第37卷第5期中国激光Vol.37,No.52010年5月CHINESE JOURNAL OF LASERSMay,2010文章编号：0258-7025(2010)05-1236-04用ZEMAX完成复杂光学系统的鬼像分析曹华保卢兴强范滇元(中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理国家实验室，上海201800)摘要目前利用常见的一些光学CAD软件来完成复泰光学系统的鬼像规避设计工作还存在不足，需外部辅助程序的干预才能获得更直观的计算结果。用自编辅助程序处理ZEMAX执行结果，快速得到复杂光学系统的鬼像分布图的方法。该方法得到的计算结果正确，给出的鬼像分布图形象且直观，可读性好，对高功率激光装置的设计有重要帮助。关键调几何光学：鬼像规避：外部辅助程序：鬼像分布图中图分类号0435.1文献标识码Adoi:10.3788/CJL20103705.1236Ghost Analysis for Complex Optical Systems Based on ZEMAXCao Huabao Lu Xingqiang Fan Dianyuan(National Laboratory on High Power Laser and Physics,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800.China)Abstract Accessorial program is actually indispensable to implement the avoidance of ghost image in complex opticalsystems because common optical CAD software could not accomplish ghost analysis alone.This paper proposes amethod that uses programs designed to deal with the output of ZEMAX,so as to export ghost image layoutconveniently.The executive results are accurate and the ghost image layouts of complex optical systems are visualand legible.This method could be applied to the high power laser systems design efficiently.Key wordsgeometrical optics;avoidance of ghost image;accessorial program;ghost image layout1引言计算机的帮助来完成。在常见的光学设计软件高功率激光装置输出能量很高，所用光学元件ZEMAX,ASAP和CODE V中，ASAP软件在鬼表面的剩余反射不可避免，这些剩余反射光在元件像分析工作中的应用在文献中已有报道町，参数设计不当的情况下，会在光路中的某些地方会ZEMAX具备对复杂光学系统进行鬼像分析的能聚形成鬼像，对光学元件造成破坏)。因此规避鬼力，但还未见它在这方面应用的相关报道。像是高功率激光装置设计的重要内容之一[~幻。复ZEMAX和ASAP一样，可在非序列模式下采杂光学系统的鬼像规避设计是一项烦琐的工作，如集大量的近轴光线数据对光学系统进行杂散光分在一个有340个反射表面的光学系统中，激光形成析，以列表的形式生成鬼像计算数据。这些自动生的1阶鬼像点有5.7万多个，2阶和3阶鬼像分别成的数据不仅数量庞杂，而且不能直接反映出鬼像达到了一千多万和2.7亿多个们。准确得到所有这点在光路中的具体分布，因此需要编写辅助程序处些鬼像点的位置分布和能量大小是完成鬼像规避设理这些列表数据才能得到光学系统的具体鬼像分布计工作的关键)。在鬼像计算工作中，低阶鬼像可图。本文给出了用自编辅助程序配合ZEMAX来以用矩阵法[，)完成，高阶鬼像数量巨大，只能借助对复杂光学系统进行鬼像分析的方法。通过验证说收稿日期：2009-07-13；收到修改稿日期：2009-08-13基金项目：国家自然科学基金(60707019)资助课题。作者简介：曹华保(1984一），男，硕士研究生，主要从事脉冲放大和光束控制等方面的研究。E-mail:Caohb@mail.ustc.edu.cn导师简介：卢兴强(1973一)，男，博士，副研究员，主要从事高功率激光放大器设计方面的研究。E-mail:xingqianglu@siom.ac.cn5期曹华保等：用ZEMAX完成复杂光学系统的鬼像分析1237明利用ZEMAX也能轻松得到形象直观，且准确可向余弦等。其次设置光学表面反射率和追迹的光线靠的鬼像分布图。最小相对能量，该操作决定了鬼像最大阶数。最后开始追迹近轴光线，完成后将光线数据以2鬼像分析的基本过程BRANCH的形式保存到一个文本文件中。如在分利用ZAMAX的非序列模式对光学系统进行析一个正负透镜组的1,2阶鬼像时，经过以上三步鬼像分析时，首先输人光学系统结构并设置近轴线操作后用ZEMAX可得到图1所示的鬼像计算数光源，包括各光学表面曲率半径、折射率、线光源方据列表和近轴光线分裂图。0.00001.00005.01250.00000.00000.000035210.60720.000024.005Rau 1.Branth 2 of 11:1.00000.0000000001.000011.0000601251.00001220.00000.64850.00000.0000图1用ZEMAX直接得到的鬼像计算数据列表(a)和近轴光线分裂图(b)Fig.1 Data of stray lights (a)and layout of paraxial stray lights (b)produced by ZEMAX图1中由ZEMAX直接给出的鬼像计算数据对比图2和图1，可以看到本文所编辅助程序有效列表[1，内容包含鬼像的形成来源、鬼像点X,Y和地处理了ZEMAX生成的结果，能够提供清楚明了Z坐标以及鬼像点的能量等信息。在光学系统产生的鬼像分布图，设计者可根据该图轻易地判断是否的鬼像数量巨大时，列表长度增加，对鬼像设计结果存在危害光学系统的鬼像，完成复杂光学系统的鬼的统计难度也大幅增加：同样，图1给出的近轴光线像规避设计。分布图包含了所有传播光线的轨迹和会聚点，在鬼像数量巨大时绘出的图纷繁复杂，无法直接看出设3辅助程序的编写方法计结果是否满足要求。可见，对复杂光学系统进行ZEMAX鬼像分析辅助程序包括MATLAB程鬼像规避设计，直接根据ZEMAX给出的鬼像计算序和ZEMAX宏程序两部分。前者读人近轴光线数据列表和鬼像光线分裂图很雄直接判断该系统是数据并计算各阶鬼像分布坐标，后者将鬼像插人光否满足鬼像规避的要求。学系统中，相对简单。得到直观的鬼像分布图是完成复杂光学系统鬼MATLAB程序有三个功能，首先读取近轴光像规避设计的关键，本文利用MATLAB编写辅助线数据]，其次求解各阶鬼像坐标，最后将鬼像信程序读取ZEMAX直接给出的鬼像计算数据列表息保存到文本文件，该程序的重点是第二个功能单并进行处理，计算出近轴光线真实存在的会聚点，并元。求解鬼像坐标的方程因不同对称性的光学系统把会聚点的坐标作为鬼像的位置保存到文本文件而难易程度有所不同。对于面对称系统，只要计算中，然后在ZEMAX环境下编写宏程序将鬼像插人一条近轴光线与对称面的交点即可：对于非对称光系统，便能输出直观的鬼像分布图，如图2所示。学系统，近轴光线并不一定相交，近轴光线距离最近图2给出的是图1所述光学系统的鬼像分布处为会聚点位置，求解程序相对要复杂一些。判断图，其中小球为1阶鬼像分布，立方体为2阶鬼像。光线会聚点是否为真实的鬼像需要一个判据，可以(b分两种情况说明。图3(a)是会聚点在非光线分支末端的光线片段上的情况，该光线片段被前后两个光学面所截。图2正负透镜组鬼像分布。(a)普通模式：(b)阴影模式Z。是光线片段与前光学表面的交点：Z。是光线片段Fig.2 Ghost imagedistribution for a positive and与后光学表面的交点，此光线片段是一条线段：Z。negative lens group.(a)common model;是会聚点，如果该会聚点在光线片段之中，则为鬼(b)shaded model像。使用如下判据判断该情况下的鬼像虚实：1238中国光37卷(Z.-Z)(Z.-Zn)≤0，real ghost imagestartelse,virtual ghost image图3(b)是会聚点在光线分支末端处的光线片段上的情况，从这里开始光线将不会入射到任何元Nthe end of thelight branch件。Z是光线片段与前光学表面的交点，而Z。并不是光线与光学面的交点，仅仅代表了末端光线的方向，此光学片段是一条射线。如果会聚点在射线上，则为鬼像。使用如下判据判断该情况下的鬼像虚save the coordinatesave the coordinateof 'n'order ghostof 'n'order ghostr(Z.-Z)(Z.-Z)≥0，real ghost imageset n=0else,virtual ghost imageget the end ofthe document.(b)end图4 MATLAB辅助程序流程图Fig.4 Flow diagram of the MATLAB accessory program4图3鬼像判据。(：)非光线分支末端的情况：对计算结果的验证和应用(b)光线分支末端的情况为了验证该方法的正确性，对文献[12]给出的空Fig.3 Criterion on ghost image.(a)not the end of间滤波器系统进行了验证。图5(a)是文献[12]中两the light branch;(b)the end of the light branch相邻空间滤波器的鬼像分布，图5(b)是用本文方法给出的鬼像分布，竖线处为透镜，黑点代表鬼像。经图4是编写MATLAB辅助程序时用到的流程对比可知本文计算的鬼像分布与参考文献一致。图。根据图4编写程序处理完ZEMAX直接生成为进一步证明该方法的可靠性，对文献[13]报的数据后，还需要用ZEMAX宏语言编写程序把鬼道的神光IⅡ8路升级系统靶场终端光学组件设计结像作为一个半径为？的球形元件插人到坐标果进行验证，得到的1~4阶鬼像分布如图6所示。(0,Y,Z)处，才能在ZEMAX中得到直观形象的鬼图6(a)为文献[13]给出的鬼像分布，图6(b)为像分布图。该ZEMAX宏语言程序主体为本文计算结果。为便于和文献[13]比较，只计算了Insertobject (1),(1)靶镜左右各1000mm范围内的鬼像，包含了所有可Setnscproperty 1,1,0,0,"NSC_SPHE"能危害这个系统的鬼像。图6(a)和图6(b)存在较Setnscposition 1,1,2,Y大的差异，原因在于用ZEMAX自动进行鬼像分析Setnscposition 1,1,3,Z只能把靶镜放置在一个特定位置进行，得到的是一Setnscparameter 1,1,1,r些非连续点，而图6(a)是人工统计出的鬼像分布示意图，它综合考虑了靶镜的士20mm行程，给出的是连续的鬼像分布区间。通过进一步对比两者的具(a)location of Hocation of(b)lens 1lens 2hole10152025Location of the 1 st~10 th orderghost images /m图5两相邻空间滤波器鬼像分布比较。()文献[12]给出的鬼像分布：(b)本文计算得到的鬼像分布Fig.5 Ghost image distribution for a spatial filter.(a)output in reference [12];(b)output computed in this paper