1、光学设计指引贴6ZEMAX中棱镜建模与优化光学设计指引贴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
2、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22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
3、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33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
4、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
5、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
6、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+1，1351，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，
7、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
8、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）=COS270.891
9、028, 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:ARGC2+RAGA2+RAGB2=0.8910282+0.3209982+0.32099821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37243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
