《光學系統設計》應用型課程教學設計
——以激光掃描系統為例

馬堃，焦錚

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245041）

《光學系統設計》應用型課程教學設計
——以激光掃描系統為例

馬堃，焦錚

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245041）

《光學系統設計》是一門實踐性很強的專業基礎課，是高校課堂教學中培養應用型人才的重要課程之一。激光掃描系統作為一個典型的光學系統，包括了準直、擴束和掃描等光學部件，設計中涉及多重結構、坐標斷點等ZEMAX的一些高級應用，具有很強的代表性。以固體紅寶石激光器作為光源，展示激光掃描系統各部件的設計和優化過程。

光學系統；ZEMAX；激光掃描

1 引言

《光學系統設計》是光電類專業一門實踐性課程，是根據光學系統的使用要求，基于工程光學中的幾何光學和像差理論，系統地計算滿足使用要求的各種數據，包括各系統所采用光學元件的性能參數、外形尺寸、光學元件之間的距離、工作環境等[1]。通過對光學系統設計過程的學習，旨在強化學生在專業理論知識的基礎、拓展在光學系統設計方面的能力。早期的光學系統主要根據相應的光學理論，采取人工計算的方式開展設計研究，過程十分復雜，計算量也十分龐大，導致本科階段的課堂上很難開展相關方面的講授。而這一部分內容也正是與實踐緊密聯系的環節，是應用型人才培養的重要途徑。隨著科學技術的發展，光學系統設計軟件極大地簡化了設計過程，可以在本科生的課堂上完整展示光學系統設計的過程，讓學生熟悉作為一名光學工程師在進行光學系統設計時需要考慮的問題。

近些年，隨著地方高校應用型本科建設的開展，地方院校向“應用型轉變”已成為各高校發展的熱點和重點。在向應用型轉變過程中，我校經過多方調研和論證，于2011年正式開始招收光電信息科學與工程本科專業學生，目前已成功招生6屆。新專業的建設和發展是一個不斷完善是過程，為了更好地將光電專業的人才培養與實踐相聯系，畢業后的學生可以更好、更快地服務市場，我們對2013級光電專業學生培養方案進行了修訂，從2013級開始，在大二上學期開設了《光學系統設計》課程[2]，主要目的是通過實踐教學，使學生掌握光學系統的總體設計思路與外形尺寸計算方法、了解光線追跡的基本算法和光學系統的像質評價方法與指標，并初步具備計算機輔助光學系統設計的能力。為了讓學生能夠更快地掌握如何利用計算機輔助完成光學系統設計，我們在實際教學中選用了目前使用較為普遍的ZEMAX作為輔助軟件。

本文將以激光掃描系統的設計為例，展示ZEMAX軟件在光學系統設計中的具體應用。選擇激光掃描系統作為例子主要考慮到其應用的廣泛性，它是激光刻蝕、激光掃描、激光測距等光學系統的重要組成部分，而且激光掃描系統的設計過程還涉及到多重結構、坐標斷點等ZEMAX的一些高級應用，因此該實例在光學系統設計教學中具有一定的代表性。

2 激光掃描系統的設計

激光掃描系統包括激光準直、激光擴束和激光掃描等部件，本文將基于ZEMAX軟件，完成各部件的設計和優化過程。ZEMAX軟件是美國Radiant Zemax公司開發的一款綜合性光學設計仿真軟件，它可以在計算機平臺下統一實現傳統光學系統設計中的設計概念、優化、分析、公差以及報表等設計過程，簡化了傳統光學設計過程中繁瑣的計算，具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優點。關于ZEMAX軟件的詳細使用手冊，可以參考文獻[1]，本文不再累述。

2.1 激光準直部件的ZEMAX設計

相對于自然光束而言，激光具有很好的準直性能，但是由于激光光束本身的雙曲性質，導致光束在遠距離傳播時必然會產生發散行為。光學系統接收的理想光束應該是準直的，因此在光學系統設計中，需要對光學系統所接收到的激光光束進行準直處理[3]。

下面利用ZEMAX軟件設計一個激光準直部件，其主要技術指標為：有效焦距200mm，通光口徑100mm，工作波長選擇為固體紅寶石激光器發出的760nm激光光束，要求準直后發散角小于等于1mrad。圖1給出了激光準直系統的初始結構，主要用了一塊中心厚度為7mm的BK7透鏡，透鏡兩面的曲率半徑設置為變量，在此基礎上對其進行優化。

在該案例中，由于激光光束的發散性質，因此在激光遠距離傳輸時，可以將入射光束看成是軸上物點發出的光線。為了有效地減小系統的球差，設計中將透鏡第二個面的Conic系數設置為-1。該準直系統的設計時，“Aperture”選項中選擇了無焦系統，在評價函數設置中，選擇默認評價函數波前的RMS值進行優化，優化之后的系統結構數據如圖2所示。可以看出優化之后系統的主透鏡是一雙凸透鏡，左右兩個面的曲率半徑分別為585.367mm和-128.976mm。

圖3和圖4分別給出了優化之后的激光準直部件3D結構圖和點列圖，從圖3可以看出，點發散光束經過雙凸透鏡之后，變成了一束準直光束。為了定量了解該準直部件對光線的準直效果，圖4給出了該準直光束的發散角，可以看出無論是RMS和GEO半徑，其發散角均小于1mrad，滿足系統的設計要求。此外，從點列圖中可以看出，該部件剩余的像差主要來自球差。

圖1 激光準直部件的初始結構數據

圖2 優化之后激光準直部件的結構數據

圖3 激光準直部件的3D結構圖

圖4 激光準直部件的點列圖

2.2 激光擴束部件的ZEMAX設計

激光擴束部件是激光掃描儀、激光干涉儀、激光測距儀等諸多激光儀器設備的重要組成部件，其主要作用是壓縮激光的空間發散角，提高或者減小激光光束功率密度，使擴束后的激光光束口徑滿足其它系統的參數要求[4]。為此可以利用ZEMAX軟件構建一個激光擴束部件，其輸入光束為前一小節經過準直后輸出光束，光束直徑為100mm，入射波長為固體紅寶石激光。具體設計要求為5倍壓縮光束，以使得輸出的激光光束直徑為20mm。本例中利用了兩塊BK7玻璃透鏡和一塊理想透鏡，理想透鏡的主要作用是評價輸出光束準直性能。為實現設計要求，將第一塊透鏡的兩個面和第二塊透鏡的第二個面的曲率半徑作為變量，并將第二塊透鏡的第二個面設置為偶次非球面型，目的是減小系統的球差。為了實現擴束的作用，優化時利用“REAY”操作數，將目標數設置為“10”。由于在本光學系統的最后放置了一塊理想透鏡，因此默認評價函數選擇了點列圖半徑的RMS值。優化之后的激光擴束系統的初始結構參數可見圖5。

圖6是相應的3D結構圖，可以看出，入射光束半徑為50mm激光光束經過該光學元件之后，光束半徑變成了10mm。從圖7的點列圖可以看出，輸出光束經理想透鏡聚焦后的點列圖RMS和GEO半徑均小于50μm，說明擴束之后的光束準直性能仍然很好。

圖5 優化之后激光擴束部件的結構數據

圖6 優化之后激光擴束部件的3D結構圖

2.3 激光掃描部件的ZEMAX設計

圖7 優化之后激光擴束部件的點列圖

激光器輸出的激光光束經過準直和擴束之后，進入激光掃描部分，其核心部件是一個由電機帶動的反射鏡，入射光束經過反射鏡后，改變傳播方向，其后再經過聚焦透鏡聚焦，反射鏡與電機相連，通過控制反射鏡的偏轉方向，實現激光光束在像屏的不同位置聚焦，聚焦后的激光束可以進一步完成激光刻蝕、激光打標、激光條碼掃描等方面的應用。

圖8給出了優化之后的激光掃描系統的結構數據，為了實現平面鏡的偏轉及其對系統中光線的轉向，在平面鏡兩側分別添加了2個坐標斷點。內層的坐標斷點實現平面鏡的轉向，外層的坐標斷點實現整個系統光線的轉向。圖9是優化之后的3D結構圖，圖中給出了平面鏡偏轉10度、5度、0度、-5度和-10度5個組態的光路。可以看出，在像平面上，平面鏡偏轉不同角度時，光線的聚焦情況都很好。為更加精細地了解不同角度下的聚焦情況，圖10給出了5個組態下的像平面上的點列圖，從點列圖上可以看出，平面鏡在偏轉±5度的范圍內，光束聚焦非常好，在10度時，存在一定的像差，這個像差主要來自像散，可以通過減小入射角度來降低像散。

圖8 優化之后激光掃描系統的結構數據

圖9 激光掃描系統的3D結構圖

圖10 激光掃描系統的點列圖

3 總結

本文以固體紅寶石激光器作為光源，經過激光準直、激光擴束和激光掃描等部件的設計和優化，最終得到一個完整的激光掃描系統。在設計過程中，采用了坐標斷點方法實現掃描系統中平面鏡反射的功能，采用了多重結構的方法模擬和優化系統處于多個角度時的聚焦性能。通過對該系統的設計，可以使學生初步掌握光學設計的一般流程，即根據系統設計要求，經過簡單的計算，得到系統的初始結構，再設定評價函數，對系統的初始結構進行優化，得到符合要求的光學系統。通過本文對激光掃描系統的設計的介紹，以期對初學光學系統設計的學生有一個概括的了解，也希望該文能夠對《光學系統設計》課程教學的教師有所參考。

[1]林曉陽.ZEMAX光學設計超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014:260-276.

[2]王朝暉，焦斌亮，徐朝鵬.光學系統設計教程[M].北京：北京郵電大學出版社，2013:1-228.

[3]陳國，趙長明，紀榮祎，等.基于ZEMAX的半導體激光準直仿真設計[J].激光技術，2012，36（3）:318-321,325.

[4]劉煥寶,安志勇,高瑀含，等.一種激光變焦擴束光學系統設計[J].長春理工大學學報，2010，33（4）:43-49.

Applied Teaching Design for Optical System Design Course——Taking Laser Scanning System as an Example

Ma Kun,Jiao Zheng
（School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245041,China）

Optical System Design is a very practical basic course,and one of the important courses for the cultivation of applied talents.Laser scanning system,as a typical optical system,includes optical components for collimating and beam expanding and scanning.The design of the system involves such advanced applications of ZEMAX as multiple-configuration,coordinate break and so forth,being very typical.In this paper,the design and optimization of laser scanning system are presented by using solid ruby laser as the light source.

optical system;ZEMAX;laser scanning

G642

A

1672-447X(2017）03-0126-005

2017-02-17

全國高校光電專業教育教學熱點難點教研項目（19）；安徽省教育廳教學研究重點項目（2016jyxm0974）；安徽省振興計劃項目（2013zytz064）；黃山學院教學研究項目（2016JXYJ19）

馬堃（1983-），安徽六安人，黃山學院信息工程學院副教授，研究方向為光學系統。

責任編輯：胡德明