光学设计实例-双胶合透镜、非球面单透镜、激光扩束镜
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实例4 激光扩束镜的设计
设计要求
• • • • • • 扩束倍率：60 入射口径：0.5-1mm 出射口径：30-60mm 工作波长：1053nm 检验波长：632.8nm 像质要求：波像差</8(=1053nm)
结构型式
• • • • 由聚焦镜组+准直镜组构成 重点校正准直镜组的像差，因为其口径大 主要是球差与小视场彗差 准直镜组为双分离结构
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
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优化实例（3） ：优化结果
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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优化实例（3）
8
主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
光学设计
——光学设计实例
优化实例（2）
双胶合物镜
•总 不等于零，不能校正场曲； •在玻璃组合合适时，可校正色差。 取f’=100, D/f’=1:5, 2 =±3°，平行光入射; 取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如： BK7/SF2, SF5, SF1, SF10, SF4 都可以用程序得到对 0°视场校正良好的结果（取波长为F，d，C），但3° 视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。 （初始半径可取（60，-60，∞）。 将Merit Function 中视场0°的Operand完全除去，即仅考虑3°视场的像差， 可以得到校正子午彗差的解（理论上看3°视场的像质与球差、彗差都有关，而 0°仅与球差有关，原则上可以随3°视场的校正而同时校正），此时再回复原 来二个视场的Merit Function，此解所保持最优，如所附。 这里玻璃组合为BK7/SF5(K9/ZF2)，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变 数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果
工作波长1053nm下的像质
来自百度文库
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
检验波长632.8nm下的像质
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径初值为出发点，另外Merit Function 中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得
到好的结果（文件Asph6）。 实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差
也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，①校正S1，S2决定半径和
Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值；② 半径和 Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正；③ 孔径增至1：1，优化6次、
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3
优化实例（2） --优化结果
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优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差， 形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过AnalysisAberration coefficients-Seidel coefficients, 即初级像差计算得到适当的校正S2的半
• 公差计算
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实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完 成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。 2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。 3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组 外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。 不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。 4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
实例4 激光扩束镜的设计
设计要求
• • • • • • 扩束倍率：60 入射口径：0.5-1mm 出射口径：30-60mm 工作波长：1053nm 检验波长：632.8nm 像质要求：波像差</8(=1053nm)
结构型式
• • • • 由聚焦镜组+准直镜组构成 重点校正准直镜组的像差，因为其口径大 主要是球差与小视场彗差 准直镜组为双分离结构
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
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优化实例（3） ：优化结果
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
光学设计
——光学设计实例
优化实例（2）
双胶合物镜
•总 不等于零，不能校正场曲； •在玻璃组合合适时，可校正色差。 取f’=100, D/f’=1:5, 2 =±3°，平行光入射; 取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如： BK7/SF2, SF5, SF1, SF10, SF4 都可以用程序得到对 0°视场校正良好的结果（取波长为F，d，C），但3° 视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。 （初始半径可取（60，-60，∞）。 将Merit Function 中视场0°的Operand完全除去，即仅考虑3°视场的像差， 可以得到校正子午彗差的解（理论上看3°视场的像质与球差、彗差都有关，而 0°仅与球差有关，原则上可以随3°视场的校正而同时校正），此时再回复原 来二个视场的Merit Function，此解所保持最优，如所附。 这里玻璃组合为BK7/SF5(K9/ZF2)，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变 数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果
工作波长1053nm下的像质
来自百度文库
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
检验波长632.8nm下的像质
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径初值为出发点，另外Merit Function 中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得
到好的结果（文件Asph6）。 实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差
也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，①校正S1，S2决定半径和
Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值；② 半径和 Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正；③ 孔径增至1：1，优化6次、
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优化实例（2） --优化结果
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优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差， 形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过AnalysisAberration coefficients-Seidel coefficients, 即初级像差计算得到适当的校正S2的半
• 公差计算
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实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完 成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。 2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。 3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组 外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。 不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。 4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。