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。
$,u>, ]QC9y:3 设计要求:
4j|IG/m ?}g^/g ! 对一个单模
光纤出射的
激光进行准直,
波长为632nm,NA=0.15,芯径10um,出射
光束口径为18mm,性能达到衍射极限。
J4?i\wD: )OHGg 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。
mqj]=Fq* qXqGhHoe; 图1 光瞳及边界条件
图2
图3 layout
默认评价函数N次优化后直到跑到软件极限,得如下结果
图4 软件自己优化结果
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,因为我的算法都在它里面实现了,因为它的编程语言C我太熟悉了。
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。
~aPe?{yIUa 图5两块初始薄平板
"hid3"G 首先通过命令getextremelen 1 S1使得第一片的SA3极小,得如下结果
%>'Zy6C<j 图6正元件初级球差极小
a\-AGG{2/X 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
hKnAWKb0 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
-\<\OV:c* 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。
m^%@bu, }#r awVe= 以上,完毕。