He-Ne激光聚焦物镜 | SYNOPSYS 光学设计软件第83课

课程八十三：He-Ne激光聚焦物镜

一.概述

氦氖激光器是一种气体激光器，其工作物质是氦气和氖气。在特定条件下，氦原子和氖原子在激发态之间跃迁时，会释放出能量，这些能量以光子的形式释放出来，形成激光。这种激光具有高度的单色性、方向性和相干性，是许多领域的重要光源。在准直定位方面，氦氖激光器因其良好的方向性而倍受青睐。它可以用于建筑物的准直测量，能快速准确测量出建筑物的直线度和角度；在军事领域，氦氖激光器可作为激光制导系统的光源；在机器人领域可作为激光雷达系统的光源，用于实现机器人的定位和导航。

图一：氦氖激光器

数字高清视频节目的播放要求光盘系统具有更大的存储容量和更高的数据传输率,随着记录波长的缩短以及物镜数值孔径的提高，聚焦光束的焦深减小， 光存储对于系统的聚焦能力提出了更高的要求。如今，He-Ne激光光束聚焦物镜广泛应用于影碟机，光盘，激光打印机等，此类透镜是小F数，小视场，单色波简单光学系统，很容易达到衍射极限，并且只要一两片透镜就可以达到基本要求。

二. 设计要求

波长：0.6328um

焦距：60mm

相对孔径：1/2

视场角：1°

几何弥散圆直径小于0.002mm

镜头尽量简单，争取两片达到要求

1.单片低折射率情况

先尝试用一片镜片作为物镜，看看能否满足设计要求，镜片玻璃采用成都光明H-K9L，光阑放在透镜的第一面，入瞳直径取为30mm，初始结构如图所示：

将透镜半径作为优化变量，并设置一阶像差后焦为60mm，得到的优化结构如图所示：

此时距离要求相差甚远。

2.单片高折射率

将玻璃的材质换成高折射率的玻璃ZF14，Nd1.917612，Vd21.5118，优化方法同上述相同，获得的结构及RMS光斑大小如下所示：

此时光斑大小为0.09，好了许多，但仍然没有达到设计的要求，通过分裂镜片，可以将像质进一步改进。采用双片式结构来继续设计。

3.双片高折射率

将玻璃分为两片，介质均使用ZF14，第一块透镜设置厚度为6mm，第二块透镜设置厚度为4mm。初始结构如下图所示：

将4片透镜的半径，及透镜间的间隔设置为变量，进行初步优化，随后模拟退火（50，2，50）。

查看光扇图，光扇图的坐标轴单位在0.002mm，可以看到像差得到了很大的改善，在进入优化界面，更改评价函数，进行进一步优化。得到的结果如下：

此时查看MTF图，透镜已经达到衍射极限。

再查看RMS光斑大小：

光斑大小在0.0004满足设计需求。