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ZEMAX光学设计实例（114）---一个二维f-theta扫描物镜的设计

2021-12-20 10:55| 发布者：Davis| 查看：1693| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article introduces the design process of a two-dimensional f-theta scan lens with orthogonal mirrors using ZEMAX. The design involves optimizing a one-dimensional f-theta scan lens, inserting the orthogonal mirrors, and adjusting the parameters for o

导论：

在实际应用中，二维fθ扫描物镜用得更多。

在激光打标系统中就用到一对正交的振镜，使输入的光束沿两个方向扫描。

二维扫描系统比一维扫描物镜复杂，首先，在一维扫描的情况下，光阑位于振镜中心；在二维扫描系统中，光阑位于第一个振镜（x轴振镜）中心，但第二个振镜（y轴振镜）与光阑不一致，这会导致产生入瞳距偏离，影响了物镜设计的对称性；其次，为了放置两个振镜，入瞳距需要足够大。

设计要求：

设计一个二维fθ扫描物镜，先设计一个一维fθ扫描物镜并不断按照技术要求进行优化；然后插入一对正交的反射镜，即x轴和y轴振镜。

波长/um

f`/mm

θ

F

ω

/°

ρ`

/mm

扫描区域

/mm

Lp

/mm

BFL

/mm

1.064

100

14°

20

27.4

24.5

35×35

114.7

94.27

上表中，在fθ扫描系统中，用θ表示视场角，用ρ`表示像高，Lp为入瞳距。

设计流程：

（1）一维fθ扫描物镜的初始模型

首先在孔径类型中选择Entrance Pupil Diameter，ApertureValue输入5，如下图：

在Field Data里，选择“Angle”，输入0，9.8，14，如下图：

在波长设定对话框中，输入1.064，如下图：

然后在LDE中输入初始数据，如下图：

然后，打开MFE，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 Radius+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加以下操作数：

打开LDE，将第5至第12面的曲率半径设置为变量，如下图所示：

开始执行优化。

优化后的LDE，如下图：

查看优化后的3D Layout，如下图：

查看点列图：

由于相对孔径小，全视场的弥散斑均小于1DL。像面≈Φ50mm，但实际使用的扫描区域只是它的内接正方形，即35mm×35mm。

Lp为114.47mm，足够可以放下一对正交的振镜。

实际加工中，可进行工艺调整，例如给透镜的外径加压边量、厚度圆整等。

（2）插入两个正交的振镜

插入一对正交的反射镜，即x轴振镜和y轴振镜。

设置第2面为光阑。

重新设置视场为0视场，这是因为fθ扫描物镜的“视场”实际上是由振镜旋转实现的，这一点是fθ物镜与其他物镜的重要区别。

将第2面和第4面为坐标断点，绕x轴的转角均为45°。再将第5面和第7面也为坐标断点，绕y轴的转角均为45°。

然后，分别设置x轴振镜和y轴振镜的形状与尺寸，如下图：

此时的LDE参数，如下图：

查看3D Layout，如下图：

在MCE中设置振镜的转角，需要6个组态，如下图：

每个组态分别设置了x轴转镜和y轴转镜的旋转角度。

说明：PRAM m/n表示设置第m行的第n个参数。

在config 2中，第2面绕x轴为50.02°，第4面绕x轴为39.98°，综合效果使得x振镜旋转了约θx/2=5°。

在config 3中，第2面绕x轴为39.98°，第4面绕x轴为50.02°，综合效果使得x振镜旋转了约θx/2=-5°。

在config 4中，第5面绕y轴为50.02°，第7面绕y轴为39.98°，综合效果使得y振镜旋转了约θy/2=5°。

在config 5中，第5面绕y轴为39.98°，第7面绕y轴为50.02°，综合效果使得y振镜旋转了约θy/2=-5°。

在config 6中，第2面绕x轴为39.98°，第4面绕x轴为50.02°,第5面绕y轴为39.98°，第7面绕y轴为50.02°，综合效果使得x振镜和y振镜旋转了约θ_D/2=7°。

再次查看3D Layout，并显示所有组态，如下图：

由于x轴振镜和y轴振镜分离的不对称性引起弥散斑变大，在不同扫描位置的散斑，如下图：

从上图看出，散斑并不大（≈1DL），像质很好。

由于使用激光源作为光源，设计时可以将光束截面（Apodization）设置为高斯型（Gaussian），结果也差别很小。

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