He-Ne激光光束聚焦物鏡設(shè)計(jì)報(bào)告

1、He-Ne激光光束聚焦物鏡設(shè)計(jì)報(bào)告一 設(shè)計(jì)任務(wù)（1） 物距l(xiāng)=，視場(chǎng)角=0°；焦距f=60mm；相對(duì)孔徑D/f=1/2；工作波長(zhǎng)=0.6328m。（2） 此鏡頭只需校正軸上點(diǎn)球差。（3） 幾何彌散圓直徑小于0.002mm。（4） 鏡頭結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，爭(zhēng)取用兩塊鏡片達(dá)到要求。二 設(shè)計(jì)過程（1）單片鏡設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)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(diǎn)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(jí)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足

2、不了設(shè)計(jì)要求。我們更換更高折射率的玻璃進(jìn)行嘗試。采用ZF14玻璃，折射率n=1.90914，評(píng)價(jià)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(diǎn)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(wú)論是高折射率玻璃還是低折射率玻璃，優(yōu)化后當(dāng)球差處于極小時(shí)，其結(jié)構(gòu)形狀都是凸面朝向遠(yuǎn)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(jì)要求還有很大差距，單片玻璃無(wú)法滿足，因此我們只能采用雙片玻璃進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）雙片鏡設(shè)計(jì)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(gè)空氣層，增加的兩個(gè)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(píng)價(jià)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(diǎn)列圖分別如下圖所示：可見，優(yōu)化后高級(jí)球差與初級(jí)球差達(dá)到了一定的平衡，像質(zhì)改善了很多，可以進(jìn)行下一步優(yōu)化。第二部?jī)?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(diǎn)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(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果可以說已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。下面我們改用其他的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。先用LONA進(jìn)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(diǎn)列圖和MTF曲線分別如下圖所示：再用TRAC進(jìn)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(diǎn)列圖和MTF曲線分別如下圖所示：兩個(gè)優(yōu)化結(jié)果表明，從同一個(gè)初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用不同的評(píng)價(jià)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(fù)，后組光焦度為正的“負(fù)前凸”型雙鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。初始結(jié)構(gòu)折射率仍然為1.90914，四個(gè)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(píng)價(jià)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(diǎn)列圖和MTF曲線分別如下圖所示：優(yōu)化后，像質(zhì)達(dá)到要求，說明采用不同的初始結(jié)構(gòu)，采用相同的評(píng)價(jià)函數(shù)仍有可能獲得達(dá)到要求的設(shè)計(jì)。但是此時(shí)系統(tǒng)的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。在評(píng)價(jià)函數(shù)中加入MXCT，目標(biāo)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(diǎn)列圖和MTF曲線分別如下圖所示：可見，此時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果在像質(zhì)仍然十分優(yōu)良的情況下，系統(tǒng)長(zhǎng)度也成功縮短了。三 小結(jié)本次設(shè)計(jì)由單片鏡出發(fā)，過渡到雙鏡片形式，嘗試了不同的評(píng)價(jià)函數(shù)和初始結(jié)構(gòu)，最后得到的滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果也并不只有一組，這充分說明了光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性。我們