zemax聚焦透镜设计
目录
摘 I
Abstract II
绪 1
1 聚焦透镜简介 2
11聚焦透镜 2
12 聚焦透镜特点 2
13 聚焦透镜参数 3
2 聚焦透镜应 4
21 聚焦准直 4
22 光耦合 5
23 单透镜成 6
24 聚焦透镜阵列成 6
3 球面聚焦透镜设计仿真 7
31 确定透镜模型 7
32 设置波长 7
33数值孔径设定 8
34 聚焦透镜光路 8
4 优化参数 9
41光线相差分析 9
42聚焦光斑分析 10
43 3D模型 10
结束语 11
致 谢 12
参考文献 13
摘
文说明应梯度折射率光传播影响分析设计聚焦透镜（GRIN lens）聚焦透镜应光纤传输系统中聚焦透镜普通透镜区聚焦透镜材料够轴传输光产生折射折射率分布径逐渐减实现出射光线滑连续汇聚点利特性Glens光纤传输系统中构成准直耦合成系统部分结构简单体积特点更适型光学器材中例窥镜系统
关键词：梯度折射率聚焦光耦合准直
Abstract
This article main showing the impact analysis designs the selffocusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens) the selffocusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system The selffocusing lens lie in with the ordinary lens＇ difference the selffocusing 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 Glens 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
KeywordsGradient index GRIN lens Light couplingCollimation
绪
聚焦透镜体积重量轻具准直聚焦作耦合效率高双透镜组成准直聚焦耦合系统中较间隙插入滤波片衰减片等构成种体积结构紧凑源器件光纤通信系统中越越应种GRIN棒部折射率变化调节复杂光学系统时减少系统中光学元件数量某场合代非球面光学元件外种光学元件形状简单容易进行光学加工种光学元件系统具结构紧凑性稳定成低廉等优点GRIN棒透镜已越越应光学系统尤光纤通信领域中中聚焦透镜光纤间连接隔离定耦合波分复解复器件光开关等显示出独特优势
ZEMAX美国Focus Software Inc发展出光学设计软件做光学组件设计明系统度分析建立反射折射绕射等光学模型结合优化公差等分析功套运算SeqentialNonSeqential软件 ZEMAX 套综合性光学设计仿真软件实际光学系统设计概念优化分析公差报表整合起ZEMAX 透镜设计软件已更全功光学设计分析软件 具直观功强灵活快速容易等优点
1 聚焦透镜简介
11聚焦透镜
渐变折射率材料径渐变轴渐变折射率材料聚焦透镜径渐变折射率材料制成透镜折射率分布式径渐变柱状光学透镜具准直聚焦成功[1]
着信息需求量日益增加光纤通信系统正日新月异速度迅速发展两类光纤通信系统备受青睐类长途干线光纤通信系统类局域网户回路光纤通信系统
光纤局域网户回路通信系统中需量光源源器件例：光耦合器波分复器光开关光收发器件等等器件例外聚焦透镜
12 聚焦透镜特点
光线空气中传播遇介质时介质折射率会改变传播方传统透镜成通控制透镜表面曲率完成聚焦成功
聚焦透镜普通透镜区聚焦透镜材料仅够径传输光产生折射径逐渐减折射率分布够实现出射光线滑连续汇聚点[2]光路图11示
图11 普通透镜聚焦透镜光路
聚焦透镜利梯度变折射率分布径逐渐减变化特征[3]折射率变化公式1表述折射率分布曲线见图12
（1）
公式（1）中：——表示聚焦透镜中心折射率
——表示聚焦透镜直径
——表示聚焦透镜折射率分布常数
图12 聚焦透镜折射率分布曲线
13 聚焦透镜参数
截距P——聚焦透镜中光束正弦轨迹传播完成正弦波周期长度成截距P
长度Z——聚焦透镜长度透镜两端面轴心间距离
折射率分布常数——聚焦透镜折射率径分布常数A
数值孔径——孔径NA两种表示方式公式（2）示
（2）
公式（2）中：——表示聚焦透镜中心折射率
——表示入射光介质折射率
——表示入射光线孔径角
2 聚焦透镜应
聚焦透镜具端面聚焦成特性圆柱状外形特点应种微型光学系统中聚焦透镜功聚焦准直成
21 聚焦准直
穿透透镜聚焦时存着结构尺寸结构复杂聚焦光斑端面聚焦缺点（图121示）聚焦透镜聚焦时克服缺点根聚焦透镜传光原理Z14P截距聚焦透镜端面输入束行光时聚焦透镜光线汇聚端面球差理聚焦透镜聚焦点光斑尺寸公式：
（3）
公式（3）中：——焦点处光斑半径
——数值孔径
——焦距
——轴折射率
准直聚焦功逆运根聚焦透镜传光原理Z14P截距聚焦透镜汇聚光聚焦透镜端面输入时聚焦透镜会转变成行光线聚焦透镜准直功图21示
图21 聚焦透镜准直应
22 光耦合
聚焦透镜通水端面完成聚焦功加简单圆柱外形进行光量链接转换中着广泛途聚焦透镜种聚焦功够应种光耦合场例：光纤光源（图22示）光纤光电探测器级光纤光纤间耦合等等
图22 面聚焦透镜耦合
达更聚焦效果会端面聚焦透镜端面加工1mm~3mm曲面曲面端面聚焦透镜弥散斑图23示球面聚焦透镜减聚焦光斑尺寸[4]
图23球面聚焦透镜聚焦光斑
图24中表示L1光源光纤聚焦透镜端面距离Z聚焦透镜长度L2聚焦透镜端面光纤距离光源光纤发出光聚焦透镜聚焦够效耦合进光纤需调节L1 L2距离达佳耦合效率实际耦合程中耦合效率理值原耦合效率器件结构方法直接关系
图24 光纤传输耦合聚焦光轨迹图
23 单透镜成
聚焦透镜具备般曲面透镜成功具备端面成特性P21P截距聚焦透镜端面成机理图25示P2截距聚焦透镜端面成等倒1P截距聚焦透镜端面成等正P4截距聚焦透镜物穷远处时象端面（物距远远透镜长度时理解穷远）
图25聚焦透镜端面成示意图
24 聚焦透镜阵列成
聚焦透镜阵列（图26示）成：采球面透镜组合传送幅图象时目1∶1轭距般焦距4倍通聚焦透镜阵列缩短轭距整器件尺寸型化方面成直线排列聚焦透镜阵列整条直线成分辨率相整视场传递函数值较均匀提高成质量时克服普通球面透镜透镜外围成分辨率清晰度中心低组合装配工作复杂缺点[5]聚焦透镜阵列成复印机传真机扫描仪等仪器设备重器件
图26 聚焦透镜阵列成示意图
3 球面聚焦透镜设计仿真
聚焦透镜梯度折射率材质构成zemax表面类型中Gradient梯度透镜库中10种类型选Gradient9 符合前面原理分析中折射率分布函数公式（1）
31 确定透镜模型
透镜前端曲面端面构成梯度折射率透镜选择SLS10初定镜面图31示
图31 选取镜面模型
32 设置波长
透镜参数透率选取三种波长进行仿真设置图32示
图32 波长设定
33数值孔径设定
根聚焦透镜透镜尺寸光线全部入射透镜中数值孔径略透镜直径透镜直径2mm物镜数值孔径课设16mm~18mm设置图33示
图33 物镜数值孔径设置
34 聚焦透镜光路
通开Analysis>Layout>3D Layout菜单透镜中光路图34示
图34 聚焦透镜光路
4 优化参数
通修改面2曲率半径（Radius）厚度（Thickness）改变焦点位置曲率半径设0厚度86mm时SLS10材料焦点正断面时截距075P图41(a)示前端面存曲率时焦距会略微改变图41(b)示
图41(a) 直端面透镜 图41(b) 球面透镜
41光线相差分析
通光线特性曲线分析光线差显示关入瞳坐标函数光线差次设计物镜系统光线特性曲线图42示
图42 透镜光特性曲线图
42聚焦光斑分析
spot diagram选项分析结果图43示
图43 透镜直端面光斑
43 3D模型
输出视化3D模型更直观聚焦光路功图44示
图44 聚焦透镜3D模型光路图
结束语
次光电子应课程设计课题：聚焦透镜设计仿真利zemax软件完成完整功实现单透镜反射式相物镜光学系统假设果没软件仿真整设计程庞调试程复杂程度难想象
通次课程设计仅zemax软件初步解更巩固提高光学知识深深体会zemax软件光学设计巨帮助时熟悉巩固利zemax软件进行光路设计方法技巧次课程设计收获掌握种光学设计软件zemax设计光路方法光学zemax设计仿真软件帮助掌握现代光学设计方法减少设计周期提高设计成果稳定性
致 谢
感谢学校（武汉理工学）次光电子应课程设计机会仅解zemax软件特点方法掌握zemax设计光学系统原理方法通次课设明白理联系实践重性书理知识学少必须应实践中做学致样断创新次课程设计感谢指导老师设计程中辅导学帮助
参考文献
[1]袁旭沧 现代光学设计方法北京：北京理工学出版社1995
[2]乔亚天梯度折射率光学科学出版社北京 1991
[3]刘德森变折射率光学理实践 重庆：西南师范学出版社2004
[4]王风刘德森聚焦透镜光斑尺寸相差特性分析光子学报2007
[5]王江伍树东编 成光学北京：科学出版社1991
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摘 I
Abstract II
绪 1
1 聚焦透镜简介 2
11聚焦透镜 2
12 聚焦透镜特点 2
13 聚焦透镜参数 3
2 聚焦透镜应 4
21 聚焦准直 4
22 光耦合 5
23 单透镜成 6
24 聚焦透镜阵列成 6
3 球面聚焦透镜设计仿真 7
31 确定透镜模型 7
32 设置波长 7
33数值孔径设定 8
34 聚焦透镜光路 8
4 优化参数 9
41光线相差分析 9
42聚焦光斑分析 10
43 3D模型 10
结束语 11
致 谢 12
参考文献 13
摘
文说明应梯度折射率光传播影响分析设计聚焦透镜（GRIN lens）聚焦透镜应光纤传输系统中聚焦透镜普通透镜区聚焦透镜材料够轴传输光产生折射折射率分布径逐渐减实现出射光线滑连续汇聚点利特性Glens光纤传输系统中构成准直耦合成系统部分结构简单体积特点更适型光学器材中例窥镜系统
关键词：梯度折射率聚焦光耦合准直
Abstract
This article main showing the impact analysis designs the selffocusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens) the selffocusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system The selffocusing lens lie in with the ordinary lens＇ difference the selffocusing 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 Glens 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
KeywordsGradient index GRIN lens Light couplingCollimation
绪
聚焦透镜体积重量轻具准直聚焦作耦合效率高双透镜组成准直聚焦耦合系统中较间隙插入滤波片衰减片等构成种体积结构紧凑源器件光纤通信系统中越越应种GRIN棒部折射率变化调节复杂光学系统时减少系统中光学元件数量某场合代非球面光学元件外种光学元件形状简单容易进行光学加工种光学元件系统具结构紧凑性稳定成低廉等优点GRIN棒透镜已越越应光学系统尤光纤通信领域中中聚焦透镜光纤间连接隔离定耦合波分复解复器件光开关等显示出独特优势
ZEMAX美国Focus Software Inc发展出光学设计软件做光学组件设计明系统度分析建立反射折射绕射等光学模型结合优化公差等分析功套运算SeqentialNonSeqential软件 ZEMAX 套综合性光学设计仿真软件实际光学系统设计概念优化分析公差报表整合起ZEMAX 透镜设计软件已更全功光学设计分析软件 具直观功强灵活快速容易等优点
1 聚焦透镜简介
11聚焦透镜
渐变折射率材料径渐变轴渐变折射率材料聚焦透镜径渐变折射率材料制成透镜折射率分布式径渐变柱状光学透镜具准直聚焦成功[1]
着信息需求量日益增加光纤通信系统正日新月异速度迅速发展两类光纤通信系统备受青睐类长途干线光纤通信系统类局域网户回路光纤通信系统
光纤局域网户回路通信系统中需量光源源器件例：光耦合器波分复器光开关光收发器件等等器件例外聚焦透镜
12 聚焦透镜特点
光线空气中传播遇介质时介质折射率会改变传播方传统透镜成通控制透镜表面曲率完成聚焦成功
聚焦透镜普通透镜区聚焦透镜材料仅够径传输光产生折射径逐渐减折射率分布够实现出射光线滑连续汇聚点[2]光路图11示
图11 普通透镜聚焦透镜光路
聚焦透镜利梯度变折射率分布径逐渐减变化特征[3]折射率变化公式1表述折射率分布曲线见图12
（1）
公式（1）中：——表示聚焦透镜中心折射率
——表示聚焦透镜直径
——表示聚焦透镜折射率分布常数
图12 聚焦透镜折射率分布曲线
13 聚焦透镜参数
截距P——聚焦透镜中光束正弦轨迹传播完成正弦波周期长度成截距P
长度Z——聚焦透镜长度透镜两端面轴心间距离
折射率分布常数——聚焦透镜折射率径分布常数A
数值孔径——孔径NA两种表示方式公式（2）示
（2）
公式（2）中：——表示聚焦透镜中心折射率
——表示入射光介质折射率
——表示入射光线孔径角
2 聚焦透镜应
聚焦透镜具端面聚焦成特性圆柱状外形特点应种微型光学系统中聚焦透镜功聚焦准直成
21 聚焦准直
穿透透镜聚焦时存着结构尺寸结构复杂聚焦光斑端面聚焦缺点（图121示）聚焦透镜聚焦时克服缺点根聚焦透镜传光原理Z14P截距聚焦透镜端面输入束行光时聚焦透镜光线汇聚端面球差理聚焦透镜聚焦点光斑尺寸公式：
（3）
公式（3）中：——焦点处光斑半径
——数值孔径
——焦距
——轴折射率
准直聚焦功逆运根聚焦透镜传光原理Z14P截距聚焦透镜汇聚光聚焦透镜端面输入时聚焦透镜会转变成行光线聚焦透镜准直功图21示
图21 聚焦透镜准直应
22 光耦合
聚焦透镜通水端面完成聚焦功加简单圆柱外形进行光量链接转换中着广泛途聚焦透镜种聚焦功够应种光耦合场例：光纤光源（图22示）光纤光电探测器级光纤光纤间耦合等等
图22 面聚焦透镜耦合
达更聚焦效果会端面聚焦透镜端面加工1mm~3mm曲面曲面端面聚焦透镜弥散斑图23示球面聚焦透镜减聚焦光斑尺寸[4]
图23球面聚焦透镜聚焦光斑
图24中表示L1光源光纤聚焦透镜端面距离Z聚焦透镜长度L2聚焦透镜端面光纤距离光源光纤发出光聚焦透镜聚焦够效耦合进光纤需调节L1 L2距离达佳耦合效率实际耦合程中耦合效率理值原耦合效率器件结构方法直接关系
图24 光纤传输耦合聚焦光轨迹图
23 单透镜成
聚焦透镜具备般曲面透镜成功具备端面成特性P21P截距聚焦透镜端面成机理图25示P2截距聚焦透镜端面成等倒1P截距聚焦透镜端面成等正P4截距聚焦透镜物穷远处时象端面（物距远远透镜长度时理解穷远）
图25聚焦透镜端面成示意图
24 聚焦透镜阵列成
聚焦透镜阵列（图26示）成：采球面透镜组合传送幅图象时目1∶1轭距般焦距4倍通聚焦透镜阵列缩短轭距整器件尺寸型化方面成直线排列聚焦透镜阵列整条直线成分辨率相整视场传递函数值较均匀提高成质量时克服普通球面透镜透镜外围成分辨率清晰度中心低组合装配工作复杂缺点[5]聚焦透镜阵列成复印机传真机扫描仪等仪器设备重器件
图26 聚焦透镜阵列成示意图
3 球面聚焦透镜设计仿真
聚焦透镜梯度折射率材质构成zemax表面类型中Gradient梯度透镜库中10种类型选Gradient9 符合前面原理分析中折射率分布函数公式（1）
31 确定透镜模型
透镜前端曲面端面构成梯度折射率透镜选择SLS10初定镜面图31示
图31 选取镜面模型
32 设置波长
透镜参数透率选取三种波长进行仿真设置图32示
图32 波长设定
33数值孔径设定
根聚焦透镜透镜尺寸光线全部入射透镜中数值孔径略透镜直径透镜直径2mm物镜数值孔径课设16mm~18mm设置图33示
图33 物镜数值孔径设置
34 聚焦透镜光路
通开Analysis>Layout>3D Layout菜单透镜中光路图34示
图34 聚焦透镜光路
4 优化参数
通修改面2曲率半径（Radius）厚度（Thickness）改变焦点位置曲率半径设0厚度86mm时SLS10材料焦点正断面时截距075P图41(a)示前端面存曲率时焦距会略微改变图41(b)示
图41(a) 直端面透镜 图41(b) 球面透镜
41光线相差分析
通光线特性曲线分析光线差显示关入瞳坐标函数光线差次设计物镜系统光线特性曲线图42示
图42 透镜光特性曲线图
42聚焦光斑分析
spot diagram选项分析结果图43示
图43 透镜直端面光斑
43 3D模型
输出视化3D模型更直观聚焦光路功图44示
图44 聚焦透镜3D模型光路图
结束语
次光电子应课程设计课题：聚焦透镜设计仿真利zemax软件完成完整功实现单透镜反射式相物镜光学系统假设果没软件仿真整设计程庞调试程复杂程度难想象
通次课程设计仅zemax软件初步解更巩固提高光学知识深深体会zemax软件光学设计巨帮助时熟悉巩固利zemax软件进行光路设计方法技巧次课程设计收获掌握种光学设计软件zemax设计光路方法光学zemax设计仿真软件帮助掌握现代光学设计方法减少设计周期提高设计成果稳定性
致 谢
感谢学校（武汉理工学）次光电子应课程设计机会仅解zemax软件特点方法掌握zemax设计光学系统原理方法通次课设明白理联系实践重性书理知识学少必须应实践中做学致样断创新次课程设计感谢指导老师设计程中辅导学帮助
参考文献
[1]袁旭沧 现代光学设计方法北京：北京理工学出版社1995
[2]乔亚天梯度折射率光学科学出版社北京 1991
[3]刘德森变折射率光学理实践 重庆：西南师范学出版社2004
[4]王风刘德森聚焦透镜光斑尺寸相差特性分析光子学报2007
[5]王江伍树东编 成光学北京：科学出版社1991
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