摘 要

平行光束在生活生产中起到了越来越重要的作用，平行光管作为产生平行光束的仪器，在校验、调整光学仪器、光学度量中不可或缺。为了正确的使用平行光管，确保平行光管出射的光束严格平行至关重要。

本文首先根据高斯光束以及平顶光束的相关性质，设计了一种比较简单的测定平行光束平行度的方法。并通过相关软件仿真与在实验室的实际操作，验证了方法的可行性。

研究结果表明：平行光管出射的光束平行度较好，根据光斑能量分布来确定光斑大小，并且比较不同距离处的光斑大小来确定光束平行度的方法是可行的。

本文的特色及创新在于：相较于传统的五棱镜测定平行度法，本文通过比较不同距离处的光斑大小来表征光束平行度，所需仪器少，操作更简单，可行性、经济性更好。

关键词：平行光管；平行光束；平顶光束；高斯光束；光斑半径

Abstract

Parallel beams play an increasingly important role in life production. As an instrument for generating parallel beams, collimator tubes are indispensable for calibration, adjustment of optical instruments and optical measurements. In order to use the parallel light pipes normally, it is very important to ensure that the light beams emitted from the parallel light pipes are strictly parallel.

In this dissertation, a simple method for measuring parallelism of parallel beams is first designed based on the related properties of Gaussian beams and flat-topped beams. And through the relevant software simulation and the actual operation in the laboratory, the feasibility of the method was verified.

The results show that the collimated light beam emitted by the collimator is good, and the spot size is determined according to the spot energy distribution. It is feasible to compare the spot size at different distances to determine the parallelism of the beam.

The features and innovations of this paper are: Compared with the traditional pentaprism measurement parallelism method, this paper characterizes the beam parallelism by comparing the spot sizes at different distances, which requires fewer instruments, simpler operation, better feasibility and economy.

Key Words：Parallel light tube; Parallel beam; Flat-topped beam; Gaussian beam; Spot radius

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 背景及现状 1

1.3 主要内容及章节安排 3

第2章 基本原理 4

2.1 平行光管 4

2.1.1 平行光管的基本原理 4

2.1.2 平行光管的分划板 4

2.1.3 平行光管的结构 5

2.1.4 平行光管的应用 7

2.2 高斯光束 8

2.3 平顶光束 10

2.3.1 描述平顶光束的数学物理模型 10

2.3.2 获取平顶光束的方法 12

第3章 高斯光束与平顶光束的仿真 15

3.1 MATLAB仿真 15

3.2 ZEMAX仿真 18

第4章 平行度测量实验 20

4.1 实验装置 20

4.2 实验过程及结果 21

4.3 小结 25

第5章 总结 27

参考文献 28

附 录 30

致 谢 32

第1章 绪论

光大致可分为点光源和平行光。我们学习过程中广泛接触到的LED，即发光二极管，就是典型的点光源。而像太阳、激光等发出的光，可以近似看成平行光。平行光在生产生活、军事等方面扮演着重要的角色，例如照明系统、激光雷达以及激光测距等，平行度是度量准直光束的一个重要参数。

1.1 目的及意义

平行光管是用来产生平行光束的光学仪器，是光学度量仪器中的重要组成部分，在校验和调整光学仪器的过程中具有重要的作用，和不同的测微目镜系统及分划板或者是读数显微镜搭配使用，可以用来测量或者是检测透镜组的焦距、分辨率或者是其他的多种成像质量。在被检测直线运动的工件上，固定有搭配使用的可以调节平面镜位置、角度的反光镜，通过观察固定于平行光管上的高斯目镜（这个自准式的高斯目镜是与平行光管配套使用的），可以用来检测运动工件的直线性。平行光管的种类繁多，例如可以划分为长焦距平行光管、中焦距平行光管和短焦距平行光管，这是根据平行光管物镜的焦距不同来划分的。同时还可以划分为分离式平行光管、可调视度型平行光管、折转型平行光管、直管式平行光管、反射式平行光管等，这是根据平行光管的不同结构形式来对其进行种类划分的。为了实现更精确的数据测量，确保平行光管出射光束的严格平行是十分重要的。本文旨在根据高斯光束与平顶光束的相关性质，用一种新的方法来粗略地测定平行光束的平行度。

传统的平行度测试仪，需要使用到五棱镜以及一些高精度的光电测量设备，成本高。本文所使用的方法虽然只能定性地判断光束是否平行，但原理更为简单，所需的实验仪器少，操作简单，在精度要求不太高的情况下能为测量带来便利。

1.2 背景及现状

从透镜的焦平面上发出的光经过透镜之后会成为平行光，反过来说，一个位于无穷远处的物体经过透镜之后就会成像在透镜的焦平面上，这就是平行光管最基本、最基础的原理。物镜、毛玻璃、光源和分划板构成了一个最基础的平行光管，其中分划板是放置在物镜的焦平面上的。因为分划板是放在物镜的焦平面上的，更准确的是物镜的焦点上，所以当光照射到分划板上的时候，光线透过分划板上的每一个小孔，都会成像在无穷远处，也就是成为了平行光。因为平行光管发射出来的光是基准光束，是作为重要参考对象的，所以平行光管出射光是否平行、质量是否好，对校准的精度以及成像质量的判定具有很大的影响。

随着对太空探索的不断推进，人们对大口径平行光管的依赖越来越大，所以研制大口径的平行光管是当务之急。大口径长焦形平行光管，顾名思义，这种平行光管的口径大、焦距长，为了做到没有色散，而且还可以覆盖从紫外到红外大波段，普遍采用Cassegrain二反系统，而且这种光管基本都是采用的反射结构，因为这种系统结构简单。但是这类系统中次镜对主镜会产生遮拦，这不仅使得能量利用率偏低，而且会使得系统低频部分的调制传递函数偏低。有两种方法可以采取以消除这种情况。一种方式是把系统的相对孔径做大，但是大相对口径、高精度光学零件本身的加工工艺复杂，非常困难；另一个方法就是使用离轴系统，或者是采用共轴但是偏瞳的系统。这两种方法中，次镜都没有对主镜的光线有遮拦，所以也就不会损耗能量。在很多国家发射的空间探测器里面，多数都是使用的偏轴系统。离轴抛物面反射镜作为一种二次非球面光学零件，不仅其面形简单，而且可以产生质量高、无像差、中心没有遮拦的平行光束，所以经常被用在平行光管中，与其他类型的平行光管相比，这种平行光管具有不可比拟的优势，而且这种平行光管使用也更广泛。离轴抛物面反射镜的制造却是一个难题，由于非球面镜加工难度较大，而且对精度要求高，这大大增加了反射镜的加工难度。国内少有关于口径能做到500mm以上的离轴反射镜研制的新闻。受国内某研究院委托，中科天文仪器有限责任公司研制了一套光学器件，用来对测试光学成像能力。这套组件包括：离轴抛物面主镜，口径为1米；标准平面镜，口径为1.1米；支撑结构等^[1]。