现代光学设计报告

一、 绪论

本文利用Zmax程序优化设计一个He-Ne激光光束聚焦物镜，它在单色光波长下工作，成像质量要达到衍射受限水平。设计过程中，先用具体的计算结果初步讨论玻璃的选择和透镜片数的考虑，然后选择不同的评价函数，以及不同的初始结构，最终找到多个像质较优的解。

具体设计任务的要求如下： ①焦距f’=60mm； ②相对孔径

D1?； f'2③物距l??，视场角??0?； ④工作波长??0.6328?m；

⑤此镜头只需要消球差，几何弥散圆直径小于0.002mm； ⑥镜头结构尽量简单，争取用两块镜片达到要求。

二、 镜头片数及玻璃选择的考虑和初步分析

1、单片低折射率材料的情况

先看看单片低折射率材料物镜它的像质是什么样的， 选一个普通的K9，折射率n=1.51466 ，利用Zemax程序设计一个焦距f’=60mm，相对孔径

D1?，视场角f'2??0?的激光光束物镜，光阑放在透镜的第一面，入瞳直径为30mm，物镜初始结构

可以由公式

111?(n?1)(?)计算得出，可以取一个对称结构即r1??r2，可以得到f'r1r2物镜半径为61.7592mm。取第一个面半径为变量，第二个面半径用来保证焦距为60mm（图2-1）。评价函数选用“TRAY”，指定为0.3、0.5、0.7、0.85以及全孔径（图2-2）。

图2-1 低折射率材料物镜初始结构参数

现代光学设计

图2-2 选用TRAY评价函数

我们先看看初始像差数据，由图2-3可以看出，初始像差很大，需要优化。

图 2-3 低折射率材料物镜初始像差曲线

优化后得到相应的结构数据、像差曲线和点列图分别由下面的图表示。

图2-4 单片低折射率物镜优化后的结构数据

1

现代光学设计

图2-5 低折射率材料物镜优化后的像差曲线

2

现代光学设计

图 2-6 低折射率材料物镜优化后的点列图

可以看到低折射率单片优化后的球差和弥散圆直径依然在毫米级，这与要求相差太远，我们再考虑其他材料。 2、单片高折射率材料的情况

换用一种较高折射率的玻璃，看看它的像差情况，选用ZF14，这是一种高折射率材料，通过查找光学设计手册，可以查到He-Ne激光在ZF14玻璃中的折射率为1.90914。依然利用公式

111?(n?1)(?)，可计算出对称结构的物镜球面的半径，f'r1r2此时，初始结构半径为109.0968mm，依然采用第一个面半径为变量，第二个面半径来保证焦距为60mm（如图2-7），不改变评价函数，看一下高折射率材料能不能通过优化得到一个理想的结果。

3

现代光学设计

图2-7 高折射率材料初始结构数据

优化后结构参数如图2-8所示，再来看一下像质优化情况，由像差曲线（图2-9）和点列图（图2-10），可以看到最大像差减少到1000μm，点列图直径也减少到496μm，相比于低折射率材料的物镜优化后的结果，要少了一倍，因此可以看出，高折射率材料优化后的像质更好，但是依然离要求的结果相差太远。需要考虑其他结构，将一片改为双片结构再进行分析优化。

图2-8 高折射率材料物镜优化后的结构参数

图2-9 高折射率材料物镜优化后的像差曲线

4

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/toad.html