光学设计指引贴6《ZEMAX中棱镜建模与优化》

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 *******
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(9027°)*COS45°/1=0.320998， RAGB（与Y轴夹角余弦）=1*COS(9027°)*COS45°/1=0.320998，
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*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
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 优化可仿此进行。
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 *****
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。
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
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
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：
效验 :ARGC^2+RAGA^2+RAGB^2=0.8910 28^2+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，可以避免直接透过杂光，使暗场 尽量暗，提高成像的反衬度。
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。
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 过设置断点面倾斜来实现的。
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
），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：
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：
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”。
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、显微系统、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。
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：
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。
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。
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 ******
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
图9 结果存成“棱镜－例3《空间棱镜 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 以离复眼远的反射面为镜像对称中心， 对LED聚光镜作镜像图得到完全一样 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。
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符合 要求的方法。
一 样例
打开“棱镜－例1（作图法确定棱 镜）.ZMX”：
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：