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Zemax光学设计实例（79）---半导体光纤耦合输出图像监视温度探测聚焦镜头的设计

2021-12-20 10:22| 发布者：Davis| 查看：1596| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax进行半导体光纤耦合输出图像监视温度探测聚焦镜头的设计和仿真过程。包括光纤建模、输出光斑准直与聚焦、增加图像监视和温度探测的光路等步骤。

导论：

设计一个复合结构的聚焦镜头，具体要求为：激光波长为808nm，输出光纤直径0.2mm，数值孔径NA=0.22，工作光斑尺寸要小于0.3mm；图像监视倍率0.5-1倍之间，照明LED的中心波长为950nm；温度探头的工作距离为110mm。

ZEMAX仿真：

（1）光纤建模：

首先将LDE中OBJ午面的厚度设置为0.1。

然后，在孔径类型中选择物方数值孔径Object Space NA，ApertureValue输入“0.2”。

如下图：

在波长设定对话框中，输入0.808波长，如下图：

视场默认0度。

打开LDE，在OBJ后插入一个面，厚度设为0；然后再增加一个面Surface 2，Surf:Type选择为Non-Sequential Component，其属性Exit Loc Z输入为100.01，此项是设定非序列元件的出端位置，这个值一定要比非序列元件的尺寸大（略大即可）。如下图：

然后，打开Non-SequentialComponent Editor（非序列元件编辑器），选择Object Type为CylinderVolume（圆柱形波导），Material输入F_SILICA，前端半径Front R输入0.1，长度Z Length输入100，后端半径Back R输入0.1，如下图：

然后查看下3DLayout，如下图：

从上图可以看出，光束已经进入石英光波导内进行传输了。

（2）输出光斑准直与聚焦：

我们使用两个胶合透镜对光纤输出的光斑进行准直和聚焦。准直胶合透镜的有效焦距为25mm，直径25mm；聚焦胶合透镜的有效焦距为85mm，直径25mm。将透镜的数据输入到LDE中，如下图：

查看下3D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

从点列图来看，光斑尺寸满足设计要求。

（3）增加图像监视和温度探测的光路

在光学系统中增加图像监视和温度探测的光路，我们需要考虑将所有的目标集中在同一个点上，在这个光学系统中，我们想要将最终的聚焦点作为工作原点，所以先要将整个系统的光路反向进行操作，并运用多重结构添加图像监视和温度探测的光路。

（3-1）将光路逆向和折叠

在纯序列面组成的光学系统，可以直接用LDE对话框上的“Reverse Elements”按钮将光路逆向，此时，要注意修改或控制下孔径类型与大小、视场、半高等参数。

因为我们这个系统有一个非序列，用“Reverse Elements”按钮时会报错，因此就直接手动输入来逆向光路了。

在孔径类型中选择物方数值孔径Object Space NA，Aperture Value输入“0.14”（NA=n*sinθ，可以由其Thickness和Diameter算出来）。

将逆向光路的数据输入到LDE中，如下图：

查看下逆向光路的3D Layout，如下图：

因为要在光学系统中增加图像监视和温度探测的光路，我们需要先增加两个反射镜将主光路折叠。

加入反射镜的LDE，如下图：

查看下此时的3D Layout，如下图：

（3-2）插入图像监视的光路

我们将光纤准直和聚焦光路作为主光路，插入图像监视的光路。

我们使用多重结构，以第二个反射镜来实现这个操作。

按F5打开MCE，按Ctrl+Shift+Insert增加一个结构，然后增加多个操作数，如下图：

其中各个操作数的说明如下：

MOFF：不对任何结构操作，可用于输入注释。

THIC：控制指定面的厚度。

APER：控制系统的数值孔径。

IGNR：控制面形数据的有无，0为存在，1表示忽略指定面。

CRVT：控制指定表面的曲率，其值是指定表面曲率半径的倒数。

GLSS：控制指定面后的玻璃材料类型。

SDIA：控制透镜表面的半径尺寸。

APTP：控制表面孔径类型，其值从0到10分别对应不同孔径类型，0为圆形（对应none）。

在以上两重结构的成像光路中，第一个透镜是共用的，修改相应参数并优化，就得了两重结构的最终配置效果，更新3D Layout，如下图：

（3-3）插入温度探测的光路

然后我们再增加一个结构用于插入温度探测的光路。

在Config 1后再插入一个结构，并增加多个操作数，如下图：

以上的操作数很多，可以将不同的操作数排序，也可以根据设计思路排序。

再次更新下3D Layout，如下图：

这样，我们就利用主光路的折叠和多重结构将图像监视和温度检测光路整合在一起了。

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