这里想展示一个如何用初级像差设计物镜头的一个过程,PWC 方法结合现代设计软件和其强大的编程能力,其潜力可能超过很多人的想象。下面这个设计非常简单,但是只靠软件那也是白搭。 设计要求: 对一个单模光纤出射的激光进行准直,波长为632.8nm ,NA=0.15 ,芯径10um ,出射光束口径为18mm ,性能达到衍射极限 其实这就是实现一个焦距为60mm的聚焦镜头;大家都知道,对于单片透镜是无法矫正球差,对于这个案例,至少需要2片;尽管这个设计很简单,但如果完全交个软件做,看它会产生什么结果,用收敛速度最快的CodeV实验下,直接对2块BK7平板进行优化,控制系统总长在80mm以内。
图1光瞳及边界条件
图2layout 默认评价函数N次优化后得如下结果,直到跑到软件极限 图3 图4多次优化后得结果 从结果来看,软件还是很傻的,这么多变量,竟然一个初级球差都矫正不了,当然有很多手段稍微添加点约束,就可以领软件跑向康庄大道直奔目标;下面我们用OSLO 展示下如何在短短几分钟之内,如何快速利用初级像差理论快速完成这个设计,为什么用OSLO 呢,因为它的编程语言C 太强大了,我们的算法都在它里面实现了,
还是从2块平板出发,系统NA为0.15,我们约束第一块透镜的第一近轴出射角度为-0.22,这样的目的很明确,第二片负透镜就是用来补偿第一片的欠矫正球差,此为+-结构,为什么不采用-+结构,因为这样对于物方无穷远的负透镜来说,要贡献足够量的过矫正球差,其透镜形状会弯曲的很厉害,这种结构尽量避免,但要为了增大后工作距离就另当别论了。 图5两块初始薄平板 首先通过命令getextremelen 1 S1使得第一片的SA3极小,得如下结果 图6正元件初级球差极小 由图6可见,效果还是相当明显的,下面再来补偿其剩余初级球差,贡献同样量的过矫正球差,负透镜一般会有两种结构,我们选择曲率半径比较大的,如下图 图7矫正初级球差 经过上面简单的两步,我们已经得到了很不错的初始结构,由上图明显看出系统的高级球差,为了效率起见,下面直接用软件的默认评价函数对其进行综合优化,即将所谓的像差平衡交给软件去搞,并使薄透镜变为实际的厚透镜,得如下结果。 图8综合优化后 衍射极限的结果就这么出来了,但该设计的公差肯定也比较紧,为了让负透镜能贡献足够的过矫正量,正透镜承担的光焦度比较大了,可以对这片透镜进行分裂来放松公差,以这为基础,下面就很easy了。
以上,完毕。
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