CN108286939B - 一种基于zemax仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法，用于分析光学***中各个光学元件对激光追踪测量***所得能量的影响，在ZEMAX中分别对整个***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***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***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***能量的影响。利用仿真结果对光学***进行***优化和可靠性评估。

Description

一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法
技术领域
本发明涉及一种光学***能量仿真的方法，具体涉及激光追踪测量光学***的能量仿真，主要应用于精密测量领域。
背景技术
激光跟踪测量***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***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***所得到的能量，一直是难以攻克的难题，因此激光跟踪测量***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。
ZEMAX Optical Design Program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***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***能量进行分析，对激光追踪测量***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。
发明内容
本发明的目的首先设计了激光追踪测量的光学***，然后应用该***实现激光追踪测量；然后基于该***建立激光追踪测量光学***仿真模型，利用此仿真模型分析光学***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***的光学元件选择、光路的搭建、***的调试具有非常重要地理论指导意义。
本发明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***的仿真模型。
(2)根据搭建的光学***的仿真模型，设定各光学元件的参数，实现光学***仿真模型的优化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***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***原理图，一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***，该光学***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***的基础上，一种基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法，根据激光追踪测量的光学***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***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
Figure BDA0001576830380000031
的偏振状态表示为：
Figure BDA0001576830380000032
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：
Figure BDA0001576830380000033
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：
Figure BDA0001576830380000034
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：
Figure BDA0001576830380000035
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：
Figure BDA0001576830380000041
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。对四分之一波片QW1进行模拟仿真同步骤四。
步骤十：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现分光镜BS1的建模仿真。分光镜BS1的建模仿真方法同步骤七。
步骤十一：利用琼斯矩阵对二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：
Figure BDA0001576830380000051
其中，θ表示波片的快轴与坐标系的x轴成的角度，δ表示经过波片产生的相位差。
在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：HW的曲率半径，厚度，玻璃材料。根据琼斯矩阵，二分之一波片HW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。
步骤十二：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS2的仿真。对于PBS2的仿真同步骤三。
步骤十三：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS3的仿真。对于PBS3的仿真同步骤三。
根据激光追踪测量的光学***原理，分别对整个***中所需要的每个光学元件进行仿真，再进行顺序调整，多重结构参数的设置，以及各个光学元件之间的结构设计，得到最后的仿真结构图。
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，得到光学元件对光学***的影响。由于在生产制造中光学元件的误差出现是不可避免的，可以利用仿真结果辅助对光学***进行可靠性评估。
附图说明
图1激光追踪的光学***原理图。
图2本发明中坐标示意图。
图3本发明中波长设定示意图。
图4本发明中通光口径设定示意图。
图5本发明中***模型仿真示意图。
图6本发明中得到的干涉图样示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。其具体实施流程如下：
步骤一：设定激光追踪测量的光学***参数，即波长、通光口径。根据***要求，波长选择为632.8nm，通光口径选择为20mm。如图3、4所示。
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
Figure BDA0001576830380000061
的偏振状态表示为：
Figure BDA0001576830380000062
其中：A1，B1表示入射光矢量在图2所示的坐标轴的x和y轴上相应的两个分量。
通过检偏器P1的透射光
Figure BDA0001576830380000063
表示为：
Figure BDA0001576830380000064
其中：A2，B2表示出射光矢量在坐标轴的x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：
Figure BDA0001576830380000065
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：
Figure BDA0001576830380000066
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。
具体操作步骤如下：
(1)表面类型处选择“Jones Matrix”。
(2)厚度处选择为“Infinity”。
(3)ZEMAX中“A(B)(C)(D)real”所在位置设定对应参数，分别为“0.5，0.5，0.5，0.5，0.5”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
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。然后在分界面处设置涂层。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。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“12.7mm”。
(3)玻璃类型设定为“H—K9L”。
(4)分光出镀膜设定为“PASS_P”，其他面镀膜为“AR”。
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：
Figure BDA0001576830380000071
其中，θ表示波片的快轴与坐标系的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。
具体操作步骤如下：
(1)表面类型处选择“Jones Matrix”。
(2)厚度处选择为“Infinity”。
(3)ZEMAX中“A(D)real”所在位置设定对应参数，分别为“0.7071，0.071”。在“B(C)imag”所在位置设定对应参数，分别为“-0.7071，-0.071”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
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。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“40mm”。
(3)玻璃类型设定为“MIRROR”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
步骤六：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW3进行模拟仿真。在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：QW3的曲率半径，厚度，玻璃材料。根据琼斯矩阵，四分之一波片QW3透光轴与坐标轴的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。
具体操作步骤如下：
(1)表面类型处选择“Jones Matrix”。
(2)厚度处选择为“Infinity”。
(3)ZEMAX中“A(D)real”所在位置设定对应参数，分别为“0.7071，0.071”。在“B(C)imag”所在位置设定对应参数，分别为“-0.7071，-0.071”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
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。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“12.7mm”。
(3)玻璃类型设定为“H—K9L”。
(4)分光出镀膜设定为“I.50”，其他面镀膜为“AR”。
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。首先在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。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“40mm”。
(3)玻璃类型设定为“MIRROR”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
步骤九：利用琼斯矩阵对四分之一波片QW1进行模拟仿真。在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：QW1的曲率半径，厚度，玻璃材料。根据琼斯矩阵，四分之一波片QW1透光轴与坐标轴的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。
具体操作步骤如下：
(1)表面类型处选择“Jones Matrix”。
(2)厚度处选择为“Infinity”。
(3)ZEMAX中“A(D)real”所在位置设定对应参数，分别为“0.7071，0.071”。在“B(C)imag”所在位置设定对应参数，分别为“-0.7071，-0.071”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
步骤十：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现分光镜BS1的建模仿真。在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：BS1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。然后在分界面处设置涂层，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BS1的仿真建模。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“12.7mm”。
(3)玻璃类型设定为“H—K9L”。
(4)分光出镀膜设定为“I.50”，其他面镀膜为“AR”。
步骤十一：利用琼斯矩阵对二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：
Figure BDA0001576830380000101
其中，θ表示波片的快轴与坐标系的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：HW的曲率半径，厚度，玻璃材料。然后根据琼斯矩阵，二分之一波片HW透光轴与坐标轴的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。
具体操作步骤如下：
(1)表面类型处选择“Jones Matrix”。
(2)厚度处选择为“Infinity”。
(3)ZEMAX中“A(B)(C)(D)imag”所在位置设定对应参数，分别为“0.7071，-0.071，-0.7071，-0.071”。
(4)将像平面设置在近轴焦点上，将Solve类型改变为“边缘光高(Marginal RayHeight)”，调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
步骤十二：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS2的仿真。在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：PBS2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，然后在分界面处设置涂层，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PBS2的仿真建模。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“12.7mm”。
(3)玻璃类型设定为“H—K9L”。
(4)分光出镀膜设定为“PASS_P”，其他面镀膜为“AR”。
步骤十三：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS3的仿真。在ZEMAX中的数据编辑栏内输入参数：PBS3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。然后在分界面处设置涂层，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PBS3的仿真建模。
具体操作步骤如下：
(1)曲率半径设定为“Infinity”。
(2)厚度设定为“12.7mm”。
(3)玻璃类型设定为“H—K9L”。
(4)分光出镀膜设定为“PASS_P”，其他面镀膜为“AR”。
完成每个光学元件的仿真后，根据激光追踪测量的光学***原理，进行顺序调整，测量光束Ol1，与参考光束Or1形成干涉光由PD1接收；测量光束Ol2，与参考光束Or2形成干涉光由PD2接收；测量光束Ol3，与参考光束Or3形成干涉光由PD3接收；测量光束Ol4，与参考光束Or4形成干涉光由PD4接收，在多重结构处进行设置对应参数，实现整个光学***的仿真完成。整个光学***的仿真图如图5所示。四路干涉信号得到的干涉图如图6所示。
根据建立的模型进行光路***仿真，可以实现对于接收的四路干涉信号的能量分析，根据实际需求，更改某个光学元件的对应参数，进行相应的模型仿真，可以得到该参数对整个***最后接收的能量的影响，实现对***优化和可靠性的评估。

Claims (2)

1.基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法，实现该分析方法的光学***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， 其特征在于：根据激光追踪测量的光学***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***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
Figure FDA0002258858010000011
的偏振状态表示为：
Figure FDA0002258858010000012
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：
Figure FDA0002258858010000021
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：
Figure FDA0002258858010000022
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：
Figure FDA0002258858010000023
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：
Figure FDA0002258858010000031
其中，θ表示波片的快轴与坐标系的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；对四分之一波片QW1进行模拟仿真同步骤四；
步骤十：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现分光镜BS1的建模仿真；分光镜BS1的建模仿真方法同步骤七；
步骤十一：利用琼斯矩阵对二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：
Figure FDA0002258858010000041
其中，θ表示波片的快轴与坐标系的x轴成的角度，δ表示经过波片产生的相位差；
在ZEMAX中的透镜数据编辑栏内输入参数：HW的曲率半径，厚度，玻璃材料；根据琼斯矩阵，二分之一波片HW透光轴与坐标轴的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；
步骤十二：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS2的仿真；对于PBS2的仿真同步骤三；
步骤十三：在ZEMZX的非顺序和顺序光线跟踪模式进行建模，实现PBS3的仿真；对于PBS3的仿真同步骤三。
2.根据权利要求1所述的基于ZEMAX仿真的激光追踪测量光学***能量分析方法，其特征在于：根据激光追踪测量的光学***原理，分别对整个***中所需要的每个光学元件进行仿真，再进行顺序调整，多重结构参数的设置，以及各个光学元件之间的结构设计，得到最后的仿真结构图。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109029932B (zh) * 2018-08-03 2020-06-09 长春理工大学 一种折反式望远***的全口径全视场光线追迹方法
CN109238132B (zh) * 2018-09-12 2020-03-27 北京工业大学 基于外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学***仿真方法
CN113532800A (zh) * 2021-05-21 2021-10-22 杭州涂鸦信息技术有限公司 透光区域的分析方法以及相关设备、装置
CN113865480A (zh) * 2021-09-18 2021-12-31 桂林电子科技大学 一种基于zemax仿真的外差式光栅干涉仪读头***信号分析方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200900837A (en) * 2006-11-30 2009-01-01 Upstream Engineering Oy Beam shaping component and method
WO2012079875A1 (en) * 2010-12-13 2012-06-21 Paul Scherrer Institut Tracking type laser interferometer for objects with rotational degrees of freedom
CN102594456A (zh) * 2012-03-29 2012-07-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 自相位差分干涉光信号接收装置
CN102589692A (zh) * 2011-01-12 2012-07-18 北京智朗芯光科技有限公司 光纤束分光的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量***
CN105157576A (zh) * 2015-05-27 2015-12-16 合肥工业大学 可同时实现三维位移测量的激光测量装置及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200900837A (en) * 2006-11-30 2009-01-01 Upstream Engineering Oy Beam shaping component and method
WO2012079875A1 (en) * 2010-12-13 2012-06-21 Paul Scherrer Institut Tracking type laser interferometer for objects with rotational degrees of freedom
CN102589692A (zh) * 2011-01-12 2012-07-18 北京智朗芯光科技有限公司 光纤束分光的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量***
CN102594456A (zh) * 2012-03-29 2012-07-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 自相位差分干涉光信号接收装置
CN105157576A (zh) * 2015-05-27 2015-12-16 合肥工业大学 可同时实现三维位移测量的激光测量装置及方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"猫眼"逆反射器的偏振特性分析;李亚红等;《红外与激光工程》;20170630;第46卷(第6期);第0104003-1—0104003-8页 *
Refractometer for tracking changes in the refractive index of air near 780 nm;N.Khe´lifa等;《APPLIED OPTICS》;19980101;第37卷(第1期);第156-161页 *
高精度激光追踪测量方法及实验研究;陈洪芳等;《中国激光》;20180131;第45卷(第1期);正文第2节，图1 *

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