《光学系统设计》应用型课程教学设计——以激光扫描系统为例

马堃，焦铮

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245041）

《光学系统设计》应用型课程教学设计
——以激光扫描系统为例

马堃，焦铮

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245041）

《光学系统设计》是一门实践性很强的专业基础课，是高校课堂教学中培养应用型人才的重要课程之一。激光扫描系统作为一个典型的光学系统，包括了准直、扩束和扫描等光学部件，设计中涉及多重结构、坐标断点等ZEMAX的一些高级应用，具有很强的代表性。以固体红宝石激光器作为光源，展示激光扫描系统各部件的设计和优化过程。

光学系统；ZEMAX；激光扫描

1 引言

《光学系统设计》是光电类专业一门实践性课程，是根据光学系统的使用要求，基于工程光学中的几何光学和像差理论，系统地计算满足使用要求的各种数据，包括各系统所采用光学元件的性能参数、外形尺寸、光学元件之间的距离、工作环境等[1]。通过对光学系统设计过程的学习，旨在强化学生在专业理论知识的基础、拓展在光学系统设计方面的能力。早期的光学系统主要根据相应的光学理论，采取人工计算的方式开展设计研究，过程十分复杂，计算量也十分庞大，导致本科阶段的课堂上很难开展相关方面的讲授。而这一部分内容也正是与实践紧密联系的环节，是应用型人才培养的重要途径。随着科学技术的发展，光学系统设计软件极大地简化了设计过程，可以在本科生的课堂上完整展示光学系统设计的过程，让学生熟悉作为一名光学工程师在进行光学系统设计时需要考虑的问题。

近些年，随着地方高校应用型本科建设的开展，地方院校向“应用型转变”已成为各高校发展的热点和重点。在向应用型转变过程中，我校经过多方调研和论证，于2011年正式开始招收光电信息科学与工程本科专业学生，目前已成功招生6届。新专业的建设和发展是一个不断完善是过程，为了更好地将光电专业的人才培养与实践相联系，毕业后的学生可以更好、更快地服务市场，我们对2013级光电专业学生培养方案进行了修订，从2013级开始，在大二上学期开设了《光学系统设计》课程[2]，主要目的是通过实践教学，使学生掌握光学系统的总体设计思路与外形尺寸计算方法、了解光线追迹的基本算法和光学系统的像质评价方法与指标，并初步具备计算机辅助光学系统设计的能力。为了让学生能够更快地掌握如何利用计算机辅助完成光学系统设计，我们在实际教学中选用了目前使用较为普遍的ZEMAX作为辅助软件。

本文将以激光扫描系统的设计为例，展示ZEMAX软件在光学系统设计中的具体应用。选择激光扫描系统作为例子主要考虑到其应用的广泛性，它是激光刻蚀、激光扫描、激光测距等光学系统的重要组成部分，而且激光扫描系统的设计过程还涉及到多重结构、坐标断点等ZEMAX的一些高级应用，因此该实例在光学系统设计教学中具有一定的代表性。

2 激光扫描系统的设计

激光扫描系统包括激光准直、激光扩束和激光扫描等部件，本文将基于ZEMAX软件，完成各部件的设计和优化过程。ZEMAX软件是美国Radiant Zemax公司开发的一款综合性光学设计仿真软件，它可以在计算机平台下统一实现传统光学系统设计中的设计概念、优化、分析、公差以及报表等设计过程，简化了传统光学设计过程中繁琐的计算，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。关于ZEMAX软件的详细使用手册，可以参考文献[1]，本文不再累述。

2.1 激光准直部件的ZEMAX设计

相对于自然光束而言，激光具有很好的准直性能，但是由于激光光束本身的双曲性质，导致光束在远距离传播时必然会产生发散行为。光学系统接收的理想光束应该是准直的，因此在光学系统设计中，需要对光学系统所接收到的激光光束进行准直处理[3]。

下面利用ZEMAX软件设计一个激光准直部件，其主要技术指标为：有效焦距200mm，通光口径100mm，工作波长选择为固体红宝石激光器发出的760nm激光光束，要求准直后发散角小于等于1mrad。图1给出了激光准直系统的初始结构，主要用了一块中心厚度为7mm的BK7透镜，透镜两面的曲率半径设置为变量，在此基础上对其进行优化。

在该案例中，由于激光光束的发散性质，因此在激光远距离传输时，可以将入射光束看成是轴上物点发出的光线。为了有效地减小系统的球差，设计中将透镜第二个面的Conic系数设置为-1。该准直系统的设计时，“Aperture”选项中选择了无焦系统，在评价函数设置中，选择默认评价函数波前的RMS值进行优化，优化之后的系统结构数据如图2所示。可以看出优化之后系统的主透镜是一双凸透镜，左右两个面的曲率半径分别为585.367mm和-128.976mm。

图3和图4分别给出了优化之后的激光准直部件3D结构图和点列图，从图3可以看出，点发散光束经过双凸透镜之后，变成了一束准直光束。为了定量了解该准直部件对光线的准直效果，图4给出了该准直光束的发散角，可以看出无论是RMS和GEO半径，其发散角均小于1mrad，满足系统的设计要求。此外，从点列图中可以看出，该部件剩余的像差主要来自球差。

图1 激光准直部件的初始结构数据

图2 优化之后激光准直部件的结构数据

图3 激光准直部件的3D结构图

图4 激光准直部件的点列图

2.2 激光扩束部件的ZEMAX设计

激光扩束部件是激光扫描仪、激光干涉仪、激光测距仪等诸多激光仪器设备的重要组成部件，其主要作用是压缩激光的空间发散角，提高或者减小激光光束功率密度，使扩束后的激光光束口径满足其它系统的参数要求[4]。为此可以利用ZEMAX软件构建一个激光扩束部件，其输入光束为前一小节经过准直后输出光束，光束直径为100mm，入射波长为固体红宝石激光。具体设计要求为5倍压缩光束，以使得输出的激光光束直径为20mm。本例中利用了两块BK7玻璃透镜和一块理想透镜，理想透镜的主要作用是评价输出光束准直性能。为实现设计要求，将第一块透镜的两个面和第二块透镜的第二个面的曲率半径作为变量，并将第二块透镜的第二个面设置为偶次非球面型，目的是减小系统的球差。为了实现扩束的作用，优化时利用“REAY”操作数，将目标数设置为“10”。由于在本光学系统的最后放置了一块理想透镜，因此默认评价函数选择了点列图半径的RMS值。优化之后的激光扩束系统的初始结构参数可见图5。

图6是相应的3D结构图，可以看出，入射光束半径为50mm激光光束经过该光学元件之后，光束半径变成了10mm。从图7的点列图可以看出，输出光束经理想透镜聚焦后的点列图RMS和GEO半径均小于50μm，说明扩束之后的光束准直性能仍然很好。

图5 优化之后激光扩束部件的结构数据

图6 优化之后激光扩束部件的3D结构图

2.3 激光扫描部件的ZEMAX设计

图7 优化之后激光扩束部件的点列图

激光器输出的激光光束经过准直和扩束之后，进入激光扫描部分，其核心部件是一个由电机带动的反射镜，入射光束经过反射镜后，改变传播方向，其后再经过聚焦透镜聚焦，反射镜与电机相连，通过控制反射镜的偏转方向，实现激光光束在像屏的不同位置聚焦，聚焦后的激光束可以进一步完成激光刻蚀、激光打标、激光条码扫描等方面的应用。

图8给出了优化之后的激光扫描系统的结构数据，为了实现平面镜的偏转及其对系统中光线的转向，在平面镜两侧分别添加了2个坐标断点。内层的坐标断点实现平面镜的转向，外层的坐标断点实现整个系统光线的转向。图9是优化之后的3D结构图，图中给出了平面镜偏转10度、5度、0度、-5度和-10度5个组态的光路。可以看出，在像平面上，平面镜偏转不同角度时，光线的聚焦情况都很好。为更加精细地了解不同角度下的聚焦情况，图10给出了5个组态下的像平面上的点列图，从点列图上可以看出，平面镜在偏转±5度的范围内，光束聚焦非常好，在10度时，存在一定的像差，这个像差主要来自像散，可以通过减小入射角度来降低像散。

图8 优化之后激光扫描系统的结构数据

图9 激光扫描系统的3D结构图

图10 激光扫描系统的点列图

3 总结

本文以固体红宝石激光器作为光源，经过激光准直、激光扩束和激光扫描等部件的设计和优化，最终得到一个完整的激光扫描系统。在设计过程中，采用了坐标断点方法实现扫描系统中平面镜反射的功能，采用了多重结构的方法模拟和优化系统处于多个角度时的聚焦性能。通过对该系统的设计，可以使学生初步掌握光学设计的一般流程，即根据系统设计要求，经过简单的计算，得到系统的初始结构，再设定评价函数，对系统的初始结构进行优化，得到符合要求的光学系统。通过本文对激光扫描系统的设计的介绍，以期对初学光学系统设计的学生有一个概括的了解，也希望该文能够对《光学系统设计》课程教学的教师有所参考。

[1]林晓阳.ZEMAX光学设计超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2014:260-276.

[2]王朝晖，焦斌亮，徐朝鹏.光学系统设计教程[M].北京：北京邮电大学出版社，2013:1-228.

[3]陈国，赵长明，纪荣祎，等.基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计[J].激光技术，2012，36（3）:318-321,325.

[4]刘焕宝,安志勇,高瑀含，等.一种激光变焦扩束光学系统设计[J].长春理工大学学报，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

全国高校光电专业教育教学热点难点教研项目（19）；安徽省教育厅教学研究重点项目（2016jyxm0974）；安徽省振兴计划项目（2013zytz064）；黄山学院教学研究项目（2016JXYJ19）

马堃（1983-），安徽六安人，黄山学院信息工程学院副教授，研究方向为光学系统。

责任编辑：胡德明