双分离物镜设计

湖南工程学院

课程设计

课程名称光电设计

课题名称双分离物镜设计

专业

班级

学号

姓名

指导教师刘建

2010年06月6日

一．光学概述

光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。系统设计及其仿真

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的

学科。1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等

二．ZMAX简介

ZEMAX提供了十分强大的优化功能，他有能力去改善那些给出一个合理的起始点和一系列的镜头设计。参变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特殊数据，和一些多种结构的数值数据。ZEMAX使用了活动的阻尼最小二乘法，这个运算则能够优化有加了权重的目标组成的评价函数，这些目标被称为“操作数”。ZEMAX有一些不同的默认评价函数，在评价函数编辑界面中可以很容易的改变这些评价函数。

优化需要三个步骤：1）一个可以进行光线追迹的合理光学系统；2）变量的设定；3）评价函数的设定。合理的光学系统是个比较模糊的概念，它仅仅意味着通过优化运算则将一个缺乏考虑的设计方案转化成一个特殊的方案是不可能的。变量和那些为了优化运算则能去的一些进展而至少有一个的因素。

三．系统设计及其仿真

1.基本参数设置

按照系统设计所需要达到的参数要求，可以将双分离物镜的参数初步设计为：

Radius thickness glass

OBJ infinity infinity

Sto infinity 0

2 60.48 4.5 BAK1

3 -44.53 0.2

4 -44.53 2 F3

5 -153.19 100

IMA infinity

由于系统对像空间的要求为：F/﹟=4，所以我们将2号镜片的Radius上点击鼠标右键在弹出的对话框中将F值设为4。设置过程和设置后参数变化如下图所示

2波长设置

系统要求的波长为0.6328um。点击菜单栏下方的Wav，在下拉菜单中选择需要的波长后单击Select，即可获得所需的波长。

操作后可得如下结果：

3入瞳直径设置

首先根据设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4。由公式：

得物方孔径EPD约等于25。我们可以通过以下步骤实现此操作：

单击菜单下方的Gen/Aperture/

Aperture Type: Entrance Pupil Diameter

Aperture Value: 25

操作结果如下：

4 视场设定

在菜单栏下方的Fie/Angle中，我们可以对系统视场进行设置，这样有利于我们更好的观察设计结果。在这里将视场设置为：（0，0）（0，3.5）（0，5）

结果如下图所示：

5 优化前系统性能分析

我们首先对未优化前的双分离物镜进行性能分析，从而寻找需要改进的部分。

1>二维图2D layout

单击菜单栏下方的Lay可以得到以下图像：

2> 波像图OPD Fan

单击菜单栏下方的OPD可以得到如下图像：

3>点列图Spot Diagram

单击菜单栏下方的Spt可以得到如下图像：