第31卷第6期
2010年11月
文章编号:1002—2082(2010)06—1032一04
应用光学
JournalofAppliedOptics
V01.31No.6
NOV.2010
基于Zemax的He—Ne激光光束聚焦物镜的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
范应娟1,张艳军2
(1.陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021;
2.中国电子科技集团公司第三十九研究所,陕西西安710065)
摘 要:为了得到一个合理的He—Ne激光光束聚焦物镜,采用以正前凸型为基础的高折射率双片
结构,应用Zemax软件进行优化设计,获得了弥散斑直径为0.002mm的He—Ne激光聚焦物镜,
该镜头只需校正轴上点球差。实验结果
表
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明:设计的镜头比低折射率单片透镜得到的弥散圆直径
更小,达到0.0019mm,球差被控制在一O.05mm~+0.05mm范围内,MTF曲线所围面积变
大,中心点亮度增高,符合实际需要。
关键词:光学设计;聚焦物镜;Zemax;球差;弥散圆
中图分类号:TN24;TH703 文献标志码:A
DesignofHe—NelaserbeamfocusinglensbasedonZemax
FANYing—juanl,ZHANGYan—jun2
(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityof
Science&Technology,Xi’an710021,ChinaI 2.The39thInstituteofChineseElectronic
TechnologyCompany,Xi’an710065,China)
Abstract:InordertoobtainareasonableHe—Nelaserbeamfocusinglens,thehighrefractive
indexdoublepieceswithfrontconvexisusedandZemaxisadoptedforoptimizationanddesign.
AHe—Nelaserbeamfocusinglenswithdispersionspecklediameterof0.002mmwasobtained.
Sphericalaberrationoftheaxialpointwasmodified.Thediameterofthedispersionspeckleof
thelensissmallerthanthatofsinglepiece,whichis0.0019mm.Thesphericalaberrationis
modifiedto一0.05mm~+0.05mm.TheareacompassedbyMTFcurvesincreases.Sothe
brightnessofthecenteriSincreased.whichmeetspracticalneeds.
Keywords:opticdesign;focusinglens;Zemax;sphericalaberration;dispersionspeckle
引言
如今,He—Ne激光光束聚焦物镜广泛应用于
影碟机,光盘,激光打印机等,此类透镜是小F数,
小视场,单色波简单光学系统,很容易达到衍射极
限,并且只要一两片透镜就可以达到基本要求。本
文采用2片结构,用Zemax进行优化设计,得到的
镜头结构简单,比采用单片透镜得到的镜头弥散圆
直径更小‘川,像差校正得更好。
1镜头结构的设计指标
具体设计任务[2]要求:
1)镜头物距z=o。,视场角Ct,t一0。,焦距f一
60mm,相对孔径D/f=1/2,工作波长A=0.6328
pm;
2)镜头只需校正轴上点球差;
3)几何弥散圆直径小于0.002mm;
4)镜头结构尽量简单,争取用2片镜片达到
收稿日期:2010—04—29;修回日期:2010—06—18
作者简介:范应娟(1978--),女,重庆人,理学硕士,主要从事光学设计方面的研究。E—mail:ci.ming@163.corn
万方数据
应用光学2010,31(6)范应娟,等:基于Zemax的He—Ne激光光束聚焦物镜的设计·1033·
要求。
2 设计过程
2.1初始结构的选择
我们采用正前凸型初始结构‘¨,结构参数如表
1所示,其像差曲线和点列图如图1和图2所示。
表1正前凸型初始结构
Table1 Primarystructureoffrontconvex
图1光线像差
图2点列图
Fig.2Spotdiagram
表1中前3个半径是初步取定的,第4个半径
的数据是由焦距的要求算出来的[7]。构造的初步想
法是将一块厚10mm的平板分成2块,中间划出来
的半径初步取定为80mm,然后对第一块,将凸的
~端(V-径为+80mm的一端)朝向远处的物体,2
片镜片的空气间隔暂取为0.2mm,然后由第4个
半径来保证焦距为,=60mm的要求。采用高折射
率玻璃砣E.FDSl=1.92286。
2.2 Zemax像差校正
利用Zemax得到的初始结构的MTF曲线如
图3所示‘引。从图中可看出成像质量很差,因此需
要校正像差。我们将镜头的像差校正分成3个阶
段:校正基本像差,校正高级像差,像差平衡‘3|。
图3 MTF曲线
Fig.3MTFcurves
2.2.1基本像差校正
在He—Ne激光光束聚焦物镜的设计中,基本
像差一般指球差。选取合适的优化函数用Zemax
进行优化时,还要注意控制有效焦距。
1)用LONA控制轴向球差[3],当选择LONA
控制不住球差时,同时加入SPHA操作数,设置合
理权重,可以将轴向球差进一步改善。
2)用EFFLE43操作数控制有效焦距为60mm。
3)用GMTT和GMTS控制子午和弧矢方向
的几何调制传递函数,用几何MTF优化后,再使用
MTFA进一步提高系统性能。
2.2.2 高级像差的校正
在完成基本像差校正的基础上,需要全面分析
系统像差的校正情况,找出最重要的高级像差,利
用上述操作数控制最重要的高级像差。在校正过程
中某些本来不大的高级像差可能会增大,这时必须
把它们也加入校正,或者在无法同时校正的情况下
采取这种
方案
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,使各种高级像差得到兼顾。
2.2.3像差平衡
在完成第二阶段校正后,各种高级像差已满足
要求,可以用MTF曲线查看成像质量。这时,如果
高级像差和初级像差不能平衡,就会导致成像质量
不高,MTF曲线不能达到要求。
根据系统在整个视场和整个光束孔径内像差
的分布规律,改变各个操作数的权重,重新进行像
差校正和平衡。
2.3设计结果
设计结果如图4所示,镜头焦距为60ITlm。
我们可以用多种
方法
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来判断像质的好坏。图5
给出了球差的大小,球差是唯一要校正的像差,被
控制在一0.05mm~+0.05mm范围内。
万方数据
·1034· 应用光学2010,31(6)范应娟,等:基于Zemax的He—Ne激光光束聚焦物镜的设计
图4优化后的系统结构
图5球差
Fig.5Sphericalaberration
图6给出了o。视场情况下的横向像差曲线,可
以看出,像差都控制得很小,控制在4弘m之内。
豳6优化后的光线像差
Fig.6Diagramofrayfanafteroptimization
从一点发出的许多光线经光学系统后,因像差
使其与像面的交点不再集中于同一点,而形成了一
个散布在一定范围的弥散图形,即点列图[s]。使用
RAMRadius和GEORadius评价成像质量,RAM
Radius均方根半径是弥散斑各个点坐标参考中心
点进行坐标平方和后除以点数的量,然后开方的
值,这个值的半径可以近似反映弥散质量。然而点
列图忽略了衍射效应,在系统像差非常小时,点列
图往往比实际效果好一些,这时MTF曲线对像质
的评价更准确。弥散斑半径可以准确地反映大像差
系统的像差分布情况,如图7所示。从图7可以看
出,均方根半径0.974弘m小于所要求的弥散圆半
径1pm,说明聚焦很好。
图7优化后的点列图
Fig.7Spotdiagramafteroptimisation
MTF曲线所围的面积等于像差中心点亮度
值,MTF所围的面积越大,表明中心点亮度值越高,
光学系统的成像质量越好[6]。本文优化设计的镜头
MTF曲线如图8所示。从图8中可以看出,MTF曲
线所围的面积已经很大,因此聚焦情况很好。
图8优化后的MTF曲线
Fig.8MTFcurvesafteroptimization
3 结论
本文设计了一款双片型的He—Ne激光光束聚
焦物镜,玻璃材料均采用E—FDSl,在Zemax中使用
合适的优化函数和权重对像差进行校正,逐步消除
了基本像差、高级像差,并进行了像差平衡,获得了
较好弥散斑直径的He—Ne激光光束聚焦物镜,
MTF曲线也很理想,而且结构简单,聚焦性能好。
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