Zemax光学设计(十三) —— He-Ne激光光束聚焦物镜

光学设计中优化思路

设计需求

物距:∞ 、视场角:0°、焦距:60 mm、相对孔径:1/2 、工作波长0.6328 μm

此镜头只需校正轴上点球差;

几何弥散圆直径小于 0.002 mm;

争取用两块镜头达到要求。

初步分析

      分别使用高折射率和低折射率单片镜头进行分析,高折射率单片镜头比低折射率像质好,且弥散圆半径减小,横向球差下降。

      单片镜头只有一个变量,即只有一个半径可用于校正球差,而另一个半径用于保证镜头焦距要求,所以改进方法只能采用分裂镜头。分裂镜头增加了变量数目,从像差理论看,将原先由一片负担的光线偏向角变为由两片共同承担,可以减小单独一片产生的像差。另外,两片间的空气间隔是减小高级球差的内因,因此也将它作为变量。

双片结构可以采取不同的光焦度分配,每片的透镜形状也可以采取多种多样:

      1、正光焦度在前,负光焦度在后,前片较凸朝向远物,’正前凸”

      2、负光焦度在前,正光焦度在后,前片凸面朝向远物,“负前凸”

      3、负光焦度在前,正光焦度在后,前面凹面朝向远物,‘负前凹“

“正前凸”型

      构造的初步想法是以单片高折射率材料ZF14为基础,中间划出半径为 -60 mm 的球面,将单片划为双片,取两片的厚度分别为 6mm 和 5mm,该双片本质上与单片相同,差别在中心厚度。

 第一步优化

       令前三个折射面半径,以及两块透镜间的空气间隔作为变量。评价函数采用0.3、0.5、0.7、0.85和全孔径横向球差“TRAY‘

      将两块透镜间的空气间隔作为变量,可以减小各级球差并让各级球差达到平衡。

        由下图可以看出,高级球差与初级球差已达到一定平衡,

第二步优化

       进一步优化将像距作为变量,即将离焦量作为变量。

         也可以使用”LONA“或”TRAC’进行优化。

“负前凸”型

         前组光焦度为负,后组光焦度为正,前组形状凸-凹形,且凸面朝向物体。

 构造初始结构:

        使用与“正前凸”一样的评价函数,并加上一条限制间隔厚度最大值的语句“MXCT”,优化如下:

 “负前凹”型

   优化步骤:先优化片2曲率半径,再优化片1曲率半径,再整体优化。

  优化后:

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