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基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

基于ZEMAX的自聚焦透镜设计
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

摘要:自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射,并使折射率的分布沿径向逐渐减小,从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。自聚焦透镜是光纤传输系统中构成准直、耦合、成像系统的主要部分。本文主要简要概述基于ZEMAX的自聚焦透镜设计。

关键词:自聚焦;ZEMAX;梯度折射率;透镜设计

1 自聚焦透镜的特点

自聚焦透镜(Grin Lens)又称为梯度变折射率透镜,是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能。自聚焦透镜体积小,重量轻,具有准直和聚焦作用,且耦合效率高。由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件,所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。由于自聚焦透镜内部的折射率变化可以调节,当它用于复杂的光学系统时,可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。

2 ZEMAX介绍

ZEMAX是美国Focus Software Inc所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件,将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点,还可仿真Sequential和Non-Sequential成像系统和非成像系统,具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的,在ZEMAX的表面类型中的Gradient即是梯度透镜。在本文中也是采用梯度透镜来模拟设计。

3 基于ZEMAX的自聚焦透镜设计

自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征折射率变化由公式表述。其中表示自聚焦透镜的中心折射率;表示自聚焦透镜的直径;表示自聚焦透镜的折射率分布常数。

在梯度折射率透镜设计中,我们首先选择SLS-1.0作为镜面模型。透过率是自聚焦透镜的主要参数,在这里,我们在ZAMAX的波长设定中选择0.85微米、1.31微米、1.55微米三种波长进行仿真设计。根据自聚焦透镜透镜尺寸为了使光线全部入射到透镜中数值孔径要略小于透镜直径。透镜直径为若2mm,物镜数值孔径设为 1.6mm~1.8mm来进行仿真设计。在分析之前首先设置优化功能(Merit Function)菜单工具(Tools)子菜单下设定值(Default)。的优化目标为弥散圆半径(Dispersive Spot Radius)设置类型为PTV。将弥散圆最大半径设置

zemax自聚焦透镜设计

目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens),自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于,自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射,并使折射率的分布沿径向逐渐减小,从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性,G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单,体积小的特点更适用于小型光学器材中,例如窥镜系统。 关键词:梯度折射率,自聚焦,光耦合,准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

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目录 摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens),自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于,自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射,并使折射率的分布沿径向逐渐减小,从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性,G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单,体积小的特点更适用于小型光学器材中,例如窥镜系统。 关键词:梯度折射率,自聚焦,光耦合,准直

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目录摘要Abstract............................................................ I 绪论. 0 1 自聚焦透镜简介 (1) 1.1自聚焦透镜 (1) 1.2 自聚焦透镜的特点 (1) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (2) 2 自聚焦透镜的应用 (3) 2.1 聚焦和准直 (3) 2.2 光耦合 (4) 2.3 单透镜成像 (5) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (5) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (7) 3.1 确定透镜模型 (7) 3.2 设置波长 (7) 3.3数值孔径设定 (8) 3.4 自聚焦透镜光路 (8) 4 优化参数 (9) 4.1光线相差分析 (9) 4.2聚焦光斑分析 (11) 4.3 3D模型 (11) 结束语 (12) 致谢 (13)

参考文献 (14)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens),自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于,自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射,并使折射率的分布沿径向逐渐减小,从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性,G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单,体积小的特点更适用于小型光学器材中,例如窥镜系统。 关键词:梯度折射率,自聚焦,光耦合,准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

镜头设计

光学镜头设计 自 聚 焦 透 镜 姓名:董杏杰 学号:120514130 专业:12级光伏 2015年6月22日

光学系统的设计要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求,因此,在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求,这些要求概况起来有以下几个方面: 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有:数值孔径或相对孔径;视场角或线视角;系统的放大率或焦距。此外还有这些基本特性相关的一些参数,如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 外形尺寸也就是系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时,外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量;对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时,一定要考虑在技术上和物理上可实现的可能性。如生物显微镜的放大率m要满足500NA≤m≤1000NA条件,望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统的设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件,来决定满足使用要求的各种数据,即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为四个阶段:外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在各个阶段里要设计拟定出光学系统原理图,确定基本光学特性,使满足给定的技术要求,即确定放大倍率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此,常把这个阶段成为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统,以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理,过高的要求会使设计结果复杂造成浪费,过低要求会使设计

光纤与激光基础知识_肖

1、光纤传输条件 全反射条件 为了使光波在传输过程中光能量损耗尽可能小,需使光束在光纤内部传输时发生的内反射满足全反射条件。 谐振条件(相位条件) 考虑两列向前(光束分波前)传播的相干光在某一时刻的相位差及叠加情况,它们产生沿垂直于光纤光轴分布的相位差。这两列波产生谐振,或者相互减弱,这就是并非所有满足全反射条件的光波都能在光纤内部形成稳定的传输。 能够在光纤内稳定传输的光波,除了要满足全反射条件外,还要满足谐振条件-相长干涉条件,光波的入射角应满足: πδδθm nk i 2cos 2210=++ 才能在光纤内部形成稳定传输。对于给定光纤,能够在内部稳定传输的光波 之入射角i θ仅仅取一些分立值。 每个i θ值对应一个m 值,称为光纤内光场分布的一种模。 2、光纤的色散 光纤色散是决定光纤传输带宽的重要参数,限制传输容量、决定最大中继距离。光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于各波长的群速度不同而引起光脉冲展宽的现象,即传输延时。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变,从而限制了光纤的传输带宽。色散对数字信号通信的影响:目前光纤通信都采用脉冲编码形式,由于不同波长光波在介质中传播速度不一致,从而使得不同波长光波到达光纤终端时产生延时差。由于各个波长成分到达的时间先后不一致,因而使叠加后的脉冲加长了,这叫脉冲展宽。传输距离越远脉冲展宽现象越严重,比特率越低。光纤不是用来传输单个脉冲的,而是用来传输一个脉冲序列,要把宽度几乎为零的脉冲序列传输到接收端,要在接收端把这个脉冲序列区分开来,则脉冲序列的重复频率—即为比特率。 光纤色散可以分为三类:材料色散、波导色散、模间色散,光纤色散(延时差)是这几类色散(延时差)之和。

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