光学设计指引贴6《ZEMAX中棱镜建模与优化》

1、光学设计指引贴6ZEMAX中棱镜建模与优化棱镜是光学系统中应用最广的元件之一，它在光路中起到折叠、转向、拉伸光轴的作用；也起到反象、起偏、色散的作用这些在照明系统、望远系统、系统、色散系统、测量系统都得到了广泛的应用。因此研究棱镜置入ZEMAX光路中的规律，及优化方法，对分析光学系统性能，校正系统象差是非常有用的。本贴主要是以微投照明系统的棱镜为例，小结棱镜最常用的建模方法，优化方法，其它类型的光学系统棱镜建模与优化可方此进行。棱镜建模有多种方法，但只有断点建模的棱镜才能进行优化，因此它也是应用最广的建模方法，为了简单扼要，重点突出，本贴只介绍棱镜断点建模的方法。*例1一作图法确定棱镜*该例主

2、要是通过平移断点，改变棱镜两面断点间隔长，调整棱镜两面矩形通光孔尺寸达到修改棱镜尺寸达到要求的方法。一样例打开“棱镜一例1（作图法确定棱镜）ZMX”：蝕按廉后曲面:3陽闻固表设置th；iH-吐花七诽;诒帀方討I:朋转r：TT口能日玄社总1S拦丄出士拦不田隠在筈三甘工bri.-JIL1JJ-.Jill-A144=U.UJ.UJU.UJ.UJU.UJ.UJJJ图1以上例为例，请用AUTOCAD图示ZEMAX断点设置意义，并找出调整棱镜不切割光束的方法。二在AUTOCAD中作图在AUTOCAD图示楔镜断点设置查断点设置意义图2是“棱镜一例1（作图法确定棱镜）.ZMX”在AUTOCAD中图示ZEMAX

3、中楔镜两面断点设置的实际意义：L4楔镜断点设置ACaotdlnaiDeE.岌頤二附占弋扫圣叵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:斯点平移点绕儿Y、猫转AfarturaIl?4cntar：O.Ql图22调整楔镜断点平移

4、量观察图1,楔镜部分切割光线。应将楔镜两断点沿x负向移0.5mm，则断点重设置如图3。由图2可知，沿X向移动断点（一般情况下，两断点坐标变化量相同），观察出射面角顶是否有交叉现象，如果有，则改变棱镜两面断点间隔长，直到角顶不出现交叉现象为止。如果光束通过棱镜面不够宽，则应改变此面棱镜在拦光面的宽度。在调整过程中，一般不动断点倾斜角。Yadth-T-HalfYidth-孔包如：虫嫌出对自址辆】住吨出貝SC-aDd4rdl虫愎入时白.花柚jI.aitdirdCordiiHrte孔径的T-KfelfVLHh孔径立常Tillbr-H&LEVidLh诅磐后模镜光纯川通过c图33调整等腰直角棱镜断点平移量

5、等腰直角棱镜两断点平移量的变化量：棱镜两个前后断点沿X方向移动1mm,其它仿照2操作调整得图4,此时光束全部通过了，注意：如果棱镜某个面够宽，但还是部分拦光，就是该面矩形通光口设的不够宽，改过来就好了。存成文件“棱镜一例1B（作图法确定棱镜）.ZMX”。4聚焦校正观察图3,系统聚焦不好,但不在此贴讨论范围,略。图4三小结断点平移量（平移量=断点面中心点对断点的X、Y坐标值）在棱镜入射，出射面的矩形口径上设置，旋转量在棱镜入射出射面的断点上设置，这样便于调整系统。其它小结同上面说的。*例2合色棱镜设计*例1介绍了用断点平移的方法，调整棱镜尺寸达到要求的方法，本例介绍镜面旋转调楔镜达到合色的方法（

6、手机微投影照明系统用）。在“手机微投影照明系统“中，合色系统采用DM楔形合色镜，该镜主要应用了楔镜的两面的反射，透射性能实现了RGB三基色光轴的重合。由于采用了此项技术，使照明系统具有了最小尺寸。一标准45反射镜光路设置在DM合色楔镜中，最主要的技术是使其前后面对三基色中的两基色反射后，光轴合成一个，因此镜面反射特性的研究是掌握该项技术的关键。打开“棱镜一例2合色镜设计.ZMX”，其光路如图5。J-卞光线1ScaxiJqj：-!0-000000E:0.口DDOOQ3ScaxidardCL口口皿口口4BucnJL-=jphai-atJilDSEE亡口口t:白丄创述。E.fi*Scaxidaril

7、CL口口皿口口7Caaedi_nJtB.0*Standard0.000000宝Coardi口酿亡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图5由文件结构的断点设置，可以知道反射面倾斜，象面转为垂直都是通过设置端面倾斜来实现的。二反射光线出射角的调整反射镜的任何倾角，都可以看成是从上45倾角的反射镜绕入射点旋转得到的，图6说明了如何确定反射镜旋转

8、角，使反射后的光线方向达到要求。当反射面转过Q角后，两个断点面顷角的新值计算如下：图6（兰色为45反射镜，红色为转过Q角的新镜）三设计DM合色镜方法1前工作面倾角调整图7左图是“棱镜一例2合色镜设计.ZMX”，其中红绿光起点分别是对应红绿LED的中心，要求绿光经楔镜靠近复眼的面反射后水平，由图可见在经面旋转前反射的绿光并不水平。图7据图6的方法，在两断点面倾角-45+1，135一1，观察反射绿光水平性有改善；加大旋转角到5时，得到右图，此时绿光已校水平了。添加楔镜远离复眼的反射面1）创建第2个平行反射面将图7的反射面设为透过（注意：该镜面已校好，不能再旋转了），后面距一定距离设一个平行反射面，

9、将该反射面设定为可以自由旋转的面（操作方法：二I：%山）卬皿山晌U翫无，（Tilt加皿吸E血血），以便于调整它，使其反射光也能水平出射，这样由前后两反射面反射的光轴彼此平行，且垂直于象面（复眼入射面），达到了合色目的。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图8调整后的结果，存成文件“棱镜一例2合色镜设计B.ZMX”。2）调整第2反射面达到要求绕第2反射面入射点旋转反射面，当转过一5.5后，反射出射光线水平了，见图9：furl：BUKliyfiT1刺f事g.R：.fiMaL-I!iLU-r託日Xnfktill-r4忡4聘怜將Fi：iBrd*Ed-t.411MI-.“上应if!1.甜“县SAHdAE呂2.144CE4.a.acEitio2.G4X口口SVAndAFdi,即列卿HKTInnMph呻世札附SM.#W31tiaEcdsiBAv-机枫晦曲ia.MMMi&TEAndAEdIn口iKLt-ro.rawMT

11、ldFSDB7.ItEMS匚希禮UWft,oomiC.ZXW获凶制Ehfbmi-r63.000000)图9结果存成“棱镜一例2C合色镜设计.ZMX”。透过光路的确定上面通过DM镜的光谱反射特性（这由选择性绿光膜的光谱特性来确定）已合了2基色，剩下的基色光路可以第2反射面为镜像对称中心，镜像作图得到完全一样的LED聚光结构，只保留一个LED位置，将其出射光轴，转到以上面的出射光轴，为出射光线的DM合色镜的入射光轴位置与方向上来，这些操作在AUTOCAD中作图完成，并在PrcePro中效验与微调整。这种设计方法的优点，是能得到两路结构完全一样的LED聚光镜，节约了成本。*例3具有空间轴的DMD棱镜

12、设置*前面的方法，都是基于2D平面棱镜的设置方法，当DMD转轴不是90时（为45时），就要用到3D空间棱镜，它的设置是很复杂的，但可用接近标准化的设置去解决这类问题。一标准化样例见“棱镜一例3空间棱镜设计.ZMX”，其图示如下:图10这个光路是具有空间转轴（45）的DMD照明光路中的一部分，可用于复眼后聚光系统的设计。二空间棱镜优化原理下面是其操作集中优化空间棱镜的部分：该部分操作集是控制中心视场主光线倾角的三个方向余弦，图示如下：假定OWOH射向DMD的光线角度=27，由图11：图11它对DMD法线的三个方向余弦计算如下。设射向DMD的0W0H的光线为1个单位矢量，则由余弦定义有：ARGC（与Z轴夹角余弦）=C0S27=0.891028,RAGA（与X轴夹角余弦）=1*COS（90-27）*COS45/1=0.320998,RAGB（与Y轴夹角余弦）=1*COS（90-27）*COS45/1=0.320998,效验:ARGL2+RAGAA2+RAGBV=0.891028八2+0.320998八2+0.3209