光學設(shè)計指引貼6《ZEMAX中棱鏡建模與優(yōu)化》

1、光學設(shè)計指引貼6ZEMAX中棱鏡建模與優(yōu)化棱鏡是光學系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的元件之一，它在光路中起到折疊、轉(zhuǎn)向、拉伸光軸的作用；也起到反象、起偏、色散的作用這些在照明系統(tǒng)、望遠系統(tǒng)、系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、測量系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用。因此研究棱鏡置入ZEMAX光路中的規(guī)律，及優(yōu)化方法，對分析光學系統(tǒng)性能，校正系統(tǒng)象差是非常有用的。本貼主要是以微投照明系統(tǒng)的棱鏡為例，小結(jié)棱鏡最常用的建模方法，優(yōu)化方法，其它類型的光學系統(tǒng)棱鏡建模與優(yōu)化可方此進行。棱鏡建模有多種方法，但只有斷點建模的棱鏡才能進行優(yōu)化，因此它也是應(yīng)用最廣的建模方法，為了簡單扼要，重點突出，本貼只介紹棱鏡斷點建模的方法。*例1一作圖法確定棱鏡*該例主

2、要是通過平移斷點，改變棱鏡兩面斷點間隔長，調(diào)整棱鏡兩面矩形通光孔尺寸達到修改棱鏡尺寸達到要求的方法。一樣例打開“棱鏡一例1（作圖法確定棱鏡）ZMX”：蝕按廉后曲面:3陽聞固表設(shè)置th；iH-吐花七誹;詒帀方討I:朋轉(zhuǎn)r：TT口能日玄社總1S攔丄出士攔不田隠在筈三甘工bri.-JIL1JJ-.Jill-A144=U.UJ.UJU.UJ.UJU.UJ.UJJJ圖1以上例為例，請用AUTOCAD圖示ZEMAX斷點設(shè)置意義，并找出調(diào)整棱鏡不切割光束的方法。二在AUTOCAD中作圖在AUTOCAD圖示楔鏡斷點設(shè)置查斷點設(shè)置意義圖2是“棱鏡一例1（作圖法確定棱鏡）.ZMX”在AUTOCAD中圖示ZEMAX

3、中楔鏡兩面斷點設(shè)置的實際意義：L4楔鏡斷點設(shè)置ACaotdlnaiDeE.岌頤二附占弋掃圣叵H-i：nrnni1.aDDDDDI-anB販、孔敢件、比FI：KLCyY-hi_tf:如：品ertur亡E_D亡匸亡口h亡r：ILEIHT19MMMI|方理光圈o.aaaDoo11560000O.QDDOOOO-aaDDOOO.aDDOOOO.aaDDOO21-a9000O.QDDOOO-aUDDDD.Cl口口DDEI.oooaoDO.OOOQOD2.530QODK-K&lfOLdth.：r-K&lfflLdtl:斯點平移點繞兒Y、貓轉(zhuǎn)AfarturaIl?4cntar：O.Ql圖22調(diào)整楔鏡斷點平移

4、量觀察圖1,楔鏡部分切割光線。應(yīng)將楔鏡兩斷點沿x負向移0.5mm，則斷點重設(shè)置如圖3。由圖2可知，沿X向移動斷點（一般情況下，兩斷點坐標變化量相同），觀察出射面角頂是否有交叉現(xiàn)象，如果有，則改變棱鏡兩面斷點間隔長，直到角頂不出現(xiàn)交叉現(xiàn)象為止。如果光束通過棱鏡面不夠?qū)?，則應(yīng)改變此面棱鏡在攔光面的寬度。在調(diào)整過程中，一般不動斷點傾斜角。Yadth-T-HalfYidth-孔包如：蟲嫌出對自址輛】住噸出貝SC-aDd4rdl蟲愎入時白.花柚jI.aitdirdCordiiHrte孔徑的T-KfelfVLHh孔徑立常Tillbr-H&LEVidLh詛磐后模鏡光純川通過c圖33調(diào)整等腰直角棱鏡斷點平移量

5、等腰直角棱鏡兩斷點平移量的變化量：棱鏡兩個前后斷點沿X方向移動1mm,其它仿照2操作調(diào)整得圖4,此時光束全部通過了，注意：如果棱鏡某個面夠?qū)?，但還是部分攔光，就是該面矩形通光口設(shè)的不夠?qū)?，改過來就好了。存成文件“棱鏡一例1B（作圖法確定棱鏡）.ZMX”。4聚焦校正觀察圖3,系統(tǒng)聚焦不好,但不在此貼討論范圍,略。圖4三小結(jié)斷點平移量（平移量=斷點面中心點對斷點的X、Y坐標值）在棱鏡入射，出射面的矩形口徑上設(shè)置，旋轉(zhuǎn)量在棱鏡入射出射面的斷點上設(shè)置，這樣便于調(diào)整系統(tǒng)。其它小結(jié)同上面說的。*例2合色棱鏡設(shè)計*例1介紹了用斷點平移的方法，調(diào)整棱鏡尺寸達到要求的方法，本例介紹鏡面旋轉(zhuǎn)調(diào)楔鏡達到合色的方法（

6、手機微投影照明系統(tǒng)用）。在“手機微投影照明系統(tǒng)“中，合色系統(tǒng)采用DM楔形合色鏡，該鏡主要應(yīng)用了楔鏡的兩面的反射，透射性能實現(xiàn)了RGB三基色光軸的重合。由于采用了此項技術(shù)，使照明系統(tǒng)具有了最小尺寸。一標準45反射鏡光路設(shè)置在DM合色楔鏡中，最主要的技術(shù)是使其前后面對三基色中的兩基色反射后，光軸合成一個，因此鏡面反射特性的研究是掌握該項技術(shù)的關(guān)鍵。打開“棱鏡一例2合色鏡設(shè)計.ZMX”，其光路如圖5。J-卞光線1ScaxiJqj：-!0-000000E:0.口DDOOQ3ScaxidardCL口口皿口口4BucnJL-=jphai-atJilDSEE亡口口t:白丄創(chuàng)述。E.fi*Scaxidaril

7、CL口口皿口口7Caaedi_nJtB.0*Standard0.000000寶Coardi口釀亡B.、-=-,0.0口EID皿2”為即IT-E.145E10I-口口；T-.3Z403aB-0QfiIT口.口口DDDO口-4E.OOQ口口口1.口口DODDP-0.0口EID皿D.000ODOJ、D.DOO口口口.口口DODD、o.oanDooO.DDOOOQ135.0000DOoqqdooo圖5由文件結(jié)構(gòu)的斷點設(shè)置，可以知道反射面傾斜，象面轉(zhuǎn)為垂直都是通過設(shè)置端面傾斜來實現(xiàn)的。二反射光線出射角的調(diào)整反射鏡的任何傾角，都可以看成是從上45傾角的反射鏡繞入射點旋轉(zhuǎn)得到的，圖6說明了如何確定反射鏡旋轉(zhuǎn)

8、角，使反射后的光線方向達到要求。當反射面轉(zhuǎn)過Q角后，兩個斷點面頃角的新值計算如下：圖6（蘭色為45反射鏡，紅色為轉(zhuǎn)過Q角的新鏡）三設(shè)計DM合色鏡方法1前工作面傾角調(diào)整圖7左圖是“棱鏡一例2合色鏡設(shè)計.ZMX”，其中紅綠光起點分別是對應(yīng)紅綠LED的中心，要求綠光經(jīng)楔鏡靠近復眼的面反射后水平，由圖可見在經(jīng)面旋轉(zhuǎn)前反射的綠光并不水平。圖7據(jù)圖6的方法，在兩斷點面傾角-45+1，135一1，觀察反射綠光水平性有改善；加大旋轉(zhuǎn)角到5時，得到右圖，此時綠光已校水平了。添加楔鏡遠離復眼的反射面1）創(chuàng)建第2個平行反射面將圖7的反射面設(shè)為透過（注意：該鏡面已校好，不能再旋轉(zhuǎn)了），后面距一定距離設(shè)一個平行反射面，

9、將該反射面設(shè)定為可以自由旋轉(zhuǎn)的面（操作方法：二I：%山）卬皿山晌U翫無，（Tilt加皿吸E血血），以便于調(diào)整它，使其反射光也能水平出射，這樣由前后兩反射面反射的光軸彼此平行，且垂直于象面（復眼入射面），達到了合色目的。4/-3.B44477C.QDQDDD5COi3rdFjbD亡5./o.omodo6*沆at曲2iiInXimxyi.iJCCOflOBK77Eaardinat11./a.aoaDQD8*旣arixSaxd.zIjjfljdxy-.OMODOniBF.OJiSCo口rdjEiBfeB._O.iJCCOflO-1D*St.3UldB.Ed.InEmary-a.aDaonD111Co

10、ard.ijjdttE.44.77101圖8調(diào)整后的結(jié)果，存成文件“棱鏡一例2合色鏡設(shè)計B.ZMX”。2）調(diào)整第2反射面達到要求繞第2反射面入射點旋轉(zhuǎn)反射面，當轉(zhuǎn)過一5.5后，反射出射光線水平了，見圖9：furl：BUKliyfiT1刺f事g.R：.fiMaL-I!iLU-r託日Xnfktill-r4忡4聘憐將Fi：iBrd*Ed-t.411MI-.“上應(yīng)if!1.甜“縣SAHdAE呂2.144CE4.a.acEitio2.G4X口口SVAndAFdi,即列卿HKTInnMph呻世札附SM.#W31tiaEcdsiBAv-機楓晦曲ia.MMMi&TEAndAEdIn口iKLt-ro.rawMT

11、ldFSDB7.ItEMS匚希禮UWft,oomiC.ZXW獲兇制Ehfbmi-r63.000000)圖9結(jié)果存成“棱鏡一例2C合色鏡設(shè)計.ZMX”。透過光路的確定上面通過DM鏡的光譜反射特性（這由選擇性綠光膜的光譜特性來確定）已合了2基色，剩下的基色光路可以第2反射面為鏡像對稱中心，鏡像作圖得到完全一樣的LED聚光結(jié)構(gòu)，只保留一個LED位置，將其出射光軸，轉(zhuǎn)到以上面的出射光軸，為出射光線的DM合色鏡的入射光軸位置與方向上來，這些操作在AUTOCAD中作圖完成，并在PrcePro中效驗與微調(diào)整。這種設(shè)計方法的優(yōu)點，是能得到兩路結(jié)構(gòu)完全一樣的LED聚光鏡，節(jié)約了成本。*例3具有空間軸的DMD棱鏡

12、設(shè)置*前面的方法，都是基于2D平面棱鏡的設(shè)置方法，當DMD轉(zhuǎn)軸不是90時（為45時），就要用到3D空間棱鏡，它的設(shè)置是很復雜的，但可用接近標準化的設(shè)置去解決這類問題。一標準化樣例見“棱鏡一例3空間棱鏡設(shè)計.ZMX”，其圖示如下:圖10這個光路是具有空間轉(zhuǎn)軸（45）的DMD照明光路中的一部分，可用于復眼后聚光系統(tǒng)的設(shè)計。二空間棱鏡優(yōu)化原理下面是其操作集中優(yōu)化空間棱鏡的部分：該部分操作集是控制中心視場主光線傾角的三個方向余弦，圖示如下：假定OWOH射向DMD的光線角度=27，由圖11：圖11它對DMD法線的三個方向余弦計算如下。設(shè)射向DMD的0W0H的光線為1個單位矢量，則由余弦定義有：ARGC（與Z軸夾角余弦）=C0S27=0.891028,RAGA（與X軸夾角余弦）=1*COS（90-27）*COS45/1=0.320998,RAGB（與Y軸夾角余弦）=1*COS（90-27）*COS45/1=0.320998,效驗:ARGL2+RAGAA2+RAGBV=0.891028八2+0.320998八2+0.3209