第33卷第4期长春理工大学学报（自然科学版）Vol.33 No.42010年12月Joumal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition)Dec.2010一种激光变焦扩束光学系统设计刘焕宝，安志勇，高瑀含'，肖作江2(1.长春理工大学光电工程学院，长春130022：2.长春理工大学生命科学技术学院，长春130022)摘要：为实现对氮氖激光器光束的扩束，通过对三组元变焦系统的分析，推导出变倍组、补偿组和固定组之间的移动的规律。利用ZEMAX光学设计软件对理论设计出的结果进行了验证，并设计优化出了扩束比为212"的变焦扩束系统。最后通过ZEMAX光学设计软件对该系统的像差进行了优化，使其满足对像差的要求。从最后得到的系统可以得出：该系统结构简单、性能优良，是一种可以被实际应用的连续变倍的激光扩束系统。关键词：扩束系统：变焦：光学设计：ZEMAX中图分类号：0435文献标识码：A文章编号：1672-9870(2010)04-004303System Design of A Varifocal Beam ExpanderLIU Huanbao',AN Zhiyong',GAO Yuhan',XIAO Zuojiang'(1.School of Photo-electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 1300222.School ofLife Science Institute,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022)Abstract:In order to achieve the expansion ofthe He-Ne laser beam,througing the analysis of the three elements zoom lens,the movement of the variator,fixed group and compensator are derived throughing the analysis of the three elements zoom lensUsing the optical design software,ZEMAX,the theoretical results are tested.And the zoom lens which have the magnificationfrom 2 to 12'are designed.Using the optimization function of the ZEMAX,the aberration of the system can be satisfied.Wecould learm from the final resoult that the structure of this system is sinple.and superion in quality.It is a vavifocal Beam Expan-der systerm which could be used in practical application.Key words:expander system:varifocus:optical design:ZEMAX激光扩束系统是构成诸如激光雷达、激光测距仪等仪器的重要组成部分。其主要作用是通过改善1变焦扩束系统原理激光束的空间发散角，提高光束的准直性，使激光通过对二组元、三组元和四组元变焦系统的分束达到对孔径的要求，)。扩束系统根据扩束比是析，本设计采用三组元变焦系统。其分别为变倍组、否可调，可分为固定式和可调式。变焦扩束系统与固定组和补偿组。其优点是：可以实现连续变倍：其它扩束系统相比具有扩束比可调的优点，故其在系统像差较小和系统总长较短。具体采用的系统结全息照相、激光测距以及光通讯等领域有着广泛的构如图1所示：其中L为变倍组：为固定组：L应用。变焦扩束系统根据组元的多少可分为二组元为补偿组。d为变倍组L与固定组L主面之间的距系统、三组元系统和四组元系统等)。本文根据应离：d为固定组与补偿组L主面之间的距离。用光学理论，推导出求解三组元变焦扩束系统参数当准直的平行光束入射到变倍组L,时，若固定的公式，并根据理论结果设计了扩束比为2”12的组L2的像点B与补偿组L3的前焦点F重合时，则扩束系统。通过应用ZEMAX软件，对设计结果进出射光束即为平行于光轴的平行光。行优化，满足系统的像差要求。为改变出射光束的口径，以达到改变变倍比的收稿日期：2010-05-16基金项目：某兵工企业委托项目作者简介：刘焕宝(1982-)，男，硕士研究生，主要从事光学设计及光电测控技术的研究，E-mail:f丘ance418@163com。44长春理工大学学报（自然科学版）2010年的像方孔径角。若令系统的扩束比为M,则(3)图1三组元变焦系统图2三组元系统变倍扩束的原理初始结构设计Fig.I The zoom lens with Fig.2 The theory of zoomthree elementslens with three elements由公式(1)、(2)和(3)，即可得出变倍目的，要求当变倍组L移动距离为时，则相应的组L,固定组L和补偿组L之间的移动规律，从补偿组要移动距离e,使补偿组L的前焦点F与固而设计出变倍比为2'~12的变焦扩束系统。定组L的像点B重合，实现系统的变焦扩束，如图通过对图2的分析，拟取f=-20:=50:方'2所示。=-60:d=50:d165。令扩束比为M=2',把上述的数据带入(3)式，即可以得出m(q)。再把h2理论推导(q)的值带入到(1)式，即可以得到变倍组L的移一个由多个组元组成的光学系统，它的总焦距动量g。最后把g值带入到(2)式中，即可以得出等于第一个组元的焦距与后面各组元的放大率之补偿组L的移动量e。当扩束比改变时，重复上述积。因此，只要改变后面组元的放大率就可以改变过程，可得到相应的变倍组L的移动量和补偿组L的移动量。系统的总焦距，从而达到变焦的目的)。通过上述的计算，得出了F2”12时的变倍组L:与固定组L主面之间的距离和固定组L与补通过对图2系统的分析，当取前两个组元（变偿组L主面之间的距离，其数据如表1所示。倍组L和固定组L2)时，其总焦距为：ffh。变倍组L和补偿组L的移动变倍曲线如图3所其中：f为变倍组和固定组的总焦距：h为固定组示。其中纵坐标为扩束比M,也同时代表固定组L的放大率。的位置。横坐标D为变倍组L和补偿组乙在不同则固定组在变倍组L,移动距离g后，其放的扩束比M时，其与固定组之间的间距。从图大率为：3中可以看出：变倍组L的运动规律是直线运动：(1)补偿组L的运动规律是非直线运动。其中：当变倍组L向右移动时，g取正值：当变倍组L向左移动时，q取负值。对固定组上列高斯公式即可得到+片万11f-(d-g)f'对其进行化简后即可得到补偿组L,的移动量：(2)图3变倍组L和补偿组L的移动变倍曲线其中：当补偿组L向右移动时，e取正值：当补偿Fig.3 The curve of the variator L and组L,向左移动时，e取负值。compensator /'s movement若令入射光的高度为h,出射光的高度为：，将上述的数据输入到ZEMAX软件中后，利用其可以使用理想透镜的功能，验证上述计算得到的其中：u为固定组L的物方孔径角：为固定组数据可否实现扩束比为212的要求。通过对表1因扩束比的不同所得到的不同的d,和d值Tab.I The value of the d and d with the changing of the magnification3491063338096.67113.33130146.67163.33180196.7213.33230654027.52011.48.756.673.62.5第4期刘焕宝，等：一种激光变焦扩束光学系统设计45通过设置优化函数，应用ZEMAX光学设计软件的自动优化功能，对系统进行优化使其最终满足扩束比为2”~12的要求。最终得到的系统参数如图出的实体图如图8所示。图7优化后系统的最终参数图4 ZEMAX计算所得的数据Fig.7 The parameter of the system after the optimizationFig.4 The date calculated by ZEMAXZEMAX软件得到的数据进行分析，可以得出上述的初始结构设计参数是可行的。M仁2、F12时，ZEMAX的计算所得的数据如图4所示。E2、E12时，ZEMAX二维图如图5所示。(c)M=8d)M=12图8 ZEMAX输出的实体图Fig.8 The shadow lay out of the ZEMAX根据优化后的系统参数d值，如表2所示，得到的变倍组L,和补偿组L的移动变倍曲线如图9所示。从图中可以看出：变倍组L的运动规律是直线(a)运动：补偿组的运动规律是非直线运动。与理论图5 ZEMAX输出的二维图设计时得到曲线图3相比较，其图形较接近，故可Fig.5 The 2D lay out ofthe ZEMAX以得出实际的变倍曲线是符合理论设计。4系统参数的优化设计在上述验证的基础上，用实际的透镜来替代理想透镜。具体采用的形式为：用一个f上一20的单透镜来实现变倍组L:用两个总焦距为f乃=50的双分离正透镜来实现固定组L:用一个上一60的单透镜来实现补偿组L。其具体系统参数如图6所示。图9实际的变倍组L和补偿组[的移动变倍曲线Fig.9 The practical curve of the variatorLand compensator L's movement通过对在不同的扩束比M时系统的波象差图6优化前的系统具体参数(OPD)进行分析，系统的波像差均小于0.25九，在Fig.6 The parameter of the system before optimization表2优化后得到的不同的d和值663338096.67113.33130146.67163331801967213.332308046.5530.5821.2415.1110.787.575.093.121.53(下转第49页)