He-Ne激光光束聚焦物鏡設(shè)計報告

1、He-Ne激光光束聚焦物鏡設(shè)計報告一 設(shè)計任務（1） 物距l(xiāng)=，視場角=0°；焦距f=60mm；相對孔徑D/f=1/2；工作波長=0.6328m。（2） 此鏡頭只需校正軸上點球差。（3） 幾何彌散圓直徑小于0.002mm。（4） 鏡頭結(jié)構(gòu)盡量簡單，爭取用兩塊鏡片達到要求。二 設(shè)計過程（1）單片鏡設(shè)計先嘗試用一塊鏡片作物鏡，看像差情況如何。采用K9玻璃，折射率n=1.51466。光闌放在透鏡的第一面，入瞳直徑取30mm，透鏡厚度取6mm。加入評價函數(shù)TRAY，其他參數(shù)設(shè)定參見課本P9。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線和點列圖分別如下圖所示：可見，現(xiàn)在的彌散圓直徑為毫米量級，還遠遠滿足

2、不了設(shè)計要求。我們更換更高折射率的玻璃進行嘗試。采用ZF14玻璃，折射率n=1.90914，評價函數(shù)和其他參數(shù)不變，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線和點列圖分別如下圖所示：由此可見，高折射率玻璃鏡片比低折射率玻璃鏡片像質(zhì)好了很多，曲率半徑前者比后者大了很多。無論是高折射率玻璃還是低折射率玻璃，優(yōu)化后當球差處于極小時，其結(jié)構(gòu)形狀都是凸面朝向遠處的物體，平面朝向近處的像。然而現(xiàn)在的像質(zhì)距離設(shè)計要求還有很大差距，單片玻璃無法滿足，因此我們只能采用雙片玻璃進行設(shè)計。（2）雙片鏡設(shè)計采用高折射率單片鏡的數(shù)據(jù)，將其結(jié)構(gòu)一分為二，在中間加一個空氣層，增加的兩個面曲率半徑都取為-60mm，并設(shè)兩片鏡子厚度分

3、別為6mm和5mm。評價函數(shù)仍然為TRAY，其他參數(shù)設(shè)定參見課本P13P15。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線和點列圖分別如下圖所示：可見，優(yōu)化后高級球差與初級球差達到了一定的平衡，像質(zhì)改善了很多，可以進行下一步優(yōu)化。第二部優(yōu)化將像距也作為變量，其他設(shè)定不變，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線、點列圖及MTF曲線分別如下圖所示：優(yōu)化后的結(jié)果比第一步更好，各項指標均遠低于設(shè)計要求，這個設(shè)計結(jié)果可以說已經(jīng)完成了設(shè)計任務。下面我們改用其他的評價函數(shù)進行設(shè)計。先用LONA進行嘗試，具體參數(shù)設(shè)定參見課本P19P20，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線、點列圖和MTF曲線分別如下圖所示：再用TRAC進行

4、優(yōu)化，具體參數(shù)設(shè)定參見課本P22，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線、點列圖和MTF曲線分別如下圖所示：兩個優(yōu)化結(jié)果表明，從同一個初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用不同的評價函數(shù)，最后也有可能獲得較優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。下邊我們采用前組光焦度為負，后組光焦度為正的“負前凸”型雙鏡進行設(shè)計。初始結(jié)構(gòu)折射率仍然為1.90914，四個面的曲率半徑分別為50mm，40mm，50mm，-53.927mm，兩玻璃厚度都為5mm，空氣層厚度為0.2mm。評價函數(shù)用TRAY，其他參數(shù)設(shè)定參見課本P27。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線、點列圖和MTF曲線分別如下圖所示：優(yōu)化后，像質(zhì)達到要求，說明采用不同的初始結(jié)構(gòu)，采用相同的評價函數(shù)仍有可能獲得達到要求的設(shè)計。但是此時系統(tǒng)的長度過長，仍需進一步改進。在評價函數(shù)中加入MXCT，目標值設(shè)定為10，其他參數(shù)不變，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖、結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差曲線、點列圖和MTF曲線分別如下圖所示：可見，此時的設(shè)計結(jié)果在像質(zhì)仍然十分優(yōu)良的情況下，系統(tǒng)長度也成功縮短了。三 小結(jié)本次設(shè)計由單片鏡出發(fā)，過渡到雙鏡片形式，嘗試了不同的評價函數(shù)和初始結(jié)構(gòu)，最后得到的滿足設(shè)計要求的設(shè)計結(jié)果也并不只有一組，這充分說明了光學設(shè)計的靈活性。我們