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Zemax光学设计实例（88）---一个8～16X连续变比激光扩束镜的设计

2021-12-20 11:03| 发布者：Davis| 查看：2065| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the design of an 8-16X continuous zoom laser beam expander using Zemax optical design software. The system allows for convenient continuous zooming while maintaining good image quality. The design parameters include an input laser b

引言：

连续变焦的激光扩束镜用起来更方便。

变焦系统是指在保持像面不动的情况下，焦距可以在一定范围内改变，同时成像质量保持良好的光学系统。

变焦过程的主要规律

（1）以间隔参数的改变来实现变焦

以最简单的两组透镜为例，把两组透镜简化为两组单薄透镜，光焦度分别为φ₁、φ₂，则系统的总光焦度为

因为φ₁、φ₂的光焦度在设计时已经确定，且透镜参数和材料折射率也无法改变，那只能通过改变d来实现变焦。

通过调节光学系统内部的零件或组件沿光轴方向移动，改变光学间隔，理论上可以实现系统焦距变化。

（2）像面保持相对稳定

像面位移补偿各运动组共轭距改变量的总和应为零，即在改变倍率的过程中，像空间中所有间隔变动的Δd_i的代数和为零。

（3）物像交换原则

一个完善的成像系统，当物距与像距交换后，仍为完善像，这一规律就是物像交换原则。

物像交换原则说明在一个变焦系统中，当变倍组移动时，补偿组可以有几个补偿点满足像面稳定。

由于激光扩束镜的物距和像距均为无限，为了方便，一般在像方设置近轴理想透镜，这样一来，问题就变为小视场变焦设计。

变焦可以通过旋钮、滑轨、马达等方式实现，获得连续无间断的变焦光学系统，去除近轴理想透镜后就是连续变倍激光扩束镜。

设计指标：

设计一个8～16倍连续变比的激光扩束镜，入射激光光束直径D`=2mm，激光波长650nm，变焦比8～16倍，出射激光光束直径D``=16～32mm，系统总长要求小于270mm，视场角ω小于0.1°。

设计与仿真：

（1）系统参数设置

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“2”；

在视场设定对话框中设置2个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.65um，如下图：

（2）初始结构

在12X定焦扩束镜组的设计基础上，在第1个透镜的前面增加一个参考面，在第1个透镜L1和第2个透镜L2的中间增加一个厚度为4mm的透镜L2，原来的L2改为L3，并在最后增加一个参考面，如下图：

（3）增加多组态，增大扩束比

按F7打开MCE，将L1和L2的间隔T3作为第一个变量（THIC），将L2和L3的间隔T5作为第二个变量（THIC），将L3和REFERENCE-2的间隔T8作为第三个变量（THIC）。

从8X到16X总共有9种不同的扩束比，因此一共需要9个组态。

在初始状态下，每个Config的变量都相等，如下图：

（4）优化

按F6打开MFE，在每一个CONF（总共有9个）下，分别添加以下操作数。

TTHI操作数，第1面至第8面，即参考面1至参考面2，设定为265mm并给权重0.1。

TTHI操作数，第2面至第7面，即透镜部分的总长，只给出上限（使用OPLT操作数）220mm并给权重0.1。

REAY操作数，第9面，即参考面2上的最大光束孔径的一半，因为输入光束半径为1mm，那该操作数直接返回的就是扩束比M，比如config 1对应的就是8、Config 2对应的就是9、以此类推到Config9对应的就是16。

MNCA操作数和MNEA操作数，给出透镜间隔和厚度的上下限，只需要在Config 1中使用即可。

RANG操作数，控制输出光束准直度，第9面，即参考面2上0视场最大孔径光线（Hx,Hy,Px,Py）=(0,0,0,1)，0视场0.7孔径光线（Hx,Hy,Px,Py）=(0,0,0,0.7)的孔径角，单位是弧度。

开始优化，可以得到满足8X～16X扩束比，弥散斑均在1DL之内的扩束镜。

优化后的MCE，如下图：

经过优化后，对于不同的Config，MCE中的参数都不相同，而其他不在MCE中的参数，如透镜的曲率与厚度等，都是相同的。

打开3D layout，在setting里的Config选择All，然后将Offset-Y设置为60，这样就可以同时显示9个组态的layout了，如下图：

8X的点列图，如下图：

12X的点列图，如下图：

16X的点列图，如下图：

由上面三图可以看出，弥散斑均在1DL以下。

将扩束比M作为X轴，变倍间隔T3、T5和T8的大小作为Y轴，作图如下：

从上图看出，T3、T5和T8三个间隔的运动轨迹近似为直线，补偿关系比较简单，工艺容易实现。

这样，一个8～16X连续变比激光扩束镜就设计完成了。

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