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ZEMAX光学设计实例（110）---一个带有衍射光学元件的平行光管物镜的设计

2021-12-20 10:56| 发布者：Davis| 查看：1023| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用ZEMAX进行衍射光学元件的设计实例，包括平行光管物镜的设计流程。文章详细阐述了设计要求、设置孔径和波长、初始结构参数、优化焦距和像差等步骤，并提供了相关图片和数据分析，可见性良好。

导论：

衍射光学元件是基于光波的衍射理论设计的，在衍射光学元件表面带有阶梯状的小沟槽或线状结构，从而产生波前相位变换。

设计要求：

设计一个平行光管物镜，焦距f`=550mm，相对孔径1/10，视场角2ω=2°，对可见光波段成像。

设计流程：

1）输入系统特性参数和初始结构

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“55”；

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)三个波长，如下图：

在LDE输入初始结构的参数，如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看球差-色差曲线，如下图：

此时，系统的球差和位置色差都比较大，需要进行优化。

考虑到系统焦距较长，可以引入一个衍射表面来校正系统像差，因此，将第5面的面型选择为“Binary 2”。

注：Binary 2的系数是偶次，Binary 1的系数是奇次，两者都可以用于球面、平面和非球面。

将“Diffraction Order”设置为2，在“Maximum Terms”输入二元面多项式系数项为2，这表示多项式系数只有两项，即二次项和四次项。

2）系统优化

打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

优化焦距、球差和位置色差，添加以下操作数：

EFFL，目标值为550，权重1；

LONA，目标值为0，权重1；

AXCL，目标值为0，权重1。

将第1～6面的曲率半径，第5面的二次型和四次项设置为变量，如下图：

开始执行优化。

查看优化后的LDE，如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看球差-色差曲线，如下图：

查看MTF，如下图：

查看包围圆能量的衍射效率，如下图：

上图显示了相对像点中心的不同半径内的衍射效率。可以看出，在10um的半径范围内，衍射的光能量为入射的90%，在20um的半径范围内，衍射的光能量为入射的95%，满足成像要求。

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