Zemax光学设计实例（38）---扫描系统设计

导论：

在成像系统设计中，激光扫描系统占了相当一部分，从简单的一维线性扫描，到二维平面扫描或三维立体扫描，这些激光扫描系统已经广泛地应用于多种场合，如激光打标，激光刻蚀，三维轮廓扫描仪，激光条码扫描仪等。

扫描系统根据反射旋转类型分为平面振镜扫描和转鼓扫描，根据光路路途分为一维，二维和三维扫描，根据振镜与扫描镜头的位置又可分为镜前扫描和镜后扫描。

我们需要设计一个透镜，一个绕自身旋转的平面反射镜，反射镜通过旋转不同角度将激光聚焦于像面不同位置处，形成扫描。

我们知道一束光在一个旋转角度下只能聚焦于一个位置，若想同时模拟在不同旋转角度下的光路位置，需使用多重组态功能。

设计流程：

（1）Zemax设计与优化：

1）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“10”；

在视场设定对话框中设置1个视场（0视场），要选择“Angle（deg）”，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.6328加入一个波长，如下图：

然后在LDE中输入系统的初始结构，在第3面的半径设置F解，F/#=10（即焦距为100mm），如下图：

观察系统的二维结构图，如下图：

2）系统优化

首先建立评价函数。

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Spot Radiust+Centroid”。设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差的操作数。

插入1个空白操作数，输入EFFL操作数，控制系统焦距为100，权重为1；

如下图所示：

先返回LDE，为系统设置变量。将第2面曲率半径和第3面的厚度设置为变量，如下图所示：

点击opt按钮执行优化。

优化后系统的结构图，如下图：

3）添加振镜

将光阑面的厚度设置为50mm，再在STO面前插入一个虚拟面，将虚拟面厚度设置为50mm，如下图所示：

此时系统的结构图，如下图所示：

添加折反镜工具，如下图所示：

此时，系统的结构图，如下图所示：

将入射光束设置为全局参考，勾选“Make Surface Global Coordinate Reference”，如下图所示：

再次查看系统的结构图，如下图所示：

4）设置多重结构下的扫描角度

打开Tilt/Decenter Element选项卡，则在第3面前后自动插入两个坐标断点面，实现了单个反射镜的旋转，而其他元件保持不变，如下图所示：

按F7打开MCE，按“Ctrl+Shift+Insert”组合键插入4个组态，如下图所示：

反射镜旋转不同角度形成不同的扫描状态，我们需要把控制反射镜旋转角度的参数提取到多重组态下，让它们单独变化，那么控制旋转角度的就是当前第3个表面的Tilt About X参数，即第3个面的第3个参数，在MCE下选择这个参数的操作数，即Par3/3，如下图所示：

然后在5个组态下分别输入角度数值：-10，-5，0，5，10，如下图所示：

打开3D视图，选择显示所有组态，如下图所示：

查看点列组态矩阵图，如下图：

5）统一优化系统

从3D视图和点列图上看出，由于场曲导致的外视场相差很大，以下进行统一优化。

首先建立评价函数。

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Spot Radiust+Centroid”。设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差的操作数。

点击OPT执行优化。

查看优化后的3D视图。

查看优化后的点列组态矩阵图，如下图：

此时，所有组态光斑大小趋于一致，这样我们这个扫描系统设计就完成了。