半导体激光器准直管物镜设计

常熟理工学院课程设计报告1课程设计报告课程工程光学课程设计题目半导体激光器准直物镜设计学院物理与电子工程学院年级2010专业光电信息工程班级0503101学号0503101学生姓名指导教师职称讲师设计时间2012.12.24~2013.2.24常熟理工学院课程设计报告2设计任务书题目半导体激光器准直物镜设计技术参数采用双胶合结构，D/f=1/3;通光口径5mm，半视场角0°，设计波长656nm建议参考资料1.郁道银，谈恒英.工程光学（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2011.2.毛文炜.光学镜头的优化设计[M].北京：清华大学出版社，2009.3.刘钧，高明.光学设计，西安电子科技大学出版社,20064.迟泽英，陈文建.应用光学与光学设计基础，东南大学出版社,20085.物电学院.课程设计报告规范细则.2012.常熟理工学院课程设计报告3目录1.题目设计与方案论证·····································41.1设计题目················································41.2课题分析················································42.半导体激器准直物镜设计与分析·····························52.1设定参数················································53.仿真结果及相关分析····································93.1优化前的性能分析········································93.2优化后的性能特性········································104.小结与领悟············································16参考文献················································17常熟理工学院课程设计报告4第一章题目设计与方案论证1.1设计题目半导体激光器准直物镜设计1.1.1题目要求采用双胶合结构，D/f=1/3;通光口径5mm，半视场角0°，设计波长656nm。1.2课题分析1.2.1ZEMAX的简单介绍】1【ZEMAX是美国RandantZemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型。是一套综合性的光学设计仿真软件，它不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，它也是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。1.2.2半导体激光器准直物镜的相关参数D/f=1/3;通光口径5mm，即D为5mm，f为15mm,半视场角0°，设计波长656nm常熟理工学院课程设计报告5第二章半导体激光器准直物镜的设计与实现2.1设定参数2.1.1通光口径设置如图2.1.1，在主ZEMAX菜单软件中，选择系统通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择5，单位mm。图2.1.1通光口径设置2.1.2视场设定如图2.1.2，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，x与y的值为(0,0),(0,7.07)和(0,10)，要求为半视场角为0，故先选用(0,0)。常熟理工学院课程设计报告6图2.1.2视场设定2.1.3波长设定如图2.1.3，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长656nm。图2.1.3波长设定常熟理工学院课程设计报告72.1.4镜头参数设定镜头上总共显示三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。根据老师给定的双胶合doublet.ses案例直接修改即可。图2.1.4镜头参数设定2.1.5评价函数设定如图2.1.5，先设置可变参数，然后创建评价函数]2[EFFL。在ZEMAX主菜单软件中，选择编辑优化函数。在弹出的窗口中选择工具默认优化函数，设置如下图。设置时，一定要先点击复位，后点击确定。图2.1.5默认优化函数设置接着修正绩效函数(Meritfunction)，包括系统焦距的需求。将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL（EFFL:有效焦距，以镜头长度单位表示。它是针对近光轴系统的，对于非近轴系统可能会不准确。）后按Enter。这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(PrimaryWavelength)。在第一列的「Wav」栏中键入为1。接着在「Target」栏里常熟理工学院课程设计报告8键入15（焦距长，单位mm）并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。如图2.1.6。图2.1.6评价函数设置评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。ZEMAX使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束和目标。操作数代表的目标如像质，焦距，放大率，和其他一些。这些评价函数与列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权和的平方根成比例。评价函数是这样定义的，所以0值代表理想状态。优化运算法则将使这些函数值尽可能小，所以评价函数应该是你想系统达到的结果的一种表示。然后，选择工具优化优化在弹出的窗口中执行最终优化，如图2.1.7。图2.1.7优化图常熟理工学院课程设计报告9第三章仿真结果及相关分析3.1优化前的性能分析3.1.12D草图选择分析草图2D草图，将出现2D草图LAYOUT。如图3.1.1。图3.1.1优化前的2D草图3.1.2调制传输函数选择分析调制传输函数]3[快速傅里叶变换（FFTMTF），将出现FFTMTF图。选择频率的最大空间频率范围为20HZ。常熟理工学院课程设计报告10图3.1.2优化前的调制传输函数一般通过光学系统的输出像的对比度总比输入像的对比度要差，这个对比度的变化量与空间频率特性有密切的关系。把输出像与输入像的对比度之比成为调制传递函数（ModulationTransferFunction，MTF）。因为输出图像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF值介于0~1之间。调制传递函数]4[可用于表示光学系统的特征，MTF越大，表示系统的成像质量越好。3.2优化后的性能特性优化参数包括以下几类:光学特性参数,例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气距离、镜片厚度等等；想质参数，例如畸变、场曲、彗差等等。ZEMAX将所有这些要求达到的目标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。优化函数的数学表达式为：2120tt)((）F，其中t为各个优化元的权重系数，常熟理工学院课程设计报告11t为系统结构参数光学追迹出来的各个优化元，例如焦距、畸变、彗差等等，为该优化元的目标值。优化过程有局部优化和全局优化两种。3.2.12D草图图3.2.1优化后的2D草图3.2.2调制传输函数调制传输函数的目的在于计算所有视场位置的衍射调制传递函数。本功能包括衍射调制传递函数（DMTF），衍射实部传递函数（DRTF），衍射虚部传递函数（DITF），衍射相位传递函数（DPTF），方波传递函数（DSWM）。常熟理工学院课程设计报告12图3.2.2优化后的调制传输函数定义调制传递函数]5[MTF为：横坐标表示空间频率，纵坐标表示一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。MTF曲线截止频率越大越好，曲线越高表明成像质量越好。很明显由优化之后的调制传输函数的截止频率比优化之前都大大提高了，表明成像质量大大提高。MTF值不但可以反映镜头的反差，也可以反映镜头的分辨率。当空间频率很低时，MTF趋于1，这时的MTF值可以反映镜头的反差。这种测定光学频率的方式是以一个mm的范围内能呈现出多少条线来度量，其单位以line/mm来表示。3.3.1调制后的镜头参数图3.3.1优化后的镜头参数常熟理工学院课程设计报告133.3.2纵向像差]6[在ZEMAX的分析菜单中有“longitudinalaberration”项目，实际上就是“轴上点的球差分析”，也就是“纵向像差”。在这个分析图中，纵轴是“光瞳”，横轴是“像差”值。轴上点的球差即为实际像点与理想像点的位置之差。不同孔径角的光线交于轴上不同点处，相对于理想像点的位置有不同的偏离。图3.3.2优化后的纵向像差3.3.3系统数据常熟理工学院课程设计报告14图3.3.3优化后的系统数据常熟理工学院课程设计报告153.3.4光学系统结构图图3.3.4优化后的光学系统结构图常熟理工学院课程设计报告16第四章小结与领悟对于本次课程设计的完成，较之于之前的课程设计，是有一定难度的。老师给我们定的要求是完全按照毕业论文的要求来的，所以说通过这次课程设计我们已经掌握了我们即将面临的毕业论文所要求的基本格式。每次课程设计都会涉及新的学术软件，但ZEMAX却复杂许多，很惭愧地说，尽管我们完成了本次课程设计但对于ZEMAX我只是学了一点皮毛而已。寒假之初，因为个人忧患意识比较强，不放心自己回去完成，所以和小组同学在实验室呆了三天。在实验室的三天给我所带来的收获是巨大的，让我从一窍不通到基本熟悉并知道如何完成它。记得第一天我连通光口径都不知道在哪里设置，D/f都不知道有何意义，通过老师的帮助才得知自己的愚昧。通过学习ZEMAX教程和相关的书籍，我们一步步的进行参数设定并优化。只掌握课本上的知识是没用的，我的光学成绩还算可以可在课程设计时却无从下手，一些再基础不过的知识都要重新打开课本来学习，起初我很懊恼，懊恼自己的学术不精，懊恼自己没有好好学习，所以说考试成绩永远都是不真实的，不能代表你的知识掌握水平，会考试却不懂得学习不懂得专研的大学也注定是白上的。只恨自己领悟的太晚，大学都已过大半，想想真可谓多么痛的领悟。不去后悔了，毕竟大学的专业知识也才开始，好好把握还来得及。说点关于课程设计的吧，得到调制传输函数MTF并不难，轻松点击一下便会出现，可调制传输函数究竟是什么意思有什么意义却是我们需要弄清楚的。百度后得知函数的横坐标表示空间频率，纵坐标表示一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。MTF曲线截止频率越大越好，曲线越高表明成像质量越好。关于课程设计的认识我是有千言万语的，因为我开始就等于一个白痴。在这里就不一一述说了。在这里感谢郭老师的班助，感谢那些在实验室给予过我帮助的同学，谢谢你们。常熟理工学院课程设计报告17参考文献【1】毛文炜.《光学镜头的优化设计》[M].北京：清华大学出版社，2009.【2】迟泽英,陈文建.《应用光学与光学设计基础》[M].南京：东南大学出版社，2008.【3】袁旭沧.《光学设计》[M].湖北：科技出版社，1983.【4】刘钧，高明.《光学设计》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.【5】李晓彤，岑兆丰.《几何光学像差光学设计》[M].浙江：浙江大学出版社，2003.【6】郁道银，谈恒英.《工程光学第三版》[M].北京:机械工业出版社，2011.常熟理工学院课程设计报告18课程设计独创性声明：本人声明，所呈交的课程设计在导师指导下小组四人合作、独立完成的研究成果。设计报告中依法引用他人的成果，对本设计的研究作出