大视场光学自由曲面f-theta透镜设计

1、-范文最新推荐- 大视场光学自由曲面f-theta透镜设计 摘要光学自由曲面是指没有旋转对称的光学面，一般无法由方程来描述，因此在设计中是个难点，而因为它优秀的特性，又成为了现今光学设计的热点。F-theta透镜是一种特殊的透镜组，由于它像高与角度的高度线性关系，经常被应用于扫描等场合。利用自由曲面进行F-theta透镜的设计可以提高镜头的使用性能。本文以此为基础，利用Zernike多项式在Zemax中对自由曲面进行定义，从多个途径出发尝试设计大视场F-theta透镜。针对工作波长1064nm视场60°的系统要求，对四种常用结构设计进行了讨论，得到了相关经验数据以及比较结果。此项研究适

2、应光学设计的发展趋势，对现代光学工程的发展具有较大实验价值和理论价值。12661关键词 光学自由曲面 F-theta 光学设计 Zernike多项式毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign of large field f-theta lens with free-form surfaceAbstractOptical Free-form Surface generally refers to the optical surface without rotating axis of symmetry,that is cannot described by equation. But

3、 because its good features, it also becomes the hot spot of current optical designs . F-theta lens is a special kind of lens groups. Because of its image-high and angle have a perfect linearity,f-theta lens is often used in scanning and so on. In the system with 1064nm wavelength and 60°view ang

4、le,using free-form surface design can improve the performance of the F-theta lens. Based on this, use Zernike polynomial to define free surface in Zemax. Starting from multiple way trying to design big view F-theta lens. Discussing four different structures,to get some experience datas, and the comp

5、arison of the results. The study provides the advantageous condition for the development of modern optical engineering.KeywordsFree-form Surface, F-theta lens,optical design, Zernike polynomials 在像质要求较高、视场较大的场合中，我们也可以使用非球面光组在系统中校正像差、改善成像质量和简化结构。但随着科技发展，许多场合需要光学系统以最小的外形尺寸和最简单的结构组成取得最好的光能传输质量，需要光电设备高性

6、能小型化，这使得研究向自由曲面光学系统设计的方向前进。自由曲面光学是现今光学工程领域的前沿代表性技术之一。在成像系统中，这项技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量。在高性能照明系统设计中，这项技术可以有效地提高光能利用率，更可消除系统对于照明方向性的严格要求，并且同时提供非常大的设计空间，也就是说，这种设计方法可以带来很大的设计自由度3。光学自由曲面不同于普通的光学曲面，没有严格确切的定义。一般意义上，它是指那些无法用球面或者非球面系数进行表述的复杂的非球面光学曲面。在研究和应用领域，光学自由曲面主要是指任意非传统、非对称的曲面，或者只能用参数向量来表示的曲面。自由曲面与普通的

7、曲面不同，它很难用连续的函数表示。一般采用离散数据点的方式表达，曲面构造拟合就是利用这些数据点集，寻找形式比较简单、性能良好的曲面的数学表达式4。自由曲面具有高度的灵活性和自由度，因此在光学系统中采用自由曲面作为透镜或者反射面的表面，将大大提高系统性能，增强矫正像差的能力，同时也会大大简化系统的结构。1.2光学自由曲面元件的类型在目前的研究状态下，自由曲面光学元件主要的类型有：F-theta透镜、微透镜阵列、LED准直系统、V-槽结构导光板、V-槽光电耦合器件、多焦点渐进式老花镜、多层衍射透镜、汽车前照灯自由曲面反光镜、光电鼠标的自由曲面光学系统、侧面发光的外组自由曲面透镜组、自由曲面棱镜式的

8、透镜系统、自由曲面反射式的投影透镜、离轴透镜系统、微棱镜阵列等5。 4）汽车前照灯自由曲面反光镜汽车前照灯自由曲面反光镜，根据如何反光效率更高以及形成符合法规的照度分布来设计的。它由多个小自由曲面构成，同时起到了抛物面前照灯的反光镜和配光镜的双重作用。这时，灯罩的形状可以和车身融为一个整体进行设计，没有光焦度和配光的问题。既符合空气动力学又符合艺术美感，是目前世界国际上最为流行的一种汽车灯具。5) 光电鼠标自由曲面光学系统鼠标中用以照亮桌面的转折棱镜和准直镜以及对桌面显微结构进行成像的物镜都集成在一个光学元件里面，是一个复杂的自由曲面光学元件。从上述可知，自由曲面光学元件的面形不同于传统的球面

9、透镜、棱镜及反射镜等光学元件的面形。它是一种复杂的、不规则的、非球面的、甚至是非回转对称的各种变形透镜、棱镜及反射镜随意组合的自由曲面面形。1.3 F-theta透镜概述1.3.1 F-theta透镜的特点F-theta透镜是一种实用价值非常高的自由曲面光学器件，由于其成像的高线性度，在很多场合都受到了很大程度的关注。F-theta透镜又叫平场聚焦透镜。其特点在于，对于单色光成像，像面为一平面，而且整个像面上像质一致，且像差小，无渐晕存在。对于一定的入射光偏转速度对应着一定的扫描速度，因此可用等角速度的入射光实现线性扫描。其入射光束的偏转位置一般置于物空间前面焦点处，像方主光线与光轴平行，可在

10、很大程度上实现轴上、轴外像质一致，并提高照明均匀性7。对于一般的透镜，入射光束经过折射后在像面上成像，其像高为h，h可以表示为（1.1） 由于激光扫描系统的特点，就要求扫描的过程中，随着扫描角的变化，成像必须具有良好的线性特征，否则将会导致非常严重的失真，这也就引入了线性成像镜头的概念。所谓线性成像镜头，就是指，当激光束随扫描器旋转而均匀转动时，在像面上的线扫描速度必须恒定，即像面上点的移动与扫描反射镜转动之间必须保持线性关系12。1.4 光学设计软件ZEMAX简介ZEMAX是美国焦点软件公司（Focus Software Inc）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，

11、也可建立反射、折射、绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential）。ZEMAX的主要特色有：1）分析：可以提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG等，也可存成文字文件*.txt；2）优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，并且拥有多种优化方式供使用者使用；3）公差：表栏式Tolerance参数输入和对话

12、窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；4）报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。此外ZEMAX也提供了由windows DLL代码构成的用户自定义面型，其中并没有提供自由曲面的例子，用户可以自己根据需要来编写一定的程序编译成DLL代码来完成含有自由曲面的光学设计13。除了ZEMAX之外，常用的光学设计软件还有CODE V。CODE V是美国著名的 Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件,CODE V可以分析优化各种非对称非常规的复杂光学系统。 常见的自由曲面种类主要有以下几种：(1)双锥度系数曲面，曲面两

13、个垂直方向即x和y方向的曲率半径不同，锥度系数也不同。(2)超环面，球面或非球面曲线作为母线绕一条回转轴旋转形成的曲面，回转轴在母线所在的平面内，并垂直于母线的对称轴。(3)不对称非球面，这种变形非球面在垂直的两个方向，即x和Y方向上的非球面系数是不一样的。(4)参数向量表示的任何形状的自由曲面，包括XY多项式曲面，贝塞尔曲面，B样条曲面(双三次B样条曲面)，非均匀有理B样条曲线曲面等。2.2自由曲面的描述一般来说，实际应用中通常只能得到一些离散的型值点，要求利用这些型值点构造相应的曲线或者曲面，其中严格通过给定型值点的曲线（曲面）成为插值曲线（曲面），不完全通过型值点的曲线（曲面）成为拟合曲线（曲面）15。自由曲面拟合通常是利用假想为曲面上的一组离散点，寻找形式比较简单，性能良好的曲面的解析表达式。曲面的解析表达式采用参数形式来表示，这种形式允许多值曲面用统一的形式来表示，而且和坐标系的选取无关。曲面通常都采用数学方程式来定义。作为一个优良的数学表示由它构建的曲面应具有以下特性：1)缩小变