半導(dǎo)體激光器準直管物鏡設(shè)計

1、常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告 課程設(shè)計報告課程工程光學(xué)課程設(shè)計題目半導(dǎo)體激光器準直物鏡設(shè)計學(xué)院物理與電子工程學(xué)院年級2010專業(yè)光電信息工程班級0503101學(xué)號0503101學(xué)生姓名指導(dǎo)教師職稱講師設(shè)計時間2012.12.242013.2.24設(shè)計任務(wù)書題目半導(dǎo)體激光器準直物鏡設(shè)計技術(shù)參數(shù)采用雙膠合結(jié)構(gòu)，D/f=l/3;通光口徑5mm,半視場角0，設(shè)計波長656nm建議參考資料郁道銀，談恒央.工程光學(xué)（第3版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2011.毛文煒.光學(xué)鏡頭的優(yōu)化設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社，2009.劉鈞，咼明.光學(xué)設(shè)計，西女電子科技大學(xué)出版社,2006遲澤英，陳文建.應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計基

2、礎(chǔ)，東南大學(xué)出版社,2008物電學(xué)院.課程設(shè)計報告規(guī)范細則.2012.常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告 目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 1題目設(shè)計與方案論證41.1設(shè)計題目41.2課題分析4半導(dǎo)體激器準直物鏡設(shè)計與分析52.1設(shè)定參數(shù)5 HYPERLINK l bookmark34 仿真結(jié)果及相關(guān)分析93.1優(yōu)化前的性能分析93.2優(yōu)化后的性能特性10小結(jié)與領(lǐng)悟16 HYPERLINK l bookmark52 參考文獻17第一章題目設(shè)計與方案論證設(shè)計題目半導(dǎo)體激光器準直物鏡設(shè)計題目要求采用雙膠合結(jié)構(gòu)，D/f=l/3;通光口徑5mm,半視場角0,設(shè)計波長6

3、56nm。1.2課題分析ZEMAX的簡單介紹【1】ZEMAX是美國RandantZemax公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型。是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件，它不只是透鏡設(shè)計軟件而已，更是全功能的光學(xué)設(shè)計分析軟件，具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點，它也是一個完整的光學(xué)設(shè)計軟件，是將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件。包括光學(xué)設(shè)計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。ZEMAX功

4、能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。ZEMAX能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統(tǒng)及非成像系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器準直物鏡的相關(guān)參數(shù)D/f=l/3;通光口徑5mm，即D為5mm，f為15mm，半視場角0,設(shè)計波長656nm常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告 第二章半導(dǎo)體激光器準直物鏡的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)定參數(shù)通光口徑設(shè)置如圖2.1.1,在主ZEMAX菜單軟件中，選擇系統(tǒng)通用配置，在彈出的對話框中，光圈類型選擇入瞳直徑，光圈數(shù)值選擇5，單位mm。圖2.1.1通光口徑設(shè)置視場設(shè)定如圖2.1.2，在ZEMAX主菜單軟件中，選擇系統(tǒng)視場，在彈出的對話框中，視場類型選擇角度，并輸入三組視場數(shù)據(jù)，x與y的值為(0,0),

5、(0,7.07)和(0,10)，要求為半視場角為0，故先選用(0,0)。圖2.1.2視場設(shè)定2.1.3波長設(shè)定如圖2.1.3,在ZEMAX主菜單軟件中，選擇系統(tǒng)波長，在彈出的對話框中，選擇要求的波長656nm。WavelengthData使用1廠0廠3廠；廠11r12|0.656000000.65600000|0.58900000|0.55000000|0.550000000.55000000|0.5500C000|o.5500C000|o?55000000|0.55000000|0.55000000權(quán)重使F口廠廠rr廠廠131415161718192021淤2324波長（比m）|0.5500

6、0000u.55000000p.55000000|0.55000000|o.55000000|O.55OOO0OO|0.550000000.55000000|0.55000000|0.55000000|CL55000000權(quán)重選擇心iF?d?C(Visible)王要：H排序J幫助（H）保存加載|0.55000000|o.55000000圖2.1.3波長設(shè)定2.1.4鏡頭參數(shù)設(shè)定鏡頭上總共顯示三個面。物平面，在左邊以O(shè)BJ表示；光闌面，以STO表示；還有像平面，以IMA表示。根據(jù)老師給定的雙膠合doublet.ses案例直接修改即可。圖2.1.4鏡頭參數(shù)設(shè)定2.1.5評價函數(shù)設(shè)定如圖2.1.5,

7、先設(shè)置可變參數(shù)，然后創(chuàng)建評價函數(shù)EFFL。在ZEMAX主菜單軟件中，選擇編輯優(yōu)化函數(shù)。在彈出的窗口中選擇工具默認優(yōu)化函數(shù)，設(shè)置如下圖。設(shè)置時，一定要先點擊復(fù)位，后點擊確定。圖2.1.5默認優(yōu)化函數(shù)設(shè)置接著修正績效函數(shù)(Meritfunction),包括系統(tǒng)焦距的需求。將游標移在MFE的第一列并單擊按鍵盤的Insert來產(chǎn)生新的一列，在此列的Type欄上鍵入EFFL(EFFL:有效焦距,以鏡頭長度單位表示。它是針對近光軸系統(tǒng)的，對于非近軸系統(tǒng)可能會不準確。)后按Enter。這個操作數(shù)的功能是在運算出系統(tǒng)有效焦距，在計算有效焦距時必須設(shè)罝參考的主波長(PrimaryWavelength)。在第一列

8、的Wav欄中鍵入為1。接著在Target欄里鍵入15（焦距長，單位mm）并按Enter,Weight設(shè)為1再按Enter,最后將此視窗關(guān)閉,雖然關(guān)閉編輯視窗但設(shè)罝已儲存，并不會遺失。如圖2.1.6。圖2.1.6評價函數(shù)設(shè)置選擇工具優(yōu)化優(yōu)化在彈出的窗口中執(zhí)行最終優(yōu)化,如圖2.1.7。加權(quán)指標:拉格朗巳（Lagrange225.07J9464475.073946447Idle廠自動更新評價函數(shù)是一個如何使一個光學(xué)系統(tǒng)接近一組指定的目標的數(shù)值表示。ZEMAX使用了一系列操作數(shù),它們分別代表系統(tǒng)不同的約束和目標。操作數(shù)代表的目標如像質(zhì),焦距,放大率,和其他一些。這些評價函數(shù)與列表中的每個操作數(shù)的目標值

9、和實際值之差平方的加權(quán)和的平方根成比例。評價函數(shù)是這樣定義的,所以0值代表理想狀態(tài)。優(yōu)化運算法則將使這些函數(shù)值盡可能小,所以評價函數(shù)應(yīng)該是你想系統(tǒng)達到的結(jié)果的一種表示。然后,II-初始MF:當(dāng)前MF:狀態(tài):運行時間:處理器節(jié)數(shù)：!?-圖2.1.7優(yōu)化圖第三章仿真結(jié)果及相關(guān)分析3.1優(yōu)化前的性能分析2D草圖選擇分析草圖2D草圖，將出現(xiàn)2D草圖LAYOUT。如圖3.1.1。Sr(Update)(Uj設(shè)直Setting勺打印(PrinttP)gD(Windowj(W)文孰Text訂：磁iZzm辺LHYiDUTASIMPL匚DOUBLETUSINGACROWNANDAFLINTMONFEB25201.

10、3TOTALLENGTH:S-0.619MMMDOUBLETQDNFIGURRTIDN1DF1圖3.1.1優(yōu)化前的2D草圖調(diào)制傳輸函數(shù)選擇分析調(diào)制傳輸函數(shù)快速傅里葉變換(FFTMTF)，將出現(xiàn)FFTMTF圖。選擇頻率的最大空間頻率范圍為20HZ。PQLYEHRDMRT工7MTFASIMPLEDDUBLETUINGACROWNANDRFLINT.MONFEB.25：2.0L3FlTFIl-QR0.65S0TO0.6560啓皿,:SURFACE:IMRGEDOUBLETCONFIGURATION1OF1FFTMTF靈新(Update)(UjiSsiSetting5)()打印(Print”indow

11、jfW)文本(Tact)循蕊遼訊耐辺1,.00.0.020-.0010,00SPATIAL匚QU匚NCVINCYCLES戶匚疋MILLIMETERTS0.0000DEG9B76SH3210LL1口山工一11J一(zlnjn口口圖3.1.2優(yōu)化前的調(diào)制傳輸函數(shù)一般通過光學(xué)系統(tǒng)的輸出像的對比度總比輸入像的對比度要差，這個對比度的變化量與空間頻率特性有密切的關(guān)系。把輸出像與輸入像的對比度之比成為調(diào)制傳遞函數(shù)(ModulationTransferFunction,MTF)。因為輸出圖像的對比度總小于輸入圖像的對比度，所以MTF值介于01之間。調(diào)制傳遞函數(shù)可用于表示光學(xué)系統(tǒng)的特征，MTF越大，表示系統(tǒng)的

12、成像質(zhì)量越好。3.2優(yōu)化后的性能特性優(yōu)化參數(shù)包括以下幾類:光學(xué)特性參數(shù),例如焦距、入瞳距離、成像尺寸或者物高、物距，鏡片間空氣距離、鏡片厚度等等；想質(zhì)參數(shù)，例如畸變、場曲、彗差等等。ZEMAX將所有這些要求達到的目標都作為一個優(yōu)化元附加一定的權(quán)重系數(shù)組成一個優(yōu)化函數(shù)，并且通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)使得這個優(yōu)化函數(shù)趨向最小。1優(yōu)化函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為：F=(Ect(at_ao)2)2，其中&t為各個優(yōu)化元的權(quán)重系數(shù),t為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)追跡出來的各個優(yōu)化元，例如焦距、畸變、彗差等等，為該優(yōu)化元的目標值。優(yōu)化過程有局部優(yōu)化和全局優(yōu)化兩種。2D草圖圖3.2.1優(yōu)化后的2D草圖調(diào)制傳輸函數(shù)調(diào)制傳輸函數(shù)的目的在于計

13、算所有視場位置的衍射調(diào)制傳遞函數(shù)。本功能包括衍射調(diào)制傳遞函數(shù)（DMTF）,衍射實部傳遞函數(shù)（DRTF）,衍射虛部傳遞函數(shù)（DITF）,衍射相位傳遞函數(shù)（DPTF）,方波傳遞函數(shù)（DSWM）。SIMPLEUBL匚TUSINGACROWN.2520130,6560IJ0,6-560洪皿,IMAGEANDRFLINTPOLY:EHRDMRTIDHUEMTF0.020-.001,.0TS0,0000DEG98765H3210山一口山工一LL口(/ndn口口Z更新（Updmt曰WJ設(shè)置矗ttingm）打?。≒rint冋（Windowj（W）文不Ta）循衣區(qū)aamj辺10,0SPATIALF艮匚QUEND

14、VINC/fiLESPERMILLIM匚T匚艮R:BDEEFCFHNTRAUAMDS5MM.Zm：CONFIGURATION1DF1圖3.2.2優(yōu)化后的調(diào)制傳輸函數(shù)定義調(diào)制傳遞函數(shù)5MTF為：橫坐標表示空間頻率，縱坐標表示一定空間頻率下像的對比度與物的對比度之比。MTF曲線截止頻率越大越好，曲線越高表明成像質(zhì)量越好。很明顯由優(yōu)化之后的調(diào)制傳輸函數(shù)的截止頻率比優(yōu)化之前都大大提高了，表明成像質(zhì)量大大提高。MTF值不但可以反映鏡頭的反差，也可以反映鏡頭的分辨率。當(dāng)空間頻率很低時，MTF趨于1，這時的MTF值可以反映鏡頭的反差。這種測定光學(xué)頻率的方式是以一個mm的范圍內(nèi)能呈現(xiàn)出多少條線來度量，其單位以

15、line/mm來表示。調(diào)制后的鏡頭參數(shù)圖3.3.1優(yōu)化后的鏡頭參數(shù)常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告3.3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù) 縱向像差6在ZEMAX的分析菜單中有“l(fā)ongitudinalaberration項目，實際上就是“軸上點的球差分析”，也就是“縱向像差”。在這個分析圖中，縱軸是“光瞳”，橫軸是“像差”值。軸上點的球差即為實際像點與理想像點的位置之差。不同孔徑角的光線交于軸上不同點處，相對于理想像點的位置有不同的偏離。j6:LongitudinalAberration2gfr(Update)(U)iggfSettings)打印(Print)(Pj匿口Windaw)(W)文本仃曰切門PUP工LRADIU

16、SI5.5000AAflA工TU工NHLFlEE戀HT工UNASIMPLEDOUBLETUSINGACROWNANDRFLINT.MONFEB.25：201：.：WRUELENTHS-t0,6S65MMCONFIGURATION1OF1圖3.3.2優(yōu)化后的縱向像差常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告 4LENSNOTES:NdtesGENERALLENSDATA:File:CzUsersAdministratorDesktcp5mm.ZMXTitle:ASIMPLEEJOUBLZTUSING盤COWMANDAFLINT-Date:MONFZB252013Stop系統(tǒng)主EEGlassCats1口gmSayA

17、iming變跡有爺?shù)耐辄c悵空:有茲的空點長壹:BackFocalLength統(tǒng)計軼跡匿嫁空冋F.氣離抽工作面F與工作面F理ImageSpaceNA物空囘NA近鈾戰(zhàn)大宰:入喧豈徑區(qū)述FieldTyp-e0_656毫米iSCHOTT:Off:均衛(wèi)統(tǒng)一的.因子=0-00000E+0002St系統(tǒng)溫宦和壓力在空氣中）25C在曦空囘）21.8873427.887844.9937790-099S03724.408174瀚壷放大率0.9S071S:入睦直徑2-5e-0105.18093-25.90481zAngle6:SystemDataMSr（Update）（Uj設(shè)苣遼EttingE）打印（Prin圳P）

18、瑩匚Mindcnw?帆Systeirk/PrescripticnData3113Weight1-0000001-0000001-000000VignettingFacters#VDXVDY0.0000000.0000000-0000000.0000000.0000000.000000VAN0.0000000.0000000-000000Weight1.000000FieldsFieldType:Angle#X-ValueindegressY-Value0-00000010.0000007.0700000.0000000-0000000.0000000.0000000.0000000.00000

19、0WavelengthsUnits:祈L6560000.0000000.0000000.000000圖3.3.3優(yōu)化后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)3.3.4光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖更新(Upd吐日(U)設(shè)置ttingM打印(Pin.t)(P)裔口(Window)W丈本仃啦1仃)i；Zoomj(Z.iRADIUSRADTOLIRRTOL13.8752CX0.00000.010.00009.7362CX0.00000.010.0000EDGEDIHMHTERIRLTHICKTHITOL10,0000BK73,00000.0C.A.DIA1.2.3.H.5.ALLDIMENSIONSINAAMATERIALPERMIL-G-1

20、7HPITCHPOLISHIDTESTPLATEWITHINPOWERANDIRREGULARITYINDICATED.MHNUFHCTUREPERMIL-0-13330BEUELEDGESATH5DEGTO1MMMAXFACEkllDTHTITLEHSIMPLEDOIJBLETUSINGHCROWNHNDHFLIFT.EfiTEFEB252013SCALE5：1DRrWNrlFPRVFfiCiTBZ：7DRAWINGREWLSIONH.00MM圖3.3.4優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖常熟理工學(xué)院課程設(shè)計報告 第四章小結(jié)與領(lǐng)悟?qū)τ诒敬握n程設(shè)計的完成，較之于之前的課程設(shè)計，是有一定難度的。老師給我們定

21、的要求是完全按照畢業(yè)論文的要求來的，所以說通過這次課程設(shè)計我們已經(jīng)掌握了我們即將面臨的畢業(yè)論文所要求的基本格式。每次課程設(shè)計都會涉及新的學(xué)術(shù)軟件，但ZEMAX卻復(fù)雜許多，很慚愧地說，盡管我們完成了本次課程設(shè)計但對于ZEMAX我只是學(xué)了一點皮毛而已。寒假之初，因為個人憂患意識比較強，不放心自己回去完成，所以和小組同學(xué)在實驗室呆了三天。在實驗室的三天給我所帶來的收獲是巨大的，讓我從一竅不通到基本熟悉并知道如何完成它。記得第一天我連通光口徑都不知道在哪里設(shè)置，D/f都不知道有何意義，通過老師的幫助才得知自己的愚昧。通過學(xué)習(xí)ZEMAX教程和相關(guān)的書籍，我們一步步的進行參數(shù)設(shè)定并優(yōu)化。只掌握課本上的知識是沒用的，我的光學(xué)成績還算可以可在課程設(shè)計時卻無從下手，一些再基礎(chǔ)不過的知識都要重新打開課本來學(xué)習(xí)，起初我很懊惱，懊惱自己的學(xué)術(shù)不精，懊惱自己沒有好好學(xué)習(xí)，所以說考試成