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ZEMAX光学设计实例（137）---一个传统轴锥镜的设计

2021-12-20 10:35| 发布者：Davis| 查看：3758| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用ZEMAX进行光学设计的实例，重点探讨了传统轴锥镜的设计和特性，包括贝塞尔光束特性、非球面顶点曲率等。通过计算和仿真，展示了如何使用二次曲面的圆锥常数和旋转非球面公式设计轴锥镜，并提供了2D Layout和Ray Fan图像展示。

引言：

轴锥镜是一种圆锥棱镜，由其α角和顶角定义。轴锥镜可以将光聚焦到光轴上的多个点。轴锥镜产生的光束穿过光轴，当轴锥镜到图像距离增大时，所形成的光环直径也将增大，而光环的厚度保持不变。该光束具有贝塞尔光束的特性，沿光束传播方向的光强分布不会发生改变。

轴锥镜的贝塞尔光束特性：

与随距离增长而发散的高斯光束不同，贝塞尔光束是非衍射光束，它在传播时能保持光强分布不变。虽然真正的贝塞尔光束需要无限的能量才能产生，但轴锥镜可以在其焦深（DOF）范围内产生与之非常近似的非衍射特性。

DOF这个函数包括轴锥镜的入射光半径（R），轴锥镜的折射率（n）和α角（α）：

如上所述，光环的厚度（t）保持恒定，并且很容易确定；它相当于初始光束的半径或初始光束直径的一半（d_b）：

光环的直径与距离成比例；随着透镜输出端到像的距离（L）的增长，光环的直径（d_r）将增加，距离减小，直径也随之减小。光环的直径与长度的两倍，以及折射率（n）和α角（α）乘积的正切值有关。

轴锥镜的特性使其适用于多种研究和医疗应用。例如，轴锥镜有助于改进激光角膜手术，这是一种用于矫正视力的外科手术，利用激光来灼烧角膜组织以校正眼睛的屈光状态。轴锥镜将激光束聚焦为光环, 用来蒸发角膜组织，而且过程更为平滑。该应用采用负轴锥镜和正轴锥镜，通过控制两个轴锥镜之间的距离来调节光环直径以适应患者和外科医生的需要。

轴锥镜也适用于光学捕获，使用激光产生吸引力和排斥力以便操纵微粒和细胞。轴锥镜产生的光环可以用作排斥墙，将微粒捕获在较暗的光束内部区域中，非常适用于捕获粒子这类精确应用。

另外，也有衍射轴锥镜。比传统轴锥镜更高效，稳定性更好，可以有效消除0级衍射。

衍射轴锥镜（Diffractive Axicon），可以将入射激光转换成环形的光斑（贝塞尔强度分布）。通常，环形光斑的宽度等于衍射极限光斑的尺寸（输入激光）。

设计指标：

设计一个传统轴锥镜，α角为10°，即顶角为160°，c为非球面顶点曲率为-1mm，输入准直光束直径为20mm。。

（该实例参考ZEMAX自带的例子“Axicon Model）”。

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“20.0”；

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设置0.550um一个波长，如下图：

现在，由设计需求计算，计算二次曲面的圆锥常数k。

先计算出在450mm处的光环直径：

上式中，α为弧度值。玻璃材质为N-BK7，折射率为1.5618。

再由输入光束的半径，计算出z值：

推导出

最后，由以下的旋转非球面公式

在已知c=-1，y=10、z=1.76时，推导出

此时，输入LDE的参数，如下图：

查看2D Layout，如下图：

查看点列图：

GEO radius为41mm，直径约为82mm，与计算值的81.4mm较为符合。

但是，从2D Layout和点列图可以看出，传统轴锥镜产生的光环中心光斑没有完全消除。

查看Ray Fan：

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