光学接收天线设计与像差优化分析

该结构形式可以用作变量的数据有:8个曲率半径,第6个空气间隔,必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个,即,同时需控制焦距f′=60mm。因此该系统具有很好校正上述像差的能力。将8个曲率半径设置成变量:将鼠标选中第1个曲率半径,按Ctrl+Z一次(连按两次,表示取消选为变量),该曲率半径栏后带有“V”字样,表示该曲率半径已被设置成变量,依次将其余7个曲率半径设置成变量。

图4-16　Lens Data Editor中焦距缩放成60的初始结构数据

图4-17　初始结构的点列图

4.6.4.1　使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化

选择Editors→Merit Function→打开评价函数编辑器,在第1行中先输入EFFL,第2、3行中输入OPLT、OPGT控制焦距范围,在选择Tools→Default Merit Function→Spot Radius→Start中输入4,再选择OK,可以建立缺省评价函数。将Lens Data Editor中的第1～8个曲率半径设置成变量后,从主菜单中选择Tools→Optimization→Automatic(或从桌面上选择Opt快捷键),ZEMAX将进行优化设计,评价函数从0.110 042 568下降到0.002 711 26,此时点列图等像质指标得到很大改善。点列图如图4-18所示,其中最大点列图弥散半径减少到27.394μm,MTF得到很大提高,如图4-19所示,在空间频率50pl/mm处,MTF达到0.5,已基本符合设计要求。

图4-18　用缺省评价函数优化后结构的点列图

图4-19　用缺省评价函数优化后结构的MTF曲线

优化后的结构参数屏幕拷贝图如图4-20所示,光学接收天线外形示意图如图4-21所示。光学特性参数:L=,f′=58.98mm,D/f′=1/1.2,2ω=±0.1°,工作中心波长为1.55μm,激光波长漂移:1.53～1.57μm,孔径光阑在第1面。

图4-20　缺省评价函数优化后的结构参数屏幕拷贝图

图4-21　光学接收天线外形示意图

4.6.4.2　用自建的独立几何像差评价函数优化

如前所述,要校正的像差有6个,即,同时需控制焦距f′=60mm。应用本书第4章4.4节阐述的控制像差评价函数建立方法,自建的像差优化设计评价函的屏幕拷贝图如图4-22所示,其中操作符#1～#5用于控制焦距与系统总长;操作符#7～#12定义,操作符#12加上权因子控制;操作符#14～#16控制正弦彗差;操作符#18～#24控制0.707孔径的轴向色差;操作符#26～#33控制高级球差;操作符#35～#38控制高级正弦彗差;操作符#40～#50控制高级色球差;操作符#52～#57控制边界条件;操作符#59～#62控制玻璃变量边界条件。

图4-22　自建的像差优化设计评价函数屏幕拷贝图(www.xing528.com)

优化后的结构参数经归整的LDE屏幕拷贝图如图4-23所示。

图4-23　优化的结构参数经归整的LDE屏幕拷贝图

光学特性参数为:L=,f′=58.98mm,D/f′=1/1.23,2ω=±0.1°,工作中心波长为1.55μm,激光波长漂移:1.53～1.57μm,孔径光阑在第1面。

对应的点列图如图4-24所示,最大弥散圆半径为16.21μm,从数值上看,比用弥散圆优化的数值小。

图4-24　自建像差评价函数优化结果的点列图

4.6.4.3　优化方式比较与分析

由上述的优化结果可以看出,缺省评价函数与自建的像差优化评价函数都能有效地减少像差。但对本例设计要求,设计关注的是天线接收光能的聚焦程度,提高光能的利用率,因此后者比前者要好些,聚焦程度更好。

本例中,影响像质的主导像差是高级孔径像差,轴外视场不大,几乎与轴上具有相同的成像质量。二者结果的差别,可以通过二者的球差曲线来分析。用弥散圆优化后的球差曲线,如图4-25所示;用像差优化后的球差曲线,如图4-26所示。

图4-25　用弥散图优化后的球差曲线

在图4-25和图4-26中,横轴表示球差,纵轴表示归一化孔径,每幅图中有三条曲线对应三个波长(1.53μm、1.55μm、1.57μm),球差计算以中间波长的高斯像面为基准。

两种球差的状态反映了不同的设计思想,图4-25的球差状态,1.0h的球差不为0,0.707h的球差接近于0,表示优先平衡小孔径的像差;图4-26的球差状态,1.0h的球差接近0,0.707h的球差残留较大,反映了先校正初级球差、再校正高级像差的思想。本例是一自由空间光通信接收光学天线,希望接收的弥散圆越小越好。

通过本例,需要我们理解下列几点:

(1)通过自建像差评价函数,利用ZEMAX,可以实现基于像差的光学设计思想,与过去的像差理论知识紧密结合。

(2)像差设计可以校正不同孔径、不同视场的所有像差,具有很大的柔性可控变化空间,可以满足任何设计思想的需要。

图4-26　用像差优化后的球差曲线

(3)像差设计还可以与其他像质指标设计组合,构成评价函数。