Zemax光学设计(十三) —— He-Ne激光光束聚焦物镜

光学设计中优化思路

设计需求

物距：∞ 、视场角：0°、焦距：60 mm、相对孔径：1/2 、工作波长0.6328 μm

此镜头只需校正轴上点球差；

几何弥散圆直径小于 0.002 mm；

争取用两块镜头达到要求。

初步分析

      分别使用高折射率和低折射率单片镜头进行分析，高折射率单片镜头比低折射率像质好，且弥散圆半径减小，横向球差下降。

      单片镜头只有一个变量，即只有一个半径可用于校正球差，而另一个半径用于保证镜头焦距要求，所以改进方法只能采用分裂镜头。分裂镜头增加了变量数目，从像差理论看，将原先由一片负担的光线偏向角变为由两片共同承担，可以减小单独一片产生的像差。另外，两片间的空气间隔是减小高级球差的内因，因此也将它作为变量。

双片结构可以采取不同的光焦度分配，每片的透镜形状也可以采取多种多样：

      1、正光焦度在前，负光焦度在后，前片较凸朝向远物，’正前凸”

      2、负光焦度在前，正光焦度在后，前片凸面朝向远物，“负前凸”

      3、负光焦度在前，正光焦度在后，前面凹面朝向远物，‘负前凹“

“正前凸”型

      构造的初步想法是以单片高折射率材料ZF14为基础，中间划出半径为 -60 mm 的球面，将单片划为双片，取两片的厚度分别为 6mm 和 5mm，该双片本质上与单片相同，差别在中心厚度。

 第一步优化

       令前三个折射面半径，以及两块透镜间的空气间隔作为变量。评价函数采用0.3、0.5、0.7、0.85和全孔径横向球差“TRAY‘。

      将两块透镜间的空气间隔作为变量，可以减小各级球差并让各级球差达到平衡。

        由下图可以看出，高级球差与初级球差已达到一定平衡，

第二步优化

       进一步优化将像距作为变量，即将离焦量作为变量。

         也可以使用”LONA“或”TRAC’进行优化。

“负前凸”型

         前组光焦度为负，后组光焦度为正，前组形状凸-凹形，且凸面朝向物体。

 构造初始结构：

        使用与“正前凸”一样的评价函数，并加上一条限制间隔厚度最大值的语句“MXCT”，优化如下：

 “负前凹”型

   优化步骤：先优化片2曲率半径，再优化片1曲率半径，再整体优化。

  优化后：