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1、一、 设计任务本文利用Zmax程序优化设计一激光扫描物镜，自行构造评价函数进行优化，逐 步分析像差状况，逐步调整评价函数的构造，逐步优化，从而得到一个好的结果。设计任务是对一个已有的激光扫描物镜方案进行改动，将焦距由原先的 116mm 缩放至 160mm。原有的激光扫描物镜结构参数如下表:r/mmd/mmn8（光阑）28-31.2115.393.28(GaAs)-351.5r/mmd/mm-157.8-105.53.28(GaAs)新设计要求：1）物距l=-8,焦距f=160mm，全视场23=40,入瞳直径e = 16mm，工作直 径入=10.6m（CO2激光）；2 ）第一片镜片的厚度d2=5
2、.4mm，第二片镜片的厚度d4=6mm ;3）全视场内弥散圆半径小于 0.02mm；4）以y=f3作为理想像高的标准畸变（Calibrated Distortion ）小于0.01%。二、 初始结构像差分析1）录入初始数据，在初始的结构参数基础上把焦距由116mm缩放到160mm , 这里面用的是Tools里面的MakeFocal，直接调成160mm，没有用ScaleLens调 焦距，因为涉及到比例计算，用MakeFocal更精确方便。得到按照新的要求的初始 结构参数。Surf zTypeCommsntRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinit
3、ySTOStandardInfinity38.431941Standard-42.S392S15.3900003.2Sr 0.03Standard48.03 号勻 2=62.05SS544Standard-21S_5914376.0000003_2Sr 0E.Standard-131.394449M178.3S301MIMAStandardInfinity图 2-1 焦距缩放后的初始结构参数2）我们下面看一看初始结构的像差情况，它的像差曲线、点列图如下图所示。图 2-3 初始结构点列图通过像差曲线和点列图可以很明显的看到，初始的结构慧差很大，像差曲线不对称，因此需要优化慧差，下面我们来进行慧差
4、的优化。、 自行构造评价函数优化设计激光扫描物镜1）第 1 步优化，在焦距缩放后的数据参数（图 2-1）的基础上，取前三个折射面 的半径作为变量，第4个折射面半径保证物镜的相对孔径，并将轴上点边缘光线在其 交高为 0的平面取为像面。经过前面的分析，初始结构有很明显的慧差，因此先把初 级慧差系数COMA”加入到评价函数中（如图3-1）。优化后的结构参数见图3-2 , 像差曲线见图 3-3，点列图见图 3-4。Edit Tools HelpOper #TypeSurfWaveTargetWeight1 COMACOMA010.0000001.000000图 3-1 第 1 步优化的评价函数图 3-
5、2 第 1 步优化后的结构参数OBJ： 20.00 DEGOE：J: 1H.00 OEGIMA： 39.372 MMIMR! 56.663 MMDIH： 0.000 MMELIPFFlIZE 工卜伯SPLIT DIHGRHHWED RPR 2 20LHUNITS ARE 枫FIELD:123RMS RADIUS :H3.H3155.H507H.081GEQ RADIUS :哲宀恥111.019120.1HHZHANGZHTQT,SCALE BAR :H00REFERENCECHIEF RRYCONFIGURATION 1图 3-4 第 1 步优化后的点列图2 ）第2步优化，第1步优化后弥散圆半
6、径约为100 urn，需要进一步优化，在此 基础上取前三个面的半径为变量，令第四个面的半径保证相对孔径，令轴上点边缘光 线在其上的交高为零的平面当做像平面，经过一步优化之后，可以看到主光线附近斜 率子午面和弧矢面不一样，说明存在像散，选择像散作为评价函数，选择初级像散系 数ASTI”加入到评价函数中，如图3-5所示。Oper #TypeSurfWaveTargetWeight;1 ASTIASTI010.0000001.000000图 3-5 第 2 步优化的评价函数经过第二步优化之后的结构参数如图3-6所示，像差曲线如图3-7所示，点列图 如图 3-8 所示。Surf: TypeCcinin
7、jsntRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinity38,431941Standard-40.900193V5-3900003_28F 03Standard-45.175494V2.0588544Standard-170.542077VS.0000003.28P 0.05Standard-118-78812M179.339375MIMAStandardInfinity图 3-6 第 2 步优化后的结构参数OBJ： 1H.00 DEGIBCHIEF RflYSPOT 工HGRFIMWEQ RPR 2 20H
8、FIELD ；RMS RADIUS ： GEO RADIUS iSCALE BAR :OHT： EL 如 DEGSURFFICE： TMRIMfl：MMZHRNGZHTQT,Z CONFIGURATION 1 OfIMR! 39.297 MMUNITS HRE 怦155.008135,676 H00252.75B 126,787OBJ： 20.00 DEGIMF： 5&.H37 MM3 H3.810 70. %5 REFERENCE图 3-8 第 2 步优化后的点列图我们可以看到，经过优化之后，像散减少了，但是这时慧差又变大了，因此我们 接下来尝试将像散和慧差同时加入到评价函数。3 ）第3步优
9、化，在第二步优化结果的基础上，将初级慧差系数COMA”和初级 像散系数ASTI”加入到评价函数之中，如图所示。图 3-9 第 3 步优化的评价函数优化后结构参数、像差曲线，还有点列图如下图所示。这里我们在优化之后，进行一 次自动离焦，利用Tools里面的Quick focus，找到一个像质较好的像面。Edit Solves Options HelpSurf:TypeCdEnnEnt;RadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinity3S.431941Standard-39-93S115V5-3900003.2Sr
10、 0.03Standard-43.148876V2.0588544Standard-21E.S86629V.0000003.2Sr 0.05Standard-148-462843M17_530324IMAStandardInfinity图 3-10 第 3 步优化后的结构参数图 3-12 第 3 步优化后的点列图由像差曲线我们可以看到，像散和慧差都减小了，弥散圆的半径约为0.03mm , 相比较之前的数据明显减小了，但是离要求还是有些距离，因此我们要进一步优化。4）第 4 步优化，在第 3 步优化的基础上，增加一些变量，将孔阑和第一个折射 面之间的距离，还有两块镜片之间的距离作为变量，评价函数
11、新增加一个控制系统畸 变的DISC”，它的作用是使得系统尽可能满足f&条件。如图所示。Oper #SurfWaveTargetWeight1 DISCDISC100.0000005.0000002 COMACOMA010.0000001.0000003 ASTIASTI010.0000001-000000图 3-13 第 4 步优化的评价函数将操作数DISC”下的Absolute”值填0”，以百分数型式输出。然后我们 再进行一次优化，优化之后，我们利用Quick Focus再进行一次离焦，我觉得离焦过 程是为了找到像质更好的像面，自动离焦过程只改变了像距，其他参数并没有变化。 所得到离焦处理之
12、后的结构参数、像差曲线、点列图如下图所示。Edit Solves Options HelpSurf zTypeCcmmsntRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinityVStandard-37.818475V5.3900003_2Sr 03Standard-42.142945V37.732036V4Standard-414.9S4737V6.0000003.2Sr 0.05Standard-195.155112M1S2.73173IMAStandardInfinity图 3-14 第 4 步优化后的结构参数图 3-16 第 4 步优化后的点列图从像差曲线上面我们可以看到，慧差和像散基本被消除了，从点列图我们可以看到弥散圆的半径在 0.015mm 左右，符合不超过 0.02mm 的条件。我们再来看一看畸变的情况，看看是否满足f 0条件，校准畸变曲线如下图，在setting里面找到distortion
