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表 5.1初始结构参数
第五章 现代光学系统设计
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在线管理系统现在，激光光束聚焦物镜广泛应用于激光加工、影碟机、光盘、激光打印机等。此类透镜是小F 数、小视场、单波的简单光学系统，很容易达到衍射极限。
5.1.1镜头设计指标和初始结构
具体设计要求：
1）镜头物距l =∞，视场角0ω=︒，焦距'60f =㎜，相对孔径/'1/2D f =，工作波长0.6328m λμ=；
2）镜头只需要校正轴上点球差；
3）几何弥散斑直径小于0.002㎜；
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初始结构参数见表5.1所列，其光线扇形图、点列图和轴向球差如图5.1、图5.2和图
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5. 3所示。从图5.1可以看出像质很差。在点列图上，弥散斑直径远远超过设计要求。系统的球差主要表现为初级球差，数值较大，需要校正像差。
图5.1 光线扇形图 图5.2 点列图
图5. 3 轴向球差图
ZEMAX的优化方法有三种：局部优化、全局优化和锤形优化。局部优化可以到极小值但不是最小值。全局优化是搜索一个很有前途的设计形式，它不能产生最终的设计方案。锤形优化将用尽一切方法搜寻一个最佳方案。ZEMAX的优化功能需要三个步骤：第一要有一个可以进行光线追迹的合理光学系统；第二要设定变量；第三要设定评价函数。ZEMAX 可以参与优化的变量是曲率、厚度、玻璃、圆锥系数、参数数据、特殊数据和一些多重结构的数值数据。默认的优化函数在优化过程中具有较好的优化效果。它的优化类型有RMS(均方根)和PTV（波峰到波谷）。RMS类型最为广泛使用。
本例的参数状态设置是将前三个半径设置为变量，把两片间的空气间隔设置为变量。让最后一个半径保证镜头的焦距。用边缘光线高度保证成像面在理想像平面上。设置如下图5. 4所示。
图5. 4 优化参数状态设置
评价函数用默认评价函数RMS+Wavefront+centroid。玻璃最小厚度设为4，最大厚度设为6，边缘厚度设为4；空气间隔最小设为8，最大厚度设为60，边缘厚度设为4。根据激光聚焦系统的特性，要控制的像差主要是球差，因此用操作数LONA控制不同孔径的球差。如图5.5所示。
图5. 5 评价函数中的操作数
点击局部优化中的自动优化。当优化结束后，可以看出弥散光斑的直径明显减小。通过
μ，小增加权重数值，经过几次优化后从图5.6可以看出弥散光斑的均方根半径为0.954m
μ，说明聚焦很好。本例镜头的MTF值如图5.7所示，由图看出于要求的弥散斑半径1m
MTF曲线所围得面积很大；空间频率为200时，MTF值大于0.6，说明聚焦情况很好。结构图如图5.8。
图5.6 优化后的点列图
图5.7 优化后的MTF曲线
图 5.8 激光聚焦物镜结构
图
5.2 f-theta 镜头设计
在激光扫描系统中，f-theta 镜头被广泛使用。所谓f-theta 镜头就是经过严格设计使像高和扫描角度满足关系式H f θ=•的镜头，也称为线性镜头。由于扫描的方式不同，对这类镜头的要求也有所不同。常用的扫描方式有两种：透镜前扫描和透镜后扫描。透镜前扫描就是扫描器位于聚焦透镜前面，将激光器发出的激光束扫描后射到聚焦透镜上，通过聚焦透镜的作用，在其焦平面上形成一聚焦的扫描直线，将扫描器的转动变换为焦平面上焦点的直线运动。因此要求聚焦透镜是一个大视场，小相对孔径的物镜。透镜后扫描，就是扫描器位于透镜的后面，由激光器发出的激光束通过聚焦透镜将光束聚焦，而在透镜与焦点间加一扫描器，扫描器的转动将使焦点作圆弧运动。这类透镜通常是小视场，小相对孔径的物镜。f-theta 镜头与普通选镜的区别见图5.9所示，图中比较f-theta 镜头与普通透镜的H 与θ之间的关系，随着θ的增大，两者之间的差别越来越明显，在线性地保持扫描角度和扫描位置关系方面，f-theta 镜头起到了重要的作用。本质上镜头通过引入桶形畸变，使得像高线性正比于扫描角。随着工作面积的增大，设计f-theta 镜头的关键是要在大的像平面内获得高质量的平场像点。 5.2.1镜头设计指标和初始结构
具体设计要求：
1）镜头物距l =∞，视场角250ω=︒，焦距'300f =㎜，入瞳直径10㎜，工作波长1.064m λμ=；
2）孔径光阑距离f-theta 镜头不小于25㎜；
3）相对畸变小于0.5%（f-θ像面）；
初始结构如表5.2所列。其点列图，球差曲线，场曲、畸变曲线如图5.10、图5.11和图5.12所示。从图可以看出弥散斑没有达到衍射极限，球差大，场曲、畸变大。
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图5.9 f-theta 镜头与普通透镜的区别
表5.2 初始结构参数
图5.10 点列图
图5.11 球差曲线图
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