光學(xué)設(shè)計(jì)指引貼2017年0420

./光學(xué)設(shè)計(jì)指引貼目錄TOC\o"1-2"\h\u20132一、預(yù)備知識(shí)41738一、概述529337二、舞臺(tái)變焦投影系統(tǒng)57255三長(zhǎng)操作集編輯問題96604四補(bǔ)充說明1010959二、預(yù)備知識(shí)1012114一、概述1116403二、長(zhǎng)操作集編輯實(shí)例129248三、照明設(shè)計(jì)指引貼148569四、《對(duì)成像鏡頭設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)估》1410145一象質(zhì)要求1527264二光能要求1629201三畸變要求1714917四色差要求175790五工藝性要求1711682玻璃材料要求2117308五、《架構(gòu)分析方法》214876一架構(gòu)原理2218768二架構(gòu)圖分析2228342三架構(gòu)調(diào)整2317439四架構(gòu)調(diào)整22522662五合理架構(gòu)及其分析2627937六PBS棱鏡處聚光鏡設(shè)計(jì)2619153七LED聚光鏡設(shè)計(jì)2727755八組合設(shè)計(jì)2828684九小結(jié)328846六、《ZEMAX中的宏解析》3211973一綜述3219226二ZEMAX文件夾中的宏編程樣例解析3328322二ZEMAX文件夾中的宏編程樣例解析3910275七、《ZEMAX中棱鏡建模與優(yōu)化》419796一樣例4110019二在AUTOCAD中作圖423081在AUTOCAD圖示楔鏡斷點(diǎn)設(shè)置42127112調(diào)整楔鏡斷點(diǎn)平移量4398003調(diào)整等腰直角棱鏡斷點(diǎn)平移量44124594聚焦校正4410784三小結(jié)4516276一標(biāo)準(zhǔn)45°反射鏡光路設(shè)置4522193二反射光線出射角的調(diào)整4613342三設(shè)計(jì)DM合色鏡方法46307091前工作面傾角調(diào)整4627622添加楔鏡遠(yuǎn)離復(fù)眼的反射面4779843透過光路的確定48895一標(biāo)準(zhǔn)化樣例486522二空間棱鏡優(yōu)化原理4922659八、《鏡頭樣例圖集》5031589九、非序列照明系統(tǒng)優(yōu)化542556一關(guān)于非序列操作數(shù)分類54294271非序列物體數(shù)據(jù)的約束54190822非序列光線追跡和探測(cè)操作數(shù)5523108二非序列系統(tǒng)的優(yōu)化5515814<非序列系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程>576303一概述5732680二教程要點(diǎn)5732611進(jìn)入純非序列,進(jìn)行單位設(shè)置。57256314創(chuàng)建接收器59211254創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)透鏡6162395光線跟蹤分析和極化分析6319486添加矩形ADAT光纖 6423477如何創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的非順序系統(tǒng) 653441<非序列自由形式〔FreeformZ的優(yōu)化>8529659一概述8531918二非序列項(xiàng)目8624878三非序列優(yōu)化86238651清所有探測(cè)器86146302非序列光線追跡8738773探測(cè)器上光線能量的優(yōu)化875163非序列光線優(yōu)化過程8729764ZEMAX中如何優(yōu)化非序列光學(xué)系統(tǒng)翻譯88155混合式非序列<NSCwithPorts>zemax 101100451-1混合式非序列 101126911-2例子－混合式非序列 102133891-3出口埠 104127011-4非序列組件 105105281-5對(duì)象屬性 106134241-6非序列性透鏡對(duì)象 107154611-7復(fù)制對(duì)象 107267611-8定義多焦透鏡 10848711-9表面折射 108220131-10空氣透鏡 10961991-11調(diào)整焦距參數(shù) 110309521-12多焦透鏡 110180831-13運(yùn)行優(yōu)化 11172261-14帶狀優(yōu)化 112298401-15目標(biāo)局部 114245541-16光線目標(biāo) 1154431-17系統(tǒng)性能 115281261-18運(yùn)行影像分析性能之優(yōu)化 116320311-19設(shè)罝變數(shù) 117151201-20最終設(shè)計(jì) 11718966十、TO5DM鏡功能在TracePro中的模擬11824231十一、光源文件及應(yīng)用12618297十二、在ZEMAX中理想光學(xué)系統(tǒng)合理架構(gòu)的快速搭建《實(shí)例1》13259281在ZEMAX中理想光學(xué)系統(tǒng)合理架構(gòu)的快速搭建132206352"1-原態(tài).ZMX"抽取框架13556143創(chuàng)建等效架構(gòu)136285114創(chuàng)建等效架構(gòu)136111345PWC公式匯集1364023十三、在ZEMAX中對(duì)已知透鏡求其PWC1418941在ZEMAX中PWC法輸入數(shù)據(jù)讀取位置142185002優(yōu)化設(shè)置參考表適用說明14321841A線性校正要求14310495B線性校正要求操作144221823用等效mathmetica算式校驗(yàn)150184424結(jié)論15026500十四、ZEMAX中理想單鏡PWC法求解<實(shí)例5151179431鏡PWC法結(jié)構(gòu)求解用公式151275332 將上公式組移植到ZEMAX中15238537用mathmetica校驗(yàn)〔單鏡與系統(tǒng)初級(jí)賽特系數(shù)校核1558854十五、ZEMAX上雙膠鏡PWC法優(yōu)化設(shè)計(jì)〔雙膠鏡部分156210一雙膠鏡PWC法結(jié)構(gòu)求解用公式1568902二移植6雙膠鏡實(shí)體化算式158126421創(chuàng)建初態(tài)雙膠鏡實(shí)體化架構(gòu)文件158268362編寫雙膠鏡實(shí)體化操作集1605786十六、雙膠實(shí)體化模塊應(yīng)用實(shí)例-低倍顯微鏡頭設(shè)計(jì)17022308一低倍顯微物鏡設(shè)計(jì)要求1709569二光路設(shè)計(jì)要求1707171幾何像差設(shè)計(jì)要求170274112傳函要求17026064三棱鏡初級(jí)像差17131584三用單鏡實(shí)體化操作集優(yōu)化1712055四優(yōu)化結(jié)果工藝評(píng)估1727675五小結(jié)17331896十七、鏡頭實(shí)體化模塊優(yōu)化小結(jié)-中等視場(chǎng),中等口徑變焦鏡頭設(shè)計(jì)《2倍變焦鏡頭》17417090一規(guī)劃174163681樣例174144212重新調(diào)整設(shè)計(jì)要求17488423測(cè)繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)174164334初步優(yōu)化17538635變焦規(guī)劃17513510二PWC優(yōu)化177119701膠合鏡問題177228232創(chuàng)建架構(gòu)17717564三在ZEMAX和CODEV間往返優(yōu)化182264311優(yōu)化結(jié)果1828576三相關(guān)問題18722707四PWC法小結(jié)18823526十九、光學(xué)系統(tǒng)塑料熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)技術(shù)詳解1892012一ZEMAX中塑料熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)操作1894990二熱補(bǔ)償項(xiàng)說明18929050三其它熱補(bǔ)償項(xiàng)說明1901683四具有熱效應(yīng)材料的折射率修正問題190一、預(yù)備知識(shí)前言：今天借貼1聊聊光學(xué)鏡頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,這也是多數(shù)光學(xué)同行所關(guān)心的問題。對(duì)光學(xué)鏡頭的優(yōu)化,不同的光學(xué)系統(tǒng),光學(xué)設(shè)計(jì)的不同階段,不同的人有各自的方法,很難說那種方法最優(yōu)。這里介紹的方法,是絕大多數(shù)光學(xué)設(shè)計(jì)者所沒有用過的,但在復(fù)雜的變焦系統(tǒng)中,卻是行之有效的優(yōu)化利器,在此拋磚引玉,希望能使鏡頭設(shè)計(jì)更上一層樓。另外該貼還介紹了物距不同,象方成像有軸向分離的三個(gè)位置的變焦系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有15重結(jié)構(gòu),這在變焦系統(tǒng)中也算較復(fù)雜類。這類變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量應(yīng)如何全面評(píng)估？這可能也是大家感興趣的問題。如果將上兩個(gè)問題放在一起討論,又會(huì)碰出是么樣的火花？我們?cè)嚹恳源?..。一、概述該帖介紹舞臺(tái)投影變焦系統(tǒng)的光學(xué)性能約束要求,重點(diǎn)是提出超長(zhǎng)操作集的高效編輯問題,讓網(wǎng)友了解高效編輯對(duì)提高運(yùn)行效率的重要性。二、舞臺(tái)變焦投影系統(tǒng)光路圖見圖1圖1技術(shù)要求圖1是物距不變時(shí),只對(duì)像方三個(gè)圖案盤位置分別調(diào)焦,在每個(gè)圖案盤處要能進(jìn)行長(zhǎng)中短變焦。對(duì)圖案盤1變焦時(shí),系統(tǒng)總長(zhǎng)=450mm；對(duì)圖案盤2變焦時(shí),系統(tǒng)總長(zhǎng)=455mm；對(duì)圖案盤3變焦時(shí),系統(tǒng)總長(zhǎng)=460mm〔比要求的470mm短,允許。如果系統(tǒng)要能對(duì)5米~20米成像都清楚,還應(yīng)增加哪幾重結(jié)構(gòu)？初步設(shè)計(jì)結(jié)果見"貼1-例1.ZMX",應(yīng)如何評(píng)估此系統(tǒng),詳見"3系統(tǒng)評(píng)估"?！膊ㄩL(zhǎng)620,550,450；RealImageHeight：17.5mm；像空間F/#=1.2#TypeRadiusCurvatureThicknessGlassSemi-Diameter0STANDARD#DIV/0!0.00E+000.001STANDARD-725.491-1.38E-0310.0001.76,27.6,082.002STANDARD177.1705.64E-030.50082.003STANDARD180.7505.53E-0337.9011.62,60.3,082.004STANDARD-409.067-2.44E-030.47482.005STANDARD122.9388.13E-0336.6151.74,44.9,082.006STANDARD696.7331.44E-035.55682.007STANDARD-230.753-4.33E-036.0001.62,60.3,046.628STANDARD70.6011.42E-0219.55140.309STANDARD-118.841-8.41E-036.0001.62,60.3,040.3010STANDARD94.8761.05E-0221.0361.81,25.5,042.7811STANDARD991.9051.01E-03102.05143.3112STANDARD488027.9702.05E-0618.0941.75,33.8,055.3913STANDARD-169.710-5.89E-030.50055.9714STANDARD174.9735.72E-0332.1051.53,65.1,053.1315STANDARD-96.453-1.04E-026.0001.81,25.5,051.2716STANDARD-297.336-3.36E-030.50050.2117STANDARD#DIV/0!0.00E+007.34945.7018STANDARD87.8871.14E-0221.2751.74,44.9,049.1319STANDARD738.6621.35E-031.53547.3020STANDARD-2330.335-4.29E-0414.5131.81,25.5,047.3021STANDARD-170.257-5.87E-030.50045.3122STANDARD-168.400-5.94E-036.0001.81,25.5,044.8023STANDARD74.5371.34E-025.13739.4024STANDARD125.7847.95E-0318.0591.74,44.9,039.4025STANDARD-224.223-4.46E-0312.90338.9526STANDARD#DIV/0!0.00E+0055.00034.0427STANDARD#DIV/0!0.00E+000.00017.6128STANDARD#DIV/0!0.00E+000.00017.613系統(tǒng)評(píng)估這是對(duì)物方無限遠(yuǎn)的變焦系統(tǒng),與一般變焦不一樣的的是要對(duì)彼此分離5mm的圖像盤都能清晰成像。由于系統(tǒng)要求對(duì)5~20米遠(yuǎn)都能投出清晰像,因此是牽涉到物距變化的調(diào)焦,像距變化〔對(duì)準(zhǔn)不同圖案盤的調(diào)焦。這是個(gè)雙調(diào)焦變焦系統(tǒng),設(shè)計(jì)上是較復(fù)雜的。下面是對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)估〔即對(duì)投影距離固定的變焦設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)估,如果沒有問題了,才可以進(jìn)行下部設(shè)計(jì)。下面是系統(tǒng)評(píng)估：變焦鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)型號(hào)開發(fā)編號(hào)序號(hào)分類規(guī)格要求設(shè)計(jì)結(jié)果1最小分辨格0.5mm0.35mm2色片盤9+1——3旋轉(zhuǎn)圖案盤1pcs〔7+1——4固圖案盤1pcs〔10+1——5圖案盤間距>5mm>10mm〔3個(gè)6圖案尺寸白光孔徑：φ34；有效圖案：32有效圖案：φ327出光全角13~50°〔初定13~40°8光路總長(zhǎng)420mm〔初定470mm9變焦范圍50~200mm53~200mm10透鏡規(guī)格數(shù)量少,質(zhì)量輕13片11后截距>50mm>50mm3傳函傳函目標(biāo)值是由小于3′彌散要求算出的,現(xiàn)計(jì)算如下：1短焦傳函要求最小象元=55.1*Tan3′=0.048mm,傳函頻率=1/<2*0.048>=10.4lp/mm。2中焦傳函要求最小象元=120.6*Tan3′=0.105mm,傳函頻率=1/<2*0.105>=5lp/mm。3長(zhǎng)焦傳函要求最小象元=200.1*Tan3′=0.175mm,傳函頻率=1/<2*0.175>=3lp/mm。1對(duì)于舞臺(tái)投影系統(tǒng),屬于大像差系統(tǒng),其傳函理論評(píng)估MTF>0.3的頻率,即可代表此時(shí)的傳函頻率。2由設(shè)計(jì)傳函可知,除短焦傳函頻率低于計(jì)算出的目標(biāo)傳函外,,其它傳函的頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于目標(biāo)傳函〔因?yàn)橐阅繕?biāo)頻率考核時(shí),其MTF遠(yuǎn)高于0.3。3其工藝傳函〔考慮所有公差的傳函,在制定考核頻率下,MTF>0.15即可,觀察中焦,中間圖案盤,其工藝傳函是觀察0.98概率下的MTF=0.31,它遠(yuǎn)大于MTF>0.15的要求。從MTF看,系統(tǒng)在下步設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)側(cè)重在短焦像質(zhì)的優(yōu)化,中長(zhǎng)焦MTF遠(yuǎn)高于要求值。4焦深評(píng)估：設(shè)光軸與圖案盤垂直偏差不大于20′,這樣焦深應(yīng)<17.5*tan20′=0.1mm〔其中17.5是圖案盤圖案半徑,觀察0.1離焦量時(shí)的MTF=0.4,焦深=0.2是允許的,因此焦深不超。5彌散三長(zhǎng)操作集編輯問題觀察"貼1-例1。ZMX"的優(yōu)化操作集,其中用得最多的是TRAR和TRAC。下面說說這兩個(gè)操作數(shù)的意義：TRAC是計(jì)算彌散的方均根值RMS,TRAR是計(jì)算指定視場(chǎng),口徑的一條光線對(duì)中心光線的偏離,可用于控制彌散最大值GEO。為了控制精確,多數(shù)情況下默認(rèn)誤差函數(shù)TRAC在計(jì)算量上?。杭疵總€(gè)TRAC命令追跡20*12=240條光線,而每個(gè)TRAR命令只能追跡一條光線?？紤]此變焦投影鏡頭現(xiàn)在是9重結(jié)構(gòu),當(dāng)長(zhǎng)、中、短焦的中間圖案盤位置,還要添加5M,10M的物距,這樣需要再添加6重結(jié)構(gòu),即系統(tǒng)為15重結(jié)構(gòu),這樣再用TRAC命令計(jì)算就太慢了。我們用TRAC對(duì)每個(gè)視場(chǎng)〔6個(gè)視場(chǎng),控制1H,0.9H,……-0.9H,-1H〔19條光線光線的像面交高,對(duì)每重結(jié)構(gòu)就需要計(jì)算114條光線,15重結(jié)構(gòu)需計(jì)算15*114=1710條光線。說明：要編輯的操作數(shù)多了,但程序運(yùn)行確實(shí)快的多了,這就是長(zhǎng)操作數(shù)的由來。我們?cè)僬f說,什么時(shí)候用這類長(zhǎng)操作集？在9重結(jié)構(gòu)中我們并沒有用到此類操作方式,原因在于系統(tǒng)還處于初步校正階段,系統(tǒng)優(yōu)化過程中,各種光學(xué)性能平衡的矛盾并不明顯。但在15重結(jié)構(gòu)時(shí),系統(tǒng)已進(jìn)入了微量的精校階段,系統(tǒng)在校正過程中各校正量的此起彼伏的現(xiàn)象。造成了校正的彼此干涉。很難達(dá)到好的平衡。短操作集表面看來容易操作,實(shí)際上不能全面控制,反而使優(yōu)化過程反反復(fù)復(fù),長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到優(yōu)化要求。長(zhǎng)操作集應(yīng)該如何控制,才能得到到好的結(jié)果呢？那就是使結(jié)構(gòu)變化越小,優(yōu)化的線性程度就越高,其控制就越準(zhǔn)確的。具體的辦法就是用長(zhǎng)操作集提取現(xiàn)場(chǎng)光線數(shù)據(jù),然后根據(jù)需要改動(dòng)部分操作數(shù)的目標(biāo)值,一次不要改太多,分批控制優(yōu)化。由于絕大多數(shù)操作數(shù)都是取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),這樣在優(yōu)化過程中結(jié)構(gòu)的變化就最小,線性程度就高,控制起伏量小,控制就準(zhǔn)確。什么叫提取現(xiàn)場(chǎng)光線數(shù)據(jù)？就是將光線交高的現(xiàn)場(chǎng)值復(fù)制到目標(biāo)值上去,對(duì)長(zhǎng)操作集,有成千行需操作,以一般的方法編輯很難不出錯(cuò),而且其工作量是不可想象的,因此還沒有人嘗試過這樣的優(yōu)化。如果用EXCEL進(jìn)行編輯,用列復(fù)制,列粘貼在半分鐘內(nèi)就可搞定。這樣就解決了長(zhǎng)操作集的編輯問題,且其運(yùn)行又快,控制又準(zhǔn)確。長(zhǎng)操作集在簡(jiǎn)單定焦系統(tǒng)不必考慮,在復(fù)雜變焦系統(tǒng)的校正后期,是優(yōu)化的利器。下面給出一個(gè)長(zhǎng)操作集的實(shí)例"貼1-例2.ZMX"〔最佳像面未調(diào)整,僅用于觀察操作集,文件的操作集共有五千多行,它可以作為一個(gè)典型設(shè)置,用在舞臺(tái)投影變焦鏡頭的設(shè)計(jì)后期。這個(gè)操作集的妙用如下：通過后續(xù)校正工作完成后,在評(píng)估系統(tǒng)時(shí),全部性能合乎要求,只是倒數(shù)第2鏡的雙凸鏡半徑很接近,影響裝配。我用此操作集,提取現(xiàn)場(chǎng)光線數(shù)據(jù)〔用EXCEL編輯半分鐘,然后改動(dòng)兩半徑相同,優(yōu)化半小時(shí),OK!四補(bǔ)充說明舞臺(tái)投影鏡頭投向屏處的像質(zhì),用其點(diǎn)彌散對(duì)人眼張角評(píng)估,其小于3′時(shí),點(diǎn)的彌散斑不易發(fā)現(xiàn),屏處投影像認(rèn)為是由點(diǎn)組成,而不是彌散斑組成,成像是清楚的。這個(gè)觀點(diǎn)在其共軛面DMD上,就是前面的彌散評(píng)估結(jié)論二、預(yù)備知識(shí)前言：為了能有效控制復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化,使其能高效穩(wěn)定的收斂到目標(biāo)值,我們?cè)谫N1中引入了長(zhǎng)操作集的概念。本貼就重點(diǎn)介紹長(zhǎng)操作集的編輯。長(zhǎng)操作集是不同優(yōu)化階段累積的結(jié)果,到后期操作集就會(huì)加長(zhǎng)。為了快速調(diào)整權(quán)因子,最常用的辦法是根據(jù)操作集的現(xiàn)場(chǎng)值,逐步加大操作數(shù)的權(quán)因子〔而不是增減權(quán)因子,因此后期權(quán)因子會(huì)變的很大。其實(shí)沒必要在此糾結(jié),這是因?yàn)橛蓛?yōu)化函數(shù)定義可知它具有相對(duì)權(quán)重的概念,所以增大與增減的效果是一樣的,但前者操作確簡(jiǎn)單的多。工欲善其事必先利其器,掌握好長(zhǎng)操作集的編輯,提高其編輯效率,可極大的提高優(yōu)化效率與質(zhì)量。尤其在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率不斷提高的今天,更是如此。要想逐步累積出一個(gè)好的長(zhǎng)操作集,必須先有一個(gè)好的初始結(jié)構(gòu),和好的初步優(yōu)化操作集,這些可參考以下要求：1先設(shè)定6種視場(chǎng)的權(quán)重：視場(chǎng)權(quán)重9W33W30.5W50.7W70.85W8.51W10上面的視場(chǎng)權(quán)重,可使各視場(chǎng)的傳函盡量接近。2然后選彌散方均根值RMS為缺省優(yōu)化函數(shù),全部權(quán)重倍數(shù)為1。觀察彌散圖：RMS應(yīng)接近或小于最小象元直徑值。GEO不大于3倍RMS。3其它約束的加權(quán)相對(duì)值〔最后列應(yīng)在同一數(shù)量級(jí)上,然后根據(jù)相對(duì)重要性逐步加大權(quán)重。4觀察傳函曲線：其傳函的頻率設(shè)定為要求值,其各視場(chǎng)傳函曲線較接近,不能出現(xiàn)散亂現(xiàn)象。如果初步優(yōu)化后上述情況基本滿足,則光學(xué)系統(tǒng)初態(tài)是合理的,可以進(jìn)行下步優(yōu)化,否則重新找初解。5尋找初解在CODEV與ZEMAX間交叉進(jìn)行。6優(yōu)化步驟：〔1RMS優(yōu)化〔缺省優(yōu)化-->〔2GEO優(yōu)化〔增加TRAR約束-->〔3波差優(yōu)化〔增加波差優(yōu)化-->〔4增加傳函優(yōu)化〔最好是幾何傳函->〔5傳函優(yōu)化〔最好是幾何傳函-->多重結(jié)構(gòu)〔只變焦,不調(diào)焦-->〔5多重結(jié)構(gòu)〔變焦,調(diào)焦-->〔6溫度折射率與熱膨脹優(yōu)化。傳函優(yōu)化在初期多采用不等式約束,以減少矛盾制約。7長(zhǎng)操作集只會(huì)提高效率,但必須使各約束間的矛盾盡量小,這方面影響最大的是初始結(jié)構(gòu)的合理性。一、概述在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,許多性能校正是彼此有沖突的,如何平衡好各方面的矛盾,是個(gè)棘手問題。不少人是通過更改操作數(shù),調(diào)整其數(shù)值,權(quán)重來校正的,由于操作集過長(zhǎng)不好編輯,也不好平衡權(quán)重而放棄了這方面的嘗試,從而使校正搖擺不定,不能很快的得到好的校正結(jié)果。長(zhǎng)操作集可控制參數(shù)多,各種需要控制的性能在里面,只需要調(diào)整目標(biāo)值和權(quán)重即可,而不必刪減,增加操作集〔這樣可避免遺忘操作控制項(xiàng)。對(duì)長(zhǎng)操作集的編輯控制是門學(xué)問,它有許多內(nèi)在的規(guī)律與技巧需要我們?nèi)ッ?在這里介紹的方法,只是其中的一小部分。一個(gè)好的長(zhǎng)操作集可用于各種光學(xué)系統(tǒng)中,從而使操作集可局部標(biāo)準(zhǔn)化,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看反倒能加快系統(tǒng)的控制。另外長(zhǎng)操作集是從全方位上控制系統(tǒng)的光學(xué)性能校正,因此能很好的平衡系統(tǒng)校正的多方面矛盾,使系統(tǒng)校正避免了搖擺不定,加快了系統(tǒng)校正步伐,提高了校正速度,對(duì)復(fù)雜的變焦系統(tǒng)尤其是這樣。長(zhǎng)操作集用于光學(xué)系統(tǒng)校正后期,以達(dá)到全方位控制光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。在初始設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí),并不能用上長(zhǎng)操作集,它是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,逐步累積出來的,對(duì)應(yīng)著外形設(shè)計(jì),初步像差設(shè)計(jì),加入傳函設(shè)計(jì),系統(tǒng)多重結(jié)構(gòu)化,精細(xì)控制,全方位控制得到的。我們不要以為全方位控制會(huì)降低效率,即使經(jīng)驗(yàn)豐富的光學(xué)設(shè)計(jì)師也不可能用極少的操作集很好的控制一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)的穩(wěn)定校正,有了長(zhǎng)操作集的概念及編輯方法,才能使全面穩(wěn)定校正成為可能。關(guān)于這方面的詳細(xì)論述,將在后續(xù)的光學(xué)設(shè)計(jì)中逐步涉及到。長(zhǎng)操作集中的權(quán)重是最關(guān)鍵的,它的給定也是上面各步優(yōu)化累積得到的,并在長(zhǎng)操作集優(yōu)化過程中批量進(jìn)行修改。在第3種情況下,長(zhǎng)操作集由于控制全面,因此運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),但用好時(shí)此方法是很穩(wěn)定的〔即規(guī)律明顯,不必中間經(jīng)常光顧它,在樣例的一個(gè)循環(huán)大致要運(yùn)行近15~20分鐘,這段時(shí)間我們可以做別的事情,我的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)就是利用這部分時(shí)間完成的〔輕松完成。長(zhǎng)操作集的控制編輯思想在前面步驟產(chǎn)生的短操作集中也可應(yīng)用,這會(huì)極大的提高校正速度。二、長(zhǎng)操作集編輯實(shí)例1DLP復(fù)眼后續(xù)照明光路文件"貼2-例1.ZMX"是DLP復(fù)眼后續(xù)照明光路,假設(shè)采用0.24英寸DMD,長(zhǎng)寬比=4:3,則對(duì)角線長(zhǎng)=0.24*25.4=6.1mm,長(zhǎng)邊長(zhǎng)=6.1*4/5=4.9mm,短邊長(zhǎng)=6.1*3/5=3.7mm,考慮DMD光照區(qū)單邊應(yīng)用0.2mm余量,以便工藝校正。這樣的DMD位置光照區(qū)尺寸=5.3*4.1mm〔這個(gè)尺寸以矩形通孔方式設(shè)置在DMD工作面。由圖可見出射光斑的彌散還比較大,即光照區(qū)周界不夠清楚；再有這個(gè)光路在X向,Y向的F#=2.4。它只考慮了DMD的12°開關(guān)角的限制,沒有考慮在其垂直方向沒有開關(guān)角的限制,可以增大相對(duì)口徑,使DMD得到更大照明。為此重設(shè)置了X向F#=2.4,Y向F#=1.8,及優(yōu)化函數(shù)。優(yōu)化結(jié)果存成"貼2-例2.ZMX",這是一個(gè)典型的DLP復(fù)眼后續(xù)系統(tǒng)光路優(yōu)化設(shè)置〔其特點(diǎn)是光路非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,其前提是中心光束出射主光線角在25°~27°之間〔這個(gè)問題不在本課題之內(nèi),以后再談。2長(zhǎng)操作集編輯接著上文,假定上結(jié)構(gòu)是一個(gè)完好照明光路的部分,并打樣通過。在小批量試制中,發(fā)現(xiàn)校正過程中,DMD光照區(qū)余量不夠,希望單邊再增大0.1mm余量。這個(gè)問題應(yīng)如下解決。將優(yōu)化操作集TRAC改成REAR〔注意一個(gè)TRAC命令需追跡20*12=240條光線,而一個(gè)REAR命令只追跡一條光線,,這在復(fù)雜變焦系統(tǒng)中是非常值得注意的,更改方法見長(zhǎng)操作集編輯說明。由于要求DMD光照區(qū)由5.3*4.1mm改成5.5*4.3,能不能用擴(kuò)大物方視場(chǎng)角的方法達(dá)到要求,這是不允許的,因?yàn)橄到y(tǒng)打樣過了,即復(fù)眼出射視場(chǎng)角是不變的,只允許更改圖1的兩個(gè)聚光鏡〔外徑及兩鏡間隔不變。我們可考慮：DMD光照區(qū)由5.3*4.1mm改成5.5*4.3,其中4.1變到4.3,放大率4.3/4.1=1.05。載入"貼2-例2.ZMX"→將系統(tǒng)放大1.05倍→F6→更新→提取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存成1.MF。用EXCEL載入1.MF→將：ATRAC改成REAR〔這部分借用筆記本的全部替換功能進(jìn)行操作。、BTRAC的面序號(hào)列全是0,代表像面；但改成REAR就代表物面了。因此面序號(hào)列全改成21,指向像面〔這部分借用筆記本的全部替換功能進(jìn)行操作。C操作數(shù)現(xiàn)場(chǎng)值列復(fù)制→粘貼到目標(biāo)列。D控制轉(zhuǎn)到"筆記本"軟件頁(yè)面→再存成3.MF。取沒有放大1.05的結(jié)構(gòu)→載入3.MF→優(yōu)化后存成"貼2-3.ZMX"。下面?zhèn)戎卦贓XCEL的編輯操作。以上操作詳述如下：長(zhǎng)操作集編輯具體操作步驟如下：載入"貼2-例2"→F6→存成"1.MF"。打開EXCEL,載入"1.MF",具體操作如下：控制轉(zhuǎn)到ZEMAX,載入"2.MF",新編輯的2.MF載入成功,體會(huì)下長(zhǎng)操作集的編輯,是很爽的。以上完成了操作集中,TRAC操作數(shù)改成REAR的操作,使計(jì)算量減小了上百倍,這在復(fù)雜變焦系統(tǒng)中十分重要。接著將系統(tǒng)乘1.05倍→更新→將操作集存成"1.MF"。關(guān)閉EXCEL→再打開EXCEL→用圖2方法將"1.MF"載入EXCEL中,清空操作數(shù)目標(biāo)列,復(fù)制操作數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)列,粘貼到目標(biāo)列,全選,復(fù)制。以上完成了在EXCEL中提取現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)的操作→刪除→粘貼→存成"3.MF",此時(shí)"3.MF"就是控制光照區(qū)達(dá)到5.5*4.3的優(yōu)化操作集。為了驗(yàn)證操作集是否正確,控制轉(zhuǎn)到ZEMAX,重新載入"3.MF",開啟優(yōu)化鈕,優(yōu)化函數(shù)為0,說明長(zhǎng)操作集將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)列復(fù)制到目標(biāo)列的操作成功〔注意：此時(shí)由于前面的操作保證了操作集的目標(biāo)列=現(xiàn)場(chǎng)列,因此優(yōu)化時(shí)優(yōu)化函數(shù)必為零,如果不是零,則前面的操作有問題。重新載入"貼2-例2",載入"3.MF",點(diǎn)擊優(yōu)化鈕,優(yōu)化函數(shù)不為零,這是因?yàn)橄到y(tǒng)此時(shí)未乘1.05,優(yōu)化后,將像面尺寸設(shè)置成5.5*4.3進(jìn)行觀察,光照區(qū)恰好充滿,說明優(yōu)化準(zhǔn)確到位,存成"貼2-例3"。說明：A上面的長(zhǎng)操作集編輯只是著重在體會(huì),具體的技巧是非常多的。B這里光斑的放大,不允許間隔與外徑變化,因?yàn)楣鈾C(jī)結(jié)構(gòu)已確定了,所以直接放大是不允許的。C觀察不同視場(chǎng)的彌散大小,發(fā)現(xiàn)大視場(chǎng)彌散小,小視場(chǎng)彌散大,可以將現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)值列的彌散斑,根據(jù)需要縮小不同倍數(shù),再優(yōu)化。這種操作如果不在EXCEL中進(jìn)行,是很難完成的。三、照明設(shè)計(jì)指引貼上兩貼以鏡頭設(shè)計(jì)為例介紹了長(zhǎng)操作集的作用與編輯,此處介紹的是以能量觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牽涉到的是千變?nèi)f化,光怪陸離的世界,要總結(jié)出一套適應(yīng)各種情況的統(tǒng)一規(guī)律又談何容易？但又非無跡可尋：這就是要從全局出發(fā),把握照明系統(tǒng)各組元間的銜接規(guī)律,調(diào)整好矛盾,平衡好利弊,有舍有取。這里最重要的的是要有合理的初始結(jié)構(gòu),其它問題才能迎刃而解。本貼給出許多的基本上是好的照明系統(tǒng)樣例,它可作為我們?cè)O(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。希望大家能從全局高度去觀察,才能找出內(nèi)在規(guī)律,用縮放,拆卸,組合的方法,盡量擴(kuò)大樣例的實(shí)用范圍。為了便于大家活用樣例,在培訓(xùn)教材中"第五章LCOS照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)","第六章DLP照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)"兩章,以實(shí)例介紹了從全局出發(fā),把好各組元的銜接關(guān)口,盡量減少組元間性能上的相互干涉,使各組元順暢的組合成高效,高質(zhì)量的整體。照明系統(tǒng)的色域匹配是影響照明系統(tǒng)能量利用率和色性能指標(biāo)的最重要處,但往往因認(rèn)識(shí)不足被人們忽略,或因其難于駕馭而放棄。其造成的能量損失超過20％。但由于其牽涉問題太多,問題講述清又需花費(fèi)較長(zhǎng)篇幅,它與詳盡解析清塑料熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)一樣〔指理論上搞清,而非簡(jiǎn)單應(yīng)用,簡(jiǎn)單應(yīng)用在培訓(xùn)教材"第八章塑料非球面鏡頭設(shè)計(jì)"介紹,只能放到專門的培訓(xùn)課中講述。"兵無常勢(shì),水無常形",我們提供的樣例是死的,但利用它們的人是活的：從大局著眼,各組元入手,做好銜接平衡就是破局的捷徑。見"照明系統(tǒng)樣例集成.pptx"四、《對(duì)成像鏡頭設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)估》不少光學(xué)設(shè)計(jì)同行感到鏡頭設(shè)計(jì)不好掌握,其實(shí)多數(shù)是對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)達(dá)到什么狀態(tài)就算好的把握不住。鏡頭設(shè)計(jì)的目標(biāo)值定的過低,以致于設(shè)計(jì)出的鏡頭總是不理想,同時(shí)也失去了進(jìn)一步提高的動(dòng)力。目標(biāo)也不能定的太高,使系統(tǒng)復(fù)雜化,成本過高,得不償失。 鏡頭成像質(zhì)量是其最重要的性能指標(biāo)之一,應(yīng)從：MTF要求〔頻率要求、高中低頻的MTF要求、色頻率要求、MTF視場(chǎng)一致性要求、MTF溫度要求、調(diào)焦MTF要求、變焦MTF要求、,彌散要求,焦深要求,光能集中度要求,視場(chǎng)均勻性要求,畸變要求〔DIST畸變要求、TV畸變要求,色差要求,公差要求,工藝性要求〔中心邊緣厚度差要求、單鏡兩半徑同心性要求、中心邊緣厚度要求、成本要求、玻璃加工軟硬度、耐酸性等來全面評(píng)估鏡頭。 在這里的評(píng)估指標(biāo)對(duì)各種成像鏡頭基本上都適用,其中使用在不同場(chǎng)合的鏡頭所需另外的約束,不在小結(jié)中,請(qǐng)根據(jù)各系統(tǒng)的性能要求添加合理約束。一象質(zhì)要求1MTF要求常用條件下的傳函要求常用條件是指物距除兩端點(diǎn)、變焦除兩端點(diǎn)〔五點(diǎn)變焦、溫度除兩端點(diǎn)、最佳像面處的傳函要求：頻率〔CMOS、CCD、LCOS、DMD上＝1/〔2*最小象元直徑MTF>50%<接收器各點(diǎn)處>頻率〔目視系統(tǒng)像面處,對(duì)應(yīng)出射角＝3’的彌散,其直徑定為最小象元直徑＝1/〔2*最小象元直徑MTF>30%〔舞臺(tái)投影鏡頭,MTF>50%<小視場(chǎng)廣告投影鏡頭>。兩端條件下的傳函要求指物距兩端點(diǎn)、溫度兩端點(diǎn)、變焦兩端點(diǎn)〔五點(diǎn)變焦、最佳像面處的傳函要求：MTF〔CMOS、CCD、LCOS、DMD上>40%<接收器各點(diǎn)處> 對(duì)于舞臺(tái)投影鏡頭,由于不能用塑料鏡頭,故熱變形,熱折射率變化均不考慮,各物距調(diào)焦后的傳函MTF>30%。焦深要求由彌散斑確定的焦深當(dāng)彌散光線散布方均根植RMS不大于最小象元直徑時(shí),象由點(diǎn)組成,成像是清楚的,下面計(jì)算的彌散半徑<＝RMS>等于最小象元直徑的像面的離焦尺寸：F#＝F’/φ入瞳,對(duì)應(yīng)軸向光束投射角Q＝ArcTan[<φ入瞳/2>/F’]＝ArcTan[1/<2*F#>],設(shè)F＃1.8,則Q＝ArcTan[1/<2*F#>]＝ArcTan[1/<2*1.8>]＝15.5°假定計(jì)算出的最小象元尺寸＝0.008mm,則由彌散斑確定的焦深＝0.008/Tan15.5°＝0.028mm。如果F#＝1.5,Q＝ArcTan[1/<2*F#>]＝ArcTan[1/<2*1.5>]＝18.4°假定計(jì)算出的最小象元尺寸＝0.008mm,則由彌散斑確定的焦深＝0.008/Tan18.4°＝0.024mm。由透鏡對(duì)正要求確定的焦深焦深由光軸對(duì)成像面的垂值偏差所決定,允許±10’。在焦深范圍內(nèi)MTF>20%. 例如0.46英寸的DMD,如果最大視場(chǎng)角＝±25°,那么F’＝<0.46*25.4/2>/Tan25°＝12.53,因此光軸對(duì)成像面的垂值偏差＝±10’時(shí),引起DMD角頂對(duì)中心點(diǎn)沿軸向移位＝±12.53*<10*0.00029>＝0.036mm,即焦深＝±0.035mm,在焦深范圍內(nèi),中心與角頂成像將同時(shí)清楚。 再看一例：0.19英寸的DMD,如果最大視場(chǎng)角＝±25°,那么F’＝<0.19*25.4/2>/Tan25°＝5.2,因此光軸對(duì)成像面的垂值偏差＝±10’時(shí),引起DMD角頂對(duì)中心點(diǎn)沿軸向移位＝±5.2*<10*0.00029>＝0.015mm,即焦深＝±0.015mm,在焦深范圍內(nèi)要求MTF>0.2,中心與角頂成像將同時(shí)清楚。由彌散與對(duì)正要求共同確定的焦深由于0.46英寸情況下,透鏡容易對(duì)正,因此由彌散確定的焦深允許略放松；但0.19英寸情況下,透鏡不易對(duì)正,因此由彌散確定的焦深應(yīng)略嚴(yán),最后有：對(duì)手機(jī)投影鏡頭焦深＝±0.015mm。對(duì)0.46英寸的接受器〔分辨率60lp/mm,焦深＝±0.03mm,MTF>20%。手機(jī)投影鏡頭的對(duì)正精度〔焦深要求將更難保證,這成為手機(jī)投影鏡頭批量生產(chǎn)的難點(diǎn)之一,為了使手機(jī)焦深要求不致過嚴(yán),F#>2；但這會(huì)制約手機(jī)亮度,因此手機(jī)設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn),是需對(duì)各慮色鏡進(jìn)行頻譜透過率的定量分析,給出合理的頻譜透過率,角度透過率的綜合技術(shù)指標(biāo)要求。全視場(chǎng)傳函一致性要求為了各視場(chǎng)傳函〔即像面各點(diǎn)傳函不致相差過大,應(yīng)要求各視場(chǎng)傳函一致性<10%。高、中、低頻傳函要求為了使傳函的低頻〔分辨輪廓的能力,中頻〔分辨層次的能力,高頻〔分辨細(xì)節(jié)的能力都達(dá)到較好的程度,應(yīng)使：MTF>0.9<10lp/mm時(shí)>,MTF>0.8<20lp/mm時(shí)>,MTF>0.5<最大頻率時(shí)>。色光傳函要求在常用工作條件下,主波長(zhǎng)傳函MTF>0.45、其它傳函MTF>0.35。2彌散要求MTF只是象質(zhì)要求之一,對(duì)于MTF合乎要求的系統(tǒng),象質(zhì)只能說較好,還不能說很好。這是因?yàn)樵谀芊直娴蔫b別率圖案周圍,有可能產(chǎn)生拉出的弱光帶,影響對(duì)比度。客戶對(duì)此還是比較挑剔的。這個(gè)問題主要是由彌散斑的RMS〔彌散散布半徑的方均根植、GEO〔彌散散布半徑的最大值共同決定的。好的鏡頭要求RMS<最小象元直徑、GEO<3*RMS。以上要求是在常用條件下的約束,對(duì)于端點(diǎn)狀態(tài)下,允許略超。二光能要求在MTF和彌散達(dá)到要求后,光能集中度亦影響象的暉光程度,光能越集中,暉光就越弱,好的光能集中度要求在最小象元尺寸下,光能集中度>90%。 全視場(chǎng)亮度的一致性,是由視場(chǎng)光能均勻性決定的,它由最大視場(chǎng)能量與中心視場(chǎng)能量比來定義的,其要求如下：投影鏡頭：視場(chǎng)均勻性>80%。舞臺(tái)投影鏡頭：視場(chǎng)均勻性>70%。照像鏡頭：視場(chǎng)均勻性>50%。說明：視場(chǎng)均勻性>70%<舞臺(tái)投影系統(tǒng)>是指投影鏡頭視場(chǎng)均勻性要求,其照明系統(tǒng)的視場(chǎng)均勻性>70%,因此舞臺(tái)投影系統(tǒng)的總視場(chǎng)均勻性>50%,與照像鏡頭的視場(chǎng)均勻性是一樣的。三畸變要求相對(duì)畸變的百分?jǐn)?shù)<1.5%,對(duì)于投影鏡頭,主要是TV畸變<1%<TV畸變定義為長(zhǎng)邊中心凸或凹點(diǎn)相對(duì)中心直邊點(diǎn)的百分比> 制版鏡頭畸變要求很嚴(yán),不在此小結(jié)內(nèi)。四色差要求1垂軸色差要求最大視場(chǎng)垂軸色差<最小象元直徑。 例如最小象元尺寸＝0.008mm,則最大視場(chǎng)垂軸色差<0.008mm。2軸向色差要求 彌散張角＝ArcTan[1/<2*F#>],軸向色差<最小象元直徑/[1/<2*F#>]＝最小象元直徑*<2*F#>。例如：最小象元直徑＝0.008mm,F#＝1.8,軸向色差<0.008*2*1.8＝0.03mm。五工藝性要求1外形尺寸要求壓邊量要求中心厚與邊厚要求中心厚公差要求倒角寬度要求倒角角度要求偏心要求表面誤差要求對(duì)材料要求2同心性要求單鏡同心性需>0.1,否則車邊易垂軸串動(dòng),使中心偏超差,也會(huì)使邊緣光圈超差。單鏡前后面的同心性約束如下〔設(shè)單鏡的前后面口徑＝H1,H2；前后面半徑＝R1,R2：3公差要求一般情況下焦距＝15～40mm的成像鏡頭,中等精度公差分配如下：用ZEMAX2009計(jì)算公差,蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)次數(shù)取3000,要求算出的98％概率的MTF>0.15。玻璃材料要求價(jià)格參考見"玻璃批次價(jià)格表.PDF"光學(xué)與理化性能見"玻璃材料性能.xls"五、《架構(gòu)分析方法》才來XX不久,我出了不少PWC法的帖子,也解決了些實(shí)際鏡頭設(shè)計(jì)的問題,直到現(xiàn)在有時(shí)在系統(tǒng)的局部組元中還用PWC法。但由于XX工作的高效快節(jié)奏,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)是否可用PWC法高效高質(zhì)量的設(shè)計(jì)完成呢？答案是否定的,我在工作中PWC法的替代工具是架構(gòu)分析法,它給出各鏡設(shè)計(jì)的合理約束機(jī)制,在架構(gòu)中是逐一對(duì)各組元進(jìn)行分解并分別實(shí)體化進(jìn)行設(shè)計(jì)的,由于光束的約束的合理性,使優(yōu)化自動(dòng)給出的初始結(jié)構(gòu)也是合理的,與CODEV交互使用,最終都能得到很好的解,整個(gè)過程用時(shí)極短。為了說明架構(gòu)分析方法,特出此貼。 再說說為什么架構(gòu)約束能給出好的初解問題,這是因?yàn)榧軜?gòu)是整體設(shè)計(jì)的結(jié)果,只有各組元合理匹配,順暢組成一個(gè)整體,才能最大限度的滿足光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的要求,這樣在此架構(gòu)下的各組元實(shí)體化過程,就不會(huì)彼此沖突,約束好的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,因此今后光學(xué)設(shè)計(jì)者的注意力應(yīng)放在架構(gòu)合理性的分析與創(chuàng)建上。 該貼可以說是整個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)指引的靈魂,希望引起大家的重視。在"光學(xué)設(shè)計(jì)指引"中曾提到："系統(tǒng)原理架構(gòu)的光學(xué)性能把握,是光學(xué)設(shè)計(jì)指引的關(guān)鍵所在"。光學(xué)系統(tǒng)的性能要通過系統(tǒng)架構(gòu)來凸顯,系統(tǒng)架構(gòu)是系統(tǒng)基本組元〔用理想透鏡來表征在合理約束下的組合,它使光學(xué)設(shè)計(jì)者易于從總體把握系統(tǒng)特性,并通過約束操作集的優(yōu)化來驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)光學(xué)性能的理解是否合理,控制是否到位,方法是否簡(jiǎn)潔明確和有效。 光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu),不同的系統(tǒng)都有各自的規(guī)律,搭建的架構(gòu)一定要最大限度的,最直觀的反映系統(tǒng)特性,在控制計(jì)算上建立起的操作集,應(yīng)層次清楚；架構(gòu)中各組元間的相互約束和協(xié)調(diào),是架構(gòu)的神經(jīng)中樞,光學(xué)設(shè)計(jì)者就是要把設(shè)計(jì)意圖通過架構(gòu)凸顯出來,下面就通過LCOS照明系統(tǒng)的某一類〔共三類架構(gòu)的創(chuàng)建,調(diào)整,優(yōu)化,逐步控制系統(tǒng)達(dá)到要求的過程,體會(huì)一下架構(gòu)分析控制法在光學(xué)設(shè)計(jì)中的作用。一架構(gòu)原理 圖1是貼2中的一個(gè)LCOS聚光系統(tǒng)圖。圖1二架構(gòu)圖分析架構(gòu)分析需從全局著眼,看看系統(tǒng)有那些特點(diǎn)：1LCOS光照效率問題及應(yīng)對(duì)措施圖一的架構(gòu),在LCOS上光照為圓斑,但LCOS是個(gè)長(zhǎng)短邊比為4:3的矩形,其形狀光效＝4800/7854＝61%〔本人注：〔參考圖2 再考慮LOCS只能利用偏振光工作,則形狀效率X偏振效率＝30.5%,這個(gè)效率還不計(jì)其它能量損失,因此是非常低的。解決的辦法之一就是提高形狀效率,有3個(gè)途徑：其一：LCOS與LED近似物像關(guān)系〔不能完全物像關(guān)系,否則LED組件的布局間隔會(huì)成像到LCOS上,從而提高形狀效率。其二：利用光棒得到無LED組件布局間隔的均勻矩形光斑,再用其與LCOS成物象關(guān)系的特點(diǎn)使形狀效率大幅提高。其三：利用復(fù)眼使LCOS上的光斑的形狀效率大幅提高。 上面第一種成本最低,但形狀效率低于后兩個(gè),本例用第一種方法設(shè)計(jì)LCOS聚光照明系統(tǒng)。從架構(gòu)原理分析得知了LCOS為什么會(huì)有三大類的照明架構(gòu)。圖22改變架構(gòu)通過架構(gòu)分析可知,當(dāng)采用第1類方法提高形狀效率時(shí),需使LED與LCOS近似物像關(guān)系,可使LED成像在LOCS后方2mm處。3和色問題LCOS聚光系統(tǒng),為了得到寬廣的色域,采用三基色的和色方案,也有采用白光的。不同情況下,在LCODS上的色光斑都應(yīng)盡量重合,以得到盡量多的色光重疊區(qū),來提高色光的光能利用率。 本例采用白光照明系統(tǒng),白光也是帶有色光的,因此在LCOS后2mm處的成像,也應(yīng)盡量減小色差。 假定我們投影鏡頭和照明系統(tǒng)都處在設(shè)計(jì)初期,因此PBS棱鏡的設(shè)計(jì)在照明系統(tǒng)中不考慮投影鏡頭的問題。4聚光鏡求解由于我們手中只有圖1,下面從此出發(fā)求解出各組元的理想焦距近似值。三架構(gòu)調(diào)整先估算3理想透鏡焦距值,棱鏡材料Nd值： 在圖3中,Nd＝SIN16.516°/SIN8.201°＝2,圖3的角度偏差較大,可初步認(rèn)為PBS棱鏡材料為H-ZF52〔Nd＝1.85 看圖3,由ZEMAX解出第3鏡焦距＝13.08mm。圖3看圖4,由ZEMAX解出第2鏡焦距＝13.6mm。圖4看圖5,由ZEMAX解出第1鏡焦距＝-18.8mm。圖5由圖6,設(shè)置LCOS,光欄設(shè)置在LCOS上,0W1H投射角＝42°圖6LED陣列為2X3個(gè),如圖7：圖7上面解出了各組元的近似焦距,見"系統(tǒng)初態(tài).ZMX"。光路圖見圖8,各數(shù)據(jù)基本吻合〔LCOS光斑高＝7.5,合乎LCOS對(duì)焦線頂點(diǎn)尺寸,另外出射光束不是無限遠(yuǎn),有一定匯聚度,利于下步將LED象聚焦到LCOS后2mm處。圖8四架構(gòu)調(diào)整2上面得到ZEMAX系統(tǒng)架構(gòu)初態(tài),現(xiàn)在將其聚焦到LCOS后方2mm處,見"系統(tǒng)初態(tài)2.ZMX"圖9由圖9可以看出架構(gòu)存在嚴(yán)重問題：1象方離遠(yuǎn)心狀態(tài)相差大,不利與投影鏡頭匹配。20W1H投射角太大,會(huì)被投影鏡頭攔切去很多能量。 這些可通過架構(gòu)分析來解決。五合理架構(gòu)及其分析架構(gòu)越簡(jiǎn)單,越便于分析。圖10是雙遠(yuǎn)心照明的基本架構(gòu),其原理見"雙遠(yuǎn)心架構(gòu)分析.ZMX"中的操作集,LED光能采光角＝55°,PBS膜的透過角20°〔透過率＝50％的角,與其匹配的投影鏡頭F#=1.5。 由圖10可見,雙遠(yuǎn)心架構(gòu)與圖9相比,合理多了。 另外由于采用了6個(gè)LED,其對(duì)角線高＝1.9mm,致使光能采集利用率＝<SIN55°>^2＝55％,太低了。圖10如果采用4個(gè)邊長(zhǎng)＝0.7mm的LED,則對(duì)角線高＝1.06mm<見圖11>,對(duì)應(yīng)ZEMAX文件見"雙遠(yuǎn)心架構(gòu)分析2.ZMX",光能采集利用率＝<SIN69°>^2＝87％,這個(gè)光能采集利用率是可以接受的。圖11由上可見尋找合理初解的思路,要靠架構(gòu)分析來實(shí)現(xiàn),只要有合理的光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu),就能指出尋找初解的方向。因此我們尋找專利時(shí),也要觀察專利架構(gòu)是否與我們?cè)O(shè)計(jì)出的架構(gòu)相符,或者通過拆分專利,放到架構(gòu)組元中去優(yōu)化,最后在組合優(yōu)化得到最終結(jié)構(gòu)。下面介紹架構(gòu)中各組元的設(shè)計(jì)：六PBS棱鏡處聚光鏡設(shè)計(jì)由"雙遠(yuǎn)心架構(gòu)分析2.ZMX"可得入瞳數(shù)據(jù)〔參考圖10,然后用RAID,REAY操作數(shù)探測(cè)圖12的入瞳數(shù)據(jù),可得"PBS處聚光鏡設(shè)計(jì).ZMX",見圖12： 透鏡焦距＝20.39〔略超17.85的焦距要求。圖12七LED聚光鏡設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)步驟如下：1LED聚光鏡拆分 注意：這里用到的LED架構(gòu)拆分方法可應(yīng)用于各類透鏡組元的拆分。已知該組元焦距F’＝2.654<見"雙遠(yuǎn)心架構(gòu)分析2.ZMX">,令拆分成3個(gè)間隔1mm的透鏡,對(duì)0W1H光線,使其過每個(gè)透鏡具有相同的偏折角<通過操作集進(jìn)行約束,這里特別注意：控制OW1H通過各單鏡有相同的偏折角,需分兩步進(jìn)行,第一步：用RETY反映出通過各理想透鏡角度的正切,是帶符號(hào)的,第二步用RAID控制角度減小量是相等的,由于有第一步控制,在此避免了角度減小量有可能反向的結(jié)果>,見"創(chuàng)建LED聚光鏡三架構(gòu).ZMX"。2架構(gòu)圖圖133第3鏡實(shí)體化第3鏡實(shí)體化文件見"LED聚光鏡3設(shè)計(jì).ZMX",其優(yōu)化原理見文件的操作集。4第1、2鏡實(shí)體化手動(dòng)使1、2兩理想透鏡實(shí)體化：手動(dòng)使兩鏡焦距接近相等,彎曲方式彎向LED,且隨著遠(yuǎn)離LED逐漸接近對(duì)稱。觀察組合焦距是否接近2.6,否則使1、2鏡焦距減小〔中心變厚,當(dāng)組合焦距接近5后,不再降低,按"LED聚光鏡優(yōu)化.ZMX"操作集進(jìn)行優(yōu)化,得圖14：圖14注意：前面分析當(dāng)對(duì)角線高1mm〔4個(gè)0.7mm的LED時(shí),效率＝87％,對(duì)角線高2mm〔6個(gè)1mm的LED時(shí),效率＝55％,這是在理想系統(tǒng)中,但在大象差系統(tǒng)中,會(huì)有較大出入,究竟如何？要等到系統(tǒng)組合優(yōu)化完后才知道,因此先取此解。八組合設(shè)計(jì)1全反光路優(yōu)化觀察"LED聚光鏡優(yōu)化.ZMX"、"PBS處聚光鏡設(shè)計(jì).ZMX"、"雙遠(yuǎn)心架構(gòu)分析2.ZMX"得到組合系統(tǒng),見"全系統(tǒng).ZMX",優(yōu)化后得"全系統(tǒng)2.ZMX"見圖15：圖152全正光路優(yōu)化將圖15反180°得"全系統(tǒng)3.ZMX"。.59DMD對(duì)角線長(zhǎng)＝25.4*0.59＝15mm,長(zhǎng)邊X短＝12X9mm。觀察TracePro中DMD上光斑圖〔圖16,尺寸＝14.5X8mm,比DMD尺寸略小,形狀基本相附,四周均勻性略欠,還需進(jìn)一步校正。圖163利用理想光路數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化由圖16可見問題主要發(fā)生在邊緣光線聚焦不夠,且尺寸不夠大。再觀察圖10,將其反光路,再只留1W,取出象方所有光線彌散值。作為優(yōu)化函數(shù),載入"全系統(tǒng)3.ZMX",且指定1W主光線交高＝－9,優(yōu)化后見"全系統(tǒng)4.ZMX",見圖17圖17觀察圖均勻性好了很多,長(zhǎng)邊長(zhǎng)度夠了〔單邊有0.2余量,高低恰好為DMD短邊長(zhǎng),沒有余量,但均勻性還欠些,需繼續(xù)調(diào)整。4系統(tǒng)光斑優(yōu)化"全系統(tǒng)4.ZMX"非球面系數(shù)用到10次,另外用REAY控制1W交高＝－7.5mm,優(yōu)化后均勻性好了很多,只是邊部比中心亮,需要邊部光束聚焦變寬才行,為此將棱鏡長(zhǎng)改為15,重取最大視場(chǎng)光束現(xiàn)場(chǎng)值,且將所有光束按光線總高縮放到8mm〔在EXCEL中編輯調(diào)整,將調(diào)整后的光束高度作為目標(biāo)值然后棱鏡改成19mm,優(yōu)化后載入TracePrro中給出40萬(wàn)光線追跡得圖18〔存成"全系統(tǒng)5.ZMX"：圖185系統(tǒng)光斑縮放在如18中可見系統(tǒng)均勻性很好,只是尺寸大了,為此系統(tǒng)縮放,將高度縮放到9+0.4＝9.4mm<0.4是雙邊裝配調(diào)整量>?？s放率＝9.4/10＝0.94,將操作集存出,然后重新載入"全系統(tǒng)5.ZMX",再載入存出的操作集,優(yōu)化后在PracePro中觀察得圖19：圖19光斑尺寸恰好合乎要求,設(shè)定接受器尺寸為上圖中尺寸,給50萬(wàn)光線,重新觀察得圖20〔見"全系統(tǒng)6.ZMX"：圖20由圖20,照明系統(tǒng)光照區(qū)均勻性已基本合乎要求,但邊部暗區(qū)略寬,可以用上述方法,通過改變棱鏡長(zhǎng)度,更新數(shù)據(jù),存出操作集,在EXCEL中,提取現(xiàn)場(chǎng)光束數(shù)據(jù),且縮放光束高度,使最大高度為DMD要求值,將此時(shí)光束調(diào)整值存到操作集的目標(biāo)列,復(fù)制全數(shù)據(jù)到筆記本中,存成操作集文件,重新調(diào)整棱鏡到原厚度,載入上操作集進(jìn)行優(yōu)化,在TracePro中觀察是否合乎要求,如此反復(fù)調(diào)整2、3次就可達(dá)到要求。5能量評(píng)估在ZEMAX中DMD光照?qǐng)鲂蔈0.00W＝97.1% E0.30W＝80.1% E0.50W＝67.2% E0.70W＝54.2% E0.85W＝43.1% E1.00W＝31.8% E平均＝<0.971＋0.801＋0.672＋0.542＋0.431＋0.381>/6=633% 第1類LCOS照明的光效低于其它2類<尤其在非偏振光源下>。說明：據(jù)前圖10中的能量計(jì)算,在理想情況下,用邊寬1mm的6個(gè)LED陣列,其尺寸＝3.2X2.1mm,系統(tǒng)象差校正達(dá)到圖10狀態(tài)時(shí),光效只能為55％,現(xiàn)在由于象差的存在,光效為63％,如果采用0.7mm的4個(gè)LED陣列,其光效在利用象差提高效率后,能達(dá)到90％。因此在現(xiàn)場(chǎng)是用三組單色光路做成RGB系列的,光源用4個(gè)0.7mm的LED陣列,沒有采用光棒與復(fù)眼。九小結(jié)1架構(gòu)分析是光學(xué)設(shè)計(jì)站在全局高度,進(jìn)行各類矛盾協(xié)調(diào)的有效工具,它可替代PWC法高效快速求解合理的透鏡結(jié)構(gòu)。2在能量均衡的過程中,EXCEL起到了舉足輕重的作用,它的計(jì)算處理性能,使光束靈活重組成為了可能。3該類照明系統(tǒng)如果不是工作在激光光源下,或在沒有偏振技術(shù)下,其光效要減小一半。六、《ZEMAX中的宏解析》ZEMAX程序使用靈活,各種接口易于掌握,極大的擴(kuò)展了功能,靈活的解決了用戶的特別要求。其中ZPL宏編程,是應(yīng)用最廣,擴(kuò)展功能最齊全的,用活了它,可以解決操作數(shù)無法實(shí)現(xiàn)的控制,本貼是通過解析ZEMAX2005自帶的各宏程序,凸顯編程思路,層次控制,并例舉了幾種有用的宏程序,加深體會(huì)ZPL宏語(yǔ)言編程的特點(diǎn),控制的靈活性,拋磚引玉,擴(kuò)展光學(xué)設(shè)計(jì)的視野。一綜述1宏指令索引 為了便于查看宏程序,本貼給出了宏命令索引文件"ZEMAX程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言〔ZPL.txt",便于快速對(duì)宏程序進(jìn)行簡(jiǎn)單翻譯。2宏編程要點(diǎn)ZPL類似與BASIC程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,可用任何文本編輯器創(chuàng)建ZPL程序。宏指令的優(yōu)化在評(píng)價(jià)函數(shù)中使用操作數(shù)ZPLM來調(diào)用ZPL宏指令,然后使用ZPL關(guān)鍵字OPTRETURN得到其結(jié)果。數(shù)據(jù)域編號(hào)在0-50號(hào)〔optreturn0=…optreturn50=,其中只有optreturn0=可以由外部控制宏程序中的視場(chǎng)<PVHX,PVHY>,口徑光線〔PVPX,PVPY。宏指令編號(hào)應(yīng)在0－99號(hào)〔ZPL00.ZPL～ZPL99.ZPL。且存放在…\ZEMAX\Macros中。宏指令的調(diào)試要觀察宏指令運(yùn)行情況,需通過宏菜單來運(yùn)行宏指令程序,才能觀察到中間步驟的輸出,同時(shí)可修改存盤,進(jìn)行程序調(diào)試。通過宏菜單運(yùn)行的宏程序,只要文件名為*.zlp即可。參考資料見"ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件操作說明詳解.pdf"第二十四章。二ZEMAX文件夾中的宏編程樣例解析下面是ZEMAX2005中Macros文件夾中宏程序索引：1demo1.zpl〔軸上點(diǎn)10口徑色差計(jì)算輸出程序樣例：DEMO1.ZPL2demo2.zpl〔輸入相對(duì)口徑變化步長(zhǎng),計(jì)算輸出相應(yīng)DLFC樣例：DEMO2.ZPL3Zoomgmtf.zpl〔變焦系統(tǒng)幾何傳函計(jì)算樣例：Zoomgmtf.zpl下面是該程序的操作： 上程序運(yùn)行時(shí)的ZEMAX文件見：樣例.ZMX4ZPL〔變焦系統(tǒng)各鏡有效口徑及邊厚計(jì)算說明：在變焦系統(tǒng)中運(yùn)行此程序,會(huì)輸出各面口徑及相臨間隔邊緣厚度,后者是很需要的。例如在樣例.ZMX中觀察。5EDGESAG.ZPL〔計(jì)算輸出當(dāng)前結(jié)構(gòu)各面口徑下的矢高程序見"EDGESAG.ZPL"6ElementDataListing.zpl〔系統(tǒng)各鏡近軸數(shù)據(jù)計(jì)算在"樣例.ZMX"中運(yùn)行"ElementDataListing.zpl"得：在出圖時(shí)需要這些數(shù)據(jù)。7EXAM1.ZPL〔輸出各視場(chǎng)坐標(biāo)點(diǎn)在"樣例.ZMX"中運(yùn)行"EXAM1.ZPL"得<給出7個(gè)視場(chǎng)時(shí)>：8EXAM2.ZPL〔輸出各波長(zhǎng)下像面彌散RMS值在"樣例.ZMX"中運(yùn)行"EXAM2.ZPL"得<給出7個(gè)視場(chǎng)時(shí)>：9Exampleforcreatingandreadingtextfiles.ZPL〔臨時(shí)文件操作見"Exampleforcreatingandreadingtextfiles.ZPL"中的中文說明,該程序是將臨時(shí)文件輸出<內(nèi)中主要是物方、象方焦截距,和計(jì)算波長(zhǎng)>。10GLOBAL.ZPL〔各面頂點(diǎn)坐標(biāo)與方向余弦計(jì)算這個(gè)程序較簡(jiǎn)單,說明略。11GRAFTEST.ZPL〔在視窗出圖見"GRAFTEST.ZPL"程序中的中文說明,其中出圖部分如下：12SYSTEM.ZPL〔系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出見"SYSTEM.ZPL",原理見其中的中文說明。13ZERNIKE.ZPL〔系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出見"Zernike.zpl",輸出所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)。參考：VEC1中存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)詳見20XX2月1日版的"ZEMAX中文使用手冊(cè)"656頁(yè)。二ZEMAX文件夾中的宏編程樣例解析1計(jì)算象差的宏〔1基本程序 見"ZPL04<幾何象差>.ZPL",這個(gè)程序以簡(jiǎn)潔方式計(jì)算了各種幾何象差,并輸出到ZEMAX自帶的文本窗口〔可以用ASCII碼方式存成文本文件?！?功能擴(kuò)展"ZPL04<幾何象差>.ZPL"的功能擴(kuò)展程序見"ZPL88.ZPL",這個(gè)功能擴(kuò)展的程序,用到了操作集與ZPL宏間的調(diào)用與控制,說明如下：這是宏優(yōu)化對(duì)輸出進(jìn)行控制的根本語(yǔ)句,為了使OPTRETURN1=,OPTRETURN2=,…各句均起作用,OPTRETURN0=的這行必須為第一行。說明：應(yīng)用時(shí),先將該系統(tǒng)句集牽涉的宏程序"ZPL88.ZPL"考到ZEMAX的Macros文件夾中,再運(yùn)行上文件才能觀察到正確的結(jié)果。 下面是操作集對(duì)幾何象差宏擴(kuò)展程序的調(diào)用圖示3很有用的凸輪計(jì)算程序〔1基本程序見"二組元變焦曲線計(jì)算.zpl",這是石恩濤網(wǎng)友編的非常有用的凸輪程序〔2功能擴(kuò)展與說明在培訓(xùn)課中將詳細(xì)解析該程序各語(yǔ)句的功能,應(yīng)用,功能擴(kuò)展編程,應(yīng)用。4輸入光線讀取輸出程序 這是我為了便于將ZEMAX文件向CODEV文件轉(zhuǎn)換時(shí),控制輸入光線在兩種軟件環(huán)境下完全一致,間接控制視場(chǎng)漸暈的宏程序,該程序?qū)⒃谠谂嘤?xùn)班中詳細(xì)介紹其編程原理及應(yīng)用。5關(guān)于ZEMAX中提供的宏程序ZEMAX中提供的宏程序中""有實(shí)用價(jià)值,其它宏程序注意其編程原理,尤其是循環(huán)轉(zhuǎn)移編程部分。七、《ZEMAX中棱鏡建模與優(yōu)化》 棱鏡是光學(xué)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(yuǎn)系統(tǒng)、系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、測(cè)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(duì)分析光學(xué)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(xué)系統(tǒng)棱鏡建模與優(yōu)化可方此進(jìn)行。棱鏡建模有多種方法,但只有斷點(diǎn)建模的棱鏡才能進(jìn)行優(yōu)化,因此它也是應(yīng)用最廣的建模方法,為了簡(jiǎn)單扼要,重點(diǎn)突出,本貼只介紹棱鏡斷點(diǎn)建模的方法。**********例1－作圖法確定棱鏡**********該例主要是通過平移斷點(diǎn),改變棱鏡兩面斷點(diǎn)間隔長(zhǎng),調(diào)整棱鏡兩面矩形通光孔尺寸達(dá)到修改棱鏡尺寸達(dá)到要求的方法。一樣例 打開"棱鏡－例1〔作圖法確定棱鏡.ZMX"：圖1以上例為例,請(qǐng)用AUTOCAD圖示ZEMAX斷點(diǎn)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1在AUTOCAD圖示楔鏡斷點(diǎn)設(shè)置查斷點(diǎn)設(shè)置意義圖2是"棱鏡－例1〔作圖法確定棱鏡.ZMX"在AUTOCAD中圖示ZEMAX中楔鏡兩面斷點(diǎn)設(shè)置的實(shí)際意義：圖22調(diào)整楔鏡斷點(diǎn)平移量觀察圖1,楔鏡部分切割光線。應(yīng)將楔鏡兩斷點(diǎn)沿X負(fù)向移0.5mm,則斷點(diǎn)重設(shè)置如圖3。由圖2可知,沿X向移動(dòng)斷點(diǎn)〔一般情況下,兩斷點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)間隔長(zhǎng),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(dòng)斷點(diǎn)傾斜角。圖33調(diào)整等腰直角棱鏡斷點(diǎn)平移量等腰直角棱鏡兩斷點(diǎn)平移量的變化量：棱鏡兩個(gè)前后斷點(diǎn)沿X方向移動(dòng)－1mm,其它仿照2操作調(diào)整得圖4,此時(shí)光束全部通過了,注意：如果棱鏡某個(gè)面夠?qū)?但還是部分?jǐn)r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－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(diǎn)平移量〔平移量＝斷點(diǎn)面中心點(diǎn)對(duì)斷點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)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(diǎn)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(jì)**********例1介紹了用斷點(diǎn)平移的方法,調(diào)整棱鏡尺寸達(dá)到要求的方法,本例介紹鏡面旋轉(zhuǎn)調(diào)楔鏡達(dá)到合色的方法〔手機(jī)微投影照明系統(tǒng)用。 在"手機(jī)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(shí)現(xiàn)了RGB三基色光軸的重合。由于采用了此項(xiàng)技術(shù),使照明系統(tǒng)具有了最小尺寸。一標(biāo)準(zhǔn)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(duì)三基色中的兩基色反射后,光軸合成一個(gè),因此鏡面反射特性的研究是掌握該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。 打開"棱鏡－例2《合色鏡設(shè)計(jì)》.ZMX",其光路如圖5。圖5由文件結(jié)構(gòu)的斷點(diǎn)設(shè)置,可以知道反射面傾斜,像面轉(zhuǎn)為垂直都是通過設(shè)置端面傾斜來實(shí)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)得到的,圖6說明了如何確定反射鏡旋轉(zhuǎn)角,使反射后的光線方向達(dá)到要求。 當(dāng)反射面轉(zhuǎn)過Q角后,兩個(gè)斷點(diǎn)面頃角的新值計(jì)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(jì)DM合色鏡方法1前工作面傾角調(diào)整圖7左圖是"棱鏡－例2《合色鏡設(shè)計(jì)》.ZMX",其中紅綠光起點(diǎn)分別是對(duì)應(yīng)紅綠LED的中心,要求綠光經(jīng)楔鏡靠近復(fù)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(diǎn)面傾角-45°+1°,135°－1°,觀察反射綠光水平性有改善；加大旋轉(zhuǎn)角到5°時(shí),得到右圖,此時(shí)綠光已校水平了。2添加楔鏡遠(yuǎn)離復(fù)眼的反射面〔1創(chuàng)建第2個(gè)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(gè)平行反射面,將該反射面設(shè)定為可以自由旋轉(zhuǎn)的面〔操作方法：,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,且垂直于像面〔復(fù)眼入射面,達(dá)到了合色目的。圖8調(diào)整后的結(jié)果,存成文件"棱鏡－例2《合色鏡設(shè)計(jì)》B.ZMX"。〔2調(diào)整第2反射面達(dá)到要求繞第2反射面入射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)反射面,當(dāng)轉(zhuǎn)過－5.5°后,反射出射光線水平了,見圖9：圖9結(jié)果存成"棱鏡－例2C《合色鏡設(shè)計(jì)》.ZMX"。3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(duì)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(gè)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(yàn)與微調(diào)整。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),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棱鏡設(shè)置**********前面的方法,都是基于2D平面棱鏡的設(shè)置方法,當(dāng)DMD轉(zhuǎn)軸不是90°時(shí)〔為45°時(shí),就要用到3D空間棱鏡,它的設(shè)置是很復(fù)雜的,但可用接近標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)置去解決這類問題。一標(biāo)準(zhǔn)化樣例見"棱鏡－例3《空間棱鏡設(shè)計(jì)》.ZMX",其圖示如下：圖10這個(gè)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(fù)眼后聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(chǎng)主光線傾角的三個(gè)方向余弦,圖示如下：假定0W0H射向DMD的光線角度＝27°,由圖11：圖11它對(duì)DMD法線的三個(gè)方向余弦計(jì)算如下。設(shè)射向DMD的0W0H的光線為1個(gè)單位矢量,則由余弦定義有：ARGC〔與Z軸夾角余弦=COS27°＝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(yàn):ARGC^2+RAGA^2+RAGB^2=0.891028^2+0.320998^2+0.320998^2＝1由此可清楚操作集優(yōu)化目標(biāo)值的意義。這里27°,是為使DMD在開關(guān)時(shí),DMD反射該光線時(shí),其轉(zhuǎn)過24°后有37°－24°＝3°的不重疊區(qū),可以避免直接透過的雜光,使暗場(chǎng)盡量暗,提高成像的反襯度。至于為保反襯度的3°是否合適,還要看系統(tǒng)光照?qǐng)鼍鶆蛐?對(duì)于照明系統(tǒng)均勻性X投影系統(tǒng)均勻性>70%的,可給27°,否則給26°。操作集中還有許多別的約束,是不難理解的。八、《鏡頭樣例圖集》鏡頭設(shè)計(jì)是廣大光學(xué)設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題之一。尋找到一個(gè)好的初始結(jié)構(gòu),才能順利設(shè)計(jì)出好的鏡頭來。我們最易找到初始結(jié)構(gòu),往往是網(wǎng)上具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光路圖。光路圖以兩種方式給出：一種是帶光線的,另一種是不帶光線的。因此由此出發(fā),求解出好的最終解的方法,也有兩個(gè)。對(duì)于帶光線的,不要以為容易求出好的結(jié)果,因?yàn)榫W(wǎng)上給出的并不是AUTOCAD圖,光線是通過描圖得到的,是很不準(zhǔn)確的。要經(jīng)過許多特出處理,才能有好的結(jié)果。對(duì)于沒有光線的,其處理手段是通過正鏡材料取冕玻璃的平均參數(shù),負(fù)鏡材料取火石玻璃的平均參數(shù),其它同有光線的處理,才能得到好的結(jié)果。在培訓(xùn)教材中,對(duì)于有光線的,詳細(xì)的列舉了一個(gè)大型變焦投影鏡頭的圖形仿形設(shè)計(jì),該實(shí)例使用的方法,是以材料為變量,控制單色光彌散為主,色光為附,在中焦使光線聚焦在指定像面處。由于圖形的合理性。在變焦兩端處也聚焦在像面附近,且最大漸暈控制在<30％。由于原結(jié)構(gòu)一定滿足這些架構(gòu)上的要求,在合理約束下,材料應(yīng)與原態(tài)偏離不大。在此基礎(chǔ)上,送往CODEV后,利用CODEV的更優(yōu)的結(jié)構(gòu)求解特性,用逐漸收縮約束的方法,得到更優(yōu)的初始結(jié)構(gòu),然后送往ZEMAX中,用其更靈活多變的操作數(shù)的集合,精確控制達(dá)到很好的最終解。兩種軟件交替使用,效率是至關(guān)重要的,這里的許多處理技巧是提高轉(zhuǎn)換效率與質(zhì)量的關(guān)鍵。上述方法的依據(jù)是要有個(gè)合理的初始結(jié)構(gòu)圖形。為此本貼整理出了許多好的可用于監(jiān)控,投影,照相,測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,可供圖形仿形設(shè)計(jì)時(shí)的初始結(jié)構(gòu)。對(duì)于沒有光線的圖形仿形設(shè)計(jì)的困難處,是不知那個(gè)圖形是適用你的問題,原則上可如下考慮：1鏡片數(shù)<1>定焦鏡頭1.4<F＃<1.8,40<2W0<50°,用8片～9片透鏡1.8<F＃<2.4,30<2W0<40°,用7片～8片透鏡<2>變焦鏡頭1.4<F＃<1.8,40<2W0<50°,用12片～14片透鏡1.8<F＃<2.4,30<2W0<40°,用10片～12片透鏡合理外形尺寸由1和你的問題,可確定選幾片鏡的定焦或變焦系統(tǒng),然后描圖,正鏡與負(fù)鏡給平均材料參數(shù),再給0W,1W,僅令材料參數(shù)為變量,控制像面彌散最小,優(yōu)化后看最大視場(chǎng)漸暈,調(diào)整入射角,漸暈到設(shè)計(jì)要求值,即可確定最大視場(chǎng)角。然后由接收器尺寸要求,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行縮放,應(yīng)與要求偏差不大。否則重選圖形。手機(jī)鏡頭變焦鏡頭九、非序列照明系統(tǒng)優(yōu)化 ZEMAX中的非序列照明系統(tǒng)優(yōu)化,彌補(bǔ)了一些照明系統(tǒng)模擬軟件不能優(yōu)化的弊端,因此也是不少光學(xué)設(shè)計(jì)者感興趣的問題。 為了能了解與掌握非序列系統(tǒng)的優(yōu)化,應(yīng)先了解非序列的建模。本章給出了"1－非序列建模實(shí)例\例1.ZMX",及其建模筆記"例1建模筆記.doc"。 另外在ZEMAX2009中做了個(gè)用FREZ操作數(shù),進(jìn)行非序列優(yōu)化的實(shí)例"2－非序列優(yōu)化實(shí)例\實(shí)例2",內(nèi)有ZEMAX建模文件,及其建模優(yōu)化說明"非序列自由形式〔FreeformZ的優(yōu)化.doc"。這個(gè)優(yōu)化實(shí)例,可引申到反光瓦,CPC類聚光照明系統(tǒng)的優(yōu)化上。以上只是非序列優(yōu)化快速入門的指引部分,在"3－非序列優(yōu)化教程\例3－非序列優(yōu)化改善.ZMX"光棒優(yōu)化方法,詳細(xì)介紹了非序列優(yōu)化的基本原理。 在此基礎(chǔ)上,可以參考三個(gè)網(wǎng)上下載的非序列優(yōu)化的說明。一關(guān)于非序列操作數(shù)分類根據(jù)用途不同分為兩類： 1非序列物體數(shù)據(jù)的約束NPXG－非連續(xù)的物體位置x坐標(biāo)大于NPXL－非連續(xù)的物體位置x坐標(biāo)小于NPXV－非連續(xù)的物體位置x坐標(biāo)值NPYG－非連續(xù)的物體位置Y坐標(biāo)大于NPYL－非連續(xù)的物體位置Y坐標(biāo)小于NPYV－非連續(xù)的物體位置Y坐標(biāo)值NPZG－非連續(xù)的物體位置z坐標(biāo)大于NPZL－非連續(xù)的物體位置z坐標(biāo)小于NPZV－非連續(xù)的物體位置z坐標(biāo)值NTXG－非連續(xù)的物體關(guān)于X軸的傾斜大于NTXL－非連續(xù)的物體關(guān)于X軸的傾斜小于NTXV－非連續(xù)的物體關(guān)于X軸的傾斜值NTYG－非連續(xù)的物體關(guān)于y軸的傾斜大于NTYL－非連續(xù)的物體關(guān)于y軸的傾斜小于NTYV－非連續(xù)的物體關(guān)于y軸的傾斜值NTZG－非連續(xù)的物體關(guān)于Z軸的傾斜大于NTZL－非連續(xù)的物體關(guān)于Z軸的傾斜小于NTZV－非連續(xù)的物體關(guān)于Z軸的傾斜值NPGT－非連續(xù)參數(shù)大于。Hx的值用來定義參數(shù)編號(hào)NPLT－非連續(xù)參數(shù)小于。Hx的值用來定義參數(shù)編號(hào)NPVA－非連續(xù)參數(shù)等于。Hx的值用來定義參數(shù)編號(hào)2非序列光線追跡和探測(cè)操作數(shù) NSDC－指定非序列組的面序號(hào)、探測(cè)體編號(hào)、返回光強(qiáng)。 NSDD－指定非序列組的面序號(hào)、探測(cè)體編號(hào)、可探測(cè)器清零、或返回光強(qiáng)。對(duì)矩形探測(cè)器,可返回像素光強(qiáng)。這個(gè)操作數(shù)很靈活,有多種功能。 NSDE－顏色探測(cè)器,指定數(shù)組面序號(hào)、探測(cè)器編號(hào)對(duì)應(yīng)像素的返回?cái)?shù),可清零。 NSDP－探測(cè)器指定數(shù)組面序號(hào),物體編號(hào)的返回物體數(shù),可指定清零。 NSRA－可用于偏振的單根光線追跡。 NSST－單條光線追跡?？煞祷亟稽c(diǎn)坐標(biāo)、交點(diǎn)光線余弦。 NSTR－可選擇分光、散射、偏振模式進(jìn)行光線追跡。二非序列系統(tǒng)的優(yōu)化1探測(cè)器光強(qiáng)讀出探測(cè)器工作面尺寸可在探測(cè)器外形定義上給出,然后由下方式讀出其上總光強(qiáng),和光照均勻性〔見"例3－非序列光強(qiáng)讀出.ZMX"：上文件優(yōu)化后得"例3－非序列優(yōu)化.ZMX",見下圖： 由上圖,后圖均勻性計(jì)算結(jié)果比前圖要好,但實(shí)際上要差,這是什么原因？觀察兩文件3D圖： 由上圖,可見優(yōu)化后光棒到探測(cè)器間隔加大,使光斑擴(kuò)大到200X200的面積上,對(duì)于優(yōu)化前,探測(cè)器考核面的140X140到200X200之間是無光照的,在140X140有光照,這兩者間的均勻度是很差的,優(yōu)化后卻有了較大改善〔但這不是我們所希望的。由上分析可見,優(yōu)化變差是因?yàn)閮?yōu)化標(biāo)準(zhǔn)出了問題,解決方法：1探測(cè)器7動(dòng)態(tài)定位到光棒出射面后10mm處。2探測(cè)面改成140X140。這樣優(yōu)化后有： 上面應(yīng)有更好的狀態(tài),主要是ZEMAX2005不能選正交化的優(yōu)化方法〔量化優(yōu)化方法,待裝好ZEMAX2009后,在進(jìn)步優(yōu)化。<非序列系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程-例1建模筆記>一概述這部分主要通過"zemax非順序系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程.doc",由教程指導(dǎo)實(shí)驗(yàn),來掌握Z(yǔ)EMAX非序列性能。二教程要點(diǎn)1進(jìn)入純非序列,進(jìn)行單位設(shè)置。,設(shè)定波長(zhǎng)＝0.587,設(shè)置單位：圖1如輻射單位可選：瓦特,平方厘米；光度單位可選：流明,平方厘米；能源單位可選：焦耳,平；平方厘米。2建反光瓦在需建反光瓦行,類型列用鼠標(biāo)右鍵激活快捷菜單,選類型標(biāo)簽,在選就可創(chuàng)建反光瓦：Material:輸入材質(zhì)〔反射鏡為：MIRROR,Radius:輸入光瓦半徑〔100,Conic:輸入非球面K值〔－1,MaxAper:輸入反光瓦外口徑〔150,MinAper:輸入反光瓦內(nèi)孔〔20。 附：在序列追跡中,建此反光瓦,對(duì)無限遠(yuǎn)光線追跡,其焦距＝50mm,在焦點(diǎn)建燈絲實(shí)體要用到此數(shù)。3建螺旋燈絲光源在編輯器第2行重復(fù)前面的步驟并在屬性窗口選擇線光源〔SourceFilament,輸入相應(yīng)參數(shù)：Zposition:50<focusoftheparabolicreflectorZ向拋物面鏡焦距>

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