Zemax半导体光纤耦合输出图像监视温度探测聚焦头设计012

自学案例汇编 012：半导体光纤耦合输出图像监视温度探测聚焦头设计 在本例中，我们要设计一个复合结构的聚焦头，具体要求为：激光波长为808 倍之间均可，照明心波长950度探头的工作距离为110本设计注重实用性，多数元器件直接选用市场上的现有产品。例如，光纤耦合输出模块选用德国纤模块；准直透镜和聚焦透镜选用胶合透镜等等。 先来看看光纤输出激光准直聚焦部分的光学结构。系统设置中，场默认为0 度。然后在辑器中输入各个面型数据，如图12示。 为非序列元件，用于模拟光纤输出，其设置方式在前面的例子中已经有介绍，不再重复。准直胶合透镜的有效焦距为60，直径25；聚焦胶合透镜的有效焦距为85，直径25。 图12纤准直聚焦元件列表 者 出品 自学案例汇编 图12纤准直聚焦3D 光路结构图 图12纤准直聚焦点列图 3D 光路结构图和聚焦焦点点列图分别如图1212示。从点列图来看，光斑尺寸的控制满足设计要求。 接下来，我们要综合考虑图像监视和温度探测的问题。显然，所有的目标的都集中在工作点，即我们的坐标原点的起点应该放在聚焦工作点上。所谓复合结构，是将多个光路通过者 出品 自学案例汇编 反射镜、分光镜等元件组成局部共轴的光学系统。为何要考虑原点的起点选择问题呢？因为笔者目前发现原点（即物面）是不能进行坐标变换操作的，不能平移只能通过控制视场高度来改变物面位置，但这不是我想要的操作，因为我们需要的是坐标平移。读者可以通过后面的操作仔细思考一下原因，或者有更好的方法但笔者目前并不知道。 基于上述，既然要将最终的聚焦点作为原点，那么前面的设计的光路结构就要反过来逆向放置。另外，因为有多个光路，所以要用到多重结构。我们要选择一个最复杂的光路作为基准光路编辑据，以避免在多重结构中用到太多的操作数，而不方便编辑（在逐步学习的过程中，很多操作数还不太熟悉灵活运用）。 图12准结构据列表 图12准结构3D 光路图 这里，将光纤准直、聚焦的光路作为主光路，据列表如图12示，比之前增加了两个反射镜，用于光路的复合，光纤放置在最后，3D 光路结构图如图12示。者 出品 自学案例汇编 注意，这里我们将反射镜设置为具有一定厚度的实体，是为了在3D 渲染模型中看上去更接近实际效果，反射镜绘图厚度及孔径尺寸的设置方式如图12示。光路结构3D 渲染模型如图12示。 图12射镜的绘图厚度及孔径尺寸设置方式 者 出品 自学案例汇编 图12路结构3D 渲染模型图 现在我们已经完成了一个主光路的结构即光纤输出激光准直聚焦部分的光路结构，接下来要增加一个结构，作为图像监视的光路。图像监视的光路，既可以由透过第一面反射镜的方式实现，也可以由透过第二面反射镜的方式实现，这里我们采用后面一种，而前面一种方式留给后面增加温度探测的光路结构。 在操作之前，我们先看一下最终结果的效果是什么样子，如图12示。然后我们才知道要从什么地方开始着手编辑。 者 出品 自学案例汇编 图12重光路结构3D 渲染模型图 图12重结构编辑器列表 打开多重结构编辑器，增加一个结构。然后插入若干个操作行备用。作数不对任何结构操作，可用于输入注释。然后我们来逐个解释每个操作行的操作数作用。 行2 操作数制厚度参数，将第二个反射镜的距离增加（平移），作为图像监视光路的第二个反射镜完成这个操作后，在3D 中显示所有结构就已经能看到两个复合的结构了，如图12示；提示一下，当增加一个操作数及其对象时，后面的属性中就已经显示了当前第一结构中的值，只需要修改第二结构的值，除非要进行优化，否则第一结构的值就不用修改。 者 出品 自学案例汇编 图12重结构编3D 结构光路图 然后，成像光路中，第一个透镜是与光纤聚焦共用一个胶合透镜，后面的反射镜尺寸、成像聚焦透镜尺寸、焦距等参数都要改变，光纤不再需要等等。 行3 操作数制系统数值孔径，因为成像光路中的第二聚焦透镜尺寸用不着那么大，所以数值孔径要适当减小。每次修改结构2 的操作数的值后，可以更新一下3D 看修改后的效果是否达到预期。 行4 操作数制面型数据的有无，0 为存在，1 表示忽略这个面，因为在结构2中光纤不需要，所以要在结构2 中忽略6。 行5 到行7 操作数制对应表面的曲率（不是曲率半径），其值是面型的曲率半径的倒数（不懂为何这里要用曲率，而不用曲率半径，用起来有点麻烦），这里用来修改成像光路第二聚焦透镜的表面曲率，并配合行8 到行9 操作数制胶合透镜中心厚度。 行10 到行11 操作数制每个面后的玻璃材料类型，结合前面几行的操作数，基本就可以确定结构2 中第二个聚焦胶合透镜的有效焦距了，有效焦距为50。这时更新一下3D 以看到最后聚焦的焦点位置变短了，但是胶合透镜的直径尺寸不对，还是原来的25，行12 操作数制焦平面的位置，在结构2 中修改其值到最小聚焦位置。 者 出品 自学案例汇编 行13 到行15 操作数制透镜表面的半径尺寸，结构1 构2 现在整个结构就已经基本完成，更新3D 看效果，如图12示。 图12重结构3D 结构光路图 不过，还有一些不足，假如，我们要将结构2 中的第二个反射镜设置为圆形反射镜，而区别于结构1 中的长方形反射镜怎么办。经过测试，笔者发现，虽然操作数以修改曲面的孔径类型，但是两个孔径类型的参数设置不同，长方形要设置两个变的长度，而圆形只用设置半径，难以统一控制，操作不当会影响前后两种结构。 因此，我们可以基准结构据中的反射镜0 之后增加一个标准面而不输入任何数据，让他在结构2 中通过修改参数来其作用。 行16 操作数制表面孔径类型，其值从0 到10 分别对应不同孔径类型，依次对应表面参数孔径类型项中的11 个可选类型，0 为圆形（对应 行17 操作数制面型数据的有无，将0 在结构2 中忽略掉，否则多出一个反射镜。 行18 操作数制材料类型，将1 后的材料类型设置为射镜，其厚度参数的设置与前面所述相同。 行19 操作数制面型数据的有无，将0 在结构1 中忽略掉，否者 出品 自学案例汇编 则多出一个反射镜。其实也可以在前面插入0 之后的标准面时，直接将材料类型设置为在结构1 和结构2 中各忽略一个面即可。 这样，我们就得到了双重结构的最终配置效果，更新3D 构图，如图12示。然后打开3D 渲染模型图，就可以得到前面所期望的图12示的立体模型效果。 图12重结构3D 结构最终光路图 不过，如前所述我们最终需要的是一个三重结构，还差一个温度探测光路。只要我们已经做好了双重结构，那么三重结构就能得心应手了。在多重结构编辑器中，再插入一个结构，注意的是，如果在结构1 之后插入，则新插入的结构和结构1 的配置是完全相同的，在结构2 之后插入，则新插入的结构和结构2 的配置是完全相同的，当然也可以指定插入结构与已经存在的哪个结构相同，这时属性后面带有P 字样。 最好在基准结构之后插入新的结构，这样在增改操作数的时候会方便一些，避免少出错。最终的多重结构编辑器列表如图12示。我们并没有增加新的表面，只是将现有的表面充分利用，修改参数即可；也没有使用新的操作数，都是之前介绍过的，因此不再对新增结构的操作数进行逐行解释。 者 出品 自学案例汇编 图12重结构操作数编辑器列表 但是，需要提醒读者注意的是，在增加新的结构之后，增加操作数控制时，要注意检查之前的结构中是否已经对此使用过相同的操作数，重复使用操作数而参数不同，会影响效果或者出错。另外，笔者在多重结构操作数的布置顺序方面没有做到合理编排，所以看上去有点混乱，当操作数很多的时候，合理的编排和注释能够方便阅读和修改。 更新3D 看复合光路结构，如图12示。可以看出，整个复合光路结构基本已经达到我们最初的预期。不过，还是有一点不太合理的地方，就是第一个反射镜的者 出品 自学案例汇编 坐标位置应该要适当调整，主要是离心位移，以满足发散光束落在镜面上的位置更对称一些，充分利用镜面空间。读者可以自行修改。 图12重结构3D 光路结构图 图12重结构光路结构渲染模型图 接下来，可能我们还想看看图像监视光路的成像效果到底如何？由于我们没有对成像要求提出严格的质量要求，并且在一般的工业图像监视场合对图像质量要求并不高，除非要做者 出品 自学案例汇编 图像识别和视觉定位，否则只要能够满足基本观察要求即可。所以，这里我们只用了两个胶合透镜来组成成像光路。 图12像分析参数设置 者 出品 自学案例汇编 图12盘格成像析图 在进行成像分析之前，还要做一件事，将停止面置在第一个胶合透镜上，否则在设置视场角的时候，会影响判断。只要双击 的类型，勾选“可将当前表面设置为停止面。然后还要删除不需要的结构，这里是结构1 和结构3，只保留结构2。因为成像分析设置中不能选择结构，所以可以先保存一下文件再进行删除多余结构及后面的操作。 然后在主菜单中选择开成像分析窗口。这时会显示一个默认图像，如果没有在系统设置中设置视场条件（默认为0），则在成像分析的默认窗口中也只能出现一个中心亮点而已。如果之前已经在系统设置中设置好的视场条件，则在成像分析的默认窗口中会出现与设置的系统视场基本相符的视场成像条件。这里，之前采用的默认视场条件，所以需要在图像分析窗口的单中设置视场条件。成像分析窗口的设置参数如图12示。设置完毕，确认返回图像分析窗口，得到如图12成像效果来看，在白光照明下，中间可以比较清晰且亮度较高，而往边缘则会出现比较明显的垂轴色差且图像较暗，亮暗差异是受到光路结构和元件孔径的限制造成的。如果采用准单色光照明（窄带源），则色差问题要好一些。者 出品 自学案例汇编 将照明波长选择为系统波长之一即为单色光，单色光的成