本期分享单模光纤准直光学设计实例。

单模激光应用领域较为广泛，生物医疗，食品检测，化学物质检测等均有应用。

本期的主要内容包含初始参数设计，镜头数据，评价函数和优化结果，同时会针对每个部分进行详细讲解。

初始参数一般包含系统孔径、视场、波长和材料库等等，系统孔径一般可以是入瞳直径、F数和NA，根据不同的需求进行设置。

镜头参数一般包含光阑位置、透镜曲率半径、透镜厚度、透镜材料和透镜孔径，在设计初始可以进行针对性设计，边缘不能太薄，厚度不能太厚，材料需要替换为常用材料，孔径要预留结构承靠部分等等。

评价函数一般包含总长、焦距、边缘约束、像差约束等等，需根据实际指标进行针对性约束。

本期的主要内容可罗列为以下几项：

1、初始参数设计

2、镜头数据设计

3、评价函数设计

4、镜头优化及结果

5、结论

针对以上几个部分进行讲解：

1、初始参数设计

初始参数设置如图1所示，单模光纤出射光束具备一定的发散角，这里设置为物方空间NA，孔径值为0.12，大家也可根据采购的实际光纤发散角为准进行参数设计，切趾类型为高斯，切趾因子为1，同时选择无焦像空间。

同时需要设置视场、波长和材料等，视场设置为物高，物高为光纤纤芯直径，波长为预设波长，这里为532nm，玻璃材料为成都光明玻璃材质。

图1 初始参数设计

2、镜头数据设计

镜头数据如图2所示，镜头数据包含曲率半径，该镜头中所有曲率半径均为变量，优化结果如图所示，透镜厚度设计，物距同为变量，材料为锤型优化后的玻璃材质，可根据是否为常用玻璃进行替换和优化，最后为透镜孔径，需预留光机装配部分。

图2  镜头数据设计

3、评价函数设计

评价函数设计如图3所示，该镜头的评价函数与上期扩束镜有相似之处，包含边界约束、像高约束，不同之处在于该镜头为有限远镜头，焦距与光束发散角及光束直径相关，可通过需求焦距求解出射光束直径，亦可通过出射光束直径求解焦距大小。

这里只需要约束焦距或出射光束直径其中之一即可。

同样采用MNCA和MNEA约束空气间隔，采用REAY约束出射光束直径。

图3 评价函数设计

4、镜头优化及结果

镜头优化结果如图4所示，透镜一和透镜二组成了准直镜头组，通过曲率半径和厚度等的优化，最终满足实际指标要求。

图4 镜头架构二维图

发散角如图5所示，从图中可知出射光束发散角小于衍射极限，满足出射光束大小及平行要求。

图6 镜头点列图

光纤准直镜头指标设计完成，后续的公差分析等大家可在该基础上进行分析评估。

结论：

1、光纤准直镜头单一波段常采用2片透镜架构

2、一般出射光束为5mm左右，匹配聚焦光斑或物镜入瞳

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