光学基础入门-准直镜头的设计和仿真

准直镜头简述

准直镜头的核心功能是将一个点光源或从一个小孔径（如光纤端面、激光二极管发光点）发出的发散光束（Divergent Beam），转换为准直光束（Collimated Beam）。

理想的准直光束，其内部光线彼此平行，波前（Wavefront）为平面。这意味着光束在传播过程中，其横截面直径和能量分布能够保持相对稳定，发散角（Divergence Angle）趋近于零。

根据几何光学原理，实现准直的基本条件是：将点光源精确地放置在准直镜头的物方焦点（Front Focal Point）上。此时，根据透镜成像公式（1/u + 1/v = 1/f），当物距 u 等于焦距 f 时，像距 v 将趋于无穷大，从而形成一束平行光。

准直镜头作用

准直镜头在光学系统中的作用主要体现在以下三个方面：

压缩光束发散角：这是准直镜头最根本的作用。通过光学变换，它将光源固有的、较大的发散角显著减小。例如，激光二极管（LD）发出的光在快轴和慢轴方向上具有不对称且很大的发散角，准直镜头可以将其压缩至毫弧度（mrad）级别，使光束能量在长距离传输中保持高度集中。

改善光束质量与波前：高质量的准直镜头（如采用非球面设计）可以有效校正球差（Spherical Aberration）、彗差（Coma）等光学像差。这使得出射光束的波前畸变（Wavefront Distortion）极小（例如低于 λ/10），光束的横截面能量分布（如高斯分布）更加规整和理想，为后续的精密光学处理奠定基础。

实现高效能量耦合与传输：在许多应用中，准直是能量高效传递的必要前置步骤。在光纤通信中，准直镜头将光束变为平行光，以便通过另一个聚焦镜头高效地耦合进另一根光纤的纤芯中，最大限度地降低插入损耗。在激光雷达（LiDAR）或激光加工中，准直后的平行光束能够在长距离传输后依然保持较小的光斑尺寸，确保能量密度和作用的精准性。

设计案例

为了让你更直观地了解设计流程，这里提供一个典型的激光雷达（LiDAR）应用的设计案例。

1.元器件指标

发光面大小： 3um×8um

垂直发散角   30°

水平发散角   8°

工作波长    550nm

2.设计要求

要求准直后发散角小于±1mrad

3.指标计算和初始结构设计

由于发光面大小3um×8um，以8.55um发光面计算(斜边长)，当发散角为1mrad时，焦距为f=光斑大小/角度=8.55 mm

设置单透镜，优化目标为焦距8.55 mm。由于垂直发散角30°，则对应NA=0.5。F数对应为1/2NA=1。

所以初始结构为：

系统口径：像方F数为1。

像面大小：4.275 (对角线一半)，3.02 0

材料：H-ZF7LA(系统F数为1.0，单透镜时需要折射率高一些)

结构形式：平凸

4.设置评价函数，初步优化后如下所示：

图1 准直镜头的初始结构

可以看到，此时镜头初步成型，但是存在较大像差。

将第一面设置为偶次非球面，增加圆锥系数和四次六次八次系数，优化。结果如图2所示。

图2 准直镜头的优化结果

5.zemax非序列模式仿真

在非序列模式中，用二极管光源来仿真LD激光器。二极管光源的定义如图3所示(来源，zemax手册)：

图3 二极管光源定义

具体参数定义请查阅手册，本文不再赘述。

这里需要注意二极管光源的发散角为高斯e-2角，而规格书给出的是半峰全宽角θFWHM，所以这里需要转化：

将参数输入到非序列模式中，发射用二极管光源，然后经过偶次非球面透镜，然后在距离50mm和500mm的未知放置矩形探测器。布置如图4所示。

图4 准直镜头的非序列仿真

结果如下图5：

图5 对不同距离的仿真结果

可以看到，光斑大小随距离变化基本不变。符合设计要求。能量利用效率为73%。可用于雷达发射镜头。