氦氖激光光束聚焦物镜设计

1、单一镜片



像差
斑点图

此时弥散斑圆的直径为毫米量级,说明像质距离设计要求相差很远。

2.继续优化,将玻璃换为高折射率玻璃n=1.90914,减小弥散圆半径。


变更


光斑图

将一片透镜设计为两片透镜

初始结构


3D图


此时光斑和像差图

2.优化

2.1 令透镜的前三个折射面半径为变量,第四个用F数表示,并令两块透镜间空气间隔为变量,将0.3,0.5,0.7,0.85,1的横向球差TRAY加入评价函数,目标值为0,权重为1.


评价函数设定


优化后参数


3d图


像差
正前凸双片点列图

优化后光斑为1.2微米左右,已经非常接近设计要求,转入第二步优化

(2)将物镜最后一个面至像面的距离增加为变量,实质上式将离焦量作为变量,


将物距作为变量


优化后


用tray进行评价函数设定的结果

3.采用LONA进行优化

利用LONA进行优化,优化前参数配置如下

LONA是轴向像差,指的是指定波长和孔径区域上某根光线在当前像面上的离焦量。 

SPHA是球差系数,指的是指定表面所贡献的球差系数大小,它不是实际的透镜单位数值。 


上面解释可以给你通俗点讲: 

LONA计算一根光线(除轴上以外)在光轴的焦点与当前像面位置在沿轴向的差值,也就是我们常说的轴向像差。它有固定单位,一般为毫米mm单位。而且它只计算Image面上的差值,不能指定表面,因为它是最终离焦量值。 

SPHA是球差系数,是无量纲单位,只是系数,表征了某个表面所贡献的球差大小,它有正负之分。而且是可以选择表面的。因为每个表面贡献的大小都不同,有正有负。如正光焦的表面贡献一般为正,负光焦表面贡献为负。


优化前参数


轴向评价函数优化(zone为孔径)

采用LONA不用分两步进行优化,可将5个变量同时进行优化,评价函数设置如下


LONA评价函数


LONA优化后


LONA优化后光斑图


LONA优化后调制传递函数曲线

4.采用TRAC进行优化



用TRAC默认评价函数优化(前三个是默认,后一个自己添加)


TRAC评价函数

优化后


TRAC优化后结果


TRAC优化后效果很好


TRAC优化后像差曲线


TRAC优化后调至函数曲线

二、以‘负前凸’为基础的高折射双片镜头的优化设计

之前为前组光焦度为正,后组光焦度为负。现在采用前组光焦度为负,后组光焦度为正的设计。初始结构如下:


负前凸初始优化前参数


负前凸初始优化前结构


负前凸TRAY评价函数设计

优化后


负前凸TRAY优化后



负前凸TRAY优化后光斑


负前凸TRAY优化后像差


      弥散圆半径小于0.001mm,调制传递函数非常接近理想情况,像质非常良好,远于设计要求。采用不同的初始结构,采用相同的评价函数。由光阑面到像面的距离,即系统的长度100.3,而之前系统的长度为57.2mm,因此需要进一步优化。

3、改进

用MXCT操作数来限定间隔厚度的最大值,并指明是从第几个面到第几个面的间隔,限制这个间隔最大不能超过10mm,权重取1。



MXCT优化操作数







当系统两片镜片缩短到8mm时候,还可以优化出较好的像质

三、负前凹的高折射率双片镜头的优化设计

优化前初始参数


负前凹优化前参数


负前凹优化前参数


负前凹优化前


负前凹优化

2.优化分为三步

(1)保持第一块透镜不动,只选取第二块透镜的两个折射面作为变量,并选择物距作为变量。

用EFFL设置为60,用TRAY,进行优化,评价参数设定如下图



用第二个透镜的三个变量进行优化


第二个透镜优化后


第二个透镜优化后


第二个透镜优化后

(2)第二步优化,优化时候保持第二块透镜不动,选取第一块透镜的两个折射面半径和像距作为变量


优化后参数




(三) 在第二步骤的结构上,经拿滚第三步优化,将四个折射面和像距作为变量进行优化

优化后




负前激光凹聚焦光束的物镜第三步优化后点列图

光斑可以符合要求

综上所述优化的空间是非常开阔的,运用初始结构的不同,和优化函数优化操作的不同会影响优化后效果。

由于这个激光光束聚焦物镜的孔径较大,因此高级球差是主要矛盾,优化中需要努力降低高级秋茶,重要的是让7级球差和5级球差异号,这样才能取得较好的平衡。

三片低折射率激光聚焦物镜的优化设计

三片式 只需纠正轴上点球差,几何弥散圆直径小于0.002mm,用镜头材料为国产K9玻璃

初始结构



优化后结构

(2)优化二,增加两个空气间隔作为变量,同时显示空气间隔的宽度 MXCT,最大为30,MNCT,最小为5,权重为5



两片光斑大小


高级球差

因此分裂镜片,将镜片一分为二,降低单块镜片承担的光焦度,意识的镜片半径增大,降低它产生的高级球差,这是目前提高设计的唯一出路。

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