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Zemax光学设计实例（100）---一个定焦投影物镜的设计

2021-12-20 10:59| 发布者：Davis| 查看：3788| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍使用Zemax进行光学设计的实例，其中包括定焦投影物镜的设计过程。文章详细介绍了系统的特性参数以及前后组的设计过程，并使用HAMMER优化进行最终的设计。

引言：

投影物镜系统可以为三个组件：前组可以是天塞或变形双高斯物镜，光阑在前组上；后组为场镜，接近于像面，它的功能在于使主光线方向偏折构成像方远心光束；第三个组件是耦合棱镜。

在投影物镜的演化过程中，前后组的界限已经不清了。

设计一个投影物镜时，一般预先给定系统的F数、全视场角2ω，SLM的对角线2η`、耦合棱镜的厚度T_TIR和折射率n`，并给出SLM保护玻璃的厚度及折射率n``。

上图为投影物镜的理想光学模型。设前组的光焦度为φ₁，后组光焦度为φ₂，轴上大光线的高度为h，经过前组折射，在后组的高度为h₂，主光线视场角为-ω；像高η`等于SLM的对角线长度的一半。

由以上可以推出，

上式中，近似号表示：当两组的间隔d比后工作距大得多时，前后组焦距近似相等，大约等于间隔d，前后组相对孔径约等于系统相对孔径。轴上光线的偏角主要由前组承担，大视场主光线的偏角主要由后组承担。

设计指标：

设计一个DLP的定焦投影物镜，使用0.9in DMD，DMD的具体参数是XGA（1024×768），水平长度a=18.22mm，垂直长度b=13.67mm，对角线长度c=22.787mm，η`=11.39mm，p=0.0178mm。

波段/um

F

ω

ω/F

y`/mm

f/mm

VIS

2.8

27.7°

（0.484）

0.172

11.4

23.55

由此可以推出，前组和后组的焦距都是23.55mm，间隔d也是23.55mm，前组的F数为2.8。

设计仿真：

（1）系统参数

选择合适的双高斯物镜作为初始结构。

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“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“2.8”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)，如下图：

（2）前组与后组设计

LDE的初始结构参数，如下图：

这个双高斯的初始结构的焦距是100mm，我们需要将焦距缩放到25.9mm，比理论值23.55大10%，加长焦距的目的是容纳后组及耦合棱镜。

点击LDE对话框上的“Make Focal”按钮打开“Make Focal Length”对话框，输入25.9mm，如下图：

缩放焦距后的LDE，如下图：

查看2D Layout，如下图：

在Report\Prescription中查出该物镜的出瞳位置EXPP=-102.2mm，即在像面向左102.2mm处。

在初始状态下，后组（平凸透镜）应位于像面略靠前处，如果距最后镜面中心20mm处。考虑到透镜的厚度，当后组焦距约为77.3+20=97.3时，它的前焦点位于前组出瞳，就能将主光线转折，与光轴平行。

后组的平凸透镜选用高折射率、低色散的H-LAK7（n=1.713，v=53.8），由焦距公式可以算出r₂=-69.4。

（3）前后组的合成

插入后组后的LDE，如下图：

查看2D Layout，如下图：

按F6打开MFE，添加以下操作数，如下图：

需要注意的是“TELECENTRIC”模块，第5行RANG为像面上0.7视场主光线与光轴的夹角（弧度值），弧度值乘以1000变成毫弧度，要求目标值＜1，满足该条件后主光线垂直于像面（即SLM），偏差小于1mrad。

点击优化，查看此时的2D Layout，如下图：

（4）添加棱镜和HAMMER优化

在后组（平凸透镜）和像面之间插入H-K9L平板，从1mm开始，逐步加大厚度，每次加大3mm，每次做50次优化，一直做到19.5mm。

并且，加入DMD的保护玻璃，在像面前加入3mm厚的K4A玻璃，继续优化。

此时的LDE，如下图：

也可以将所有的玻璃设为可替代（S），执行HAMMER优化。

此时的2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

查看Ray Fan，如下图：

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