LD快轴准直透镜FAC

1

LD 快轴准直透镜FAC: 从初级像差设计到ZEMAX 建模

以某公司的LD 快轴准直透镜为例说明其光学设计主要步骤，所用的方法为初级像差设计+zemax 建模. 初级像差方法的技术细节，可参考任一光设经典书籍。zemax 建模仅涵盖性能评估+优化+应用，制造分析如公差+出图在此不予讨论。

希望对各位有所帮助。(zemax 版本为

2005)

图中所选为感兴趣的LD 快轴准直透镜，设计步骤：先是用倒描光路方法进行初级像差设计和zemax 序列模式建模及优化， 然后是zemax 非序列模式应用举例。

1， 已知参数：

• 平凸柱面镜：非球面面型

• Wave=808nm

• NA=0.5， EFL=0.9mm ， BFL=0.09mm ，W=1.5mm ， H=1.5mm

• N-LaF21, n=1.77584@808nm

• LD 快轴发散角FWHM=35°

• HB/XB 级别质量：准直光束85%/90%能量角度θ=+/-1mrad (+/-0.0573°).

2

2， 高斯光学计算：

• LD 1/e^2发散角=35°*0.85=29.75°=0.52rad, 束腰直径=2*0.808/(3.1416*0.52)=1um;

视场角0.06°，典型大口径小视场光学系统，轴上球差是主要的像差.

• 焦面弥散斑最大允许直径：δ= EFL*2θ=1.8um ------系统性能评估目标；

• 凸面曲率半径R1=(n-1)*EFL=0.6983mm, 厚度d=1.5 mm------系统初始结构参数； • BFL=EFL-d/n=0.055.

• NA=0.5, F#=1, h1=0.45, u1=0.5,

h2=h1-d*u1/n=0.45-1.5*0.5/1.77584=0.028, 可见h2非常小.

3， 初级像差设计:

• 整体透镜可视为一凸平薄透镜 + 厚度d1.5 mm 玻璃平板的组合；

• 如考虑到凸面面型为球面, 透镜的球差系数S=S1+S2

S1=h1*P 为平凸薄透镜球差系数, S2=-(n^2-1)/n^3*d*u1^4为玻璃平板球差系数. 透镜弯曲Q=-1, 所以P=1.21, S1=0.068, S2=-0.036, S=0.032.

如若用非球面来校正轴上球差, 则可计算凸面的一阶非球面系数conic:

conic=-e^2=S*R1^3/((1-n)*h1^4)=-0.3424

• 综上, 可得到该快轴准直透镜的系统参数及初始结构参数:

F#=1, Wave=808nm, FOV=0

面1: R0.698, d1.5, n1.77584, conic=-0.3424

面2: R0, d0.055

3

4， Zemax 序列模式建模评估及优化:

• Zemax 序列模式中输入以上数据, 将第一面设成球面, 计算初级球差系数为0.31997,

与初级像差分析结果附和. 点列图RMS 约

27um.

• 将第一面conic 设为-0.3424, 计算初级球差系数为-0.000001. 其点列图RMS 约0.6um,

已经满足小于系统衍射限及焦面弥散斑 最大允许直径的设计要求

.

• 将第一面R, conic 设为变量, EFFL 及6x6wavefront RMS 设为评价函数进行优化。下

图是优化的结果之一, 初级球差系数为-0.000492. 其点列图RMS 约0.24um. 负的初

级球差用以补偿高级球差, 有兴趣的朋友可以自己分析琢磨.

可以看出, 就设计该LD-FAC 而言, Zemax 这一典型现代光设软件优化结果与用传统初级像差方法设计的初始结构之间的差别是很小的。

4

5， Zemax 非序列模式LD_FAC 应用举例:

• 典型LD 参数: ARRAY 19X1, 间隔0.5mm, Wave=808nm, LD 快轴发散角FWHM=35°, LD

慢轴发散角FWHM=11°, 1百万条光线.

• FAC: biconic, Ry2=0.69815, d1.5, n1.77584, Ky2=-0.34757, 高1.5, 长12, AR 膜I=0.98; • 准直光束~92%能量角度

θ=+/-0.04°.

6， 各位的反馈将对技术交流起非常大的作用, 期待论坛中的同好得到更优化的结果. 如需要以

上zemax 文件,请告知.

MANG2004, 201005