用ZEMAX设计简易LED准直镜

《半导体激光器准直物镜设计》
一、已知条件
充分掌握工程光学的理论和典型光路的基础上，利用像差理论进行简单光路的光学参数计算和设计，并利用Zemax光学设计软件进行仿真和参数优化，达到理论和实际应用相结合。

二、设计要求
灵活运用工程光学课程重所讲授的内容，进行近轴光路的计算，设定初始光学参数；熟悉Zemax光学设计软件的基本功能和用法，并进行简单光路的模拟和优化。

设计要求：采用双胶合（Doublet）结构，D/f=1/3，通光口径D：5 mm
半视场角：0°设计波长：0.656um
计算：系统焦距f，后焦距（BFL）
半导体激光器准直物镜设计（双胶合结构）参数
三、要完成的任务
1、根据设计要求完成参数的计算，并利用Zemax软件进行参数的优化，最终得到半导体激光器准直物镜的设计参数，以及相应物镜结构与光线追迹图。

2、撰写设计说明书，封皮统一，正文格式规范，用A4纸打印装订。

ZEMAX在透射仪测量光路准直系统设计中的应用周树道;马忠良;王敏【摘要】在ZEMAX非序列环境下建立了透射仪光学系统模型.利用建立的模型研究了LED光源表面特征对透射仪测量光路准直的影响,并通过增加扩散片优化了光学系统结构.对提出的基于扫描方式的测量光路准直方法进行了仿真研究.研究结果表明,基于该方法方位角测量最大相对误差为2%,验证了该方法的可行性.%An optical system model of the transmittance meter is established in the ZEMAX non-sequence environment.The influence of the surface characteristics of LED on the alignment of optical path is studied by using the model, and the structure of optical system is optimized by increasing the diffusion sheet.The method of alignment for measuring light path based on scanning is studied in simulation.Research results show that the maximum relative error of azimuth measurement is 2% and the feasibility of the method is verified.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)022【总页数】4页(P92-94,97)【关键词】ZEMAX;准直系统;透射仪【作者】周树道;马忠良;王敏【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京 211101;南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心,江苏南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京 211101【正文语种】中文【中图分类】TN12;P427.2透射仪是机场跑道进行水平能见度测量的常用设备[1]，也是世界气象组织(WMO)进行大规模能见度测量仪器比对时采用的标准设备[2]。

引言
半导体激光器( laser diode，LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。

但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。

作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。

1.理论分析及计算
采用OSARM 公司的型号为SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散
角= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约0. 1 m ～0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图
1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第
2 个柱透镜M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！。

[优质文档]zemax自聚焦透镜设计目录摘要 (I)Abstract............................................ II 绪论................................................. 1 1 自聚焦透镜简介..................................... 2 1.1自聚焦透镜 ..................................... 2 1.2 自聚焦透镜的特点 ............................... 2 1.3 自聚焦透镜的主要参数 ........................... 3 2 自聚焦透镜的应用................................... 5 2.1 聚焦和准直 ..................................... 5 2.2 光耦合 ......................................... 6 2.3 单透镜成像 ..................................... 7 2.4 自聚焦透镜阵列成像 ............................. 7 3 球面自聚焦透镜设计仿真............................. 9 3.1 确定透镜模型 ................................... 9 3.2 设置波长 (9)3.3数值孔径设定 .................................. 11 3.4 自聚焦透镜光路 ................................ 11 4 优化参数.......................................... 124.1光线相差分析 .................................. 12 4.2聚焦光斑分析 .................................. 14 4.3 3D模型 ....................................... 14 结束语.............................................. 15 致谢.............................................. 16 参考文献.. (17)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens)，自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。

用ZEMAX设计简易LED准直镜一. 初始解的构建1. 为了简单采用此透镜由三部分构成:A. 全反射部分,B. 折射部分,C.切除部分(这一部分在设计时也可以不考虑,可以在设计完成后再加入)图中光束分两个部分, 一部分为折射部分,另一部分为全反射部分, 可以看出,折射部分光束为三段,全反射部分光束分为四段,由于是平行光出射, 所以在优化时只要考虑第三段就可以了.初始数据:1) 几何体部分TIR部分是一个非球面透镜,中间部分是一个标准透镜(有曲率和圆锥系数),切除部分是一个圆柱体;注意中间的透镜部分的材料为空气,因为它相当于也是被切除掉的.2) 光源部分我们用SOURCE RAY做为光源, 这样可以NSRA来进行优化; 光源的生成与操作数的建立按如下的MACRO可以自动生成:steps=90incr=90/steps #max angle is 90 degreepi = 4*ATAN(1)dr = pi/180startobj=4For i,0,steps,1angle = i*incroo=i+startobjInsertObject 1,ooSetNSCProperty 1,oo,0,0,"NSC_SRAY" # surface,object,code,face,value SetNSCProperty 1,oo,3,0,2 # source inside of object 2 SetNSCPosition 1,oo,4,angleSetNSCParameter 1,oo,1,1 #layout raysSetNSCParameter 1,oo,2,1 #analysis raystar = 0opr = i+1InsertMFO oprsetoperand opr, 11, "NSRA"setoperand opr, 3, oo # src#setoperand opr, 6, 3 # seg#setoperand opr, 9, 1 # weightsetoperand opr, 7, 5 # y coordinatesetoperand opr, 8, tar # tarNextupdate我们每隔一度产生一条光线,最终的结果如下, 从图中可以看出,光线都不是平行的. 这里注意要调整参数保证所有光线都大概的按预期的方向会聚!!二. 优化经过上面的准备工作,这时我们就可以优化了, 当然那几个物体的相对位置需要用PICKUP来约束, 这里不就详细说明了.初步优化的结果如下:可以再调整一下透镜的口径, 再优化一次. 可以看出, 透镜的口径是在增加的, 并且其底部是一直往左移的. 最终会达到一个比较平衡的状态;到这里优化工作就已经完成了. 我们可以对这三个部分进行一个布尔操作得到我们想要的透镜!三. 最终模型的建立和模拟1) 布尔操作后的结果2) 模拟,将所有的SOURCE RAY都删除, 我们用SOURCE RECTANGLE来代替LED, 大小取1*1, COSINE EXPONENT 取1.0来做为朗伯发光体, 把DECTOR 设置到1010MM处, 模拟1M处的光斑, DETECTOR的大小设为500*5003) 模拟结果:A. 光斑B. 发散角以上是一个简单的准直镜的构建. 采用ZEAMX的优化算法结果特定的建模完成该设计, 当然还可能存在诸多不足之处,但此思路可供参考. 也可以设计相似的透镜或变型.。

用ZEMAX设计简易LED准直镜一. 初始解的构建1. 为了简单采用此透镜由三部分构成:A. 全反射部分,B. 折射部分,C.切除部分(这一部分在设计时也可以不考虑,可以在设计完成后再加入)图中光束分两个部分, 一部分为折射部分,另一部分为全反射部分, 可以看出,折射部分光束为三段,全反射部分光束分为四段,由于是平行光出射, 所以在优化时只要考虑第三段就可以了.初始数据:1) 几何体部分TIR部分是一个非球面透镜,中间部分是一个标准透镜(有曲率和圆锥系数),切除部分是一个圆柱体;注意中间的透镜部分的材料为空气,因为它相当于也是被切除掉的.2) 光源部分我们用SOURCE RAY做为光源, 这样可以NSRA来进行优化; 光源的生成与操作数的建立按如下的MACRO可以自动生成:steps=90incr=90/steps #max angle is 90 degreepi = 4*ATAN(1)dr = pi/180startobj=4For i,0,steps,1angle = i*incroo=i+startobjInsertObject 1,ooSetNSCProperty 1,oo,0,0,"NSC_SRAY" # surface,object,code,face,value SetNSCProperty 1,oo,3,0,2 # source inside of object 2 SetNSCPosition 1,oo,4,angleSetNSCParameter 1,oo,1,1 #layout raysSetNSCParameter 1,oo,2,1 #analysis raystar = 0opr = i+1InsertMFO oprsetoperand opr, 11, "NSRA"setoperand opr, 3, oo # src#setoperand opr, 6, 3 # seg#setoperand opr, 9, 1 # weightsetoperand opr, 7, 5 # y coordinatesetoperand opr, 8, tar # tarNextupdate我们每隔一度产生一条光线,最终的结果如下, 从图中可以看出,光线都不是平行的. 这里注意要调整参数保证所有光线都大概的按预期的方向会聚!!二. 优化经过上面的准备工作,这时我们就可以优化了, 当然那几个物体的相对位置需要用PICKUP来约束, 这里不就详细说明了.初步优化的结果如下:可以再调整一下透镜的口径, 再优化一次. 可以看出, 透镜的口径是在增加的, 并且其底部是一直往左移的. 最终会达到一个比较平衡的状态;到这里优化工作就已经完成了. 我们可以对这三个部分进行一个布尔操作得到我们想要的透镜!三. 最终模型的建立和模拟1) 布尔操作后的结果2) 模拟,将所有的SOURCE RAY都删除, 我们用SOURCE RECTANGLE来代替LED, 大小取1*1, COSINE EXPONENT 取1.0来做为朗伯发光体, 把DECTOR 设置到1010MM 处, 模拟1M处的光斑, DETECTOR的大小设为500*5003) 模拟结果:A. 光斑B. 发散角以上是一个简单的准直镜的构建. 采用ZEAMX的优化算法结果特定的建模完成该设计, 当然还可能存在诸多不足之处,但此思路可供参考. 也可以设计相似的透镜或变型.。

1LD 快轴准直透镜FAC: 从初级像差设计到ZEMAX 建模以某公司的LD 快轴准直透镜为例说明其光学设计主要步骤，所用的方法为初级像差设计+zemax 建模. 初级像差方法的技术细节，可参考任一光设经典书籍。

zemax 建模仅涵盖性能评估+优化+应用，制造分析如公差+出图在此不予讨论。

希望对各位有所帮助。

(zemax 版本为2005)图中所选为感兴趣的LD 快轴准直透镜，设计步骤：先是用倒描光路方法进行初级像差设计和zemax 序列模式建模及优化， 然后是zemax 非序列模式应用举例。

1， 已知参数：• 平凸柱面镜：非球面面型• Wave=808nm• NA=0.5， EFL=0.9mm ， BFL=0.09mm ，W=1.5mm ， H=1.5mm• N-LaF21, n=1.77584@808nm• LD 快轴发散角FWHM=35°• HB/XB 级别质量：准直光束85%/90%能量角度θ=+/-1mrad (+/-0.0573°).22， 高斯光学计算：• LD 1/e^2发散角=35°*0.85=29.75°=0.52rad, 束腰直径=2*0.808/(3.1416*0.52)=1um;视场角0.06°，典型大口径小视场光学系统，轴上球差是主要的像差.• 焦面弥散斑最大允许直径：δ= EFL*2θ=1.8um ------系统性能评估目标；• 凸面曲率半径R1=(n-1)*EFL=0.6983mm, 厚度d=1.5 mm------系统初始结构参数； • BFL=EFL-d/n=0.055.• NA=0.5, F#=1, h1=0.45, u1=0.5,h2=h1-d*u1/n=0.45-1.5*0.5/1.77584=0.028, 可见h2非常小.3， 初级像差设计:• 整体透镜可视为一凸平薄透镜 + 厚度d1.5 mm 玻璃平板的组合；• 如考虑到凸面面型为球面, 透镜的球差系数S=S1+S2S1=h1*P 为平凸薄透镜球差系数, S2=-(n^2-1)/n^3*d*u1^4为玻璃平板球差系数. 透镜弯曲Q=-1, 所以P=1.21, S1=0.068, S2=-0.036, S=0.032.如若用非球面来校正轴上球差, 则可计算凸面的一阶非球面系数conic:conic=-e^2=S*R1^3/((1-n)*h1^4)=-0.3424• 综上, 可得到该快轴准直透镜的系统参数及初始结构参数:F#=1, Wave=808nm, FOV=0面1: R0.698, d1.5, n1.77584, conic=-0.3424面2: R0, d0.05534， Zemax 序列模式建模评估及优化:• Zemax 序列模式中输入以上数据, 将第一面设成球面, 计算初级球差系数为0.31997,与初级像差分析结果附和. 点列图RMS 约27um.• 将第一面conic 设为-0.3424, 计算初级球差系数为-0.000001. 其点列图RMS 约0.6um,已经满足小于系统衍射限及焦面弥散斑 最大允许直径的设计要求.• 将第一面R, conic 设为变量, EFFL 及6x6wavefront RMS 设为评价函数进行优化。