半导体激光器准直管物镜设计

课程设计报告

课程工程光学课程设计

题目半导体激光器准直物镜设计

学院物理与电子工程学院

年级2010 专业光电信息工程

班级0503101 学号0503101

学生姓名

指导教师职称讲师

设计时间2012. 12. 24 ~ 2013. 2. 24

设计任务书

目录

1.题目设计与方案论证 (4)

1.1设计题目 (4)

1.2课题分析 (4)

2.半导体激器准直物镜设计与分析 (5)

2.1设定参数 (5)

3. 仿真结果及相关分析 (9)

3.1优化前的性能分析 (9)

3.2优化后的性能特性 (10)

4.小结与领悟 (16)

参考文献 (17)

第一章题目设计与方案论证

1.1设计题目

半导体激光器准直物镜设计

1.1.1题目要求

采用双胶合结构，D/f=1/3;通光口径5mm，半视场角0°，设计波长656nm。

1.2课题分析

1.2.1 ZEMAX的简单介绍】1【

ZEMAX是美国RandantZemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型。是一套综合性的光学设计仿真软件，它不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，它也是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

1.2.2半导体激光器准直物镜的相关参数

D/f=1/3;通光口径5mm，即D为5mm，f为15mm,半视场角0°，设计波长656nm

第二章半导体激光器准直物镜的设计与实现

2.1设定参数

2.1.1通光口径设置

如图2.1.1，在主ZEMAX菜单软件中，选择系统> 通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择5，单位mm。

图2.1.1 通光口径设置

2.1.2视场设定

如图2.1.2，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，x与y的值为(0,0),(0,7.07)和 (0,10)，要求为半视场角为0，故先选用(0,0)。

图2.1.2 视场设定

2.1.3波长设定

如图2.1.3，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长656nm。

图2.1.3 波长设定

2.1.4镜头参数设定

镜头上总共显示三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。根据老师给定的双胶合doublet.ses案例直接修改即可。

图2.1.4 镜头参数设定

2.1.5评价函数设定

如图2.1.5，先设置可变参数，然后创建评价函数]2[EFFL。在ZEMAX主菜单软件中，选择编辑> 优化函数。在弹出的窗口中选择工具 > 默认优化函数，设置如下图。设置时，一定要先点击复位，后点击确定。

图2.1.5 默认优化函数设置

接着修正绩效函数(Merit function)，包括系统焦距的需求。将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL（EFFL:有效焦距，以镜头长度单位表示。它是针对近光轴系统的，对于非近轴系统可能会不准确。）后按Enter。这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(Primary Wavelength)。在第一列的「Wav」栏中键入为1。接着在「Target」栏里

键入15（焦距长，单位mm）并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。如图2.1.6。

图2.1.6 评价函数设置

评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。ZEMAX 使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束和目标。操作数代表的目标如像质，焦距，放大率，和其他一些。这些评价函数与列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权和的平方根成比例。评价函数是这样定义的，所以0 值代表理想状态。优化运算法则将使这些函数值尽可能小，所以评价函数应该是你想系统达到的结果的一种表示。然后，选择工具 > 优化 > 优化在弹出的窗口中执行最终优化，如图2.1.7。

图2.1.7 优化图

第三章仿真结果及相关分析

3.1优化前的性能分析

3.1.1 2D草图

选择分析>草图>2D草图，将出现2D草图LAYOUT。如图3.1.1。

图3.1.1 优化前的2D草图

3.1.2调制传输函数

选择分析>调制传输函数]3[>快速傅里叶变换（FFT MTF），将出现FFT MTF图。选择频率的最大空间频率范围为20HZ。

图3.1.2 优化前的调制传输函数

一般通过光学系统的输出像的对比度总比输入像的对比度要差，这个对比度的变化量与空间频率特性有密切的关系。把输出像与输入像的对比度之比成为调制传递函数（Modulation Transfer Function ，MTF ）。因为输出图像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF 值介于0~1之间。

调制传递函数]4[可用于表示光学系统的特征，MTF 越大，表示系统的成像质量越好。

3.2优化后的性能特性

优化参数包括以下几类:光学特性参数,例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气距离、镜片厚度等等；想质参数，例如畸变、场曲、彗差等等。ZEMAX 将所有这些要求达到的目标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。 优化函数的数学表达式为：

2120t t )((）αασ-∑=F ，其中t σ 为各个优化元的权重系数，