变焦扩束系统的光学设计
折射式望远镜(扩束)系统设计流程
扩束（折射式望远镜）设计流程设计要求：平行光进，平行光出入射光孔径100, 出射20mm只能使用两个镜片，且第二个镜片为平凹镜（伽利略式）两镜片间空气隔约250mm系统用于1053nm激光系统；要使用632.8nm波长对系统进行预测试像差要最小化，仅能使用一个非球面学习要点：如何对特定设计要求优化参数如何设计一个双工系统，即工作波长和测试波长不同的系统如何在Zemax软件里定义薄透镜（仅用于聚焦），如何定义多结构界面问题分析：其实就是设计一个望远镜系统，如果没有特殊要求，这样的系统是很容易设计的。
然而现在有一些附加要求，特别是工作波长和测试波长不一样。
我们应该如何开展这样的设计呢？对一个实用系统，测试只是一个确信性能的手段，而最终系统应该在工作波长被使用。
因此，这个例子里，我们先以1.053μm为基准进行设计。
之后再考虑如何在0.6328μm下做测试。
注意，现在的系统是平行光入，平行光出。
由于没有成像功能，因此在Zemax里，无法评价由于该系统引入带来的像差是多大。
如何解决这个问题呢？我们可以在Zemax里插入一个薄透镜，即几何光学里常使用的那种透镜，只具有对平行光聚焦的作用，本身不产生任何附加像差。
这样平行光经过该近轴薄透镜聚焦后的像斑就可以用来衡量扩束本身带来的像差大小。
两个实际厚透镜是4个表面，薄透镜是1个表面。
再加上默认的物像平面，在Zemax 里定义上述系统，共需要7个表面。
1.通用参数设置：首先从系统-→通用配置选项里输入入瞳孔径值100mm，在系统-→光波长选项里输入工作波长1.0532.透镜表格编辑：根据设计要求，编辑透镜表格如下：由于目前我们不知道两个透镜表面半径该多大，因此我们都没输入初始值，选默认的无穷大，即都是平板。
这个值我们可以通过软件的优化功能获得，因此把他们定义为变量。
注意，设计要求凹透镜为平凹镜，因此第一个表面半径为无穷大，不能变，即表格里的“3”面。
而其余三个待确定量设为变量。
扩束镜的原理及应用方法
扩束镜的原理及应用方法1. 扩束镜的原理扩束镜是一种光学工具，使用凸透镜将平行光束聚焦为更紧凑的束。
它的工作原理基于透镜的折射性质。
2. 扩束镜的工作原理扩束镜由一个凸透镜组成，该镜头可以将平行光束聚焦。
它具有一个正的聚焦长度，所以扩束镜在一定距离之外的光束会发散。
这个焦距决定了聚焦的程度。
扩束镜的原理可以通过以下几个步骤进行解释：2.1 入射平行光当平行光线进入扩束镜时，它们会与透镜的曲面相交。
根据透镜的凸度，光线会发生折射。
2.2 折射现象透镜的曲面使光线在通过透镜的过程中改变方向。
由于透镜的形状，光线会向透镜的光轴倾斜。
2.3 聚焦效应光线在透镜内聚焦后，会形成更紧凑的束。
这是因为透镜的形状会将光线聚集在一个点上，这个点被称为焦点。
2.4 发散效应如果光线没有被透镜完全聚焦，它们会在一定距离内发散。
这个距离取决于透镜的焦距。
3. 扩束镜的应用方法扩束镜具有多种应用，在以下几个领域中被广泛使用：3.1 光通信扩束镜在光通信中起着重要的作用。
由于大气中存在光的散射，光通信会受到损耗。
使用扩束镜可以将光束集中在更小的区域内，减少损耗并提高传输速度和可靠性。
3.2 激光切割和焊接扩束镜可用于激光切割和焊接应用。
在这些应用中，需要将激光能量集中在一个小的区域内，以实现精确的切割和焊接。
扩束镜可以帮助实现这一目标。
3.3 激光打印和扫描扩束镜可用于激光打印和扫描设备中。
通过将激光束聚焦在一个小的区域内，可以实现高分辨率的打印和快速的扫描。
3.4 生物医学扩束镜在生物医学领域也有广泛的应用。
例如，在激光眼科手术中，扩束镜用于将激光束聚焦在眼睛的特定区域内，以进行矫正手术。
3.5 显示技术在显示技术中，扩束镜可用于投影，并将激光束聚焦在屏幕上，以实现清晰的图像。
4. 总结扩束镜是一种基于凸透镜的光学工具，通过将平行光束聚焦为更紧凑的束来实现扩束效果。
它的工作原理基于透镜的折射性质和焦距的调节。
扩束镜在光通信、激光切割和焊接、激光打印和扫描、生物医学和显示技术等领域有广泛应用。
光学扩束系统原理
光学扩束系统原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光学扩束系统原理这玩意儿。
你说这光学扩束系统啊，就好比是给光开了一条宽敞大道。
咱平常看到的光，就像个调皮的小孩子，到处乱跑乱窜。
可这光学扩束系统一来，嘿，就把这光给“管”住啦！它能让光变得更听话，更有序。
你想想啊，光本来是细细的一束，就像那小胡同似的。
但经过光学扩束系统这么一捣鼓，哇塞，光就变得又宽又广，就跟那大马路似的。
这是咋做到的呢？其实啊，就是通过一些巧妙的镜片组合啦。
这些镜片就像是神奇的魔法师，它们能把光给拉伸、放大。
就好像你有一团面，你通过揉啊搓啊，就能把它变成各种形状。
这光学扩束系统里的镜片也是这样，把光给摆弄成我们想要的样子。
你说这神奇不神奇？而且啊，这光学扩束系统在好多地方都大有用处呢！比如说在激光领域，那可是立下了汗马功劳。
没有它，激光可能就没那么厉害啦！
还有啊，在一些科学研究中，它也是个得力的小助手。
能让科学家们更清楚地看到那些微小的东西，就像给科学家们配上了一副超级厉害的眼镜。
咱平常生活中也能看到它的影子呢！你说要是没有这光学扩束系统，那些漂亮的灯光效果怎么来呀？那我们的夜晚不就变得暗淡无光啦？
所以说啊，这光学扩束系统可真是个了不起的东西！它就像一个默默奉献的幕后英雄，虽然我们可能不太注意到它，但它却一直在为我们的生活增添光彩。
朋友们，你们现在是不是对光学扩束系统原理有了更清楚的认识啦？是不是觉得它特别有意思呀？反正我是觉得挺好玩的！它让我对光有了更深的理解，也让我对这个世界的奇妙之处有了更多的感慨。
下次再看到那些漂亮的灯光，可别忘了这背后有光学扩束系统的功劳哟！。
光学变焦系统设计
34
TANGENTIAL
0.00488
1.00 RELATIVE FIELD HEIGHT ( 28.00 O )
SAGITTAL
0.00488
-0.00488
-0.00488
0.00 RELATIVE
0.00488
FIELD HEIGHT ( 0.000 O )
0.00488
-0.00488
-0.00488
1960年以后，随着机械加工工艺的改进、凸轮加工精度的 提高、光学材料性能的提高、光学冷加工以及镀膜技术的 发展，机械补偿变焦距镜头得到了很大的发展。 1971年，首次将双组联动变焦方式用于电视变焦镜头，它 可看作是机械补偿和光学补偿的结合，具有变焦运动移动 量小、接近线性、凸轮曲线平缓等优点。
23
变焦系统实例
EFL POS 1
0.5912
POS 2
1.2738
POS 3
2.7442
POS4
5.9086（in）
W
28°
13.9°
6.5°
3°
变焦比
10
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28
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变焦系统实例
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变焦系统实例
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变焦系统实例
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变焦系统实例
0.29e-2
0.453e-2
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39
谢谢
40
4
变焦光学系统概述
变焦系统：
是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置 保持 不变的光学系统
变焦的目的：
连续改变系统的放大率，像面景物的大小连续可 变
变焦的应用：
基于 ZEMAX 的二维变焦扩束光学系统设计
基于 ZEMAX 的二维变焦扩束光学系统设计于陶然;王超;唐晓军;刘洋【摘要】For the size control problem of slab laser’s output beam,a two-dimensional continuous zoom beam expender optical system is designed which expander ratio can reach 14 ~20 ×in the direction of X and 1.25~1.55 ×in the direction of Y.The movement rule of the fixed part,zooming part and compensating part are derived through the analy-sis of the three component zoom lens.The theoretical value is optimized by the ZEMAX,which makes the aberration of the system meet the requirement.Working wavelength of the system is 1064nm,and the size of output beam in a cer-tain range can be expanded to 35 ~40 mm.The system has some advantages of a simple structure,a short zoom dis-tance and a smooth zoom path.%针对板条激光器出射光束的尺寸控制问题，设计了一个在 X 方向扩束倍率为14～20×，Y 方向扩束倍率为1．25～1．55×的二维连续变焦扩束光学系统。
激光变焦扩束光学系统设计
激光变焦扩束光学系统设计
激光变焦扩束光学系统是一种用于激光束的焦距和扩束半径调节的光学系统。
下面是一些激光变焦扩束光学系统设计的关键要点：
1. 透镜组设计：激光变焦扩束光学系统通常包含多组透镜，以实现对激光束的聚焦和扩束功能。
设计时需要考虑透镜组的组合，以及透镜的曲率半径和透镜间距等参数。
2. 光束扩束：为了实现光束的扩大，可以使用凸透镜或凹透镜来改变光束的发散角度。
广角透镜通常用于扩大光束，而窄角度透镜则用于聚焦光束。
3. 光束聚焦：为了实现光束的聚焦，系统可以使用具有更大折射率的透镜来提高光束的聚焦效果。
光束的焦点位置可以通过调整透镜与光源之间的距离来调节。
4. 自动聚焦系统：在某些应用中，可能需要实现自动聚焦功能。
这可以通过添加传感器或探测器来实现，以测量光束的强度或相位变化，并相应地调整透镜位置来保持光束的聚焦。
5. 光线控制：为了优化光束的质量和形状，可以使用光线控制器，如液晶光学器件或波片。
这些器件可以用来调整光束的相位和偏振状态，以实现更精确的焦散效果。
6. 光束评估：在设计过程中，需要对光束进行评估和测试，以确保所设计的系统具有所需的光束质量和性能。
常用的评估方
法包括光束直径测量、波前畸变测量和功率均匀性分析。
7. 材料选择和涂层：透镜和其他光学元件的材料选择非常重要，以确保系统具有所需的光学性能和耐用性。
此外，表面涂层也需要进行优化，以减少反射和散射，提高光束的传输效率。
总之，激光变焦扩束光学系统设计需要综合考虑光学元件的布局、透镜参数、光束聚焦和扩束方法，以及光束控制和评估等因素，以实现所需的聚焦和扩束效果。
简易激光扩束器的设计和制作
简易激光扩束器的设计和制作激光扩束器是一种用于将激光束从较小的光斑扩展为较大光斑的装置。
它被广泛应用于激光加工、激光切割、激光打标等领域。
本文将介绍一种简易激光扩束器的设计和制作方法。
设计思路：激光扩束器的设计主要包括两个方面：一是设计扩束光学系统，二是设计支架和固定装置。
光学系统是扩束器的核心部分，其主要功能是将光源的激光束扩展为所需光斑大小。
支架和固定装置则用于固定激光器和光学元件，保证整个系统的稳定性和可靠性。
1.设计扩束光学系统：扩束光学系统由凸透镜或透镜组成，其结构可以融合多个透镜，用于实现不同程度的扩束效果。
光学系统的设计原则是根据输入光斑的直径和所需扩束光斑的直径，确定透镜的焦距和透镜的间距，从而得到所需的扩束效果。
2.设计支架和固定装置：支架和固定装置的设计主要是为了保证光学系统的稳定性和可靠性。
可以使用金属材料如铁、铝等来制作支架和固定装置。
支架的设计要考虑光学系统的大小和形状，确保透镜和光源之间的距离和位置固定不变。
固定装置可以使用螺丝、销钉等固定装置，固定光学系统和支架。
制作过程：1.准备工作：选购适合的透镜和光源，选择适当的材料制作支架和固定装置，准备必要的工具如锉刀、打磨机、钳子等。
2.设计光程：根据扩束光学系统的要求，计算出透镜的间距和焦距，确定所需光程和位置。
3.制作支架和固定装置：根据设计要求和透镜的大小，使用金属材料制作支架和固定装置。
可以根据需要加工，打磨和调整尺寸以适应光学系统的安装。
4.安装光学系统：根据设计的光程和位置要求，将透镜安装在支架上，通过固定装置固定在支架上。
确保透镜和光源之间的距离和位置固定不变。
5.安装光源和测试：将激光器或者光源安装在支架上，并与光学系统相连接。
连接好电源，对系统进行测试，观察扩束效果是否满足需求。
6.调整优化：根据实际情况，调整光学系统的参数，如透镜的间距、焦距等，进一步优化扩束效果。
可以通过实验和测试，不断调整和优化以获得更好的扩束效果。
变焦光学系统课程设计
变焦光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解变焦光学系统的基础理论，掌握变焦透镜的构造和原理。
2. 学生能够描述变焦光学系统在不同焦距下的成像特点及其应用。
3. 学生能够运用数学公式计算变焦光学系统中的焦距、放大率等基本参数。
技能目标：1. 学生通过实验操作，掌握变焦透镜的调节方法和技巧。
2. 学生能够运用所学知识分析和解决实际光学问题，如简单的相机调焦问题。
3. 学生能够设计简单的变焦光学系统，并进行模拟或实际搭建。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对光学科技的兴趣，激发探索光学未知领域的热情。
2. 学生通过小组合作学习，培养团队协作精神和沟通能力。
3. 学生通过光学知识的学习，增强对科学方法的认识，形成严谨的科学态度。
课程性质：本课程为理科学科，以理论讲授和实验操作相结合的方式进行，注重培养学生的理论知识和实践技能。
学生特点：考虑到学生处于高年级，已具备一定的物理和数学基础，能够理解较为抽象的光学概念，并具有一定的实验操作能力。
教学要求：要求教师能够清晰讲解光学理论，通过实例分析和实验操作，使学生能够将理论与实践相结合，达到学以致用的教学目的。
同时，注重学生的参与和思考，引导他们主动探索光学知识。
通过具体的学习成果分解，为教学设计和评估提供明确依据。
二、教学内容本节教学内容紧密围绕课程目标，结合课本第四章“变焦光学系统”展开。
1. 理论部分：- 变焦光学系统概述：介绍变焦光学系统的基本概念、发展历程及应用领域。
- 变焦透镜原理：讲解变焦透镜的构造、工作原理及其数学描述。
- 成像特性：分析在不同焦距下，变焦光学系统的成像特点及其影响。
2. 实践部分：- 变焦透镜调节方法：指导学生掌握变焦透镜的调节技巧，学会在不同焦距下观察成像特点。
- 实验操作：设计实验，让学生亲自动手搭建简单的变焦光学系统，观察成像过程。
3. 教学大纲：- 第一课时：介绍变焦光学系统概述，讲解变焦透镜原理。
- 第二课时：分析成像特性，演示变焦透镜调节方法。
大视场反射式激光扩束系统光学设计
大视场反射式激光扩束系统光学设计衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【摘要】激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失.为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为48°×40°的小型扩束系统.系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1λ(λ=632.8 nm),且无中心遮拦.通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为90×100× 60 mm3,波像差最大为0.095λ,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92％,满足透过率大于85％的设计要求.%Laser beam expander is used to compress the laser divergence angle, in order to reduce the energy losing in long distance scanning acquisition system. To meet the requirements of the laser communication experiment, a laser beam expander system was designed. The system has 10 times magnification and 48°× 40° working field, which is used in 1 550 nm, 1 064 nm, 800 nm and 632. 8 nm laser wavebands (632. 8 nm waveband is mainly used for system test). After the calculation of primary structrue parameters and the optimization by Zemax, four conic mirrors were used to compose the system. Considering the tolerence, the system's maxium wavef rent aberration(WFE) is 0. 095λ(λ = 632. 8 nm) that satisfies the requirement of the RMS of WFE <0. 1λ. It has a total size of 90 × 100 × 60 mm3 and transmission of about 92%,which also meets the 85% transmission demand.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】6页(P1156-1160,1184)【关键词】望远结构;激光通信;大视场;激光扩束;光学设计【作者】衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【作者单位】辽宁省葫芦岛市32941部队91分队,辽宁,葫芦岛125000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院研究生院北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN24;TH703引言激光光源具有单色性高、方向性好、相干性强、高能量等诸多优点，在激光通信、激光测速、激光测距、激光加工、激光准直、激光定位、激光雷达等领域内得到广泛应用［1］。
变焦系统的光学设计
变焦系统的光学设计变焦系统是一种能够调节焦距的光学系统，通过改变镜头或透镜之间的相对位置来实现焦距的变化，从而实现对物体的放大或缩小。
变焦系统广泛应用于相机、望远镜、显微镜等光学设备中，提供了更大的灵活性和便捷性，让用户可以根据需要调整焦距，获得不同的视野和成像效果。
变焦系统的光学设计是变焦系统的核心部分，其设计质量直接影响着系统的成像质量和性能。
在变焦系统的光学设计中，需要考虑的因素包括系统的光路布局、光学材料的选择、透镜或镜片的设计和配对、系统的调焦机构等。
为了实现高质量的变焦系统，需要综合考虑这些因素，并采用合理的设计方法和技术手段。
其次，在变焦系统的光学设计中还需要选择合适的光学材料。
光学材料的选择直接影响着系统的成像质量和性能，包括透过率、色散性、折射率等参数。
在选择光学材料时，需要考虑系统的工作波长范围、光学设计的要求以及制造成本等因素。
通常，在变焦系统的设计中会选择具有较高透射率和低散射率的光学材料，以提高成像质量和系统的传递效率。
另外，在变焦系统的光学设计中，透镜或镜片的设计和配对也是非常关键的。
透镜或镜片是光学系统中最基本的光学元件，其设计质量直接影响着系统的分辨率、畸变和像差等性能。
在设计透镜或镜片时，需要考虑其曲率、厚度、半径等参数，并进行光学仿真和优化计算，以实现系统的设计要求。
此外，在配对透镜或镜片时，还需要考虑其相对位置和倾斜角度，以减小像差并提高成像质量。
最后，在变焦系统的光学设计中，还需要考虑系统的调焦机构。
调焦机构是变焦系统中用于调节焦距的机构，通常包括手动和自动两种方式。
在设计系统的调焦机构时，需要考虑其调焦的精度、速度和稳定性，以及在不同焦距下的成像质量和畸变控制等因素。
同时，还需要考虑系统的机械结构和材料的选择，以提高系统的可靠性和稳定性。
综上所述，变焦系统的光学设计是一个综合考虑光学布局、材料选择、透镜配对和调焦机构等多个因素的复杂工程，其设计质量直接影响着系统的成像质量和性能。
变焦系统的光学设计
变焦系统的光学设计作者：杨欢来源：《科技风》2020年第20期摘;要：本文的可变倍扩束镜的变焦部分采用三组元的机械补偿式结构，通过参数计算、变焦方程求解以及焦距公式求解相关参数，利用ZEMAX仿真优化，其扩束比为2.5×～5×。
在定焦扩束比为4×的基础上，得到一个入射光口径为1mm，扩束比为10×～20×的可变倍扩束镜。
关键词：变倍扩束镜;变焦;光学设计1 绪论透射式扩束系统一般由球面透镜组构成，它的结构简单，改变透镜组之间的间距可实现对激光束的变倍扩束。
但是，随着系统输出的激光束口径的增大，系统的像差也会明显增加，所以这类系统适用于扩束倍率不大的激光扩束系统。
[1]变焦距系统是通过改变光学系统中各透镜组之间间距的方法来实现的，因为原焦距的物像关系会随着透镜组间距的变化而发生变化，所以在变焦的过程中，如果想要确保光学系统的原物像关系，就需要采取一种类似补偿的方法来实现。
本文选用像面稳定性较好的机械补偿式三组元作为变焦系统的基本结构，其中包含变倍组、固定组、補偿组。
[2][5]2 变焦系统的设计2.1 变焦过程推导当L1的移动距离为q时，为了保证L2的像点B与L3的焦点F3重合，我们设定L3的移动距离为e，它们的位置关系如图1。
2.2 计算变倍组和补偿组的移动距离（1）确定各组元的焦距以及各组元的初始距离：f1′，f2′，f3′，d1，d2。
（2）计算变倍组和补偿组的移动距离：q，e。
L1移动q后，L2的放大率为：m2（q）=f12′f′1=f2′f1′+f2′-（d1-q）（1）对L2列高斯公式得：1（e+d2）+f3′-1f1′-（d1-q）=1f2′（2）变形可得：e=f1′f2′-（d1-q）f2′f1′+f2′-（d1-q）+f3′-d2（3）假设入射光线高度为h1，出射光线高度为h3，那么：h1=（-f1′）（-u）=f1′，h3=f3u′（u′为L2的像方孔径角）M=h3h1=-f3′f1′m2（q）（4）变倍组做的是直线运动，其运动状态可以通过公式直接计算出来;补偿组做的是非直线运动，不能通过公式直接计算出来，需采用编程的方法来实现。
光学变焦系统设计
光学变焦系统设计摘要：光学变焦系统是一种通过改变光学系统的焦距来实现对目标的放大和缩小的技术。
本文将介绍光学变焦系统的原理和设计。
首先，我们将讨论常见的光学变焦系统类型，包括连续变焦系统和离散变焦系统。
然后，我们将详细介绍光学变焦系统的核心组件，包括透镜组、电动驱动器和控制系统。
最后，我们将讨论光学变焦系统的应用和未来发展方向。
1.引言2.光学变焦系统类型光学变焦系统可以分为连续变焦系统和离散变焦系统两种类型。
连续变焦系统通过调节光学系统的曲率来实现焦距的连续调节。
离散变焦系统则通过使用不同的透镜组合来实现焦距的离散调节。
连续变焦系统的优点是可以实现焦距的无级调节，但由于光学元件的加工和控制的复杂性，成本相对较高。
离散变焦系统由于透镜组的离散组合，可以实现相对较低的成本，但只能实现焦距的离散调节。
光学变焦系统的核心组件包括透镜组、电动驱动器和控制系统。
透镜组是光学变焦系统的关键，通过改变透镜的位置和曲率来实现焦距的调节。
透镜组由凸透镜和凹透镜组成，通过改变凸凹透镜之间的距离来调节焦距。
电动驱动器负责控制透镜组的运动，通常使用步进电机或伺服电机来实现精确的位置控制。
控制系统负责接收用户输入的焦距控制信号，并将其转换为透镜组的运动指令。
4.光学变焦系统应用光学变焦系统在很多领域都有广泛的应用。
在视觉测量领域，光学变焦系统可以实现对目标的无损放大和缩小，帮助用户更好地观察细节。
在机器人视觉领域，光学变焦系统可以实现机器人对目标的自动识别和定位。
在医疗成像领域，光学变焦系统可以实现对病人的无损检查和诊断。
5.光学变焦系统的未来发展方向光学变焦系统的未来发展方向主要是实现更小和更轻的组件，以及更高的精度和速度。
随着微纳加工技术和材料技术的不断进步，透镜组的尺寸和重量可以进一步减小。
同时，精密控制技术的发展可以实现更高的位置精度和速度。
此外，智能化和自适应控制技术的应用也将进一步提高光学变焦系统的性能和稳定性。
激光扩束系统设计
光学系统课程设计要求
1、查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料； 能提出并较好地的实施方案。
2、能用Zemax软件设计简单透镜组，对初级像差进行分 析和校正，从而对激光扩束系统进行优化设计。
3、能对所设计出来的光学系统进行合理的评价，并从工 程角度出发，进行优化设计，最后绘制出工程加工图纸。 4、撰写课程设计论文。要求内容不少于3000字，综述简 练完整、规范、准确；立论正确、论述充分；图表完备、 整洁、正确。 5、报告上交.zmx和.word电子档文件，两个文件打包， 报告名称统一为：姓名+班级+学号
光学系统课程设计内容
设计一个激光光束扩展器（变换器），具体要求如下： 1.输入光束直径为100mm，输出光束直径为20mm 2.使用波长：1064nm 3.测试波长：632.8nm
4.设计须采用伽俐略式（即内部无焦点）
5.只使用两片镜片，只允许使用1个非球面
6.镜片的间隔长度不超过250mm
激光光束扩展器的设计
光学系统课程设计目的 光学系统课程设计内容
光学系统课程设计要求
光学系统课程设计任务安排
光学系统课程设计目的
一、掌握光学系统设计的一般方法和设计思路。
二、掌握简单的、典型的系统设计的基本技能，熟悉光 学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘 制、公差分析以及工程图纸绘制等。 三、掌握ZEMAX在光学系统设计中的应用。
光学系统课程设计任务安排
2013.7.1-2013.7.2 布置任务，查找相关的文献，了解激 光扩束系统的基本结构、基本性能要求及相关4 熟悉zemax操作界面，练习输入数据， 评价像质，简单优化。
2013.7.5 根据实例，深入学习Zemax像差控制和优化方法 2013.7.6-2013.7.9 查找专利及镜头库，确定初始结构，选 型，进行优化设计；给出像质评价报告；输出工程加工图 纸 2013.7.10-2013.7.12 撰写课程设计论文，修改定稿并交稿
谈变焦系统光学、光机设计难点
谈变焦系统光学、光机设计难点
很忙，时间有限，简单发帖谈下变焦系统设计难点，以照相镜头为例说明，先发几张PRO-E的实体图，有时间在码字，大家可以先探讨：
变焦系统设计常规过程：
1、光学设计师设计光学系统
2、光机设计者设计机械系统
3、系统杂散光分析
4、加工光学、机械
5、装配
上述设计存在明显的缺陷，我跟做机械的人沟通过，做光学的如不懂机械，做机械的不懂光学，各做各的，最后装起来必然效果不佳，我接触的国外要求严格系统的装配，每颗螺钉拧几圈，承受多少牛的力都要严格计算出来，光学、机械互相不懂就都提不出来，装配的人就更糊涂了，就是常规装。
我认为光学设计师自己设计机械就解决了以上问题，光学设计的公差和想法都会完全传递给机械，你自己在做光机时哪里觉得不妥就又可以去优化修改设计，装配的时候让他按你的诸多要求装，这样的系统精度非常高。
论坛有很多声音说变焦系统光学设计如何如何难，我认为：变焦系统真正的难点不是光学系统，也不是机械系统，而是难在光机配合，凸轮的配合里面的学问非常多。
如今，杂散光分析也是光学设计师必备的素质了，也是设计的必须环节，有时间再展开讨论：
1、照相镜头总体光学、机械图：
2、变焦凸轮：
此凸轮变焦平滑，转角、升角设计的非常合适，保证光学系统轴向晃动精度较高。
3、从镜头向里面看，可以拿你的单反镜头看看，就是这样：。
一种激光变焦扩束光学系统设计
可见光变焦系统光机设计
可见光变焦系统光机设计摘要：近年来，随着国内光学行业的迅猛发展，变焦系统技术也不断成熟，已经被广泛的应用在检测、侦查、医疗、摄影等众多领域。
尤其在侦查方面，变焦镜头已经成为一种重要组成部分。
当观测场景或人物时，变焦镜头可以由远到近对所观察事物的局部特征进行放大，为后端提供重要的图像信息。
关键词：变焦系统；设计；计算分析引言本文设计了一种焦距为20~140mm的可见光变焦距光学系统，总体长度277mm。
本系统能够对目标进行较好的捕捉、跟踪和识别。
首先，本文讨论了变焦系统设计的一般方法，在此基础上确定了光学系统的初始结构，通过使用ZEMAX光学软件进行逐步优化分析，最终得到成像效果较为理想的光学系统，传递函数可以满足全视场不小于0.3；其次，根据系统参数的汇总，并通过MATLAB软件进行计算分析，拟合出变焦曲线和具体公式，在此基础上进行档位的扩展，使得变焦系统可以在20个不同焦距档位上依然可以清晰成像，达到连续变焦、图像实时检测的目的一、研究目的及意义变焦距光学系统可以实现焦距的连续变化并保证像面稳定，在变焦过程中始终保持良好的成像质量。
变焦镜头与传统的定焦镜头相比，变焦镜头可以快速的改变自身焦距，在物象之间连续产生变化，对观测的景物细节体现的更加具体，这是定焦镜头无法达到的效果。
变焦镜头可以在短焦距的状态下快速捕捉目标，然后通过快速切换，在长焦距的状态下对目标进行定位分析，获取大量的有用信息。
变焦镜头有着漫长的发展历史，在1843年，英国数学家彼得巴洛就提出了设想，他认为在望远物镜的目镜组里加入一块负透镜可以使透镜具有调节功能，从而改变望远镜的放大倍数。
这个具有颠覆性的思想，打开了光学领域的一扇门，变焦系统从此进入了专业研究领域。
在1902年，一位名叫查尔斯艾伦的光学设计者完成了一项壮举，他设计了一款真正的变焦距系统。
又过了30年，德国光学设计者设计了更加繁杂的变焦系统，通过透镜的前后移动改变焦距。
长焦距大口径变焦光学系统的设计
长焦距大口径变焦光学系统的设计摘要焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。
本文主要通过对变焦光学系统的概念和特征进行介绍，分析了变焦光学系统的原理，从而对长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用进行分析。
关键词长焦距；大口径；变焦光学系统随着物理光学的发展，变焦技术越来越得到普及使用，在天文学更是应用广泛，尤其是天文望远镜。
现代的天文望远镜已实现了米级、十米级、百米级口径，其焦距变化比也实现了上千、上万的升级，使得天文观测越来越具体化，细致化。
有利的推动着天文学的发展。
1 变焦光学系统概述变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。
变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。
跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。
其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。
由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
2 变焦光学系统的原理变焦距光学系统主要特征在于其焦距可以进行连续的变化同时保持像面的稳定，从而能保证相同物体在一定范围内实现焦距不同的清晰像，有利于观察使用者对物体的观察分析。
变焦光学系统是由固定焦距透镜组合而成的，首先我们分析下固定焦距透镜，固定焦距透镜在对物平面进行一定的位移时，其相应的像平面和像大小也将发生位移，只有通过在两个特殊位置进行位移，即“物像交换位置”，其相应的像大小变化而像平面不发生变化，如图1。
此时的初始位置放大率将为：；在发生物像交换之后的放大率为：；这前后两个位置所得到放大率之间的比值即为变倍比：；因此，在物像交换位置上，其物像之间的共扼距是没有发生变化的，只是其变倍率产生了M倍的变化，即为原先的β12，而这两个放大率之间的位置将随着变焦倍率的变化而发生相应的位移，如图2。
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第22卷 第5期2001年 应用光学 V o l.22, N o.52001文章编号:1002-2082(2001)05-0007-05变焦扩束系统的光学设计孔祥蕾1,郝沛明2(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所激光光谱学开放实验室,安徽合肥230031; 2.中国科学院长春光学精密机械研究所应用光学国家重点实验室吉林长春130022)摘 要: 利用几何光学理论,详细分析变焦扩束系统的两种结构,并结合实例,指出在进行光学设计时选取参数的依据。
关键词: 变焦;激光扩束器;光学设计中图分类号:O435-34 文献标识码:A引言激光扩束器是组成如激光雷达等诸多激光仪器设备的重要部分,其主要作用是压缩激光的空间发散角,使激光束满足孔径要求[1]。
变焦扩束系统具有可变的扩束倍率,所以,它的应用范围比一般激光扩束系统要广泛得多[2]。
在光学结构上,它一般由变焦组、固定组和补偿组三个组元构成。
使用中,变焦组相对于固定组移动,这两组的组合焦距就连续改变,产生新的焦点。
补偿组也必须是可以移动的,当变焦组移动到某一位置,补偿组也移动到相应的位置,使新的焦点稳定在补偿组的焦点上,组成有新的扩束倍率的扩束系统。
本文利用几何光学理论,结合变焦扩束系统的一般结构,着重分析在进行光学设计时选取参数的依据。
1 变焦扩束系统的结构图1给出了这种系统的一种常用的形式,其中A为变焦组,B为固定组,C为补偿组。
为了便于对这种系统进行一般性分析,我图1 变焦扩束系统Fig.1 Varif ocal beam expander system们将A、B看成一个组合透镜,则其焦距满足:f AB′=f A′f B′f A′+f B′-L1(1)在下面的研究中,我们通过变焦组与固定组之间的距离L1的变化来分析扩束比的变化和L2的变化。
设f A′、f B′分别为A和B的像方焦距,M为扩束倍率。
图1中A为正透镜,B为负透镜,即有f A′>0,f B′<0。
下面我们考虑f A′+f B′>0时变焦组由足够远的距离开始向固定组靠近过程中M的变化情况(对于f A′+f B′≤0的情况,可作类似分析)。
(1)L1由足够大开始逐渐变小,但f A′+f B′-L1<f B′,即L1>f A′。
收稿日期:2001-03-29作者简介:孔祥蕾(1974-),男,汉族,现在中国科学院安徽光学精密机械研究所攻读博士学位,主要研究激光光谱学、应用光学。
7此过程中,f A B′>0,且 f AB′ 逐渐变大,M逐渐变小。
(2)L1=f A′,即f A′+f B′-L1=f B′。
有M=f′cf A′(2)(3)L1逐渐变小,但满足f B′<f A′+f B′-L1<0。
此过程中,f AB′>0,且 f AB′ 逐渐变大,M逐渐变小。
(4)L1=f A′+f B′,即f A′+f B′-L1= 0。
此时A和B组成望远系统,补偿组无法满足系统要求。
(5)L1逐渐变小,但满足0<f A′+f B′-L1<f A′+f B′。
此过程中,f A B′<0,且 f′A B 逐渐变小,M逐渐变大。
(6)L1=0。
此时有M=f′cf AB′=f′c(f A′+f B′)f A′+f B′(3)由以上分析可见,在变焦组移动的过程中,(1)、(3)和(5)段都能实现变焦,且可以看出,(1)和(3)段的变焦效果相类似,但我们还需研究一下补偿组的移动,以选取最易实现的一段。
根据(1)式,我们有M=f′cf AB′=f′c(f A′+f B′-L1)f A′+f B′(4)对L1求导,可得:M′ =f′cf A′f B′(5)即可看出,对于给定f A′、f B′和f C′的系统,扩束比M的变化量和L1的变化量成正比关系。
再来看一看L2的情况,由图1得:L2=f′c+f B′(f A′-L1)f A′+f B′-L1=f′c+f AB′-f B′L1f A′+f B′-L1(6)对上式求L1的导数,有:L′2=-f′2B(f A′+f B′-L1)2(7)由(7)式可见,L′2和L1的关系较为复杂。
若L1的变化量相同,则在L1由大于f A′+f B′减少至f A′+f B′(即(1)式至(4)式)的过程中,L2的变化量逐渐增大,而在其后L1再逐渐减小(从(4)式至(6)式)的过程中,L2的变化量逐渐减小。
但在整个变化过程中,L′2<0,即L1减小时,L2都增大。
从实现的角度出发,还必须考虑L1和L2的实际大小,我们注意(6)式,可得到L2和f′c 大小关系,如表1所示。
表1 L1和L2的变化Tab.1 Changes of L1and L2N o.L1(mm)L2(mm)(1)L1>f A′L2<f C′(2)L1=f A′L2=f C′(3)f A′+f B′<L1<f A′L2>f C′(4)L1=f A′+f B′…(5)0<L1<f A′<f B′L2<f C′ 由以上分析可见:(1)段和(5)段都满足L2<f C′,但(1)段中L1较大,(5)段中L1较小,故从这个角度出发,(5)段一般应优于(1)段。
而(3)段中,由于f AB′很大,而造成L2较大,故实际应用也是有限的。
可看出,利用这种类型的变焦扩束系统时,(5)段是最可取的。
实际上,图1中的固定组B也可以用正透镜来代替,如图2所示。
此时,总有f A′+f B′> 0。
变焦组由足够远的地方逐渐靠近固定组的过程中,各项的变化如表2所示,其中↑表示该项在L1变小的过程中变大,↓表示变小。
图2 变焦扩束系统Fig.2 Varif ocal beam expander sgstem8表2 L1变小时各项的变化Tab.2 Change of all items when L2is becoming smallerNo L1(mm)L2(mm)f A B′M(1)L1>f A′+f B′,L1↓L2>f C′,L2↑f A B′<0, f A B′ ↑↓(2)f A′+f B′>L1>f A′,L1↓L2<f C′,L2↑f A B′>0, f A B′ ↓↑(3)L1=f A′L2=f C′f A B′=f A′f C′/f A′(4)0<L1<f A′,L1↓L2>f C′,L2↑f A B′>0, f A B′ ↓↑2 设计实例分析在下面的例子中,我们将分别选取不同结构或相同结构的不同段来达到相同的变焦效果,并将它们各组的移动情况加以比较。
设需要设计的系统的最小扩束比为M,最大扩束比为K M,变倍比为K。
2.1 实例1选取图1所示结构中的(5)段来实现时,根据(4)式,并考虑到L1>0,即要求:f A′+f B′+f A′f B′K Mf C′>0(8)现在我们考虑一个具体的例子,M=2, K M=10,f C′=200mm,f A′=15mm。
由式(8)可知,f B′应满足:f B′>-f C′f B′f C′+f A′K M=-200*15200+150=-8.57m mf B′的取值还将影响变焦过程中L1的变化幅度:L1=L1max-L1min=f A′f B′Mf C′-f A′f B′K Mf C′=(1-K)f A′f B′Mf C′(9)由上式可以看出, L1随 f B′ 的减小而减小。
这里,我们取f B′=-5mm,于是可以算出L1min= 6.25m m,L1max=9.25m m, L1= 3mm。
在变焦过程中得到一系列的值如表3所示。
表3 倍率与距离Tab.3 Magnif ication and distanceL1(mm)L2(mm)M9.25161.672表3(续)9170 2.678.5178.348182.5 5.37.5185 6.677186.6786.5187.869.3 根据表中的数据,可绘出变焦组和补偿组的运动轨迹,如图3所示。
图3中A为变焦组, B为固定组,C为补偿组。
观察补偿组的运动轨迹可知,其规律符合我们在前面的讨论。
图3 变焦组和补偿组的运动轨迹Fig.3 Geometric locus of varif ocal groupand compensating group2.2 实例2在其他条件相同时,我们试选用图2所示结构中的(3)段,类似前面的分析,有:f A′+f B′-f A′f B′M Kf C′>0(10)同上例,取M=2,K M=10,f C′=200mm, f A′=15m m。
根据(10)式可知,f B′应满足:f B′>-f A′f B′f C′-f A′K M=-60mm(∵f C′-f A′K M>0)f B′的取值也将影响变焦过程中L1的变化幅9度:L 1=L 1max -L 1min =-f A ′f B ′M f C ′+f A ′f B ′K M f C ′=(K -1)f A ′f B ′M f C ′(11)由上式可以看出, L 1随 f B ′ 的减小而减小。
这里,我们取f B ′=10mm ,则可以算出:L 1min =17.5m m,L 1max =23.5mm , L 1=6mm 。
在变焦过程中得到一系列的值如表4所示。
表4 倍率与距离Tab .4 Magnif ication and distance L 1(mm)L 2(mm )M 23.5143.33223160 2.6722176.67421185 5.3220190 6.66519193.33818195.79.3117.5196.6710 可以看出,表4中数据与表1中的相类似。
根据表中的数据,亦可绘出变焦组和补偿组的运动轨迹,如图4所示。
图4中A 为变焦组,B 为固定组,C 为补偿组。
图4 变焦组和补偿组的运动轨迹Fig .4 Geometric locus of varif ocal groupand compensating group2.3 实例3仍采用图2的结构,但选取(5)段,由于其满足f A ′+f B ′-L 1>0,故亦符合(4)-(6)式。
同上,取M =2,K M =10,f C ′=200mm 。
为了能使M 最小值为2,我们取L 1max =f A ′,这时有:M =f A ′f B ′=2 f A ′=100m m 。
且由K M =K f C ′f A ′=f C ′f A B ′,可知:f B ′=f A ′-d minK -1(12)如果我们取L 1min =10m m,则f B ′=22.5mm 。