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ZEMAX光学设计实例（111）---氦氖激光光束聚焦物镜的设计

2021-12-20 10:56| 发布者：Davis| 查看：1998| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the design process of a helium-neon laser focusing lens using ZEMAX optical design software. The article covers the optimization of both a single lens and a multi-lens structure, and includes discussions on glass selection, evaluati

导论：

激光光束聚焦物镜是相对孔径较大、视场较小的光学镜头，它在单色光波长下工作，成像质量要达到衍射极限水平。

在设计过程中，首先考虑玻璃的选择和透镜的片数，然后选择几个不同的初始结构，针对每一个初始结构，分别采用适当的评价函数，并有针对性地逐步调整相应的评价函数，最终找到多个像质较优的解。这几个不同初始结构的优化结果也说明，得到设计要求的优化方案不是唯一的。

设计要求：

设计一个氦氖激光光束的聚焦物镜，物距l=∞，焦距f`=60mm，相对孔径1/2，视场角2ω=0°，工作波长λ=0.6328um。

此镜头只需校正轴上点球差，几何弥散斑半径小于0.01mm，而且要求镜头结构尽量简单。

设计流程：

1）设置通用参数

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“30”；

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0.6328um一个波长，如下图：

2）玻璃的选择和单片镜头的设计与优化

先选用一个镜片作为聚焦物镜，玻璃采用普通的K9，它的折射率相对是比较低。

在LDE输入初始结构的参数，如下图：

按F6打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加EFFL操作数，目标值60，权重10，如下图：

将透镜的两个面的曲率半径和第3面的厚度设置为变量，如下图：

开始执行优化。

优化过程中，可以先将透镜两个面的曲率半径设置为变量，将第3个面的厚度设置为M值，进行第一次优化；然后再将第3面的厚度设置为变量，进行第二次优化。

优化后的LDE，如下图：

优化后的2D Layout，如下图：

此时的点列图，如下图:

此时，弥散斑的GEO半径在0.5mm左右，说明像质距离设计要求相差甚远。

然后，我们更换折射率更高的玻璃ZF14，此时的LDE，如下图：

再次执行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

此时的点列图，如下图：

从点列图看出，高折射率单片镜头的像质比低折射率单片镜头的像质好了很多。弥散斑的几何半径下降了一半多。但是，单片镜头只有一个半径可以用于校正球差，另一个半径用于保证镜头的焦距；而且，高折射率单片镜头的曲率半径比低折射率单片镜头的曲率半径大很多。

所以，进一步提升像质的方法只能是分裂透镜，增加为两个透镜后，增加了自由度，可以将原先由一片负担的光线偏角变为由两片共同负担，可以减小单独一片产生的像差；同时，两片透镜之间的空气间隔也可以作为消高级球差的一个变量。

3）两片镜头的设计与优化

单片分裂为两片后，这个双片结构可以采取不同的光焦度分配，每片的透镜形状也不一样，这都可以作为初始结构开始设计与优化。

A）“正前凸”型初始结构

“正前凸”型初始结构，即正光焦度单片在前，负光焦度单片在后，前片较凸面朝向远物。

LDE初始结构，如下图：

初始结构的2D Layout，如下图：

初始结构的点列图，如下图：

这个“正前凸”型双片初始结构的弥散斑半径几乎与高射率单片的完全相同，这是因为它们本质上是一回事，差别仅在中心厚度上。

按F6打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加EFFL操作数，目标值60，权重1；

增加5个TRAY操作数，用于控制0.3、0.5、0.7、0.85和1视场的横向球差，目标值均为0，权重1。

如下图：

将2片透镜的4个面的曲率半径和2片透镜的间隔设置为变量，如下图：

开始执行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

再将第5面的厚度，即物镜最后一面到像面的距离（像距）设置为变量，将像距作为变量实质上就是将离焦量作为变量了。如下图：

再次执行优化。

优化后的LDE，如下图：

查看优化后的LDE，如下图：

点列图，如下图：

MTF，如下图：

经过优化后，各级球差之间达到了更合理的平衡，使残余球差很小，因而大大改善了像质。

也可以更换玻璃材料，进一步优化像质。

B）“负前凸”型初始结构

“负前凸”型初始结构，即负光焦度单片在前，正光焦度单片在后，前片较凸面朝向远物。

LDE初始结构，如下图：

初始结构的2D Layout，如下图：

初始结构的点列图，如下图：

按F6打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加EFFL操作数，目标值60，权重1；

增加5个TRAY操作数，用于控制0.3、0.5、0.7、0.85和1视场的横向球差，目标值均为0，权重1。

如下图：

将2片透镜的4个面的曲率半径和2片透镜的间隔，以及像距设置为变量，如下图：

分两次进行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

点列图，如下图：

MTF，如下图：

经过优化后，像质非常优良，远好于设计要求，这说明采用不同的初始结构，采用相同的评价函数，也很有可能达到镜头的最佳像质。

C）“负前凹”型初始结构

“负前凹”型初始结构，即负光焦度单片在前，正光焦度单片在后，前片凹面朝向远物。

LDE初始结构，如下图：

初始结构的2D Layout，如下图：

初始结构的点列图，如下图：

按F6打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加EFFL操作数，目标值60，权重1；

增加5个TRAY操作数，用于控制0.3、0.5、0.7、0.85和1视场的横向球差，目标值均为0，权重1。

如下图：

将2片透镜的4个面的曲率半径和像距设置为变量，如下图：

分三次进行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

点列图，如下图：

MTF，如下图：

经过优化后，“负前凹”型的像质也非常优良，远好于设计要求，这说明采用不同的初始结构，采用相同的评价函数，也很有可能达到镜头的最佳像质。

“负前凹”型结构，一般将光阑前移或者后移至两个镜片之间，这样更为合理。

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