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(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350007)

引 言

由于激光具有高亮度、單色性好和方向性好等特點(diǎn)[1],激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)在通信技術(shù)、激光掃描、切割、測(cè)量距離等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中,通常需要用到口徑不一的準(zhǔn)直激光光束,尤其是在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,每更換一個(gè)實(shí)驗(yàn)元件都需要重新調(diào)節(jié)整個(gè)光路,不利于實(shí)驗(yàn)操作,因此設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)變倍的激光擴(kuò)束系統(tǒng)是非常有必要的。目前激光擴(kuò)束方法使用較為廣泛的有兩大類(lèi)[2-4]。第一類(lèi)是選用反射系統(tǒng),此類(lèi)系統(tǒng)選用大口徑的反射鏡面來(lái)擴(kuò)大激光光束,常見(jiàn)的系統(tǒng)有格里高利系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)。由于此類(lèi)系統(tǒng)通常采用非球面鏡片,并且是固定的擴(kuò)束比,通常是單獨(dú)設(shè)計(jì)某一類(lèi)口徑的光束,而且非球面在實(shí)際生產(chǎn)中存在較高的成本以及難度。所以此類(lèi)系統(tǒng)適合大倍率擴(kuò)束的應(yīng)用。第二類(lèi)是選用透射式系統(tǒng),此類(lèi)系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的透鏡組成。常見(jiàn)的系統(tǒng)有開(kāi)普勒系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng),由于此類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高,所以具有小變倍比需求的系統(tǒng)可采用第二類(lèi)方法。本文采用沒(méi)有內(nèi)部焦點(diǎn)的倒置的伽利略式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)焦變倍的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng),選用透射式變焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一級(jí)低倍放大,擴(kuò)束比范圍為5～25,系統(tǒng)只有4片透鏡,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,后期樣機(jī)易于裝調(diào),實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值高。

隨著激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng)研究的發(fā)展,近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了一系列相對(duì)成熟的系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)研制的一款Φ300HTM激光擴(kuò)束器,是具有大口徑、高倍率特點(diǎn)的哈特曼擴(kuò)束器。該系統(tǒng)總長(zhǎng)950 mm,通光口徑為Φ300 mm,擴(kuò)束比為30×;武漢巍騰科技有限公司研發(fā)的VIS-NIR 56C-30系列的電動(dòng)變焦激光擴(kuò)束鏡可實(shí)現(xiàn)1×～4×或2×～8×的連續(xù)變焦,系統(tǒng)像差小于λ/4;CVIMG公司研發(fā)的LBV系列激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)2.5×～10×的變倍比,系統(tǒng)像差小于λ/10[5]。

1 擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)

1.1 低倍率擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

激光光束是由激光共振腔尺寸和幾何形狀決定的高斯光束,光束呈雙曲線(xiàn)狀,其方向性與透鏡焦距、入射光光束的束腰有關(guān)[6]。束腰越小,高斯光束的方向性越好。激光光束經(jīng)過(guò)透鏡系統(tǒng)的變換矩陣為[7-10]

(1)

圖1 激光通過(guò)擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的傳輸Fig.1 Transmission through the laser beam expanding telescope

對(duì)于調(diào)焦系統(tǒng)(Δ=0),有

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ0與束腰ω0間呈反比關(guān)系時(shí),

(4)

(5)

(6)

當(dāng)s?f1+f2時(shí)

(7)

在透鏡L1的焦面上將得到一個(gè)極小光斑

(8)

式中:ω(l)表示高斯光束半徑。

由上可知該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的準(zhǔn)直倍率為

(9)

根據(jù)以上公式可得出望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)高斯光束的準(zhǔn)直倍率為

(10)

因此系統(tǒng)的準(zhǔn)直倍率M′越大,其擴(kuò)束準(zhǔn)直性就越好。

1.2 激光擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1結(jié)構(gòu)的選擇

激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng)的波長(zhǎng)是單一的,考慮到系統(tǒng)激光能量很強(qiáng),故系統(tǒng)選擇沒(méi)有內(nèi)部焦點(diǎn)的倒置的伽利略式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),且該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,筒長(zhǎng)較短,適用于低倍率擴(kuò)束。伽利略擴(kuò)束系統(tǒng)如圖2所示,結(jié)構(gòu)的前組為發(fā)散鏡組,后組為會(huì)聚鏡組,前后兩組的焦點(diǎn)重合。

為使系統(tǒng)能夠自由調(diào)節(jié)5～25倍的放大倍率,在前組和后組之間添加變倍組以實(shí)現(xiàn)放大倍率的調(diào)節(jié),添加變倍組后的初始結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)節(jié)變倍組與前組距離間距1和變倍組與后組距離間距2即可實(shí)現(xiàn)放大倍率的調(diào)節(jié)。

圖2 伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)Fig.2 Galileo telescope system

圖3 無(wú)焦擴(kuò)束系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.3 Initial structure of focus-free beam expanding system

1.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用Zemax軟件建立上述變倍擴(kuò)束系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)[11-12],不同的組態(tài)擴(kuò)束比值不同,所以添加了5組多重結(jié)構(gòu)(間距1和間距2為多重結(jié)構(gòu)改變量),優(yōu)化函數(shù)分別設(shè)置5組多重結(jié)構(gòu)的放大倍率為5×、10×、15×、20×、25×,通過(guò)對(duì)Zemax的REAY優(yōu)化函數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的曲率半徑和間距進(jìn)行優(yōu)化,REAY操作數(shù)指定邊緣孔徑的邊緣光線(xiàn)在像面上的高度,該高度實(shí)際上就是光束的半孔徑,設(shè)置5個(gè)多重結(jié)構(gòu),優(yōu)化函數(shù)分別優(yōu)化5個(gè)多重結(jié)構(gòu)的半孔徑為2.5、5、7.5、10、12.5。

為了達(dá)到擴(kuò)束比5×～25×的連續(xù)變倍設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)系統(tǒng)的可變參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化,如透鏡的曲率半徑和組元之間的空氣間隔,在優(yōu)化中發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)大變倍比像質(zhì)不好,在變倍組中添加一片透鏡,則該系統(tǒng)為無(wú)焦擴(kuò)束變倍系統(tǒng),如圖4所示,當(dāng)移動(dòng)第二組時(shí),產(chǎn)生焦距的變化,這時(shí)用第三組補(bǔ)償,當(dāng)最后一組的物點(diǎn)與中間組的像點(diǎn)重合時(shí),系統(tǒng)就是一個(gè)無(wú)焦的系統(tǒng),而且光束口徑會(huì)隨著透鏡的移動(dòng)而改變[13]。

圖4 無(wú)焦擴(kuò)束變倍系統(tǒng)Fig.4 Focus-free multiplication-varying beam expanding system

重新優(yōu)化,結(jié)果達(dá)到系統(tǒng)使用要求。圖5所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,圖5由上到下分別是放大倍率25×、20×、15×、10×、5×?xí)r的結(jié)果。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.5 Results of the optimization

1.2.3像質(zhì)評(píng)價(jià)

優(yōu)化結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求要通過(guò)一些像質(zhì)評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)定[14],例如星點(diǎn)圖、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線(xiàn)和波像差等。由于激光的連續(xù)變倍擴(kuò)束系統(tǒng)是小像差系統(tǒng),通常選用波像差對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),各倍率的波像差如圖6所示。

波像差就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后的實(shí)際波面與理想波面之間的偏差,光學(xué)系統(tǒng)的波像差愈小,說(shuō)明該系統(tǒng)成像質(zhì)量愈好。圖6所示分別為5×、10×、15×、20×、25×?xí)r的系統(tǒng)波像差,可以看到,波像差最大均方根值均小于λ/40,達(dá)到干涉儀擴(kuò)束系統(tǒng)的要求。對(duì)于激光干涉儀而言,很多激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)的波像差評(píng)價(jià)值都在λ/10至λ/40之間,考慮到實(shí)際加工裝配過(guò)程中誤差會(huì)導(dǎo)致成品鏡頭的波像差比設(shè)計(jì)值大很多,所以本文設(shè)計(jì)的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的波像差達(dá)到λ/80,達(dá)到干涉儀的要求。

圖6 各倍率波像差Fig.6 Wave aberration for different ratios

透鏡直徑/mm正透鏡的邊緣最小厚度/mm負(fù)透鏡的中心最小厚度/mm3～60．40．6>6～≤100．60．8>10～≤180．8～1．21．0～1．5>18～≤301．2～1．81．5～2．2>30～≤501．8～2．42．2～3．5>50～≤802．4～3．03．5～5．0>80～≤1203．0～4．05．0～8．0>120～≤1504．0～6．08．0～12．0

2 激光擴(kuò)束系統(tǒng)的工藝分析

該設(shè)計(jì)的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)除了可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足成像質(zhì)量要求的光學(xué)系統(tǒng)以外,還需要考慮設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以通過(guò)合理的現(xiàn)代工藝進(jìn)行加工生產(chǎn),這也是課題后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究的重要內(nèi)容,所以要對(duì)設(shè)計(jì)的激光連續(xù)變倍擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行工藝分析。

在加工和安裝過(guò)程中對(duì)光學(xué)零件的強(qiáng)度和剛性都有一定的要求,一般而言,正透鏡的中心厚度較邊緣厚度小,所以對(duì)其邊緣厚度有一定的要求,而負(fù)透鏡是邊緣厚度較小,則要考慮其中心厚度不能太小[14]。表1所示為不同直徑情況下的正透鏡最小邊緣厚度和負(fù)透鏡的最小中心厚度。

將設(shè)計(jì)好的連續(xù)變倍激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光學(xué)鏡片參數(shù)表對(duì)應(yīng)的參數(shù)與表1進(jìn)行一一比對(duì),正透鏡的邊緣最小厚度和負(fù)透鏡的中心最小厚度都能達(dá)到加工的工藝要求,因此該設(shè)計(jì)符合加工的工藝要求,具有實(shí)際加工使用價(jià)值。而且該設(shè)計(jì)只采用了一種玻璃(H-ZF6)達(dá)到校正球差的目的,滿(mǎn)足干涉儀波像差像質(zhì)要求,節(jié)約了生產(chǎn)成本,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文采用沒(méi)有內(nèi)部焦點(diǎn)的倒置伽利略式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)焦變倍的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng),選用透射式變焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一級(jí)低倍放大,實(shí)現(xiàn)光束口徑大小連續(xù)變化,整個(gè)系統(tǒng)只用4片透鏡組成,擴(kuò)束比范圍為5×～25×。對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行波像差分析,波像差最大均方根值均小于λ/40,滿(mǎn)足干涉儀擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)符合加工的工藝要求,在實(shí)際激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、短距傳輸?shù)确矫婢哂袘?yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 王培芳,向陽(yáng),高健,等.激光變倍準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(9):0922007.

[2] 蕭澤新.工程光學(xué)設(shè)計(jì)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3] 張存武.變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2006:1-3.

[4] 徐金鏞,孫培家.光學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1989:282-284.

[5] 劉煥寶.一種激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2011:15-18.

[6] 趙伊寧,王鑫,向陽(yáng).折反射式連續(xù)大變倍比擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,35(1):46-48.

[7] 樊麗娜,朱愛(ài)敏,劉琳,等.激光擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)[J].紅外,2007,28(8):20-22.

[8] 呂百達(dá).激光光學(xué):光束描述、傳輸變換與光腔技術(shù)物理[M].3版.北京:高等教育出版社,2003:133-141.

[9] 程潔,孫年春,王正興,等.激光擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)與擴(kuò)束比[J].激光技術(shù),1995,19(1):57-60.

[10] 單娟,張鵬,付玉虎.激光變焦擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù),2013,11(4):72-76.

[11] 楊海波,王柏林,張大有,等.一種變倍擴(kuò)束鏡的設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2007,22(1):8-10.

[12] 葉井飛,高志山,葉海水,等.大變倍比近紅外無(wú)焦激光擴(kuò)束系統(tǒng)[J].光學(xué) 精密工程,2013,21(5):1129-1136.

[13] 趙陽(yáng),鞏巖.折反射式連續(xù)變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光電工程,2010,37(4):77-82.

[14] 李曉彤,岑兆豐.幾何光學(xué)·像差·光學(xué)設(shè)計(jì)[M].2版.杭州:浙江大學(xué)出版社,2007:168-170,320-321.