhǔn)直、激光擴束和激光掃描等部件的設(shè)計和優(yōu)化，最終得到一個完整的激光掃描系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，采用了坐標(biāo)斷點方法實現(xiàn)掃描系統(tǒng)中平面鏡反射的功能，采用了多重結(jié)構(gòu)的方法模擬和優(yōu)化系統(tǒng)處于多個角度時的聚焦性能。通過對該系統(tǒng)的設(shè)計，可以使學(xué)生初步掌握光學(xué)設(shè)計的一般流程，即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，經(jīng)過簡單的計算，得到系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，再設(shè)定評價函數(shù)，對系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到符合要求的光學(xué)系統(tǒng)。通過本文對激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計的介紹，以期對初學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)生有一個概括的了解，也希望該文能夠?qū)Α豆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)的教師有所參考。

[1]林曉陽.ZEMAX光學(xué)設(shè)計超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014:260-276.

[2]王朝暉，焦斌亮，徐朝鵬.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2013:1-228.

[3]陳國，趙長明，紀(jì)榮祎，等.基于ZEMAX的半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直仿真設(shè)計[J].激光技術(shù)，2012，36（3）:318-321,325.

[4]劉煥寶,安志勇,高瑀含，等.一種激光變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2010，33（4）:43-49.

Applied Teaching Design for Optical System Design Course——Taking Laser Scanning System as an Example

Ma Kun,Jiao Zheng
（School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245041,China）

Optical System Design is a very practical basic course,and one of the important courses for the cultivation of applied talents.Laser scanning system,as a typical optical system,includes optical components for collimating and beam expanding and scanning.The design of the system involves such advanced applications of ZEMAX as multiple-configuration,coordinate break and so forth,being very typical.In this paper,the design and optimization of laser scanning system are presented by using solid ruby laser as the light source.

optical system;ZEMAX;laser scanning

G642

A

1672-447X(2017）03-0126-005

2017-02-17

全國高校光電專業(yè)教育教學(xué)熱點難點教研項目（19）；安徽省教育廳教學(xué)研究重點項目（2016jyxm0974）；安徽省振興計劃項目（2013zytz064）；黃山學(xué)院教學(xué)研究項目（2016JXYJ19）

馬堃（1983-），安徽六安人，黃山學(xué)院信息工程學(xué)院副教授，研究方向為光學(xué)系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：胡德明