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基于Zemax的HeNe激光光束聚焦物镜的设计


第31卷第6期
2010年11月

应用光学 Journal of Applied Optics

V01.31

No.6

NOV.2010

文章编号:1002—2082(2010)06—1032一04

基于Zemax的He—Ne激光光束聚焦物

镜的设计
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)



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0.002 mm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0.001 9 mm,球差被控制在一O.05 mm~+0.05 mm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

Design of He—Ne laser beam focusing lens based

on

Zemax

FAN Ying—juanl,ZHANG Yan—jun2
(1.School of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of

Science&Technology,Xi’an 710021,China I 2.The 39th Institute of Chinese Electronic
Technology Company,Xi’an 710065,China)

Abstract:In order

to

obtain



reasonable

He—Ne laser beam focusing lens,the high refractive

index double pieces with front

convex

is used and Zemax is adopted for optimization and design.

A He—Ne laser beam focusing lens with dispersion speckle diameter of 0.002 mm was obtained. Spherical aberration of the axial point was modified.The diameter of the dispersion speckle of the lens is smaller than that of single piece,which is 0.001 9 mm.The spherical aberration is modified to一0.05 mm~+0.05 mm.The brightness of the
center
area

compassed

by MTF

curves

increases.So the

iS increased.which meets practical needs.

Key words:optic design;focusing lens;Zemax;spherical aberration;dispersion speckle

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。
收稿日期:2010—04—29; 修回日期:2010—06—18

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
60

mm,相对孔径D/f=1/2,工作波长A=0.632



pm;

2)镜头只需校正轴上点球差; 3)几何弥散圆直径小于0.002
mm;

4)镜头结构尽量简单,争取用2片镜片达到

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

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要求。

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|。



设计过程
我们采用正前凸型初始结构‘¨,结构参数如表

2.1初始结构的选择 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
Table 1 Primary
structure

of front

convex

图3
Fig.3

MTF曲线 MTF
curves

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60
mm。

3)用GMTT和GMTS控制子午和弧矢方向
图1光线像差

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,使各种高级像差得到兼顾。 2.2.3像差平衡
图2点列图
Fig.2 Spot diagram

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

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10 mm的平板分成2块,中间划出来 的半径初步取定为80 mm,然后对第一块,将凸的 ~端(V-径为+80 mm的一端)朝向远处的物体,2 片镜片的空气间隔暂取为0.2 mm,然后由第4个 半径来保证焦距为,=60 mm的要求。采用高折射 率玻璃砣E.FDSl=1.922
2.2 86。

设计结果如图4所示,镜头焦距为60

ITlm。

我们可以用多种方法来判断像质的好坏。图5 给出了球差的大小,球差是唯一要校正的像差,被 控制在一0.05 mm~+0.05 mm范围内。

Zemax像差校正 利用Zemax得到的初始结构的MTF曲线如

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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
Fig.7

图7优化后的点列图
Spot diagram after optimisation

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5球差
Fig.5 Spherical aberration

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。

图8优化后的MTF曲线
Fig.8

MTF

curves

after optimization



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
豳6优化后的光线像差
Fig.6 Diagram of ray fan after optimization

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。
参考文献:

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
RAM Radius和GEO Radius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1 pm,说明聚焦很好。

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