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基于Zemax的部分补偿透镜的优化设计

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第31卷 第6期光 学 学 报V ol.31,N o.62011年6月ACTA OPTICA SINICAJune,2011基于Zemax 的部分补偿透镜的优化设计孟晓辰 郝 群 朱秋东 胡 摇(北京理工大学光电学院,北京100081)摘要 用部分补偿法检测非球面时,部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一。

针对这一难点,提出了一种以剩余波前斜率作为优化目标的基于Zemax 的部分补偿透镜设计方法,分析了剩余波前斜率与干涉条纹密度以及弥散圆之间的关系,得到了弥散圆可以定量表征剩余波前斜率的结论,并将弥散圆半径作为优化函数。

针对3种不同参数的非球面进行了部分补偿透镜的优化设计,设计结果表明,该方法可在保证干涉条纹可探测的前提下,简单、快速、全面直观地实现部分补偿透镜的优化设计,减小剩余波前斜率,降低干涉条纹密度,从而扩大干涉仪可测非球面面形误差的测量范围,提高可测的空间频率。

关键词 光学设计;部分补偿透镜;剩余波前斜率;弥散圆中图分类号 O435 文献标识码 A do i :10.3788/AO S 201131.0622002Optimization Design of Partially Compensating Le ns Base d on Ze maxMeng Xiaochen Hao Qun Zhu Qiudong Hu Yao(School of Opt oelectr on ics ,Beijin g In stitu te of T echnology ,Beij in g ,100081,Chin a )Abstract Optimization design of partially compensating lens is one of the key problems for aspheric surface testing using pa rtia lly compensating lens.A design method for the partially compensating lens based on Zemax,which takes the slope of wave -front as the optimization objective,is proposed.First the relation among residua l wave -front slope,and interference fringe density and dispersive spot are analyzed,leading to the conclusion that the dispersive spot can quantitatively charac terize the residual wave -front slope and its radius is taken as the optimization target.Then the m ethod is applied to the optimization design of partially compensating lenses corresponding to three kinds of aspheric surfaces.The results indic ate that,on the prec ondition that the interference fringes are detec table,the method can help complete the optimization design of partially compensating lens m ore simply,faster and more visually,resulting in dec rease of the residual wave -front slope and reduction in the interference fringes density.Therefore,the m ea surement range of the interferometer for testing aspheric surface is expanded,and aspheric surfaces with higher spa tial frequency can still be measured without increasing the resolution of interferogram detector.Key wo rds optical design;partially compensating lens;residual wave -front slope;dispersive spot OCIS co des 220.1250;220.2740;220.1000;220.3620;220.4840收稿日期:2010-12-31;收到修改稿日期:2011-02-22基金项目:国家自然科学基金(60578053)资助课题。

作者简介:孟晓辰(1985 ),女,博士研究生,主要从事光学精密测量方面的研究。

E -mail:mengx c316@g 导师简介:郝 群(1968 ),女,博士,教授,主要从事光电信息技术及精密光学测量等方面的研究。

E -mail:qhao@1 引 言干涉检测是非球面检测最常用的高精度定量方法[1],其中传统的零补偿检验是一种小剩余波前的检验方法,需要通过零补偿器的波前完全补偿被测非球面的法线像差[2],因此通常需要使用复杂的透镜组作为零补偿器[3,4],设计和加工难度较大[5~10]。

部分补偿检测法则不同于零补偿检验[11],它不要求通过部分补偿透镜后的光线完全补偿非球面的法线像差,因此系统本身可以有较大的剩余波前,部分补偿透镜的结构可以很简单,甚至只需单片透镜即可实现,降低了补偿器的设计和加工难度。

另一方面,剩余波前的斜率与干涉条纹密度相关,部分补偿检测法存在较大的剩余波前,将导致待探测的干涉条纹变密。

由于探测器分辨率的限制,光 学 学 报要保证干涉条纹可被探测,在部分补偿检测法的应用中就必须保证剩余波前的最大斜率不高于某一特定值。

因此需对所设计的部分补偿透镜进行合理的优化,尽可能减小剩余波前斜率,降低干涉条纹密度,以扩大干涉仪检测非球面面形误差的测量范围,提高可测的空间频率。

在现有非球面检验部分补偿透镜的设计方法中,通常采用波像差[12~15]作为优化目标,设计时对波像差较大的位置附近的几条光线进行约束控制,从而实现对波像差曲线最大斜率的控制,并不是对全口径的光线进行优化。

而且干涉条纹密度与剩余波前斜率对应,单纯控制波像差与干涉条纹密度不直接相关,因此优化结果存在不直观不全面的问题。

为了解决上述问题,本文提出一种以波前斜率作为优化目标的基于Zem ax 的部分补偿透镜优化方法,可对全口径的光线进行优化,在保证干涉条纹可被探测的前提下,尽可能降低部分补偿透镜的设计难度,提高补偿透镜的补偿效果,减小系统的剩余波前斜率。

图1泰曼型干涉仪检测非球面光路图F ig.1T wy man -G reen interfer ometer layo ut fo raspheric surface testing2 系统剩余波前的斜率与弥散圆基于部分补偿法检测非球面的泰曼型干涉仪基本光路图如图1所示。

参考平面镜反射的参考平面波,与被测非球面反射后经部分补偿镜补偿的、带有剩余波前的波前,在成像物镜焦面上干涉,探测器实际采集的条纹密度是由上述两束干涉光之间光程差(OPD)的斜率决定的[16],即对于干涉场中的任一点来说都有=d l OPDd R,(1)式中l OPD 为干涉光路中两束干涉光之间的光程差, 为R 方向上的条纹密度, 为检测光波长,R 为单位方向矢量,则可以得到该点R 方向上的条纹密度为=1 d l OPDd R.(2)因光路中的参考光为平面波,则该点OPD 的斜率与对应剩余波前的斜率相等,即干涉条纹密度与剩余波前斜率成正比。

实际上,应用部分补偿法探测到的实际干涉条纹中既包含被测面形误差,也包含系统剩余波前,干涉条纹的空间频率反映的是这两者在空间频谱上带宽的综合效果。

如果被测面形误差的空间频率范围已给定,那么容许的系统剩余波前斜率的上限,即系统容许最大剩余波前斜率也唯一确定。

在设计部分补偿透镜时,需对全局系统剩余波前的斜率进行控制优化,使之小于容许的最大剩余波前斜率,降低实际干涉条纹密度,从而在满足探测要求的前提下,给被测面形误差留出足够的带宽,扩大干涉仪检测非球面面形误差的测量范围。

为了考察全局剩余波前斜率的分布,研究了弥散圆与波前斜率之间的关系。

图2给出的是弥散圆的形成过程。

对于一束平行光线来说,经过透镜后与透镜焦面的交点高度y 只与光线入射的角度 有关,y =f tan ,f 为透镜焦距,理想情况下交点大小可由远场衍射艾里斑尺寸求得。

对于带有像差的平面波来说,通过波前各点光线的传播方向不完全相同,经过透镜后各点光线与透镜焦面的交点位置不同,因而会形成一个弥散圆,对于大波像差系统,该弥散圆的尺寸远大于艾里斑直径,其尺寸只与入射光线偏离中心光线的最大角度有关,且与波前斜率成正比,即弥散圆的最大半径与波前的最大斜率相对应。

图2光线在焦面交点高度与光线入射角度关系F ig.2R elatio n betw een the height o f the image andthe angle of incidence with par allel beam对于部分补偿非球面检测光路来说,经过部分补偿透镜后返回的剩余波前近似平面波,并不聚焦,因此在设计部分补偿透镜时,在补偿镜后插入一个理想透镜,则在理想透镜的焦面上会形成一弥散圆,如图3所示。

弥散圆大小的变化对应剩余波前斜率的变化,若取s 0为系统容许最大剩余波前斜率,根据弥散圆半径r 与剩余波前的斜率s 之间的关系,可孟晓辰等: 基于Zemax 的部分补偿透镜的优化设计知系统容许最大弥散圆半径r =s 0f ,f 为理想透镜的焦距。

在Zemax 中可以很方便直观地看到系统的弥散圆图形和各项参数,因此可以通过控制优化弥散圆半径方便快速地实现对剩余波前斜率的优化,使得全局系统剩余波前斜率小于被测面形误差所限定的容许值。

图3部分补偿法检测非球面光路图F ig.3L ay out for aspheric surface testing usingpar tially co mpensating lens3 Zemax 中相关操作的设置在现有的光学设计软件Zemax 中[17,18],不具有直接优化波前斜率的操作数,因此要实现以波像差斜率为目标的优化设计,必须通过特殊的转换和设置才能实现,主要是弥散圆的获取和相关设置。

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基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

基于ZEMAX的自聚焦透镜设计摘要：自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。

自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。

自聚焦透镜是光纤传输系统中构成准直、耦合、成像系统的主要部分。

本文主要简要概述基于ZEMAX的自聚焦透镜设计。

关键词：自聚焦；ZEMAX；梯度折射率；透镜设计1 自聚焦透镜的特点自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。

具有聚焦和成像功能。

自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。

由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。

由于自聚焦透镜内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。

此外这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。

2 ZEMAX介绍ZEMAX是美国Focus Software Inc所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件，将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。

具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，还可仿真Sequential和Non-Sequential成像系统和非成像系统，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。

自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的，在ZEMAX的表面类型中的Gradient即是梯度透镜。

在本文中也是采用梯度透镜来模拟设计。

3 基于ZEMAX的自聚焦透镜设计自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征折射率变化由公式表述。

其中表示自聚焦透镜的中心折射率；表示自聚焦透镜的直径；表示自聚焦透镜的折射率分布常数。

在梯度折射率透镜设计中，我们首先选择SLS-1.0作为镜面模型。

zemax透镜设计流程

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用于大孔径凸非球面检测的部分补偿透镜的优化设计

用于大孔径凸非球面检测的部分补偿透镜的优化设计

用于大孔径凸非球面检测的部分补偿透镜的优化设计孟晓辰;祝连庆【摘要】针对部分补偿法和子孔径拼接技术对大孔径凸非球面进行测量时,部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一,基于ZEMAX软件对用于大孔径凸非球面的部分补偿透镜进行了优化设计,以波前斜率作为优化目标,通过直接观察弥散圆半径对全口径的光线进行优化.设计结果表明,用结构简单的单片部分补偿透镜即可实现对大孔径凸非球面的面形测量,在不同的子孔径区域,部分补偿系统在理想焦面处的弥散圆最大半径均小于165 μm,满足设计要求,验证了结合部分补偿法和子孔径拼接技术测量大孔径凸非球面的可行性.%Optimization design of partially compensating lens is one of the key problems for large aperture convex aspheric surface testing using part-compensating lens and sub-aperture stitching. A design method for the part-compensating lens based on ZEMAX was proposed, which took the slope of wave-front as the optimization objective, and optimized the lights on the full aperture by observing the radius of dispersive spot. The results indicate that, the large aperture convex aspheric surface can be tested by a simple single part-compensating lens. In different areas of the sub aperture, the maximum radius of the dispersive spot in the ideal focal plane is less than 165 μm, which can always achieve the requirement, verifing the feasibility of testing the large aperture convex aspheric surface by part-compensating lens and sub-aperture stitching.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】5页(P747-751)【关键词】光学设计;部分补偿透镜;大孔径凸非球面;弥散圆【作者】孟晓辰;祝连庆【作者单位】北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室,北京 100101;北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室,北京 100101【正文语种】中文【中图分类】TN202;O43非球面元件因其特有的优点[1-5]正越来越多地被用于航空、航天、军事和民用等领域。

zemax公差操作数补偿

zemax公差操作数补偿

zemax公差操作数补偿在光学系统设计中，存在各种误差和不确定性源，如材料制造误差、加工误差、组装误差、环境变化等，这些误差都会导致设计光学系统的性能下降。

因此，光学系统的公差分析和设计变得尤为重要。

为了解决这些问题，zemax光学设计软件提供了公差分析和操作数补偿功能，以帮助用户优化光学系统的性能。

公差分析指的是对光学系统中各个参数的误差进行分析和评估，例如透镜的曲率半径、厚度、材料折射率等等。

在光学系统的设计中，公差分析可以预测系统的性能变化，从而帮助设计师确定最终的系统公差。

这样，在系统实际制造和调试过程中，可以有计划地进行调整和补偿，确保系统能够达到预期的性能。

操作数补偿是指对光学系统的误差进行实际调整和补偿，从而通过优化系统的性能来达到设计目标。

操作数补偿是一个非常复杂的过程，需要对光学系统的各个参数进行分析和评估，以确定需要调整的参数和方向。

这个过程通常包含以下几个步骤：第一步：确定系统公差和目标性能在进行操作数补偿之前，需要先确定系统的公差和预期的目标性能。

这个过程通常需要进行光学分析、实验和计算，以评估光学系统中各个参数的影响，从而确定公差和目标性能。

第二步：建立误差模型根据系统的公差和目标性能，需要建立一个详细的误差模型，包括透镜的曲率半径误差、材料折射率误差、镜面粗糙度误差等等。

这个过程需要准确测量各个参数的误差值，从而能够准确地建立误差模型。

第三步：进行公差分析根据误差模型，可以进行公差分析，从而预测系统的性能变化。

公差分析通常使用Monte Carlo模拟方法，模拟大量的随机公差组合，从而评估系统的性能分布。

在公差分析的过程中，可以确定引起系统误差的主要因素，从而确定调整策略。

第四步：进行操作数补偿分析在进行操作数补偿分析之前，需要确定具体的调整策略和方式。

操作数补偿通常通过调整透镜的位置、方向、厚度等方式进行。

操作数补偿分析通常使用光路跟踪和优化方法，根据实际系统的光学性质进行优化调整。