光学设计指引贴6《ZEMAX中棱镜建模与优化》.docx

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光学设计指引贴6《ZEMAX中棱镜建模与优化》

光学设计指引贴6

《ZEMAX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－作图法确定棱镜**********

该例主要是通过平移断点，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－例1（作图法确定棱镜）.ZMX”：

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

1在AUTOCAD图示楔镜断点设置

●查断点设置意义

图2是“棱镜－例1（作图法确定棱镜）.ZMX”在AUTOCAD中图示ZEMAX中楔镜两面断点设置的实际意义：

图2

2调整楔镜断点平移量

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。

图3

3调整等腰直角棱镜断点平移量

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－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（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－例2《合色镜设计》.ZMX”，其光路如图5。

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－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°－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。

2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，将该反射面设定为可以自由旋转的面（操作方法：

），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。

图8

调整后的结果，存成文件“棱镜－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－5.5°后，反射出射光线水平了，见图9：

图9

结果存成“棱镜－例2C《合色镜设计》.ZMX”。

3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－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0W0H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）=COS27°＝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:

ARGC^2+RAGA^2+RAGB^2=0.891028^2+0.320998^2+0.320998^2＝1

由此可清楚操作集优化目标值的意义。

这里27°，是为使DMD在开关时，DMD反射该光线时，其转过24°后有37°－24°＝3°的不重叠区，可以避免直接透过的杂光，使暗场尽量暗，提高成像的反衬度。

至于为保反衬度的3°是否合适，还要看系统光照场均匀性，对于照明系统均匀性X投影系统均匀性>70%的，可给27°，否则给26°。

操作集中还有许多别的约束，是不难理解的。

以上

GGX1945813

2012年8月22日