He-Ne激光光束聚焦物镜设计报告资料.docx

He-Ne激光光束聚焦物镜设计报告 设计任务 物距l=∞，视场角ω=0°；焦距f‘=60mm；相对孔径D/f 此镜头只需校正轴上点球差。 几何弥散圆直径小于0.002mm。 镜头结构尽量简单，争取用两块镜片达到要求。 设计过程 （1）单片镜设计 先尝试用一块镜片作物镜，看像差情况如何。采用K9玻璃，折射率n=1.51466。光阑放在透镜的第一面，入瞳直径取30mm，透镜厚度取6mm。加入评价函数TRAY，其他参数设定参见课本P9。优化后的结构图、结构参数、像差曲线和点列图分别如下图所示： 可见，现在的弥散圆直径为毫米量级，还远远满足不了设计要求。我们更换更高折射率的玻璃进行尝试。采用ZF14玻璃，折射率n=1.90914，评价函数和其他参数不变，优化后的结构图、结构参数、像差曲线和点列图分别如下图所示： 由此可见，高折射率玻璃镜片比低折射率玻璃镜片像质好了很多，曲率半径前者比后者大了很多。无论是高折射率玻璃还是低折射率玻璃，优化后当球差处于极小时，其结构形状都是凸面朝向远处的物体，平面朝向近处的像。然而现在的像质距离设计要求还有很大差距，单片玻璃无法满足，因此我们只能采用双片玻璃进行设计。 （2）双片镜设计 采用高折射率单片镜的数据，将其结构一分为二，在中间加一个空气层，增加的两个面曲率半径都取为-60mm，并设两片镜子厚度分别为6mm和5mm。评价函数仍然为TRAY，其他参数设定参见课本P13——P15。优化后的结构图、结构参数、像差曲线和点列图分别如下图所示： 可见，优化后高级球差与初级球差达到了一定的平衡，像质改善了很多，可以进行下一步优化。第二部优化将像距也作为变量，其他设定不变，优化后的结构图、结构参数、像差曲线、点列图及MTF曲线分别如下图所示： 优化后的结果比第一步更好，各项指标均远低于设计要求，这个设计结果可以说已经完成了设计任务。 下面我们改用其他的评价函数进行设计。先用LONA进行尝试，具体参数设定参见课本P19——P20，优化后的结构图、结构参数、像差曲线、点列图和MTF曲线分别如下图所示： 再用TRAC进行优化，具体参数设定参见课本P22，优化后的结构图、结构参数、像差曲线、点列图和MTF曲线分别如下图所示： 两个优化结果表明，从同一个初始结构出发，采用不同的评价函数，最后也有可能获得较优的优化结果。 下边我们采用前组光焦度为负，后组光焦度为正的“负前凸”型双镜进行设计。初始结构折射率仍然为1.90914，四个面的曲率半径分别为50mm，40mm，50mm，-53.927mm，两玻璃厚度都为5mm，空气层厚度为0.2mm。评价函数用TRAY，其他参数设定参见课本P27。优化后的结构图、结构参数、像差曲线、点列图和MTF曲线分别如下图所示： 优化后，像质达到要求，说明采用不同的初始结构，采用相同的评价函数仍有可能获得达到要求的设计。但是此时系统的长度过长，仍需进一步改进。 在评价函数中加入MXCT，目标值设定为10，其他参数不变，优化后的结构图、结构参数、像差曲线、点列图和MTF曲线分别如下图所示： 可见，此时的设计结果在像质仍然十分优良的情况下，系统长度也成功缩短了。 小结 本次设计由单片镜出发，过渡到双镜片形式，尝试了不同的评价函数和初始结构，最后得到的满足设计要求的设计结果也并不只有一组，这充分说明了光学设计的灵活性。我们在以后的设计过程中也不能拘泥于某些条件，应当灵活运用评价函数，多尝试不同的初始结构，也许能获得出乎意料的结果。 刘小翼 201328013907043