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用于准直光束的非球面透镜的球差

杭州电子科技大学

毕业设计（论文）外文文献翻译毕业设计（论文）题目基于ZEMAX的望远物镜成像质量分析翻译题目用于准直光束的非球面透镜的球差

学院理学院

专业光信息科学与技术

姓名蒋勤健

班级12075312

学号12074214

指导教师赵超樱

用于准直光束的非球面透镜的球差

Gabriel Castillo-Santiago,1Maximino Avenda?o-Alejo,1,*Rufino Díaz-Uribe,1Luis Casta?eda2

墨西哥国立自治大学应用科学和技术开发中心，C.P.07340,Apdo.Postal 70-186 D.F.,墨西哥国家理工学院机械与电气工程学院，ticomán，C.P.07340,D.F.,墨西哥

*Corresponding author: maximino.avendano@ccadet.unam.mx

2014年3月7日接收;2014年6月4日接收;

2014年6月19日通过(Doc.ID 211649);2014年7月23出版

我们提供无论是平凸还是凸平球面镜的球面公式，作为参与折射过程傍轴参数的函数。这些公式是由非球面透镜产生的焦散方程在泰勒级数中展开产生的，考虑到一个平面波阵面平行传播到光轴并与折射面相交。通过我们的解析公式和商业光学设计软件获得的非球面系数的比较，显示出良好的一致性。这在减少球差方面是很有用的。?2014美国光学学会OCIS编码：(080.1005)相差扩展；(080.2740)几何光学合计；(080.2468)一阶光学；(260.6970)全反射。

https://www.doczj.com/doc/6c14891544.html,/10.1364/AO.53.004939

1、简介

众所周知，非球面透镜可以通过减少所需的元件的数目来帮助简化光学系统的设计。此外，它们可以产生比传统的镜头更清晰的图像。目前非球面元件用于校正广角镜头的畸变。总之，非球面光学表面提供更高的性能，更简洁，更轻的系统在广泛的应用。但是，它们没有合适的色差；即，它们被设计为一个特定的波长工作。通常，用于表示一个标准的非球面表面的偶数阶多项式的程度应该对应于像差的程度。一旦确定了一个封闭的圆锥曲线，在一个最小二乘拟合可以执行来确定这些非球面的最佳值的地方，是需要校正的[1]。由于有问题的舍入错误，我们可能得到的数值效率低下。为了减少这些舍入错误，许多由一个非球面和一个平面构成的单透镜的实际公式已经被分析地提供，而不诉诸于迭代优化软件[2,3]。值得注意的是，这些单镜头可以应用在集中器，准直器，冷凝器等。在这项工作中，我们考虑上述的非球面方程[4]，最近表示这类表面的新的公式已被定义[5,6]。

另外，焦散面可以被定义为一个波前曲率的主要中心处，也可以定义为是折射或反射射线穿过光学系统的包迹[7,8]。我们已经看到的焦散面形状可以代表我们称之为图像错误的单色像差。先前的论文[9,10]，我们专门考虑一个沿光轴传播的平面波，获得焦散面的解析，或者换句话说，焦散面的精确公式，是所有折射光线的包迹。有两种轴上的单色像差的光学系统：球差（SA）和离焦。离焦量不影响其焦散面形式。以这种方式，我们特定考虑球差，因为众所周知，球差是关于主光线对称的。这项工作中的贡献是在凸平或平凸非球面透镜的非球面提供一些简单的解析公式（PLCs），为了减少横向球差（TSA）和纵向球差（LSA）。这些公式是从非球面透镜产生的确切焦散面方程的泰勒级数展开得到的[10]，他们和使用迭代优化软件得到的结果具有良好的一致性。这些公式是单非球面透镜的傍轴参数的特定函数。值得注意的是，我们能够设计的非球面透镜，是有衍射极限的。

2、平凸非球面透镜

在本文中，我们定义了z 轴平行于光轴；我们假设z y -平面是入射面，其中包含一个傍轴半径为R 的横截面PLC ；以及系统的起点是放置在透镜的第一顶点。我们假设一束光线平行于光轴入射到透镜的左侧，不偏转地穿过透镜平面表面，并且它们被传播到非球面表面。我们设定H 为入射孔径，t 为入射孔径，i n 为透镜特定波长的折射率，透镜浸没在折射率为)(a i a n n n >的介质中，这里我们假设N h S 代表子午面上的非球面方程，如下式：

)1(21)1(2222)1(11S +=+∑++-+=i N

i i h h A h c k ch N , （1）

R c /1=代表轴曲率，k 是圆锥常数，A 4，A 6，....，A 2（N+1）代表非球面阶数，N 是多项式中非球面的数量，h 代表任意入射光线的高度，在方程（1）中的有效取值H h H ≤≤-。TSA 的数值与焦散曲线下的面积有关；因此，根据 [10]，当点源置于无限远处时，一个平凸透镜（PCL ）的焦散面（pc pc y z ,）可写为

,)(][)(''2222N

N h i a a i a h pc S n n n n n S t h Z -?+?++= （2） ''2')(y N N

h a h pc S n S h h ?-=.

这里，'N h S 和''N h S 分别是在h 点出的第一阶第二阶导数，并且我们定义

2'222)(N

h i a a S n n n -+=? 因此，从方程（1）我们得到：

.)12()1(2])1(1[,

)1(2)1(12)1(212/322'1

12)1(222'

i i N i h N i i i h h A i i h c k c S h A i h c k ch S N N +==++++++-=+++-=∑∑ (3)

值得注意的是，方程（2）给出了点轨迹的坐标，这些参数代表了由非球面透镜在子午平面上的折射光线簇的包迹。或者，我们可以把pc pc y z ,做泰勒级数展开成一个函数h ，这里我们假设R h <，于是我们得到

,[)(],

,[)(11212c c N N N pc c c N N N pc h h h h g h y h h h h g f h z +-∈=+-∈+=∑∑∞=+∞

=，， (4)

f 是奇异点，定义][/(i a a n n c n t f -+=），其和有效焦距（EFL ）有关：

EFL=t f -=])[/(i a a n n c n f -=，c h ±表示临界高度。于是，因光线满足c h h >，这些光线发生全反射[10]。根据我们的参考系，我们得到0>c ，于是得到0

,...

384)89(16)911(2]176)37()1[((]4))1([416)],

1(4[),

(8343244665422634232

28334462223421A k c A k c A A c k k cA n A c A k c A n c n c A G k c A A cA G n kn c A n G a a i a i a a ++++--+?+++-++=++-=++= (5)

我们看到，1G 是一个包含折射过程的傍轴函数，也是第一非球面系数A 4。换句话说，N G 包括所有的取决于A 2（N+1），A 2N ，...，A 4（N ≥1）的非球面，是傍轴参数。如果我们要求0...21====N G G G ，于是方程（4）就简化成表达式f h z pc ≈)(和0≈pc y ，产生一个焦距为f 的准完美镜头其精度取决于我们可以提供的非球面系数。它遵循非零系数N G 必须是一个偏离理想焦点的度量。这些系数用来确定TSA 。这种方法不同于商业软件，主要是因为它不依赖于入口孔，因此，它不依赖于归一化变量H h /。此外，由于非球面的分析地提供，减少了由舍入的错误引入的问题。为简单起见，在本文中我们对N G 只写了三个因素，在这样一种方式下，通过求解每一个非球面的方程（5）作为},,,{i a n n k c 的函数，假设0...21====N G G G 并进一步简化，我们得到：

72214

715161262212

613141052210

5111284228491063226378422242562223432768])()1[(429,2048])()1[(33,1024])()1[(21,256])()1[(7,128])()1[(5,16])()1[(,8][A a i a a a

i a a a

i a n n n n k c A n n n n k c A n n n n k c A n n n n k c A n n n n k c A n n n n k c A n n kn c --+-=--+-=--+-=--+-=--+-=--+-=+-= （6）

在这种结构中，所有的非球面都是独立于透镜厚度t ，于是得到：

)/]([21222)1(2N a N i a N n c n kn A +++∝，这里1≥N 。

因此，方程（6）提供了一个非球面系数作为平凸透镜的特定傍轴参数。值

得一提的是，如果我们考虑22/a i n n k -=并且代入方程（6），于是

)1(264...+===N A A A =0；最后，将这些值代入方程（1）产生一个预期的圆锥面，与笛卡儿圆锥形吻合，是一个没有球差[9]的理想镜头（PL ），如下式：

.)(2222

2h c n n n n ch n S a i a a a h P L -++= (7)

对于光线追踪，我们考虑一个1/=F 的镜头，在PCL 和凸平透镜使用下列

参数配置：a n =1，i n =1.5112，λ=780nm ，R =5112mm ，k =-1.023，t =36mm ，直

径D=100mm ，入口

孔径2/D H ±=，这些值相应于THORLABS 的AL100100-A 项目，结果如图1所示：

图.1. 由可编程控制器及其相关参数产生的折射过程

用上述值代替方程（6）里的},,,{i a n n k c ，我们发现平凸透镜的结构如表1所示。换句话说，通过把上述各傍轴参数代入商业光学软件，比如ZEMAX ，并且对镜头进行优化，我们可以得到表2中的球面透镜参数。比较表2和表1中的非球面系数，我们发现，他们在第一项相符合，但在其他项有略微的差别。最后一项像差很大，因为软件控制的光线离开镜头了，也就是说，通过数值方法，非球面表面的斜率发生变化。上面给出的傍轴参数是用来减少平凸透镜的横向球差的，在接下去的章节中进行分析。

表.1PCL 通过提供方程的解析公式（6）得到的非球面系数

表.2PCL 通过商业光学设计软件得到非球面系数

我们定义1h S 包括圆锥部分和第一非球面系数4A ，

1h S 包括圆锥部分加上两个非球面系数A 4和A 6，等等。把他们放入方程（1）。在多项式N h S 中增加非球面

系数的N 阶数，我们看到更高阶数的多项式的结果比低阶数的多项式减少了横向球差，而更接近于理想凸曲面。此外，如图2所示，他们是交替的从右到左分布在理想透镜周围。换句话说，从理想透镜的P L h S 中减去N h S ，

我们用得到的N h S ?代入高阶多项式后与低阶多项式相比有更小的差异，如图3

所示。虽然多项式有几个交点，在镜头的边界处有一个高阶的非球面系数。如果我们要求c h h <，在这个范围内，该系列提供了一个好的球面镜的形状，这会降低横向球差。总之，在方程（4）中，f z pc ≈，0≈pc y ，总是一个渐进的系列[11,12]，

当透镜十分快，1/

易产生很多非球面透镜的形状。由于缓慢的收敛，我们需要注意的是，通过减少非球面透镜的入射孔径，可以把多项式简化于非球面与理想透镜之间。

如图4所示，我们可以清楚地看到通过增加非球面的数量，横向球差是如何减少的。

图.2. 理想透镜与不同的非球面多项式比较结果

图.3. 非球面多项式与理想透镜的区别（笛卡尔椭圆）

图.4. (a) TSA只考虑A4; (b) TSA 考虑A4，A6和A8; (c) TSA 考虑前四个非球面(d) TSA 考虑A4到A2613个非球面。我们可以清楚地看到，TSA是通过增加非球面的数量减少。

3. 平凸非球面透镜

传统意义上，在凸平透镜结构里面设计非球面透镜是很常见的，因为这会比在平凸透镜结构里产生更少的横向球差。由非球面透镜产生的焦散公式，考虑一束光线平行于光轴传播后与图面相交，根据文献[10]

''322'2'32222''322222222/3)(])()([,))((])([N N

N N

h a i a h h a i a i cp h a i a i i i a i cp S n n n S S n n n n Q h y S n n n n n n n n Q t z Λ+Γ-+Λ+Λ-=Λ+-Γ-Λ+Λ+= (8)

下标cp 就是凸平结构，'N h S ，''N h S 分别代表方程（3）中的第一，第二阶数。

我们定义Q ，Λ和Γ如下式：

.))((,)(,

)(][''222'2222'22222N N N

N h h a i h a i i h a i a a S S t n n S n n n S n n n n Q --=Γ-+=Λ--Λ+=

图.5. 由一个凸平非球面透镜产生折射的过程，及其相关参数

值得一提的是，方程（8）给出了坐标点的轨迹，即用参数代表当点光源置于无限远处，由在子午平面的非球面透镜产生的所有折射光线的包迹，如图5所示。由上所述，我们可以把方程（8）里的pc pc y z ,展开成泰勒级数h ，这里我

们假设R h <,于是得到：

,)(,)(z 12112+∞

=∞=∑∑=+=N N N cp N N

N cp h M h y h m F h (9) 其中F 代表与后焦距（BFL ）有关的奇异点.，后焦距公式i a i a a i a n t n EFL n t n n n R n t F //)/(-=--=-。在这些参数中，0>c ，于是0>F 。我们从方程（9）可以看出，pc z 包含h 的偶数阶项，pc y 包含h 的奇数阶项。于是，N m 和N M 是关于参数},,,{i a n n k c 的方程，有关系式N N N M m β=，这里的N β是常熟。为简单起见，我们只考虑一阶展开，N M 的前两项即

]},...

8)1)1(([)(){()(]4)1([1616M ]}],

[2][{)()([8M 42234443452526222222433241tA k ct c n n n tn c n n n n c A k c A n n n n cA n n n n kn n n n n n n ct c n n A i i a a a i a i i a i a i a a i a i i a i a i i a +-++-+--++-=-++-+--=（10）

一方面，我们看到1M 与所有的傍轴参数以及第一非球面系数A ４有关，另一方面，

2M 是关于A ４，A ６，傍轴参数等的函数。再次设定0...21===N M M M ，从式（9）球差的量减少到f z pc ≈和0≈pc y ，获得准理想透镜。通过为每个非球面设定0...21===N M M M 并进一步简化，我们得到方程

，]}][2][{)()(][8[222224323

4i a a i a i a a i a i i

a n n n n kn n n n n n n ct n n c A -++-+-= ]},

411))2(10(67[)395()()()(2]{16[76524334256734223452822645

6i i a i a i a i a i a i a a i i i a i a a i a i a i a i i a n n n n n n n n n k k n n n n n n n n n n n n n n ct n n n n n t c n n c A -+--++++--+---++-=

}],

53031120263)))3(3(5406(16236130158444{]2958106154116565)[()(]224[)()(24)()(24][128[11109283745665473829101046542332456623223292231233967

8i i a i a i a i a i a i a i

a i a i a i a i a i i i a i a i

a i a i a a i a i a i i i a i a a i a i a i i a i a i

a n n n n n n n n n n n k k k n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ct n n n n n n n n n n n t c n n n n n t c n n c A +-++-++++---+--+--++-+-++--+-++-=

}],

756103259109962122073311))]2(2)(2(7366[3614

20516791115443775{}1953171022508150653085061187)()(}1903319552033223029)()(255103)()(44)()(88][256[15

1413212311410596877869510411312213

1415587233454593627892735426332456210222322331333416441289

10i i a i a i a i a i a i a i a i a i a i a i a i a i

a i a a i i a i a i a i a i a i i

a i a i a a i a i a i i a i a i i

a i a i a a i a i a i i i a i a a i a i a i i a i a i

a n n n n n n n n n n n n n n n n k k k k n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ct n n n n n n n n n n n n n n n n n t c n n n n n n n n n n n t c n n n n n t c n n c A -+--+--++++++-++-+----++-+-+-+----+++-+-++--+-++-=｛｛｝｛]},

212105599547236902315166471561851063975

]79970]]]5[10[10[5[21[443267305417875036173728989224728214{}28111241575901814592376724642428445096611

318348421){()(}2601936137447671830708060931278665)()(4}941592624715012819)()(523362)()(728)()(728][1024[1918172163154145136127118109910811

7126135144153162171819

612111029384756657483921011128427872635445362789211223542336

2456314332322341744520551510

12i i a i a i a i a i a i a i a i a i a i a i

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a n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n k k k k k n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ct

n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n t c n n n n n n n n n n n n n n n n n t c n n n n n n n n n n n t c n n n n n t c n n c A +-++-++-++-+++++-+--+-+-?-+--++-++--+-+-?++--++--+-+-+--+++-+-++--+-++-=｛｛｝｛

2221320319418517616715814913101211121321013914815

716617518419320621222361231241051221496877869510411312

213141515951211

1029384756657483921011122122249987263544536883153333354262456418442332252155624661812

143339613851463210694175634702236700227859322648

820669282809]826462))3(3)(1)(2(33[97879040381641777458568231361390649224029858544252921(}3258369721234183448297566030209780127040153180

976062319230941884198259533){()(}184173648694554402024141484323641423314606138339

243214648281{)()(2}

3121064319243821597449842381724591553220)()(10}5531963259829328747)()(16075147)()(1632)()(3264][2048[i i a i a i a i a i a i a i a i a i a i a i

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-+--+--+--+--+++++++--+--+-+--+----++--++-+-++-++--++-++--+-+-+++--++--+-+-++--++-+-+++--+-++-=｛｛｝｛

在这种结构中，所有的非球面取决于傍轴参数，包括厚度t ，而且，

))/((3212)1(2N i N a N N n n c A ++∝，这里1≥N ；于是方程（11）提供了非球面系数作为

傍轴参数的函数，来减少凸平透镜的球差。

傍轴参数},,,{i a n n k c 代入方程(11)，得到非球面系数如表4所示。比较ZEMAX （表3）和解析公式的非球面系数（表4），第一项系数符合的很好，最后一项系数，相差很大。众所周知，增加非球面的个数，横向球差将减少。例如，得到如图6（a ）所示的多项式，包括锥形部分和第一非球面A 4。获得图6（b ）的多项式包含圆锥面和前四个非球面的系数。图6（c ）提供横向球差的多项式由圆锥部分加入前六个非球面系数构成，见表4。最后，我们可以看到，在图6（d ），多项式包含圆锥部分加上七个非球面如表格4所示。A 18=—

1.5974744?10-35，A 20=-8.6435415?10-40，A 22=4.7345165?10-44，A 24=1.9908729?10-47，A 26=

2.9959944?10-51，A 28=2.7431584?10-55。他们已获得解析，虽然这些公式已被省略因为它们是非常大的。目前，我们已经获得了非球面高达A 34，（见，例如[ 13 ]）。值得注意的是，我们能够设计的非球面透镜，是有衍射极限。

图.6. (a)关于1h S 的TSA,(b)关于4h S 的TSA,(c)关于6h S 的TSA,(d)关于13h S 的TSA 。我们可以清楚地看到，TSA 是通过增加非球面的数量减少的

表.3 来自THORLABS 的项目AL100100-A 非球面系数

表.4 通过提供方程的解析公式（11）得到了CPL 的非球面系数

4. 结束语

为了减少球差的量，当一个点光源位于无穷远，凸平透镜或平凸透镜的一些非球面的公式，与那些通过迭代优化软件获得的结果有良好的一致性。我们相信，在这里获得的非球面的方法是简单的，并且我们已经证明它大大减少了球差。这里提出的方法打开了单透镜的分析设计的大门，即使用的非球面。

这项工作得到了墨西哥国立自治大学的研究项目和技术创新程序以及国家科学和技术委员会的支持，感谢相应的作者GOMéz-garcí为我提供有价值的帮助和意见。

引用

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7.O. N. Stavroudis, The Mathematics of Geometrical and Physical Optics, the k-Function and its Ramifications (Wiley-VCH Verlag, 2006), Chap. 12, pp. 179–186.

8.J. A. Hoffnagle and D. L. Shealy, “Refracting the k-function:Stavroudis’s solution to the eikonal equation for multielement optical systems,”J. Opt. Soc. Am. A 28, 1312–1321(2011).

9.M. Avenda?o-Alejo, D. González-Utrera, and L. Casta?eda，“Caustics in a meridional plane produced by plano-convexconic lenses,”J. Opt. Soc. Am. A 28, 2619–2628 (2011).

10.M. Avenda?o-Alejo, “Caustics in a meridional plane produced by plano-convex aspheric lenses,”J. Opt. Soc. Am. A 30,501–508 (2013).

11.A. Erdélyi, Asymptotic Expansions (Dover, 1956), Chap. 1,pp. 5–25.

12.K. Knopp, Theory and Applications of Infinite Series (Blackie& Son Limited, 1948), Chap. XIV, pp. 520–553.

13. G. Castillo-Santiago, “Design and evaluation of physical properties for fast plano-convex aspheric lenses,”M. Eng.dissertation in process (UNAM, 2014).

激光准直技术

激光准直技术在工业生产生活中的应用摘要：激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。因此，对激光准直技术的研究具有重要意义与广泛的前景。这里就激光准直技术的工作原理及其在基本建设工程施工测量中的应用做简单介绍。关键词：激光、准直仪、准直基线 1、引言随着世界工业技术的迅猛发展,对各项几何参数的测量精度要求越来越高。直线度测量是集合计量领域里最基本的计量项目之一，直接影响仪器精度、性能、质量，也是机械加工中常见又重要的测量项目。在精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛应用。 2、原理激光准直的原理如图1所示，由激光器L发出一束单横模的激光（一般为可见光，通常采用氦氖激光器的0.633μm波长的光），利用倒置的望远镜系统S，将光束形成直径很细的（约为几毫米）的平行光束，或者将光束在不同距离上聚焦成圆形小光斑。此平行光束中心的轨迹为一条直线，即可作为准直和测量的基准线。在需要准直的位置处用光电探测器接受准直光束。该光电探测器为四象限光电探测器D（即由4块光电池组成），激光束照射到光电探测器上时，每块光电池会产生电压V1，V2，V3，V4。当激光束中心照射在光电探测器中心处，由于4块光电池收到相同的光能量，产生的电压值相等；而当激光束中心偏离光电探测器中心时，将有偏差电压信号Vx和Vy；Vx= V1 -V3，Vy= V2 - V4 由此偏差电压即可知道接收点位置的偏移大小和方向。图1 激光准直仪结构图按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型：

（一）振幅(光强)测量型由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到10?5量级。为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案。 1、菲涅尔波带片法激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。以十字线的中心作为准直基线，来克服光强分布不对称的影响，但因为波带片有确定的焦距，不可能在很长距离上都得到清晰的十字像。图2 菲涅耳波带片成像原理 2、相位板法采用二维非对称位相板，它的四个象限上每两个相邻的象限具有二相位差，所形成的直边衍射图是亮背景上的一个暗十字。这种方法很适合于对中控制，但由于衍射的作用，测量范围不可能太大。图3 位相板准直系统 3、双光束准直法两光束是由一个空间棱镜分出的。当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜之后的两光束漂移方向相反。采用两光束的平分线作为准直基线可以克服激光器的漂移影响，但该系统对双光束的平行性要求较高，在长距离范围内不易实现。

LED准直照明的自由曲面透镜设计

LED准直照明的自由曲面透镜设计 Jin-Jia Chen, Te-Yuan Wang, Kuang-Lung Huang, Te-Shu Liu, Ming-Da Tsai, and Chin-Tang Lin 1、电气工程学院国立彰化师范大学系，士达路，彰化50074，台湾 2、光电与能源工程，明道大学，369文华路，Peetow，彰化52345，台湾 * jjchen@https://www.doczj.com/doc/6c14891544.html,.tw 摘要：我们提出一个简单的镜头自由曲面设计方法应用到LED照明的准直。该方法是从基本的几何光学分析及施工方法得出。通过使用这种方法，一个高度准直透镜与为 1.0mm ×1.0毫米LED芯片的尺寸和86.5％下的±5度的视角的光学模拟的效率构成。为了验证该透镜的实用性能，准直透镜的原型也制成，并且90.3％具有4.75度的射束角的光学效率被测量。 ?2012美国光学学会 OCIS代码：（220.2740）几何光学设计; （220.4298）非成像光学系统; （220.2945）照明设计; （230.3670）发光二极管。参考文献 1.H. Ries and J. Muschaweck, “Tailored freeform optical surfaces,”J. Opt. Soc. Am. A 19(3), 590–595 (2002). 2.P. Benítez, J. C. Mi?ano, J. Blen, R. Mohedano, J. Chaves, O. Dross, M. Hernández, and W. Falicoff, “Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions,”Opt. Eng. 43(7), 1489–1502 (2004). 3.Y. Ding, X. Liu, Z. R. Zheng, and P. F. Gu, “Freeform LED lens for uniform illumination,”Opt. Express 16(17),12958–12966 (2008). 4.L. Sun, S. Jin, and S. Cen, “Free-form microlens for illumination applications,”Appl. Opt. 48(29), 5520–5527 (2009). 5.F. R. Fournier, W. J. Cassarly, and J. P. Rolland, “Fast freeform reflector generation usingsource-target maps,”Opt. Express 18(5), 5295–5304 (2010). 6.W. Zhang, Q. Liu, H. Gao, and F. Yu, “Free-form reflector optimization for general lighting,” Opt. Eng. 49(6), 063003 (2010). 7.G. Wang, L. Wang, L. Li, D. Wang, and Y. Zhang, “Secondary optical lens designed in the method of source-target mapping,”Appl. Opt. 50(21), 4031–4036 (2011). 8.V. Medvedev and W. A. Parkyn, Jr., “Screen illumination apparatus and method,”US Patent 6166860 (2000). 9.D. Weigert and D. Chin, “Spotlight with an adjustable angle of radiation and with an aspherical front lens,”US Patent 6499862 B1 (2002). 10.A. Domhardt, S. Weingaertner, U. Rohlfing, and U. Lemmer, “TIR Optics fornon-rotationally symmetric illumination Design,”Proc. SPIE 7103, 710304, 710304-11 (2008).

非球面透镜

球面与非球面的区别光学透镜的镜面通常是制成球面状的，从透镜中心到周边有一定的曲率，这种透镜称为球面透镜。非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的，非球面透镜又有单面非球面和双面非球面两种。现代相机镜头要求较高的光学性能、需要校正多种像差。前面已讲到，由球面透镜组成的镜头，是采用多片透镜的组合来克服像差的。这种由球面透镜组成的镜头，会不同程度地存在一定的“球差”。采用非球面透镜组成的镜头则能有效地克服“球差”。非球面透镜组成的镜头，其优点包括如下四个方面：一是能理想地克服球差，可以制成大口径高像质镜头；二是能全向提高镜头的成像质量；三是能减少镜头的透镜片数；四是可以减少镜头的长度，有利于镜头小型化，参见图1—2。所谓球面和非球面，主要是针对镜头（各种相继、显微镜等镜头）、眼镜（包括隐形眼镜）的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。二者在几何形状上的差别决定了它们在平行的入射光的折射方向上产生差异，从而影响其成像效果的好坏。球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射后镜片上不同的位置时，在菲林平面（与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面）上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头是采用球面镜片组成的。为解决这一成像问题，可以透过在镜身内增加镜片以作为对像差的矫正，但此举可能会引起反效果，进一步削弱影像质素，因为额外的镜片，除增加光线在镜身内反射的机会，引起耀光现象外，亦会增加镜头的体积和重量。非球面镜片，其镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边绿部份被「削」去少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种象差。例如耀光现象在球面镜使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形(枕状或桶状)，乃因镜头内的光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形而变焦至长焦距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差。引用非球面镜技术，对生产大光圈、高倍数变焦、以至极端广角及远摄的镜头最为有利，影像质素因像差的减少而有所提高，镜身体积亦有缩小。现时市面有不少镜头生产商均表示旗下部份焦距的镜头采用了非球面镜片，以至轻便变焦相机(例如28至90mm、38至105mm

准直TIR透镜Tracepro实例

准直TIR透镜的TracePro模拟过程说明：本例只讲解我用TP的模拟过程，不是TP的使用手册之类，讲解有误或不清楚的地方请见谅。本例不讲解透镜的设计方法，请不要追问如何设计透镜。最后提一个要求：不喜勿喷。作者：虫洞里的猫准直TIR透镜，是指在原点的点光源经过透镜后光线能平行出射的透镜，但由于LED的发光面都是面光源，因此LED经过此透镜后不可能是平行光出射，但其出光角度会是最小值。本实例以已设计好的准直TIR透镜为例，逐步演示TracePro的模拟过程。 1.插入3D文件 TracePro可以打开多种3D格式的文件，最方便的是直接插入零件，但此过程只能使用.SAT格式的文件，如下图的过程。

如果你的3D文件是其它格式，如STEP等，则可以用TracePro直接打开，具体过程为：文件-打开，在打开的对话框的下拉菜单中选择合适的格式。 2.设置光源 2.1 设置档案光源 2.1.1 方法一设置光源可以有很多方式，但最直接也最准确的是使用光源文件，在TracePro中也称为档案光源，TracePro可用的档案光源主要有.DAT或.RAY格式的。此文件可以从LED厂家的官网上下载，本实例使用的LED为CREE公司的XLamp XP-E。如下图，XP-E Cool White Optical Source Model - TracePro (zip) (42 MB)是适合TracePro使用的光源文件，其网站地址为：https://www.doczj.com/doc/6c14891544.html,/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLa mp-XPE。

第二章激光准直基础学习知识原理

第二章激光准直原理第一节光的衍射现象一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？ 310a 衍射现象不明显 1-2-1010a 衍射现象显著 110a 1- 逐渐过渡为散射首先我们来做一个实验，让一单色强光源(激光)发出的光波，通过半径为ρ且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当ρ足够大时，在原屏上看到的是一个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。这与光的直线传播想一致。如图：随着ρ的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑

将逐渐扩展，弥漫。光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。一、光的衍射定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象

二、产生条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候三、衍射规律： 1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。 2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。第二节惠更斯——菲涅耳原理一、惠更斯原理 1．波面：等相位面 2. 任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波，在该时刻的新波面——“次波” 假设。能解释：直线传播、反射、折射、晶体的双折射等；不能解释：波的干涉和衍射现象（未涉及波长等）；而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而实际上倒退波是不存在的。

用ZEMAX设计简易LED准直镜

用ZEMAX设计简易LED准直镜一. 初始解的构建 1. 为了简单采用此透镜由三部分构成: A. 全反射部分, B. 折射部分, C.切除部分(这一部分在设计时也可以不考虑,可以在设计完成后再加入) 图中光束分两个部分, 一部分为折射部分,另一部分为全反射部分, 可以看出,折射部分光束为三段,全反射部分光束分为四段,由于是平行光出射, 所以在优化时只要考虑第三段就可以了. 初始数据: 1) 几何体部分 TIR部分是一个非球面透镜,中间部分是一个标准透镜(有曲率和圆锥系数),切除部分是一个圆柱体; 注意中间的透镜部分的材料为空气,因为它相当于也是被切除掉的.

2) 光源部分我们用SOURCE RAY做为光源, 这样可以NSRA来进行优化; 光源的生成与操作数的建立按如下的MACRO可以自动生成: steps=90 incr=90/steps #max angle is 90 degree pi = 4*ATAN(1) dr = pi/180 startobj=4 For i,0,steps,1 angle = i*incr oo=i+startobj InsertObject 1,oo SetNSCProperty 1,oo,0,0,"NSC_SRAY" # surface,object,code,face,value SetNSCProperty 1,oo,3,0,2 # source inside of object 2 SetNSCPosition 1,oo,4,angle SetNSCParameter 1,oo,1,1 #layout rays SetNSCParameter 1,oo,2,1 #analysis rays tar = 0 opr = i+1 InsertMFO opr setoperand opr, 11, "NSRA" setoperand opr, 3, oo # src# setoperand opr, 6, 3 # seg# setoperand opr, 9, 1 # weight setoperand opr, 7, 5 # y coordinate setoperand opr, 8, tar # tar Next update 我们每隔一度产生一条光线,最终的结果如下, 从图中可以看出,光线都不是平行的. 这里注意要调整参数保证所有光线都大概的按预期的方向会聚!!

非球面透镜技术的基础知识

非球面透镜技术的基础知识光学人生，你的精彩人生！球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球而透镜则是从小心到边缘之曲率连续发生变化。在摄影镜头中，为了保证光学性能，必须校正众多的“像差”。若仅仅用球面透镜来校正，则对应镜头的技术要求需要有许多透镜组合。仆巳对于特殊的高级镜头，汉仅用球面透镜有时不能使像差校正到用户满意的程度。光学设计中的计算公式：1，技术原理非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用，例如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。2，对比优势 a 球差校准非球面透镜用以替换球面透镜，最显著的优势在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。非球面透镜（光线汇聚到同一点，提供光学品质），基本上消除了球面透镜所产生的球差（光线汇聚到不同点，导致成像模糊）。采用三片球面透镜，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透镜（高数值孔径，短焦距）就可以实现，并且简化系统设计和提供光的透过率。 b 系统优势非

球面透镜简化了光学工程师为了提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性。例如在变焦系统中，通常情况下10片或者更多的透镜被采用（附加：高的机械容差，额外装配程序，提高抗反射镀膜），然而1片或者2片非球面透镜就可以实现类似或更好的光学品质，从而减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。3，成型工艺 a 精密玻璃模压成型精密玻璃模压成型，是将玻璃材料加热至高温而变得具有可塑性，通过非球面模具来成型，然后逐步冷却至室温。目前，精密玻璃模压成型，不适用于直径大于10mm的非球面透镜。但是，新的工具、光学玻璃和计量过程，都在推动该项技术的发展。精密玻璃模压成型，虽然在设计初期时成本较高（高精密的模具开发），但是模具成型后，生产的高品质产品可以平摊掉前期的开发成本，特别适合于需要大批量生产的场合。 b 精密抛光成型研磨和抛光一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合，随着技术的提高，其精度越来越高。最为显著，精准抛光由计算机进行控制，自动调整以实现参数优化。如果需要更高品质的抛光，磁流变抛光（magneto-rheological finishing）将被采用。磁流变抛光相对于标准抛光而言，具有更高的性能和更短的时间。精密抛光成型，需要专业的设备，目前是样品制作和小批量试样的首要选择。 c 混合成型混合成型，以球面透镜为基底，通过非球面模

非球面透镜

产品名称：非球面透镜产品说明：专注非球面透镜产品的非球面生产采用日本超精密单点金刚石多轴自由曲面加工机床加工，应用了脆硬材料塑性域的超高精密磨削技术、超高精密抛光（研磨）技术等等，其加工金刚石刀具每刀的加工深度可以控制在2纳米；整个多轴自由曲面加工机床系统在高精度工业控制计算机的控制下，可以加工任意形状的自由曲面，包括非球面系列产品，能达到0.1微米的面形等等加工尺寸精度和0.01微米的表面粗糙度。非球面测量使用英国泰勒×霍普森公司生产的非球面测量仪，对非球面的表面粗糙度、轮廓、形状误差、圆弧和非球面形状误差等等项目进行测量。主要产品是高精密等级及超高精密等级的非球面透镜、非球面反射镜、非球面高温成型模具，可以加工的材质及其应用如下表所示：器件类型材料应用领域非球面镜头光学玻璃显微镜、照相、摄影系统中的大口径透镜、广角镜头、鱼眼透镜、变焦镜头等等红外线非球面镜头单晶锗、单晶硅等等夜视镜、医用内视镜、激光加工、红外热像仪、温度记录仪、红外眼底照相机、卫星红外望远镜等等非球面反射镜铝合金、铜、磷青铜激光加工机、大型显示器等等非球面高温成型模具碳化硅、氮化硅、陶瓷、镍合金等等大批量生产注射成型、模压成型的玻璃非球面、光学塑料非球面产品所用模具等等椭圆体非球面反射镜石英玻璃、碳化硅 X 射线系统等等特征: 1、按照图纸要求来加工各种凸凹抛物面、凸凹椭圆面、凸凹双曲面等等非球面产品，包括非球面透镜、反射镜、红外线非球面透镜、反射镜等等。 2、按照图纸要求来加工注射成型及模压成型的玻璃非球面、光学塑料、树脂等等材料非球面产品所用的超高精密模具。特性: 1、产品非球面部分最大外形尺寸：圆形：直径φ150mm ×高度25mm 方形：长150mm ×宽150mm ×高度25mm 2、以上产品按照要求可以达到以下精度等级：超高精密等级：面形误差＜0.1μm ，表面粗糙＜0.025μm 高精密等级：面形误差＜1μm ，表面粗糙度＜0.1μm 3、其它技术参数指标按照图纸要求进行生产。 4、镀膜：按照要求进行镀膜镜片部：销售经理

激光准直仪操作规程.(精选)

激光准直仪操作规程激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。激光光束经转向系统后出射两条相互平行的基准光束,作为导轨的安装检测基准。该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采用液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、准确地测量导轨安装的偏移量,从而提高导轨安装的精度和速度。实验结果显示测量系统在X,Y方向上的标准偏差分别为： 0.002mm,0.005mm。 1、主要参数 2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。 3、激光准直仪的特点与工作原理 1）仪器的特点是采用了空间位相调制器。激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好的、红黑反差很大的同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。而且在不同测距进行测量时是不用调焦的，实现了无调焦运行差。中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数: L=2.5米时?0.1mm L=20米时?1.2mm L=50米时?2.5mm 2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，通过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，可以调至±0.02~0.03mm。然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。 3）二维测微光靶

LED灯珠的准直透镜的自由曲面设计

一个关于led灯珠的准直透镜的自由曲面设计陈金佳光学学报林石塘国立彰化教育大学电机工程学系台湾，彰化，50074 师大路2 电子邮件：jjchen@https://www.doczj.com/doc/6c14891544.html,.tw 摘要。自由形式的准直透镜的设计方案是由LED光源发出的光线追击到一个原平面。一般来说，投影距离假定为100多米，光束有微不足道的分歧。一个透镜是由总反射（TIR）侧面，在后方的球面，在垂直平面前的外层部分，和在自由屈光面前的中央部分组成。从LED源发出的大角度的光线击中TIR表面平行于光轴被重定向反射出，再和那些有小的扩散角度光线一起经过一个自由屈光面，最终平行光轴射出。计算机模拟结果表明，81.5％的光效下±5°的视角的要求，可用面积为1平方毫米LED光源实现。 1引言由于LED光源具有亮度和能耗低，反应速度快，寿命长，不含汞等优良特性，并明显的改善，近年来它在室内室外照明上得以广泛应用。因此，越来越多的国家和行业已经花费了大量的财政和人力资源在LED光源和灯具的研究和发展上。然而，发光二极管与传统光源相比，高度集中的光分布和非常低的亮度，因此，他们需要额外的光学，称为二次光学元件，以提高其光效和生产规定的照明。许多例子，发光二极管可用于各种普通照明系统，汽车大灯，LCD背光模组，其中大部分是与自由形式曲面设计，以获得规定的光分布。这些方法一般需要翻译成合适的差分方程的基础上的反射和折射定律的非成像的问题。然而，解决这类微分方程是复杂和具有挑战性的，它需要一个数值方法。其他一些方法可能不需要求解微分方程，然而，他们用来构造自由曲面光学表面是复杂的。由于涉及的准直透镜，其中有许多各种各样的应用，如探照灯，射灯，手电筒，夜视系统，传统的设计方法包括各种已知圆锥或非球面光学元件，以实现准直的功能。然而，从源头上发出的光线不能得到有效利用。要解决这问题得到良好性能，对光源器件要求极高。另一方面在透镜的TIR表面可以纳入一个单一的机构，所有光学元件，体积紧凑，实现全光射线利用率。因此，最近已经吸引了许多有趣的应用。因为传统光源的LED光源的半空间分布不同，准直透镜的TIR表面需要专门设计的。尤其是复杂的光学表面应采用高品质的镜头。在本文中，我们提出了一个近似的方法来构建一个基于LED的准直透镜，其中包含一项TIR侧表面和自由曲面在前面中央部分的屈光面，并可以用一个简单的几何关系和一个三维（3D）模型模拟。由于解决TIR表面和自由曲面的方法很简单，不需要求解微分方程，它的算法是简单，直接，方便地实现。一般准直透镜的结构，被认为是旋转对称的，因此可以在一个两维的（2D）空间操作。此外，镜头的设计是基于一个理想的点光源，而LED是2πsr立体角的面光源，并明显地影响镜头的性能。因此，为实现一个实用的LED光源应用

非球面光学技术综述(激光杂志)

非球面光学设计技术综述勾志勇1 摘要非球面光学在工业、国防和商业等领域的应用中具有十分重要的意义。当用非球面设计光学系统时,非球面方程的选用十分重要,决定着系统最佳优化结果。文章介绍了非球面光学技术的发展过程,分析了常用非球面的应用方程,并对非球面应用方程的特点及非球面系数的关系进行了概述,较详细地分析了各类非球面应用方程的适用范围,最后概述了非球面光学在军事、工业等领域的应用以及发展趋势。关键词非球面光学；非球面透镜；非球面系数；光学设计 The summary of aspheric optical design technology Abstract Aspheric optics is important in national defence, industry and other fields of application. While using aspheric surfaces in the design of optical system, it is quite important to decide which aspheric equations to choose. And it can also make the optics system perfect. This paper mainly introduces the development of aspheric optics and analyzes some kinds of aspheric equations. It also summarizes the characteristics of aspheric equations and their relationship with aspheric coefficient. And it details the areas of applications on some kinds of aspheric equations. In the end, the paper presents the typical applications and development tendency of aspheric optics in military, industry field, and so on. Keyword aspheric optics; aspheric lens; aspheric coefficient; optical design 引言 16世纪，人们逐渐开始对非球面光学感兴趣，在古代和中世纪，人们就知道用抛物镜通过反射对远距离物体成像。1611年，Johannn Kepler打算把双曲面应用在透镜表面上。可在折射定律为人们所不知的年代，就透镜而言，他不能用科学证明来支持他的观点。直到1618年，Snell确立了折射定律。基于此发现，1638年，Johannn Kepler把非球面面型在透镜上进行实验，使在近、远距离获得无球差像面，从而逐渐奠定了非球面光学基础，此面型也被命名为笛卡儿面 (Cartesian surfaces)[1]。自从加工工艺和光学检测水平提高，非球面光学得到了广泛的应用,在美国AN/AVS-6型飞行员微光夜视眼镜中就采用了9块非球面塑料透镜，另外，在AN/PVS-7步兵微光夜视眼镜、HOT夜视眼镜、“铜斑蛇”激光制导炮弹导引头和其他激光测距机、军用望远镜及各种照相机的取景器中都采用了非球面透镜。 1.非球面之定义非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。一般应用在光学系统中的透镜及反射镜，曲面型式多数为平面和球面，原因是这些简单型式的曲面加工、检验容易，但是用在某些高度精密成像系统有一定的限度。虽然非球面的复杂曲面制造困难，但在某些光学系统中依然是需要的。采用非球面技术设计的光学系统，可消除球差、慧差、像散、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性(如图1)。作者简介：勾志勇(1979－),男,重庆人,土家族,硕士研究生,主要从事光学系统设计工作。作者e-mail:gouzhiyong@https://www.doczj.com/doc/6c14891544.html,

激光光束特定方向准直方法与技术

激光光束特定方向准直方法与技术摘要:基于光束漂移量反馈通过PZT 驱动的微角度控制,实时动态检测和控制激光光束特定方向的平漂量和角漂量,以达到出射光束特定方向的高稳定性。准直系统中对光束平漂量和角漂量进行了分离检测,并各自构成了平漂量和角漂量反馈控制执行系统,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合,提高了准直精度及准直效率。实验表明,该方法特定方向准直精度可达5 ×10 - 8 rad。关键词:激光准直; 光束漂移; 激光基准; 激光 Laser Beam Collimation Method and Technology in Given Beam Direction Abstract: in this method, displacement and angle excursions of laser beam from given direction was measured and controlled dynamically in real time through micro-angle measuring and micro-angle controlling systems based on piezoelectric driving, in the collimation system dis placement excursion and angle excursions of laser beam was measured s eparately and each of them has a independent feedback control system to restrain and angle excursion is decreased so the collimation preci sion and collimation efficiency are improved. Experiments prove the c ollimation precision of laser beam can reach 5×10-8 rad. 1 引言激光器由于受其本身的热变形、环境振动和空气扰动等因素的影响,出射的激光束在传播过程中常会产生漂移,主要表现为光束的平漂和角漂,其量级一般在10 - 4～10 - 6 rad。这一弱点限制了激光器准直精度的进一步提高,影响了其在实际中的运用。目前的许多方法,如激光方向稳定法[1 ] 、位相板衍射准直法[2 ,3 ] 、双光束补偿准直法[4 ] 、单模光纤准直法、CCD传真法等[5～7 ] ,都是为解决这一问题而提出的。但此类方法,均将激光光束在任意方向的平漂和角漂作为一个综合影响量,来对其进行准直,增加了准直难度及准直系统的复杂性,降低了准直效率。在激光长距离准直技术中,有时只需对激光光束传播中的某个空间位置方向(激光束截面的x 方向或y 方向) 进行准直;在许多应用场合,对测量结果起作用的只是光束截面的某个特定方向的稳定性,此种情况下只需对所用光束特定方向进行准直, 这样既可降低难度、减小系统复杂性,同时又能提高特定方向的准直效率及精度。为此,本文提出抑制光束特定方向的漂移量反馈控制方法及技术。 2 特定方向反馈控制准直法 2. 1分离检测光束角漂量分离检测法见图1 ,将二像限探测器( TEPD ,two2element pho todioe) 光敏面中心对称线置于聚焦物镜的焦点处,与TEPD 中心对称线垂直的方向即为将要准置的特定方向,安放二像限硅光电池使纸面为将需准直的特定方向面,如图1 (a) 所示。当光束产生平漂量Δx 时,由于入射光束平行于光轴经聚焦物镜后仍聚于焦点上, TEPD 对光束的平漂量不敏感。当光束产生角漂即相对光轴以θ角入射时,光束聚焦于聚焦物镜的焦平面上并发生偏移, 见图1 (b) ,偏移TEPD 的中心位置量为Δy =θ×f 。其中,θ为光束角漂量,Δy 为光束焦点偏移TEPD 中心线,

基于大功率led准直透镜的研究设计

基于大功率LED准直透镜的研究设计常见的大功率LED二次透镜的剖面一般具有如下结构：其作用是通过曲面1的折射和曲面2的全反射改变LED发出的光线方向以实现配光的重新分布。本文主要通过理论计算分析适用于准直透镜的曲面设计。以下将曲面1和曲面2，分开讨论，讨论前需假设他们具有一个共同的分界角A，这样从LED发出的光线必然能被曲面1折射或曲面2全反射。第一部分：首先讨论中间的准直透镜部分：如下图所示，取透镜中心为Y轴，径向为

决定TIR 透镜的中心准直透镜的参数主要为：r n A max,所以可以把这三个参数当做已知参数，进而推导出y 与x 的关系，然后拟合成非球面曲线，那么就可以得到中心准直透镜的非球面系数。具体推导如下： (a) 先求出Pn+1点所在光线方程：由坐标图，我们可以知道，Pn+1点所在光线所在的直线的斜率为1k ，其中1cot k A =，那么其光线方程为 1cot y A x =? (1) (b) 再求Pn 点所在切线方程：设Pn 点所在切线切线的斜率2k ，且为过点Pn (Xn ,Yn)，因此应该具有如下形式： Yn Xn x k y +-?=)(22 由于角D 与角C 的和为90°，那么Pn 所在切线斜率2cot tan k D C ==，这样只需求出C 既可。由折射定律sin sin B n C =，则角arcsin(sin )B n C =? 于是问题转换为求角度B 。这可以通过光线的斜率1k 和Pn 所在法线的斜率2 31k k -=求出。由两直线夹角公式:111cot 132tan tan 1cot 113112tan k A k k k C B k A k k k C + +-===+?-- 于是有:1cot tan tan[arcsin(sin )]cot 1tan A C n C A C + ?=- 经过进一步的计算，便可以解得：212121 212)1(*1k k n k k n k -+-+= 于是得Pn 点所在切线方程： Yn Xn x k y +-?=)(22 (2) 可以近似认为Pn 的邻点Pn+1也在该切线上。

LD快轴准直透镜FAC

1 LD 快轴准直透镜FAC: 从初级像差设计到ZEMAX 建模以某公司的LD 快轴准直透镜为例说明其光学设计主要步骤，所用的方法为初级像差设计+zemax 建模. 初级像差方法的技术细节，可参考任一光设经典书籍。zemax 建模仅涵盖性能评估+优化+应用，制造分析如公差+出图在此不予讨论。希望对各位有所帮助。(zemax 版本为 2005) 图中所选为感兴趣的LD 快轴准直透镜，设计步骤：先是用倒描光路方法进行初级像差设计和zemax 序列模式建模及优化，然后是zemax 非序列模式应用举例。 1，已知参数： ? 平凸柱面镜：非球面面型 ? Wave=808nm ? NA=0.5， EFL=0.9mm ， BFL=0.09mm ，W=1.5mm ， H=1.5mm ? N-LaF21, n=1.77584@808nm ? LD 快轴发散角FWHM=35° ? HB/XB 级别质量：准直光束85%/90%能量角度θ=+/-1mrad (+/-0.0573°).

2 2，高斯光学计算： ? LD 1/e^2发散角=35°*0.85=29.75°=0.52rad, 束腰直径=2*0.808/(3.1416*0.52)=1um; 视场角0.06°，典型大口径小视场光学系统，轴上球差是主要的像差. ? 焦面弥散斑最大允许直径：δ= EFL*2θ=1.8um ------系统性能评估目标； ? 凸面曲率半径R1=(n-1)*EFL=0.6983mm, 厚度d=1.5 mm------系统初始结构参数； ? BFL=EFL-d/n=0.055. ? NA=0.5, F#=1, h1=0.45, u1=0.5, h2=h1-d*u1/n=0.45-1.5*0.5/1.77584=0.028, 可见h2非常小. 3，初级像差设计: ? 整体透镜可视为一凸平薄透镜 + 厚度d1.5 mm 玻璃平板的组合； ? 如考虑到凸面面型为球面, 透镜的球差系数S=S1+S2 S1=h1*P 为平凸薄透镜球差系数, S2=-(n^2-1)/n^3*d*u1^4为玻璃平板球差系数. 透镜弯曲Q=-1, 所以P=1.21, S1=0.068, S2=-0.036, S=0.032. 如若用非球面来校正轴上球差, 则可计算凸面的一阶非球面系数conic: conic=-e^2=S*R1^3/((1-n)*h1^4)=-0.3424 ? 综上, 可得到该快轴准直透镜的系统参数及初始结构参数: F#=1, Wave=808nm, FOV=0 面1: R0.698, d1.5, n1.77584, conic=-0.3424 面2: R0, d0.055

第二章激光准直原理复习进程

第二章激光准直原理第一节光的衍射现象一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？ -103 a -10-2 10-1 a -10-1 1 a 衍射现象不明显衍射现象显著逐渐过渡为散射首先我们来做一个实验，让一单色强光源（激光）发出的光波，通过半径为P且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当p足够大时，在原屏上看到的是将逐渐扩展，弥漫。光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。这与光的直线传播想一致。如图: 随着P的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑

光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。一、光的衍射定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象二、产生条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候三、衍射规律： 1. 光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。 2. 光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。

激光准直技术分类

1.2激光准直技术分类按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型。（一）振幅(光强)测量型利用激光本身的方向性，以激光光强分布中心作为准直基线，是这类准直方法的最初型式。当用位敏光电器件或CCD作为探测器时-可同时实现二维测量，这是振幅测量型激光准直仪的优点。然而如前面所述，由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到5 10 量级。为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案，如菲涅尔波带法、零级条纹干涉法、零级衍射同心圆法、不对称位相板法 ]、海定格非定位干涉条纹法 ]、对称双光束法、单模光纤法等。这些方法在克服激光漂移及光强不对称分布的影响方面起到了好的效果-然而对大气扰动的影响仍无法解决 1、 Fresnel波带片法激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。以十字线的中心作为准直基线，来克服光强分布不对称的影响，但因为波带片有确定的焦距，不可能在很长距离上都得到清晰的十字像。 2、位相板法采用二维非对称位相板，它的四个象限上每两个相邻的象限具有二相位差，所形成的直边衍射图是亮背景上的一个暗十字。这种方法很适合于对中控制，但由于衍射的作用，测量范围不可能太大。 3、双光束准直法两光束是由一个空间棱镜分出的。当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜之后的两光束漂移方向相反。采用两光束的平分线作为准直基线可以克服激光器的漂移影响，但该系统对双光束的平行性要求较高，在长距离范围内不易实现。 4、反馈控制法利用闭环反馈技术，实时修正各种因素而致的漂移误差，来提高准线精度，进而实现高精度的激光准直测量。反馈控制法准直系统在出现光束漂移时，反馈系统的接收装置(控制用探测器)接收到该信号。并将其转换为相应的电信号，此信号再经驱动放大，作用于驱动机构(压电陶瓷)，来对激光束的方向进行二维调整，从而实现对光束漂移量的实时修正，提高准线的精度。该系统经实验测试表明:准直距离为5m，相对精度为

激光准直仪操作规程

中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数: L=2.5米时?0.1mm L=20米时?1.2mm L=50米时?2.5mm 2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，经过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，能够调至±0.02~0.03mm。然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。 3）二维测微光靶二维测微光靶是用来记录与测量主机盘车时光轴的变化量。二维测微光靶是由光靶和在X、Y两个自由度上测微的百分表所组成，光靶本身带有卡具和折射棱镜，为安装和读数提供了方便条件。测微光靶的工作范围是±4.5mm。测量精度为±0.01mm。4）平面反射镜平面反射镜是用来反射激光束的附件，本身带有卡具，用户能够自行设计固定架，然后将平面反射镜固定在它的上面。