[發明專利]基于雙波長法補償空氣折射率的激光追蹤系統ZEMAX仿真方法

有效

• 申請號: 201810771009.0
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN108917605B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 陳洪芳;湯亮;石照耀;戴成睿;宋輝旭;孫衍強
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G06F30/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于雙波長法補償空氣折射率的激光追蹤測量系統，其特征在于：

該光學系統包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一檢偏器(3)即P₁、第二檢偏器(4)即P₂、第一偏振分光鏡(5)即PBS₁、第二偏振分光鏡(6)即PBS₂、第一分光鏡(7)即BS₁、第二分光鏡(8)即BS₂、第三分光鏡(9)即BS₃、第一平面反射鏡(10)、第二平面反射鏡(11)、第三平面反射鏡(12)、貓眼反射鏡(13)、標準球(14)、第一四分之一波片(15)即QW₁、第二四分之一波片(16)即QW₂、第一濾光片(17)、第二濾光片(18)、第一光電接收器(19)即PD₁和第二光電接收器(20)即PD₂；

根據雙波長補償空氣折射率激光追蹤測量原理，由第一激光器發射的激光束λ₁＝532nm經過P₁后得到線偏光，經過第一平面反射鏡反射后，經過第一分光鏡即BS₁透射，經過第二平面反射鏡反射后，進入第三分光鏡即BS₃經過濾光片后透射作為參考光束O_r1，經過第一平面反射鏡后被BS₁反射的光，然后經過第三平面反射鏡反射后，經過第一偏振分光鏡PBS₁反射的s光經過第一四分之一波片即QW₁，轉換成圓偏振光，圓偏振光經過第二分光鏡即BS₂透射和貓眼反射鏡的反射，圓偏振光旋向相反，隨后經第二分光鏡即BS₂透射后，再次經過QW₁圓偏振光轉換成p光，經過PBS₁和PBS₂被透射，經過QW₂后轉換成圓偏振光，經過標準球反射后改變旋向，再次經過QW₂后轉換成s光經過PBS₂反射后，進入BS₃經過濾光片后，形成透射測量光束O_l1與參考光束O_r1形成干涉光由PD₁接收；由第二激光器發射的激光束λ₂＝1064nm經過P₁后得到線偏光，經過第一分光鏡即BS₁透射，所經過的路徑和激光束λ₁一致，在BS₃反射后經過濾光片，形成的參考光束O_r2與測量光束O_l2與形成干涉光由PD₂接收。

2.根據權利要求1所述的基于雙波長法補償空氣折射率的激光追蹤測量系統，其特征在于：利用激光束λ₁和λ₂兩種不同的波長得到的干涉信號對應的相位差計算出所測的距離值D₁和D₂，根據色散系數A＝(n₁-1)/(n₂-n₁)，其中，n₁，n₂為標準大氣條件下波長λ₁和λ₂各自對應的空氣折射率，帶入雙波長測距公式L＝D₁-A·(D₂-D₁)中，其中，D₁和D₂為標準大氣條件下波長λ₁和λ₂各自測量得到的距離值，得到空氣折射率補償后的準確值L。

3.利用權利要求1所述激光追蹤測量系統進行的基于雙波長法補償空氣折射率的激光追蹤測量系統的ZEMAX仿真分析方法，其特征在于：該仿真分析方法的具體實施流程如下：

步驟一：設定激光追蹤測量的光學系統參數，即波長、通光口徑；

步驟二：利用瓊斯矩陣對檢偏器進行模擬仿真；檢偏器的入射光和透射光之間有關系用矩陣表示如下：

其中：A₁，B₁，A₂，B₂表示入射光矢量和出射光矢量在x軸和y軸上相應的兩個分量；g₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂是常系數；設μ為檢偏器P₁和P₂透光軸與x軸成的角度，則第一檢偏器P₁和第二檢偏器P₂的瓊斯矩陣J_P如下所示：

在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：檢偏器的表面類型、厚度， 根據瓊斯矩陣，檢偏器透光軸與x軸成的角度μ，x軸和y軸分別為光矢量的振動方向，建立瓊斯面型，輸入相應參數；

步驟三：設計第一平面反射鏡Mirror₁的仿真模型，在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置坐標斷點，完成幾何形狀的模型構建，在分界面處設置涂層，實現反射功能；

步驟四：在ZEMAX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現第一分光鏡BS₁的建模仿真；在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：BS₁的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層，通過鍍膜的方式實現兩束光的分開；實現分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成BS₁的仿真建模；

步驟五：對第三平面反射鏡Mirror₃的仿真同步驟三，在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置坐標斷點，完成幾何形狀的模型構建，在分界面處設置涂層，實現反射功能；

步驟六：對第三分光鏡BS₃的建模仿真同步驟四，在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：BS₃的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層，通過鍍膜的方式實現兩束光的分開；實現分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成BS₃的仿真建模；

步驟七：對第二平面反射鏡Mirror₂的仿真同步驟三，在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置坐標斷點，完成幾何形狀的模型構建，在分界面處設置涂層，實現反射功能；

步驟八：在ZEMAX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現第一偏振分光鏡PBS₁的仿真；在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：PBS₁的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層；通過鍍膜的方式實現p光與s光的分開，實現偏振分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成PBS₁的仿真建模；

步驟九：利用瓊斯矩陣對第一四分之一波片QW₁進行模擬仿真；根據步驟二J_P推導出波片的瓊斯矩陣J_Q如下式所示：

其中，θ表示波片的快軸與x軸成的角度，δ表示經過波片所產生的相位差，e為自然底數；

在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：QW₁的曲率半徑，厚度，玻璃材料；根據瓊斯矩陣，QW₁透光軸與x軸成的角度θ，經過波片所產生的相位差δ，建立瓊斯面型，并輸入相應參數；

步驟十：對第二分光鏡BS₂的建模仿真同步驟四，在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：BS₂的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層，通過鍍膜的方式實現兩束光的分開；實現分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成BS₂的仿真建模；

步驟十一：設計貓眼反射鏡的仿真模型，根據貓眼反射鏡的作用，作為平面反射鏡折轉光路；在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；

步驟十二：對第二偏振分光鏡PBS₂的建模仿真同步驟八，在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：PBS₂的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX 中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層；通過鍍膜的方式實現p光與s光的分開，實現偏振分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成PBS₂的仿真建模；

步驟十三：對第二四分之一波片QW₂的建模仿真同步驟九，在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：QW₂的曲率半徑，厚度，玻璃材料；根據瓊斯矩陣，QW₂透光軸與x軸成的角度θ，經過波片所產生的相位差δ，建立瓊斯面型，輸入相應參數；

步驟十四：設計標準球的仿真模型，根據標準球的作用，作為平面反射鏡折轉光路；在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；

步驟十五：根據激光追蹤測量補償空氣折射率的光學系統原理，分別對整個系統中所需要的每個光學元件進行仿真，再進行順序調整，多重結構參數的設置，以及各個光學元件之間的結構設計，得到最后的仿真結構圖；

步驟十六：根據所得到的光學系統仿真結果所對應的干涉圖及相關能量參數，分析光學元件非理想對光學系統能量的影響，對不同光學元件分別進行相應的參數的設定，以達到最好的干涉效果。