一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法，用于分析光学系统中各个光学元件对激光追踪测量系统所得能量的影响，在ZEMAX中分别对整个系统中所需要的每个光学元件进行仿真模型的建立，根据激光追踪测量的光学系统原理，进行顺序调整，多重结构参数的设置，以及各个光学元件之间的结构设计，建立激光追踪测量光学系统的仿真模型，得到能量结果。根据光学元件不同的应用条件和环境，分别进行相应的参数的设定，得到光学元件参数对光学系统能量的影响。利用仿真结果对光学系统进行系统优化和可靠性评估。

An energy analysis method for laser tracking and measuring optical system based on ZEMAX simulation

The invention discloses an energy analysis method for laser tracking measurement optical system based on ZEMAX simulation, which is used to analyze the influence of the optical elements in the optical system on the energy obtained by the laser tracking measurement system. In the ZEMAX, the simulation model of each optical element needed in the whole system is established, and the laser is based on the laser. The optical system principle of the measurement is traced, the sequence adjustment, the setting of multiple structure parameters, and the structure design between various optical elements are designed, and the simulation model of the laser tracking measurement optical system is set up, and the energy results are obtained. According to different application conditions and environment of optical elements, the corresponding parameters are set respectively, and the influence of optical element parameters on the energy of optical system is obtained. The optimization and reliability evaluation of optical system are carried out by simulation results.

【技术实现步骤摘要】
一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法
本专利技术涉及一种光学系统能量仿真的方法，具体涉及激光追踪测量光学系统的能量仿真，主要应用于精密测量领域。
技术介绍
激光跟踪测量系统具有测量范围大、精度高、现场实时性好等特点。激光光束可以投射到空间任意一点，实时动态跟踪空间目标点，从而实现三维实时动态跟踪测量。激光跟踪测量系统高效便捷，广泛用于对数控机床以及坐标测量机的校准，以及船舶制造、汽车制造、飞行器制造等领域。传统上对于激光跟踪测量的光学系统所得到的能量，一直是难以攻克的难题，因此激光跟踪测量系统的精度通常较低。目前，国内的这种专用校准设备完全依赖进口，特别是高精度、高检测速度、高经济性的在线检测设备已经成为制约我国一系列重大装备研制的瓶颈问题。ZEMAXOpticalDesignProgram是一种专用光学设计的软件，其广泛应用于光刻物镜、投影物镜等成像设计，光路仿真，以及各种车灯照明设计领域。由于可靠性高，具有强大的光学设计和仿真分析功能。ZEMAX光学设计软件得到光学界的广泛认可和青睐，为光学器件的设计、研究、攻关、仿真做出了重要贡献。为此有必要设计一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法，利用ZEMAX软件强大的光学设计和仿真分析功能对激光追踪测量的光学系统能量进行分析，对激光追踪测量系统的精度提升、可靠性评估、光路设计和光学元件的选择具有指导意义。
技术实现思路
本专利技术的目的首先设计了激光追踪测量的光学系统，然后应用该系统实现激光追踪测量；然后基于该系统建立激光追踪测量光学系统仿真模型，利用此仿真模型分析光学系统中各个光学元件对激光干涉信号能量的影响，对激光追踪测量光学系统的光学元件选择、光路的搭建、系统的调试具有非常重要地理论指导意义。本专利技术要解决的技术问题如下：(1)在ZEMAX中搭建激光追踪测量的光学系统的仿真模型。(2)根据搭建的光学系统的仿真模型，设定各光学元件的参数，实现光学系统仿真模型的优化。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统的方法，该方法的实现过程如下：图1为激光追踪测量的光学系统原理图，一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统，该光学系统包括激光器即LA，检偏器即P1，偏振分光镜1即PBS1，偏振分光镜2即PBS2，偏振分光镜3即PBS3，分光镜1即BS1，分光镜2即BS2，猫眼反射镜，标准球，四分之一波片1即QW1，四分之一波片2即QW2，四分之一波片3即QW3，二分之一波片即HW，光电接收器1即PD1，光电接收器2即PD2，光电接收器3即PD3和光电接收器4即PD4；根据激光追踪测量原理，由LA发射的激光束经过P1后得到线偏光，经过PBS1后，p光透过，s光反射，在PBS1处反射的s光作为测量光束，经过QW2后转换成圆偏振光，经过标准球反射后改变旋向，再次经过QW2后转换成p光透过PBS1后，经过QW3转换成圆偏振光，经过BS2后，透射的光经过猫眼反射镜后被反射，圆偏振光改变旋向，再次经过BS2，一部分光经BS2透射后再次经过QW3圆偏振光转换成s光，经过PBS1被反射，经过QW1后转换成圆偏振光，经过BS1分光后，一部分光透射，一部分光反射，经BS1透射的光经过HW后经过PBS3后p光透射，形成测量光束Ol1，经过PBS3后S光反射，形成测量光束Ol2，而在BS1处反射的光束，经过PBS2后s光反射，形成测量光束Ol3，经过PBS2后p光透射，形成测量光束Ol4；透过的p光作为参考光束，经过QW1后转换成圆偏振光，再经过BS1分光，经BS1透射的光经过HW后，再经过PBS3后透射的p光形成参考光束Or1，与测量光束Ol1形成干涉光由PD1接收，反射的s光形成参考光束Or2，与测量光束Ol2形成干涉光由PD2接收，而经BS1反射的光束，经过PBS2后反射的s形成参考光束Or3，与测量光束Ol3形成干涉光由PD3接收，透射的p光形成参考光束Or4，与测量光束Ol4形成干涉光由PD4接收。经PD1，PD2，PD3和PD4光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。在上述系统的基础上，一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法，根据激光追踪测量的光学系统原理，在ZEMAX中进行仿真。该方法的具体实施流程如下：步骤一：设定激光追踪测量的光学系统参数，即波长、通光口径。步骤二：利用琼斯矩阵对检偏器P1进行模拟仿真。设检偏器入射光的偏振状态表示为：其中：A1，B1表示入射光矢量在图2所示的坐标轴的x轴和y轴上相应的两个分量。通过检偏器P1的透射光表示为：其中：A2，B2表示出射光矢量在图2所示的坐标轴的x轴和y轴上相应的两个分量。检偏器P1的入射光和透射光之间有关系用矩阵表示如下：其中：g11，g12，g21，g22是常系数。设μ为检偏器P1透光轴与图2所示的坐标轴的x轴成的角度，则检偏器P1的琼斯矩阵如下所示：在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：检偏器P1的表面类型、厚度。根据琼斯矩阵，检偏器P1透光轴与图2所示的坐标轴的x轴成的角度μ，建立琼斯面型，输入相应参数。步骤三：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS1的仿真。在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：PBS1的曲率半径，厚度，玻璃材料。设置几何形状，在非顺序模式下，完成几何形状的模型构建。在分界面处设置涂层，在ZEMAX中模拟涂层表面，包括金属和多层电介质涂层。通过镀膜的方式实现p光与s光的分开，实现偏振分光镜的功能。在顺序模式利用ZEMAX中的多重结构配置，模拟透射和反射的路径，完成PBS1的仿真建模。步骤四：利用琼斯矩阵对四分之一波片进行模拟仿真。根据步骤二推导出波片的琼斯矩阵如下式所示：其中，θ表示波片的快轴与图2所示坐标系的x轴成的角度，δ表示经过波片所产生的相位差。在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：QW2的曲率半径，厚度，玻璃材料。根据琼斯矩阵，四分之一波片QW2透光轴与图2所示的坐标轴的x轴成的角度θ，经过波片所产生的相位差δ，建立琼斯面型，输入相应参数。步骤五：设计标准球的仿真模型，根据标准球的作用，作为平面反射镜折转光路。在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：平面镜的曲率半径，厚度，玻璃材料。步骤六：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW3进行模拟仿真。对四分之一波片QW3进行模拟仿真同步骤四。步骤七：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现分光镜BS2的建模仿真。对于BS2，BS2的仿真方法和PBS1的仿真方法相同，在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：BS2的曲率半径，厚度，玻璃材料。设置几何形状，在非顺序模式下，完成几何形状的模型构建。在分界面处设置涂层，在ZEMAX中模拟涂层表面，包括金属和多层电介质涂层，通过镀膜的方式实现两束光的分开。实现分光镜的功能。在顺序模式利用ZEMAX中的多重结构配置，模拟透射和反射的路径，完成BS2的仿真建模。步骤八：设计猫眼反射镜的仿真模型，根据猫眼反射镜的作用，作为平面反射镜折转光路。在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：平面镜的曲率半径，厚度，玻璃材料。步骤九：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW1进行模拟仿真。对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统，其特征在于：该光学系统包括激光器即LA，检偏器即P1，偏振分光镜1即PBS1，偏振分光镜2即PBS2，偏振分光镜3即PBS3，分光镜1即BS1，分光镜2即BS2，猫眼反射镜，标准球，四分之一波片1即QW1，四分之一波片2即QW2，四分之一波片3即QW3，二分之一波片即HW，光电接收器1即PD1，光电接收器2即PD2，光电接收器3即PD3和光电接收器4即PD4；根据激光追踪测量原理，由LA发射的激光束经过P1后得到线偏光，经过PBS1后，p光透过，s光反射，在PBS1处反射的s光作为测量光束，经过QW2后转换成圆偏振光，经过标准球反射后改变旋向，再次经过QW2后转换成p光透过PBS1后，经过QW3转换成圆偏振光，经过BS2后，透射的光经过猫眼反射镜后被反射，圆偏振光改变旋向，再次经过BS2，一部分光经BS2透射后再次经过QW3圆偏振光转换成s光，经过PBS1被反射，经过QW1后转换成圆偏振光，经过BS1分光后，一部分光透射，一部分光反射，经BS1透射的光经过HW后经过PBS3后p光透射，形成测量光束Ol1，经过PBS3后S光反射，形成测量光束Ol2，而在BS1处反射的光束，经过PBS2后s光反射，形成测量光束Ol3，经过PBS2后p光透射，形成测量光束Ol4；透过的p光作为参考光束，经过QW1后转换成圆偏振光，再经过BS1分光，经BS1透射的光经过HW后，再经过PBS3后透射的p光形成参考光束Or1，与测量光束Ol1形成干涉光由PD1接收，反射的s光形成参考光束Or2，与测量光束Ol2形成干涉光由PD2接收，而经BS1反射的光束，经过PBS2后反射的s形成参考光束Or3，与测量光束Ol3形成干涉光由PD3接收，透射的p光形成参考光束Or4，与测量光束Ol4形成干涉光由PD4接收；经PD1，PD2，PD3和PD4光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统，其特征在于：该光学系统包括激光器即LA，检偏器即P1，偏振分光镜1即PBS1，偏振分光镜2即PBS2，偏振分光镜3即PBS3，分光镜1即BS1，分光镜2即BS2，猫眼反射镜，标准球，四分之一波片1即QW1，四分之一波片2即QW2，四分之一波片3即QW3，二分之一波片即HW，光电接收器1即PD1，光电接收器2即PD2，光电接收器3即PD3和光电接收器4即PD4；根据激光追踪测量原理，由LA发射的激光束经过P1后得到线偏光，经过PBS1后，p光透过，s光反射，在PBS1处反射的s光作为测量光束，经过QW2后转换成圆偏振光，经过标准球反射后改变旋向，再次经过QW2后转换成p光透过PBS1后，经过QW3转换成圆偏振光，经过BS2后，透射的光经过猫眼反射镜后被反射，圆偏振光改变旋向，再次经过BS2，一部分光经BS2透射后再次经过QW3圆偏振光转换成s光，经过PBS1被反射，经过QW1后转换成圆偏振光，经过BS1分光后，一部分光透射，一部分光反射，经BS1透射的光经过HW后经过PBS3后p光透射，形成测量光束Ol1，经过PBS3后S光反射，形成测量光束Ol2，而在BS1处反射的光束，经过PBS2后s光反射，形成测量光束Ol3，经过PBS2后p光透射，形成测量光束Ol4；透过的p光作为参考光束，经过QW1后转换成圆偏振光，再经过BS1分光，经BS1透射的光经过HW后，再经过PBS3后透射的p光形成参考光束Or1，与测量光束Ol1形成干涉光由PD1接收，反射的s光形成参考光束Or2，与测量光束Ol2形成干涉光由PD2接收，而经BS1反射的光束，经过PBS2后反射的s形成参考光束Or3，与测量光束Ol3形成干涉光由PD3接收，透射的p光形成参考光束Or4，与测量光束Ol4形成干涉光由PD4接收；经PD1，PD2，PD3和PD4光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。2.利用权利要求1所述系统进行的基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学系统能量分析方法，其特征在于：根据激光追踪测量的光学系统原理，在ZEMAX中进行仿真；该方法的具体实施流程如下：步骤一：设定激光追踪测量的光学系统参数，即波长、通光口径；步骤二：利用琼斯矩阵对检偏器P1进行模拟仿真；设检偏器入射光的偏振状态表示为：其中：A1，B1表示入射光矢量在坐标轴的x轴和y轴上相应的两个分量；通过检偏器P1的透射光表示为：其中：A2，B2表示出射光矢量在坐标轴的x轴和y轴上相应的两个分量；检偏器P1的入射光和透射光之间有关系用矩阵表示如下：其中：g11，g12，g21，g22是常系数；设μ为检偏器P1透光轴与坐标轴的x轴成的角度，则检偏器P1的琼斯矩阵如下所示：在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：检偏器P1的表面类型、厚度；根据琼斯矩阵，检偏器P1透光轴与坐标轴的x轴成的角度μ，建立琼斯面型，输入相应参数；步骤三：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS1的仿真；在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：PBS1的曲率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪芳，汤亮，石照耀，孙衍强，宋辉旭，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11