[doc] 基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜的设计

[doc] 基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜 的设计 第29卷第1期 上海理工大学 J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVo1.29No.12007 文章编号:1007—6735(2007)01—0099—04 基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜的设计 徐欢,李湘宁,周果 (上海理工大学光学-q电子信息工程学院,上海200093) 摘要:介绍了在Zemax软件中运用多重组态进行大齿距等厚菲涅尔透镜设计的方法,并结合实例 进行了设计研究,提出了用Zernax软件设计大齿距等厚菲涅耳透镜的一种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .通过对设计结果 进行模拟,证明了其可行性. 关键词:菲涅尔透镜;多重组态;Zernax软件;大齿距;等厚 中图分类号:O435文献标识码:A DesignofFresnellenswithbiggroovesandequal thicknessbasedonthesoftwareZemax xuHum,LIXiang-ning,ZHOUGuo (CollegeofOpticsandElectronicsEngineering,UniversityofShanghaiforS cienceandTechnology,Shanghai200093,China) Abstract:ThedesignmethodofFresnellenswhichhasbiggroovesandequalth icknessisintroducedby configurationfunctioninthesoftwareZemax.Viaanex applicationofmuti— ample,theproblemhowto usemanyfunctionsofZemaxtodesignFresnellenswithbiggroovesandequal thicknessisdiscussedand itsfeasibilityisproved. Keywords:Fresnellens;muti-configuration;Zemaxsoftzoare;6grooves;eq ualthickness 菲涅尔透镜是由一系列同心棱形槽构成的光学 系统,每个环带都相当于一个独立的折射面,这些棱 形环带均能使人射光线会聚到一个共同的焦点.因 此,消球差是菲涅尔透镜固有的特点.菲涅尔透镜有 时亦称环带透镜,波纹(或锯齿)透镜和螺纹透镜,它 的特点是薄,轻(通常用塑料制成)及孔径大,并且可 利用复制技术精确地大批生产.现代菲涅尔透镜不 仅可以作聚光器,照明器和放大镜用,而且在其他成 像系统中也得到了广泛应用. 传统的菲涅尔透镜的设计是通过计算确定其技 术参数,如槽根半径,槽峰半径及槽宽等,这样做比 较精确,但过于烦琐.采用计算机软件来完成则可避 收稿日期:2006—02—27 作者简介:徐欢(1980一),女,硕士研究生 免大量的光学计算,但对于目前使用最广泛的光学 设计软件Zemax而言,一般的具有细小齿距(螺距 小,深度浅)的菲涅尔透镜可用其序列模式下的菲涅 尔面(Fresne1)来直接进行设计和模拟,并可直接对 其进行优化,得到一个较好的设计结果.但对于大齿 距的菲涅尔透镜,即齿距相对于透镜的孔径来说较 大的时候,这种面就不能够很好地建模.Zemax非序 列模式可以对这种较大的菲涅尔透镜进行模拟,但 其缺点是无法对其进行优化,因而不能直接设计.所 以,针对这个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,本文结合设计实例得出了利用 Zemax软件中多重组态的功能来完成大齿距等厚菲 涅尔透镜设计的方案. 100上海理工大学2007年第29卷 1设计原理 菲涅尔透镜是一个大孑L径,适用于小视场的光 学系统,它与非球面透镜的作用相同,但其形状与非 球面透镜不同.非球面透镜表面是连续的,而菲涅尔 透镜是由若干个以光轴为中心的圆环组成.在Ze— ITIaX软件中,序列模式下的Fresnel面就是利用这个 原理模拟的,它与非球面透镜具有相同的曲面方程 r,, 2N —,一 z=————==二兰r_二二=二二二+2口2y(1) 1+,/1一(1+k)c2yz:l 式中,C为表面中心处的曲率;Y为径向高度;k为 二次曲面系数;a为非球面系数.其中,k<一1为双 曲面,k=一1为抛物面,一1<k<0为椭圆,k=0为 球面,k>1时为扁椭圆. Zemax用式(1)表示菲涅尔透镜时,是将其表示 为一个平面上连续变化的曲率值,表面的截点通过 计算人射光线与平面的交点来确定.一旦平面截点 找到以后,面型就按该点的球面(或非球面)曲率来 处理,光线再折射到下一介质中.因此,这种模拟只 是对实际菲涅尔透镜的一种近似.因为实际的菲涅 尔透镜有齿距,光线和每个环带的交点和平面有偏 移,对于细小齿距的菲涅尔透镜,这种偏移的程度较 小,Zemax可以用平面来代替曲面,并且这种模拟近 似性较好.而对于大齿距的菲涅尔透镜,这种偏移的 程度较大,无法直接用平面来代替曲面,Zemax这种 模拟方法就失效了.因此,用Zemax设计大齿距的 菲涅尔透镜,主要是确定好每个环带的齿形,如图1 所示.菲涅尔透镜的每个环带相当于一非球面透镜 的一个环带,设计时先设计好各非球面,然后取对应 的各环带,在保证其齿高相等的同时,使其像点都位 于同一点,达到共焦的目的. 图l菲涅尔透镜设计原理 Fig.1TheoryofFresnellensdesign 2设计方法 某光电开关需要设计一透镜作为其聚光系统, 使其对能量进行会聚.由于受该产品开发过程中的 尺寸限制,该透镜需设计成一大齿距等厚的菲涅尔 透镜,其主要技术参数:工作距=10.45ITI1TI,厚度 d=2ITIITI,视场=0.5.,通光孑L径D=12.1ITI1TI, 波长=900DITI, 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 为PMMA,会聚光斑直径 ?1ITI1TI. 从通光面积分布以及透镜尺寸考虑,取4个环 带通光口径分别为D】=5.86ITI1TI,D2=8.42ITI1TI, D10.68ITI1TI,D4=12.1ITI1TI.由于Zemax软件不 能直接构建如图1所示的菲涅尔透镜整体,可以考 虑用Zema寸4个环带逐一设计,但这样做比较复 杂,而且不直观,无法形成一个整体进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 .因此, 可尝试在Zemax软件的序列模式中使用多重组态 来进行设计. 在透镜的多重组态中,每一环带可看作一个组 态,菲涅尔透镜的4个环带可以定义为四组态系统. 如图1所示,把中心环带设为第一组态,即基态.第 二,三,四个环带分别定义为第二,三,四组态.然后 根据透镜的技术参数要求给多重组态编辑器窗口中 的相应运算元赋初值,如表1所示. 表1菲涅尔透镜的初始值 Tab.1OriginaldataofFresnel 设置参数参臀面组态1组态2组态3组态4 AeMN(表面孔径最小值)102.934.215.34 APMN(表面孔径最小值)202.934.215.34 APMX(表面孔径最大值)12.934.215.346.05 APMX(表面孔径最大值)22.934.215.346.05 SDIA(半孔径)12.934.215.346.05 由这些初始数据,Zemax可以生成4个初始环 带分别对应的4种初始组态,如图2所示. 中心环带 第三环带 图2菲涅尔透镜的4个初始环带 Fig.2FouroriginalringsofFresnellens 中心环带的设计与一般的非球面透镜的设计类 似,通过计算给出初始结构参数,再对其进行优化得 第1期徐欢,等:基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜的设计 101 到中心环带面型,如图3所示.其余环带的设计则以 第一环带为基态来进行. 图3菲涅尔透镜的中心环带 Fig.3CentralringofFresnellens 由于菲涅尔透镜为等厚透镜,所以在设计第二 环带以及第三,四环带时必须满足它们在起始位置 时环带的厚度为2ITIITI.以第二环带设计为例,假设 第二环带在光轴上的厚度为2.5ITIITI,则其后工作 距为9.95ITIITI.通过软件优化得到一个曲率为 一 0.207514ITIITI的环带,如图4所示.将其与图3 叠加,得到一具有两个环带的菲涅尔透镜,如图5所 示,此时图中z=0.5ITIITI. 图4菲涅尔透镜的第二个环带 Fig.4ThesecondringofFresnellens VJ? —— X?’—一 —_,\l 二 — \ — 三三三, 二=Z / -------j / —j X?’—一 图5两个环的菲涅尔透镜 Fig.5Fresnellenswithtworings 由图5可知两个环带的菲涅尔透镜实现了光束 的共焦要求,但没有满足菲涅尔透镜等厚的要求,因 为根据二次曲面方程 z:2.5+———二二兰二= 1+,//1一(1+k)c2y 可计算出当Y=2.93ITIITI时,z=1.69096ITIITI(小 于2ITIITI).设z为Y=2.93ITIITI时透镜相对于其二 次曲面顶点的距离,如图5所示,此时z= 一 0.80904mm.要满足透镜的厚度要求,则需要使 z=z.经过实践分析可知,z随z的增大而增大, 但其增大的速度较z要小,最后两者达到相等.所 以每次取z=IzI,对其优化,求出新的z,如此循 环,直到两者相等(Ax=z—IzI?0.01mm),如表 2所示,C为曲面的曲率. 表2第二环带中心厚度求解 Tab.2Resolvesofthesecondring’Scenterthickness 表2中的二次曲面的曲率C是通过对第二组态 的透镜进行优化得到的.而z的值可以从Zemax中 直接读取数据,用计算机语言编写一个计算程序求 得.即当z=0.832093ITIITI时得到一个新的满足设 计要求的两环菲涅尔透镜,此时,第二环的曲率为 c=一0.214679,二次曲面系数k=一2.203200.如 图6所示. 图6两环的等厚菲涅尔透镜 Fig.6Fresnellenswithtworing’Sandequalthickness 第三,四环带的设计过程与第二环带类似,先取 一 个z值,然后对第三,四组态的数据进行循环优 化,求出相应的z值,直到z=IzI(?z=z—IzI ?0.01mm)时为止.最后得到菲涅尔透镜的4个环 102上海理工大学2007年第29卷 !4薯84光路模拟一个具有个沟槽的等厚菲涅尔透镜,如图所示..u六, 中心环带第一环带 第三环带第四环带 图7菲涅尔透镜的4个环带 图8四环的等厚菲涅尔透镜 Fig.8Fresnellenswithfourgroovesandequalthickness 3设计结果及分析 图9分别给出了视场角锄=0.,锄:0.3.及? =0.5.的点列图.从图9中可以看出,该菲涅尔透镜 的零视场像差基本为零,当锄=0.5.时,主光线在 像面上的高度为0.068ITI1TI,光斑半径为0.142ITI1TI, 即满足会聚光斑直径小于1ITffn的要求. ‘ ?:=.= 像高(m)0O041O068 视场=0.w=O3.,,,=O5. 均方根半径(l11)084050I41895 几何半径(m)0113374191834 参考主光线 图9点列图 Fig.9Spotdiagram 透镜的结构尺寸设计完成后,可以在Zemax非 序列模式下对菲涅尔透镜作整体建模进行光路模 拟,从而观察其实际效果.建模方式是由序列模式下 所得到的参数算出菲涅尔透镜表面不同半径环上的 点相对于基面的高度,即每一个y值对应一个值 (如图6所示).这些V,值可以组成一个行两列 (行数可任取)的矩阵,组成一个TOB格式的数据文 件.Zemax通过读取这些数据,构建相应的菲涅尔 透镜模型,如图10所示.在运行前,按工作要求设置 好参数,即可进行光路模拟,如图11所示. 图l0菲涅尔透镜模型图 Fig.10ModelofFres— nellenS 图ll菲涅尔透镜光路图 Fig.1lFresnellens’optical road 5结束语 本文在实际的设计过程中,通过结合使用Ze— max的两种模式,很好地设计,优化并模拟了一个大 沟槽等厚的菲涅尔透镜.既解决了Zemax不能对这 种透镜直接建模进行设计的难题,又避免了传统设 计所需的烦琐计算. 参考文献: [1]王之江.光学技术手册[M].北京:机械工业出版社, 1987. [2]王之江.光学设计理论基础[M].北京:科学出版社, 1983. [3]ZemaxDevelopmentCorporation.Zemax光学设计程式 使用手册[M].上海:讯技光电有限公司,2003. [4]王成良,李湘宁,贺莉清.应用Zemax软件构造特殊面 型[J].光学仪器,2001,23(3):23—26. [5]杨力,阴旭,陈强,等.大型菲涅尔透镜的设计和制造 [J].光学技术,2001,27(6):499—502.