一種激光變焦擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第33卷第4期2010年12月長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）Dec.2010一種激光變焦擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉煥寶1，安志勇1，高瑀含1，肖作江2(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130022)摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)氦氖激光器光束的擴(kuò)束，通過對(duì)三組元變焦系統(tǒng)的分析，推導(dǎo)出變倍組、補(bǔ)償組和固定組之間的移動(dòng)的規(guī)律。利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)理論設(shè)計(jì)出的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)優(yōu)化出了擴(kuò)束比為2×12×的變焦擴(kuò)束系統(tǒng)。最后通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)該系統(tǒng)的像差進(jìn)行了優(yōu)化，使其滿足對(duì)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(jiǎn)單、性

2、能優(yōu)良，是一種可以被實(shí)際應(yīng)用的連續(xù)變倍的激光擴(kuò)束系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：擴(kuò)束系統(tǒng)；變焦；光學(xué)設(shè)計(jì)；ZEMAX中圖分類號(hào)：O435文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(kuò)束系統(tǒng)是構(gòu)成諸如激光雷達(dá)、激光測(cè)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(zhǔn)直性，使激光束達(dá)到對(duì)孔徑的要求1，2。擴(kuò)束系統(tǒng)根據(jù)擴(kuò)束比是否可調(diào)，可分為固定式和可調(diào)式。變焦擴(kuò)束系統(tǒng)與其它擴(kuò)束系統(tǒng)相比具有擴(kuò)束比可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，故其在全息照相、激光測(cè)距以及光通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。變焦擴(kuò)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(kuò)束系統(tǒng)參數(shù)的公式，并根據(jù)理論結(jié)果設(shè)計(jì)了擴(kuò)束比為2×12×的擴(kuò)束系統(tǒng)。通過應(yīng)用ZEMAX軟件，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，滿足系統(tǒng)的像差要求。1變焦擴(kuò)束系統(tǒng)原理通過對(duì)二組元、三組元和四組元變焦系統(tǒng)的分析，本設(shè)計(jì)采用三組元變焦系統(tǒng)。其分別為變倍組、固定組和補(bǔ)償組。其優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變倍；系統(tǒng)像差較小和系統(tǒng)總長(zhǎng)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(bǔ)償組1時(shí)，若固定組與補(bǔ)償組3重合時(shí)，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(dá)到改變變倍比的收稿日期：2010-0

5、5-16基金項(xiàng)目：某兵工企業(yè)委托項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：劉煥寶（1982-），男，碩士研究生，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)及光電測(cè)控技術(shù)的研究，E-mail:france418。的像方孔徑角。若令系統(tǒng)的擴(kuò)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(kuò)束的原理ThezoomlenswithFig.2Thetheoryofzoomthreeelementslenswiththreeelements目的，要求當(dāng)變倍組補(bǔ)償組要移動(dòng)距離的像點(diǎn)時(shí)，則相應(yīng)的3的前焦點(diǎn)，固定組3之間的移動(dòng)規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出變倍比為2×12×的變焦擴(kuò)束系統(tǒng)。通過對(duì)圖2的分析，擬取2360；2=165。令擴(kuò)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(dòng)距離向右移動(dòng)時(shí)，1向左移動(dòng)時(shí)，12動(dòng)量值帶入到（2）式中，即可以得出。當(dāng)擴(kuò)束比改變時(shí)，重復(fù)上述補(bǔ)償組過程，可得到相應(yīng)的變倍組3的移動(dòng)量。通過上述的計(jì)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(bǔ)償組，也同時(shí)代表固定組為變倍組3在不同的擴(kuò)束比2之間的間距。從圖3中可以看出：變倍組3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非直線運(yùn)動(dòng)。列高斯公式即可得到1313向右移動(dòng)時(shí)，3向左移動(dòng)時(shí)，1，出射光的高度為；1=3Ϊ¹Ì¶¨×é=1圖3變倍組3的移動(dòng)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(yàn)證上述計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可否實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比為2×12×的要求。通過對(duì)表1因擴(kuò)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(jì)算所得的數(shù)據(jù)Fig.4ThedatecalculatedbyZEMAXZEMAX軟件得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出上述的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。=12×時(shí)，ZEMAX的計(jì)算所得的數(shù)據(jù)如圖

8、4所示。=12×時(shí)，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(jì)在上述驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，用實(shí)際的透鏡來替代理想透鏡。具體采用的形式為：用一個(gè)1；用兩個(gè)總焦距為2；用一個(gè)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(jì)軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能，對(duì)系

9、統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化使其最終滿足擴(kuò)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(shí)ZEMAX輸出的實(shí)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(shí)體圖Fig.8TheshadowlayoutoftheZEMAX根據(jù)優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù)1和補(bǔ)償組1的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是直線運(yùn)動(dòng)；補(bǔ)償組1和補(bǔ)償組1andcompensator，在=4×，=6×，=11

10、15;時(shí)系=7=9=113結(jié)論通過小波變換利用光譜信號(hào)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(duì)光譜信號(hào)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(hào)，對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行軟、硬函數(shù)閾值去噪處理，在小麥樣品閾值處理時(shí)，運(yùn)用軟閾值函數(shù)比運(yùn)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(xiàn)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(hào)處理J.化學(xué)進(jìn)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(zhǎng)選擇方法進(jìn)展與應(yīng)用J.化學(xué)進(jìn)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(shí)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(shí)際中應(yīng)用的連續(xù)變倍的激光擴(kuò)束系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1孔祥蕾，郝沛明.變焦擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)J.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（1）：60-63.3陶純