用zemax完成复杂光学系统的鬼像分析

摘要：目前利用常见的一些光学CAD软件来完成复杂光学系统的鬼像规避设计工作还存在不足，需外部辅助程序的干预才能获得更直观的计算结果。用自编辅助程序处理ZEMAX执行结果，快速得到复杂光学系统的鬼像分布图的方法。该方法得到的计算结果正确，给出的鬼像分布图形象且直观，可读性好，对高功率激光装置的设计有重要帮助。

关键词：几何光学；鬼像规避；外部辅助程序；鬼像分布图

1 引言

高功率激光装置输出能量很高，所用光学元件表面的剩余反射不可避免，这些剩余反射光在元件参数设计不当的情况下，会在光路中的某些地方会聚形成鬼像，对光学元件造成破坏。因此规避鬼像是高功率激光装置设计的重要内容之一。复杂光学系统的鬼像规避设计是一项烦琐的工作，如在一个有340个反射表面的光学系统中，激光形成的1阶鬼像点有5.7万多个，2阶和3阶鬼像分别达到了一千多万和2.7亿多个。准确得到所有这些鬼像点的位置分布和能量大小是完成鬼像规避设计工作的关键。在鬼像计算工作中，低阶鬼像可以用矩阵法完成，高阶鬼像数量巨大，只能借助计算机的帮助来完成。在常见的光学设计软件ZEMAX，ASAP和 CODE V中， ASAP软件在鬼像分析工作中的应用在文献中已有报道，ZEMAX具备对复杂光学系统进行鬼像分析的能力，但还未见它在这方面应用的相关报道。

ZEMAX和ASAP一样，可在非序列模式下采集大量的近轴光线数据对光学系统进行杂散光分析，以列表的形式生成鬼像计算数据。这些自动生成的数据不仅数量庞杂，而且不能直接反映出鬼像点在光路中的具体分布，因此需要编写辅助程序处理这些列表数据才能得到光学系统的具体鬼像分布图。本文给出了用自编辅助程序配合ZEMAX来对复杂光学系统进行鬼像分析的方法。通过验证说明利用ZEMAX也能轻松得到形象直观，且准确可靠的鬼像分布图。

2 鬼像分析的基本过程

利用ZAMAX的非序列模式对光学系统进行鬼像分析时，首先输入光学系统结构并设置近轴线光源，包括各光学表面曲率半径、折射率、线光源方向余弦等。其次设置光学表面反射率和追迹的光线最小相对能量，该操作决定了鬼像最大阶数。最后开始追迹近轴光线，完成后将光线数据以BRANCH的形式保存到一个文本文件中。如在分析一个正负透镜组的1，2阶鬼像时，经过以上三步操作后用ZEMAX可得到图1所示的鬼像计算数据列表和近轴光线分裂图。

图1.用ZEMAX直接得到的鬼像计算数据列表(a)和近轴光线分裂图(b)

图1中由ZEMAX直接给出的鬼像计算数据列表，内容包含鬼像的形成来源、鬼像点 X，Y 和Z坐标以及鬼像点的能量等信息。在光学系统产生的鬼像数量巨大时，列表长度增加，对鬼像设计结果的统计难度也大幅增加;同样，图1给出的近轴光线分布图包含了所有传播光线的轨迹和会聚点，在鬼像数量巨大时绘出的图纷繁复杂，无法直接看出设计结果是否满足要求。可见，对复杂光学系统进行鬼像规避设计，直接根据ZEMAX给出的鬼像计算数据列表和鬼像光线分裂图很难直接判断该系统是否满足鬼像规避的要求。

得到直观的鬼像分布图是完成复杂光学系统鬼像规避设计的关键，本文利用MATLAB编写辅助程序读取ZEMAX直接给出的鬼像计算数据列表并进行处理，计算出近轴光线真实存在的会聚点，并把会聚点的坐标作为鬼像的位置保存到文本文件中，然后在ZEMAX环境下编写宏程序将鬼像插入系统，便能输出直观的鬼像分布图，如图2所示。

图2给出的是图1所述光学系统的鬼像分布图，其中小球为1阶鬼像分布，立方体为2阶鬼像。

对比图2和图1，可以看到本文所编辅助程序有效地处理了ZEMAX生成的结果，能够提供清楚明了的鬼像分布图，设计者可根据该图轻易地判断是否存在危害光学系统的鬼像，完成复杂光学系统的鬼像规避设计。

图2.正负透镜组鬼像分布。(a)普通模式;(b)阴影模式

3 辅助程序的编写方法

ZEMAX鬼像分析辅助程序包括MATLAB程序和ZEMAX宏程序两部分。前者读入近轴光线数据并计算各阶鬼像分布坐标，后者将鬼像插入光学系统中，相对简单。

5 结论

给出了利用 MATLAB 编写辅助程序配合ZEMAX来快速得到复杂光学系统鬼像分布的方法。该方法经验证后能可靠分析任意阶鬼像的分布特性，在ZEMAX环境下也可以随意放大鬼像密集区，或者旋转系统以从各个角度观察鬼像分布。为复杂光学系统的鬼像规避设计带来很大便利，已在神光II升级系统的变焦空间滤波器设计中使用，为神光II升级系统的工程设计提供部分设计数据。

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