2010《精密仪器设计实践》第二专题光学系统.pptVIP

DVD兼容CD 利用液晶板改变光的偏振方向以达到改变数值孔径的目的 光路设计要点（一）： 保证聚焦光路 光盘系统对聚焦光斑要求很高，已经接近衍射极限，因此要求聚焦光路没有像差，在光路设计和元件位置设计时要充分考虑首先保证聚焦光路的像差最小。 设定光路系统NA，保证聚焦光斑大小。 对于DVD系统，要求聚焦光斑的波像差小于0.033波长。 光路设计要点（二）： 考虑兼容性： 为兼容多种盘片，需要配置多个不同波长的光源，比如要兼容CD-R盘片，必须配置780nm的LD光源。 兼容低密度、高密度盘片需要对物镜进行特殊设计 缩小体积：光路设计尽量减小轴向尺寸，使整个结构的厚度比较小。可以采用全返镜等使光路转折的元件。 降低成本： 除必要的聚焦物镜外，将棱镜等高成本元件替换为其他元件 同时需要对由此而引入的像差进行补偿。 采用HOE等衍射元件替换传统的透镜，减小体积、降低成本，但增加设计难度 光路设计要点（三）： 放大倍数要求： 为保证探测器表面光斑变化能够被探测准确识别，需要光路设计保证一定的光学放大倍数，对于DVD系统，一般设计为7～8倍（根据聚焦光斑直径和探测器归一化光斑直径要求确定） CD光路设计实例 CD的实际光路 光路说明 省掉了1/4波片，因为随着激光器功率的提高和调制方法的使用，反射光已经基本不能影响激光器的功率稳定； 无准直镜，因为随着激光器功率的提高，只要保证适宜的光路长度，光线的发散角对整个光学系统影响不大。 CD光路中各个参数的制约关系 CD 要求 NA：0.45 工作距有一个适宜的范围； 光路不能过长，否则导致光能利用率不高； 最小光斑，探测器灵敏度，柱面镜的放大效果影响放大率； 力矩器的要求限制了物镜的重量，进而限制了物镜的口径； NA和物镜的口径决定了物镜的焦距，其和放大倍数一起决定了物镜的工作距； 物镜不能太小，太小光能不够，不利于加工； 设计中的注意事项 物镜的口径对激光器的光进行了截取，要保证足够的光能通过物镜； 全反镜不影响光路的特性，因此设计时为了方便，可以把光路拉直； 光路设计上，主要保证三光束中的主光束，设计完后验证辅助光束的性能； 运用Zemax进行辅助设计可以优化设计结果。 关键部件——物镜的设计 物镜是光盘光路的关键部件； 物镜的合理面形是设计的难点； 球面面形 对球面而言，面形由一个参数r确 定，它不能同时完成多个任务； 非球面则否，多个参数决定面形 。 可实现“多目标”任务 非球面面形 非球面的其局限性： 实例：单个非球面 能使某一定点成像理想，则面形也就完全确 定了（初级、二级、三级以及更高级球差的要求就把面形方程式中所有方次的系数完全决定了）。问题：不能兼顾解决轴外像差。 物镜设计的基本步骤 根据光盘系统光路的要求（或根据自己设计的光路），确定对光盘物镜的光盘特性的要求：物镜焦距，物平面位置，光束孔径，成像范围（物高或像高）。这部分可以根据理想光学系统来计算。 物镜型面的设计：保证成像质量（成像清晰和物像相似）。 成像质量的评价指标 几何像差：球差、正弦差、色差等； 波像差：如果光学系统成像不符合理想，存在几何像差，则对应的实际波面也不再是以理想像点为中心的球面，而是一个一定形状的曲面。我们把实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标，称为波像差。 波像差的瑞利判据 高精度质量的分析： 波像差——几何像差 高质量光学系统的经验标准——瑞利标准 一般认为，最大波像差小于四分之一波长，则实际光学系统的质量与理想光学系统没有显著差别。 非球面物镜设计的基础知识 D ：入瞳直径（通光口径） t ：透镜轴向中心厚度 WD ：透镜自由工作距离 td ：光盘覆盖层厚度 n ：透镜材料折射率 nd：光盘覆盖层材料折射率 焦距 数值孔径 －单片非球面物镜结构 计算镜头参数 非球面的解析表达和优化变量选择 由于非球面物镜是共轴光学系统，即两个曲面都是轴对称曲面系统中每个曲面的形状用如下的方程表示。 用商业光学设计软件进行设计 CodeV Zemax Zemax可用来进行光路的分析设计（聚焦光路设计） Zemax可用来对光学元件的成像质量进行分析（物镜面型优化设计） 相关使用方法请参见其自带帮助文件 工业设计 确定设计指标 根据指标选择合适商家的光路元件 根据选择的元件，分析系统的性能 参考资料 光盘存储系统设计原理，徐端颐著，国防工业出版社 《光盘存储及应用技术》讲义，电子资料，潘龙法著 * 半导体激光器发出的光经衍射光栅分成3束，然后经准直镜准直。偏振光束分离器对P 线偏振光全透射，对S线偏振光全反射。P偏振光通过1/4波长光栅转45度成圆偏振光。光束通过反射镜和物镜投射到光盘表面，带着光盘上的信息反射，再通过物镜和反射镜。返回时