zemax自聚焦透鏡設(shè)計(jì)

1、目錄摘要IAbstractII緒論11 自聚焦透鏡簡(jiǎn)介21.1自聚焦透鏡21.2 自聚焦透鏡的特點(diǎn)21.3 自聚焦透鏡的主要參數(shù)32 自聚焦透鏡的應(yīng)用42.1 聚焦和準(zhǔn)直42.2 光耦合52.3 單透鏡成像62.4 自聚焦透鏡陣列成像63 球面自聚焦透鏡設(shè)計(jì)仿真73.1 確定透鏡模型73.2 設(shè)置波長(zhǎng)73.3數(shù)值孔徑設(shè)定83.4 自聚焦透鏡光路84 優(yōu)化參數(shù)94.1光線相差分析94.2聚焦光斑分析104.3 3D模型10結(jié)束語(yǔ)11致 謝12參考文獻(xiàn)13摘要本文主要說(shuō)明應(yīng)用梯度折射率對(duì)光傳播的影響分析設(shè)計(jì)自聚焦透鏡（GRIN lens），自聚焦透鏡主要應(yīng)用于光纖傳輸系統(tǒng)中。自聚焦透鏡同普通透鏡的

2、區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。利用此特性，G-lens在光纖傳輸系統(tǒng)中是構(gòu)成準(zhǔn)直、耦合、成像系統(tǒng)的主要部分。而它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)更適用于小型光學(xué)器材中，例如窺鏡系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：梯度折射率，自聚焦，光耦合，準(zhǔn)直Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (

3、GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribu

4、tion to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging systems main part. But its structure is s

5、imple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation 緒論自聚焦透鏡體積小，重量輕，具有準(zhǔn)直和聚焦作用，且耦合效率高。由雙透鏡組成的準(zhǔn)直聚焦耦合系統(tǒng)中可以有較大間隙以插入濾波片、衰減片等來(lái)構(gòu)成多種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的無(wú)源器件，所以在光纖通信系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于這種GRIN棒內(nèi)部的折射率變

6、化可以調(diào)節(jié)，當(dāng)它用于復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，可以減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量,在某些場(chǎng)合可以代替非球面光學(xué)元件。此外這種光學(xué)元件的幾何形狀簡(jiǎn)單,容易進(jìn)行光學(xué)加工,且使用這種光學(xué)元件的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此GRIN棒透鏡已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，尤其是在光纖通信領(lǐng)域中。其中自聚焦透鏡用于光纖之間的連接、隔離、定向耦合，波分復(fù)用、解復(fù)用器件以及光開(kāi)關(guān)等顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。ZEMAX是美國(guó)Focus Software Inc.所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運(yùn)算Seqential

7、及Non-Seqential的軟件。ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。ZEMAX 不只是透鏡設(shè)計(jì)軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件， 具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)。1 自聚焦透鏡簡(jiǎn)介1.1自聚焦透鏡漸變折射率材料有徑向漸變和軸向漸變折射率材料，自聚焦透鏡是使用徑向漸變折射率材料制成的透鏡，其折射率分布式沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有準(zhǔn)直、聚焦和成像功能1。隨著人們對(duì)于信息需求量的日益增加，光纖通信系統(tǒng)正以日新月異的速度迅速發(fā)展，有兩類光纖通信系統(tǒng)備受人們青睞，一類是長(zhǎng)途干線光纖通信系統(tǒng)；另一類是局域

8、網(wǎng)和用戶回路光纖通信系統(tǒng)。在光纖局域網(wǎng)和用戶回路通信系統(tǒng)中，需要用到大量的光無(wú)源及有源器件，例如：光耦合器、波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)和光收發(fā)器件等等。這些器件無(wú)一例外使用了自聚焦透鏡。1.2 自聚焦透鏡的特點(diǎn) 光線在空氣中傳播當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過(guò)控制透鏡表面的曲率，從而完成聚焦和成像功能的。自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料不僅能夠使沿徑向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，而且其沿徑向逐漸減小的折射率分布，能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)2。它們的光路如圖1.1所示。圖1.1 普通透鏡和自聚焦透鏡光路自聚焦透鏡利用了梯度變折射率分布沿徑向逐

9、漸減小的變化特征3，其折射率變化由公式1表述。其折射率分布曲線見(jiàn)圖1.2。 （1）公式（1）中：表示自聚焦透鏡的中心折射率 表示自聚焦透鏡的直徑 表示自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)圖1.2 自聚焦透鏡折射率分布曲線1.3 自聚焦透鏡的主要參數(shù)截距P在自聚焦透鏡中光束是沿正弦軌跡傳播，完成一個(gè)正弦波周期的長(zhǎng)度即成為一個(gè)截距P。長(zhǎng)度Z自聚焦透鏡的長(zhǎng)度為透鏡兩端面軸心間的距離。折射率分布常數(shù)自聚焦透鏡的折射率沿徑向分布常數(shù)。在此可以是A或。數(shù)值孔徑孔徑NA有兩種表示方式，如公式（2）所示。 （2）公式（2）中：表示自聚焦透鏡的中心折射率 表示入射光所在介質(zhì)的折射率 表示入射光線的最大孔徑角2 自聚焦透鏡

10、的應(yīng)用由于自聚焦透鏡具有端面聚焦及成像特性，以及圓柱狀的外形特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用在多種不同的微型光學(xué)系統(tǒng)中，自聚焦透鏡的主要功能有聚焦、準(zhǔn)直和成像。2.1 聚焦和準(zhǔn)直穿透透鏡在聚焦時(shí)存在著結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺點(diǎn)（如圖1.2.1所示），但自聚焦透鏡在聚焦時(shí)克服了這些缺點(diǎn)。根據(jù)自聚焦透鏡的傳光原理，對(duì)于Z=1/4P截距的自聚焦透鏡，當(dāng)從一端面輸入是一束平行光時(shí)，經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡后光線匯聚在另一端面上，由球差理論可得自聚焦透鏡聚焦點(diǎn)光斑的尺寸公式為： （3）公式（3）中：為焦點(diǎn)處光斑的半徑 為數(shù)值孔徑 為焦距 為軸上的折射率準(zhǔn)直是聚焦功能的逆向運(yùn)用。根據(jù)自聚焦透鏡的傳光原

11、理，對(duì)于Z=1/4P截距的自聚焦透鏡，當(dāng)匯聚光從自聚焦透鏡一端面輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡后會(huì)轉(zhuǎn)變成平行光線，自聚焦透鏡的這一準(zhǔn)直功能如圖2.1所示。圖2.1 自聚焦透鏡準(zhǔn)直應(yīng)用2.2 光耦合由于自聚焦透鏡可以通過(guò)水平端面完成聚焦功能，加之其簡(jiǎn)單圓柱外形，使得其在進(jìn)行光能量鏈接及轉(zhuǎn)換中有著很廣泛的用途，自聚焦透鏡的這種聚焦功能使其能夠應(yīng)用于多種光耦合場(chǎng)所，例如：光纖和光源（如圖2.2所示）、光纖和光電探測(cè)器一級(jí)光纖和光纖之間的耦合等等。圖2.2 平面自聚焦透鏡耦合為了達(dá)到更好的聚焦效果，會(huì)在平端面自聚焦透鏡一端面加工一個(gè)1mm3mm的曲面，此曲面與平端面自聚焦透鏡彌散斑小如圖2.3所示。因此球面自

12、聚焦透鏡可減小聚焦光斑尺寸4。圖2.3球面自聚焦透鏡聚焦光斑圖2.4中表示L1為光源或光纖到自聚焦透鏡端面的距離，Z為自聚焦透鏡的長(zhǎng)度，L2為自聚焦透鏡端面到光纖的距離。為了使光源或光纖發(fā)出的光經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡聚焦后能夠有效地耦合進(jìn)光纖，需要調(diào)節(jié)L1 和L2的距離來(lái)達(dá)到最佳耦合效率。但是，在實(shí)際耦合過(guò)程中，耦合效率要小于其理論值，其原因是耦合效率與器件的結(jié)構(gòu)和使用方法有直接的關(guān)系。圖2.4 光纖傳輸耦合聚焦光軌跡圖2.3 單透鏡成像自聚焦透鏡除了具備一般曲面透鏡的成像功能還具備端面成像的特性。對(duì)于P/2及1P截距的自聚焦透鏡其端面成像機(jī)理如圖2.5所示。P/2截距的自聚焦透鏡其端面成等大倒像，而

13、1P截距的自聚焦透鏡其端面成等大正像。對(duì)于P/4截距的自聚焦透鏡物在無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)象在其后端面（只要物距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透鏡長(zhǎng)度時(shí)可理解為無(wú)窮遠(yuǎn)）。 圖2.5自聚焦透鏡端面成像示意圖2.4 自聚焦透鏡陣列成像自聚焦透鏡陣列（如圖2.6所示）成像：當(dāng)采用球面透鏡組合傳送大幅圖象時(shí)，目的是為了得到的11的像，但是其共軛距一般是焦距的4倍。通過(guò)使用自聚焦透鏡陣列，可大大縮短共軛距，使整個(gè)器件尺寸小型化；另一方面成直線排列的自聚焦透鏡陣列在整條直線上的成像分辨率相同，而整個(gè)視場(chǎng)的傳遞函數(shù)值比較均勻，大大提高成像質(zhì)量，同時(shí)克服了普通球面透鏡在透鏡外圍成像的分辨率和清晰度比中心低，以及組合裝配工作復(fù)雜的缺點(diǎn)5。因此自

14、聚焦透鏡陣列成為復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀等儀器設(shè)備的重要器件。圖2.6 自聚焦透鏡陣列成像示意圖3 球面自聚焦透鏡設(shè)計(jì)仿真自聚焦透鏡是由梯度折射率材質(zhì)構(gòu)成的，在zemax的表面類型中的Gradient即是梯度透鏡。庫(kù)中有10種類型，在此選用Gradient9 符合前面原理分析中的折射率分布函數(shù)公式（1）。3.1 確定透鏡模型透鏡由前端曲面和后端平面構(gòu)成，梯度折射率透鏡在此選擇SLS-1.0。初定的鏡面如圖3.1所示。圖3.1 選取鏡面模型3.2 設(shè)置波長(zhǎng)透鏡的主要參數(shù)是透過(guò)率，在此選取三種波長(zhǎng)進(jìn)行仿真。設(shè)置如圖3.2所示。圖3.2 波長(zhǎng)設(shè)定3.3數(shù)值孔徑設(shè)定根據(jù)自聚焦透鏡透鏡尺寸為了使光線全部入

15、射到透鏡中數(shù)值孔徑要略小于透鏡直徑。透鏡直徑為若2mm，物鏡數(shù)值孔徑課設(shè)為1.6mm1.8mm。設(shè)置如圖3.3所示。圖3.3 物鏡數(shù)值孔徑設(shè)置3.4 自聚焦透鏡光路通過(guò)打開(kāi)AnalysisLayout3D Layout菜單可以看到透鏡中的光路如圖3.4所示。圖3.4 自聚焦透鏡光路4 優(yōu)化參數(shù)通過(guò)修改面2的曲率半徑（Radius）和厚度（Thickness）可改變焦點(diǎn)位置。當(dāng)曲率半徑設(shè)為0，厚度為8.6mm時(shí)，對(duì)于SLS-1.0材料的焦點(diǎn)正好在斷面上。此時(shí)截距為0.75P如圖4.1(a)所示，當(dāng)前端面存在曲率時(shí)焦距會(huì)略微改變?nèi)鐖D4.1(b)所示。 圖4.1(a) 直端面透鏡 圖4.1(b) 球

16、面透鏡4.1光線相差分析通過(guò)光線特性曲線來(lái)分析光線像差，以顯示關(guān)于入瞳坐標(biāo)函數(shù)的光線像差。本次設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)的光線特性曲線如圖4.2所示。圖4.2 透鏡光特性曲線圖4.2聚焦光斑分析使用spot diagram選項(xiàng)得到分析結(jié)果如圖4.3所示。圖4.3 透鏡直端面光斑4.3 3D模型輸出可視化3D模型更直觀的看到聚焦光路功能，如圖4.4所示。圖4.4 自聚焦透鏡3D模型光路圖結(jié)束語(yǔ)此次，我的光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題是：自聚焦透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。利用zemax軟件，完成一個(gè)完整的功能實(shí)現(xiàn)了的單透鏡反射式照相物鏡光學(xué)系統(tǒng)。假設(shè)如果沒(méi)有軟件的仿真，那整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的龐大的調(diào)試過(guò)程其復(fù)雜程度是難以想象的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對(duì)zemax軟件有了初步的了解，更鞏固和提高了我的光學(xué)知識(shí)，并深深地體會(huì)到了zemax軟件對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)的巨大幫助。同時(shí)讓我熟悉和鞏固了利用zemax軟件進(jìn)行光路設(shè)計(jì)的方法和技巧。這次課程設(shè)計(jì)我最大的收獲就是掌握了一種使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax設(shè)計(jì)光路的方法。有了光學(xué)zemax設(shè)計(jì)仿真軟件的幫助和掌握了現(xiàn)代光學(xué)的設(shè)計(jì)方法就可以大大減少設(shè)計(jì)周期，并提高設(shè)計(jì)成果的穩(wěn)定性。致 謝感謝學(xué)校給我們這次光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，不僅讓我們了解了zemax軟件的特點(diǎn)和使用方法，而且掌握了使用zemax設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)