1 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 北京空间机电研究所，北京 100094
为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求，提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法，并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜，使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真，收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400~950 nm光谱范围内，设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响，具有较高的能量收集效率，提高了系统光能利用率，满足系统性能指标要求。
非线性光学 光学设计 菲涅耳透镜 光丝激光雷达 收集系统 非球面透镜
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124
使用非球面透镜对高斯光束整形的方法已经非常成熟，可以根据入射光参数设计出特定的非球面整形镜。但在使用入射光束束腰以3 mm设计的非球面整形镜时发现，非球面整形镜不只适用于设计时的入射参数，在入射光束直径和发散角不同时，整形镜后均会有一个平顶分布最佳的整形位置，该位置随着入射光束直径的增大而远离整形镜，随着发散角的增大而靠近整形镜。为了探究最佳整形位置上整形结果的差异，利用控制变量法进行实验，发现入射光束直径和发散角对该位置上平顶分布的平坦因子没有明显变化，但是光束均匀性和边缘陡度会有最佳值，存在最佳入射参数。为了得到最佳整形位置与入射光束直径和发散角的关系，利用响应曲面法成功建立数学模型，当已知某入射位置处的光束直径和发散角时，可以快速得到最佳整形位置。
为优化非球面透镜模压成型过程中的工艺参数,利用MSC.Marc软件建立了二维轴对称模型。基于五单元广义Maxwell黏弹性模型对D-ZK3玻璃材料的模压成型过程进行有限元仿真,分析了玻璃预制体和模具等效应力的变化以及模压温度、模压速率、摩擦因数对等效应力的影响。结果表明,透镜边缘的等效应力大于透镜中心,上表面中心点的等效应力大于下表面中心点,透镜和模具的等效应力都随模压速率和摩擦因数的增大而增大、随模压温度的升高而减小,且模具的等效应力大于透镜。正交试验表明,模压温度和模压速率是影响玻璃预制体等效应力的主要因素,结合实际应用得到最合适的模压工艺参数是模压温度为580 ℃、模压速率为0.1 mm/s、摩擦因数为0.2。
光学制造 非球面透镜 仿真分析 成型工艺 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 092201
上海理工大学 医疗器械与食品学院 生物医学光学与视光学研究所, 上海 200093
探究在基于曲率变化的非球面镜片设计过程中, 镜片中心到边缘的光焦度变化多项式和加光度大小对镜片光学性能的影响。分别利用四阶、六阶和八阶多项式实现非球面镜片从中心到边缘的光焦度变化, 采用不同加光度对光焦度进行设计,对同种中心光度下不同多项式和不同加光度设计的非球面镜片进行仿真, 分析其光焦度和散光分布图。仿真结果表明, 不同的多项式阶数和加光度值对非球镜片的光焦度和周边像散分布有一定的影响；对比发现, 对于不同光焦度的近视镜片采用合适的加光度并按照六阶多项式设计非球面镜片时, 镜片的光学性能较好, 且相对球面和Q-type非球面镜片, 镜片的边缘厚度也实现得到了一定的减薄。
非球面镜片 表面曲率 高阶多项式 设计方法 光学性能 aspherical lens surface curvature high-order polynomial design method optical performance
宁波永新光学股份有限公司, 浙江 宁波 315040
设计了一种扫描成像镜头, 镜头焦距为7.9 mm, 视场角为52°, 采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低, 同时保证好的成像性能, 引入了塑料非球面, 设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片(1G1P)的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片(3P)的结构来讲, 1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求, 成本为3G结构的50%, 推广应用前景好。
条码成像镜头 调制传递函数 塑料非球面 优化方案 barcode imaging lens MTF plastic aspherical lens optimization design
湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心, 长沙 410082
由于不规则的外形, 玻璃预制件的选择直接影响异形非球面透镜的成型。本文通过有限元法探讨不同预制件对成型透镜的影响, 首先选择了一个比较典型的异形非球面透镜作为目标透镜, 将球形玻璃和圆柱形玻璃作为预制件, 采用高级非线性有限元程序 MSC.Marc, 仿真该异形非球面透镜的成型过程。基于仿真, 对比分析其成型性、残余应力、面形精度。结果表明, 圆柱形玻璃预制件更适合成型异形非球面玻璃透镜。
玻璃模压 异形非球面透镜 有限元仿真 预制件 glass molding press abnormal aspherical lens finite element method preform
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所 光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
2 中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220
针对光纤的泵浦耦合问题，对由两片非球面透镜组成的接近1∶1光纤间空间耦合器进行了计算和实验验证.利用高斯光束的变化规律对光路进行了分析研究，并根据二极管输出光相干性不好的特点，对非球面透镜进行了光路追迹的模拟计算.研究发现，在泵浦光波长等因素发生变化时，利用椭球面透镜组成的耦合系统较双曲面透镜有更高的稳定性.实验中选用符合计算结果要求的非球面透镜组成耦合装置,利用一台二极管激光器(尾纤输出端面直径约200 μm，N.A.约0.2)泵浦一段芯径约200 μm(N.A.约0.42)的多模光纤，耦合装置的透过率约95%，在光纤端面有反射的条件下约90%的泵浦光耦合进光纤.
类高斯光束 空间耦合器 非球面透镜 光纤 Gaussian like beam Spatial coupler Aspherical lens Fiber
1 西北大学光子学与光子技术研究所， 陕西 西安 710069
2 宁波大学理学院， 浙江 宁波 315211
通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成，能够达到285lp/mm的空间频率，可匹配1.75μm的COMS图像传感器，全视场RMS半径均小于艾利斑半径，全视场最大畸变小于3%，MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5，总长度小于9.2mm。整个变焦距系统结构紧凑，分辨率高，成本低，可满足手机镜头光学变焦的要求。
光学变焦 非球面透镜 手机镜头 optical zoom ZEMAX ZEMAX aspherical lens MTF MTF phone camera
浙江大学 光电系现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027
为了使微型投影系统既保持结构紧凑又能获得良好光学性能, 本文根据柯拉照明原理提出一种基于LCoS和LED 光源的照明方案。该方案修改了基本的柯拉照明结构, 通过合理设置孔阑, 能在LCoS 面上得到均匀光斑, 而且照明部分光学元件非常简单, 整体尺寸大大减小。本文分别使用球面和非球面两种照明系统进行仿真对比, 球面系统空间均匀性86%, 非球面系统空间均匀性95%。基于非球面方案的整机系统能量效率达到9.94%, 屏幕均匀性大于90%, 光学模组的厚度在9 mm 以内, 非常适合于内嵌式投影系统。
微型投影 非球面透镜 LCoS LCoS LED LED micro-projector aspherical lens
