光学设计指引贴

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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。

Light-Guideing导光柱设计指南

Light Guide Techniques导光技术Using LED Lamps使用LED光源Application Brief I-003导光柱是什么？导光柱就是将光以最小的损耗从一个光源传输到距离该光源一定距离的另一个点的装置。

光线是依靠全内反射在导光柱内部传输的。

导光柱通常是采用光学材料制成，如：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂和玻璃。

导光柱可以用来将PCB上LED的光传输到产品面板上来显示相关的状态，也可以聚集和指引光线用做LCD显示屏的背光，同时也可以用来照亮在透过式窗口上的图案。

这篇文章论述了简单的导光柱的设计方法以适应这样或那样的应用。

基本原理Snell定律：当光线入射到两种不同的介质的交界面时，例如塑料和空气，光线会在通过这个交界面时产生折射，如图1所示。

光线射入这个交界面的角度叫做入射角φi，光线离开交界面的角度叫折射角φf Snell定律：ni*sinφi = nf*sinφf图1Snell定律规定:第一种介质的折射率ni乘以入射角φi的正弦值，等于第二种介质的折射率nf乘以折射角φf的正弦值。

镜面反射定律：镜面反射定律是这样定义的，光线的入射角与反射角相等，如图2所示，镜面反射光线是没有损耗的。

Fresnel Loss 菲涅耳损耗: 当光线通过交界面从一种介质进入另一种介质时，光线会因为在交界面上产生反射而产生损耗，如图2所示。

这种损耗称作菲涅耳损耗，可以用下面的公式进行计算：对于光线从塑料射入空气和从玻璃射入空气这两种情况下菲涅耳损耗都是4%当光线从折射率低的介质进入折射率高的介质时，折射角φf会小于入射角φi，相反，折射角φf会大于入射角φi，如图3所示光线穿过一个外表平行的塑料〔玻璃〕板。

图2图3 图4 完全内反射：当折射角等于90°时，入射光将会折射并沿着两种介质的交界面传播，如图4所示。

这时sin φf (90°) = 1.0，因此Snell定律就简化成ni*sin φi = nf. 这个公式可以用来计算产生完全内反射的临界入射角φc：空气的折射率为1.0，所以上式中的nf = 1.0，因此只要知道导光柱所采用的介质的折射率就能够迅速计算出这种介质内产生完全内反射的临界入射角.对于绝大多数的塑料和玻璃，它们的折射率约为1.50，因此，对于采用这两种材质制成的导光柱的完全内反射临界角约为42°导光柱内部与外界空气的交界面上产生的镜面反射可以用来帮助在导光柱内传输光线。

光学设计指引贴4(对成像镜头设计质量的评估)

弥散张角＝ArcTan 【1/(2*F#)】，轴向色差<最小象元直径/ 【1/(2*F#)】＝最小象元直径 *(2*F#)。
例如：最小象元直径＝0.008mm， F#＝1.8，轴向色差<0.008*2*1.8 ＝0.03mm。
五工艺性要求
1 外形尺寸要求
(1)压边量要求
(2)中心厚与边厚要求
2 同心性要求
手机投影镜头的对正精度（焦深要求）将更难保证，这成为手机投影镜头批量生产的难点之一，为了使手机焦深要求不致过严，F#>2；但这会制约手机亮度，因此手机设计的另一难点，是需对各虑色镜进行频谱透过率的定量分析，给出合
理的频谱透过率，角度ห้องสมุดไป่ตู้过率的综合技术指标要求。
（4）全视场传函一致性要求
（6）色光传函要求
在常用工作条件下，主波长传函 MTF>0.45、其它传函MTF>0.35。
2 弥散要求
MTF只是象质要求之一，对于 MTF合乎要求的系统，象质只能说较好，还不能说很好。这是因为在能分辨的鉴别率图案周围，有可能产生拉出的弱光带，影响对比度。客户对此还是比较挑剔的。这个问题主要是由弥散斑的RMS（弥散散布半径的方均根植）、GEO（弥散散布半径的最大值）共同决定的。好的镜头要求RMS<最小象元直径、 GEO<3*RMS。
• 由透镜对正要求确定的焦深
焦深由光轴对成像面的垂值偏差所决定，允许±10’。在焦深范围内 MTF>20%.
例如0.46英寸的DMD，如果最大视场角＝±25°，那么F’＝ (0.46*25.4/2) /Tan25°＝12.53，因此光轴对成像面的垂值偏差＝±10’时，引起DMD 角顶对中心点沿轴向移位＝ ±12.53*(10*0.00029)＝0.036mm，即焦深＝±0.035mm，在焦深范围内，中心与角顶成像将同时清楚。

《光学薄膜设计理论》课件

总结词
随着光电器件的发展，光学薄膜的应用领域也在不断扩展。新型光电器件对光学薄膜的要求更高，需要不断探索新的应用领域和场景。
详细描述
光学薄膜在新型光电器件中具有广泛的应用前景。例如，在激光器、太阳能电池、光电传感器等领域中，光学薄膜可以起到增益介质、反射镜、滤光片、保护膜等作用。此外，随着光电器件的微型化和集成化发展，光学薄膜的应用场景也在不断扩展，如光子晶体、微纳光学器件等。这些新型光电器件的发展将进一步推动光学薄膜技术的进步和应用领域的拓展。
薄膜的均质膜系法
总结词
将多层薄膜视为一个整体，并使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数的方法。
详细描述
均质膜系法是一种更精确的光学薄膜设计方法。它将多层薄膜视为一个整体，并使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数。这种方法适用于薄膜层数较多、折射率变化较大的情况，能够更准确地模拟薄膜的光学性能。
光的波动理论概述
光的波动理论认为光是一种波动现象，具有振动、传播和干涉等特性。
波动方程的推导
通过麦克斯韦方程组推导出波动方程，描述光波在介质中的传播规律。
波前的概念
光的波动理论中引入了波前的概念，用于描述光波的相位和振幅。
光的干涉理论
光的干涉现象
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生明暗相间的干涉条纹的现象。
按制备方法分类
03
物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。
光学薄膜的应用
光学仪器
照相机、望远镜、显微镜等。
光电子
激光器、光探测器、光放大器等。
通信
光纤、光波导、光放大器等。
摄影
滤镜、镜头镀膜等。
02
光学薄膜设计基础

光学设计贴6《ZEMAX宏解析》

10 GLOBAL.ZPL（各面顶点坐标与方向余弦计算）
这个程序较简单，说明略。
11 GRAFTEST.ZPL（在视窗出图）
见“GRAFTEST.ZPL”程序中的中文说明，其中出图部分如下：
12 SYSTEM.ZPL（系统数据输出）
见“SYSTEM.ZPL”，原理见其中的中文说明。
13 ZERNIKE.ZPL（系统数据输出）
ZEMAX的Macros文件夹中，再运行上文件才能观察到正确的结果。
下面是操作集对几何象差宏扩展程序的调用图示
3 很有用的凸轮计算程序
（1）基本程序
见“二组元变焦曲线计算.zpl”，
这是石恩涛网友编的非常有用的凸轮
程序
（2）功能扩展与说明
在培训课中将详细解析该程序
各语句的功能，应用，功能扩展编程，
1 demo1.zpl（轴上点10口径色差计算输出程序）
样例：DEMO1.ZPL
2 demo2.zpl（输入相对口径变化步长，计算输出相应DLFC）
样例：DEMO2.ZPL
3 Zoomgmtf.zpl（变焦系统几何传函计算）
样例：Zoomgmtf.zpl 下面是该程序的操作：
上程序运行时的ZEMAX文件见：创建等效入瞳.ZMX
见“Zernike.zpl”，输出所有系统数据。参考：VEC1中存放系统数据详见 2010年2月1日版的“ZEMAX中文使用手册”656页。
二 ZEMAX宏编程与自带有用的宏程序 1 计算象差的宏
（1）基本程序见“ZPL04(几何象差).ZPL”，
这个程序以简洁方式计算了各种几何象差，并输出到ZEMAX自带的文本窗口（可以用ASC II码
以上 GGX1945813 2012.

光学设计指引贴6《ZEMAX中的宏解析》2

光学设计指引贴6《ZEMAX中的宏汇编》ZEMAX程序使用灵活，各种接口易于掌握，极大的扩展了功能，灵活的解决了用户的特别要求。

其中ZPL宏编程，是应用最广，扩展功能最齐全的，用活了它，可以解决操作数无法实现的控制，本贴是通过解析ZEMAX 2005自带的各宏程序，凸显编程思路，层次控制，并例举了几种有用的宏程序，加深体会ZPL 宏语言编程的特点，控制的灵活性，抛砖引玉，扩展光学设计的视野。

一综述1 宏指令索引为了便于查看宏程序，本贴给出了宏命令索引文件“ZEMAX 程序设计语言（ZPL）.txt”，便于快速对宏程序进行简单翻译。

2 宏编程要点⏹ZPL 类似与BASIC 程序设计语言，可用任何文本编辑器创建ZPL程序。

⏹宏指令的优化在评价函数中使用操作数ZPLM 来调用ZPL 宏指令，然后使用ZPL关键字OPTRETURN 得到其结果。

数据域编号在0-50号（optreturn 0 =…optreturn 50 =），其中只有optreturn 0 =可以由外部控制宏程序中的视场(PVHX，PVHY)，口径光线（PVPX，PVPY）。

宏指令编号应在0－99号（ZPL00.ZPL～ZPL99.ZPL）。

且存放在…\ZEMAX\Macros中。

⏹宏指令的调试要观察宏指令运行情况，需通过宏菜单来运行宏指令程序，才能观察到中间步骤的输出，同时可修改存盘，进行程序调试。

通过宏菜单运行的宏程序，只要文件名为*.zlp即可。

⏹参考资料见“ZEMAX光学设计软件操作说明详解.pdf”第二十四章。

二 ZEMAX文件夹中的宏编程样例解析下面是ZEMAX2005中Macros文件夹中宏程序索引：1 demo1.zpl（轴上点10口径色差计算输出程序）样例：DEMO1.ZPL2 demo2.zpl（输入相对口径变化步长，计算输出相应DLFC）样例：DEMO2.ZPL3 Zoomgmtf.zpl（变焦系统几何传函计算）样例：Zoomgmtf.zpl下面是该程序的操作：上程序运行时的ZEMAX文件见：样例.ZMX4 ZPL（变焦系统各镜有效口径及边厚计算）说明：在变焦系统中运行此程序，会输出各面口径及相临间隔边缘厚度，后者是很需要的。

光学设计指引贴(20160420)

光学设计指引贴目录一、预备知识 (4)一、概述 (5)二、舞台变焦投影系统 (5)三长操作集编辑问题 (9)四补充说明 (10)二、预备知识 (10)一、概述 (11)二、长操作集编辑实例 (12)三、照明设计指引贴 (14)四、《对成像镜头设计质量的评估》 (14)一象质要求 (15)二光能要求 (16)三畸变要求 (17)四色差要求 (17)五工艺性要求 (17)玻璃材料要求 (20)五、《架构分析方法》 (20)一架构原理 (21)二架构图分析 (21)三架构调整 (22)四架构调整2 (24)五合理架构及其分析 (25)六PBS棱镜处聚光镜设计 (26)七LED聚光镜设计 (26)八组合设计 (28)九小结 (31)六、《ZEMAX中的宏解析》 (32)一综述 (32)二ZEMAX文件夹中的宏编程样例解析 (32)二ZEMAX文件夹中的宏编程样例解析 (39)七、《ZEMAX中棱镜建模与优化》 (41)一样例 (41)二在AUTOCAD中作图 (42)1 在AUTOCAD图示楔镜断点设置 (42)2调整楔镜断点平移量 (43)3调整等腰直角棱镜断点平移量 (44)4 聚焦校正 (44)三小结 (45)一标准45°反射镜光路设置 (45)二反射光线出射角的调整 (46)三设计DM合色镜方法 (46)2 添加楔镜远离复眼的反射面 (47)3 透过光路的确定 (48)一标准化样例 (48)二空间棱镜优化原理 (49)八、《镜头样例图集》 (50)九、非序列照明系统优化 (55)一关于非序列操作数分类 (55)1 非序列物体数据的约束 (55)2 非序列光线追迹和探测操作数 (56)二非序列系统的优化 (56)<非序列系统设计教程> (58)一概述 (58)二教程要点 (58)1 进入纯非序列，进行单位设置。

(58)4 创建接收器 (59)4创建标准透镜 (61)5 光线跟踪分析和极化分析 (63)6 添加矩形ADAT光纤 (63)如何创建一个简单的非顺序系统 (65)<非序列自由形式（Freeform Z）的优化> (82)一概述 (82)二非序列项目 (83)三非序列优化 (83)1 清所有探测器 (83)2 非序列光线追迹 (84)3 探测器上光线能量的优化 (84)3 非序列光线优化过程 (84)ZEMAX中如何优化非序列光学系统翻译 (84)混合式非序列(NSC with Ports) zemax (97)1-1 混合式非序列 (97)1-2 例子－混合式非序列 (97)1-3 出口埠 (100)1-4 非序列组件 (100)1-5 对象属性 (101)1-6 非序列性透镜对象 (101)1-7 复制对象 (102)1-8 定义多焦透镜 (102)1-9 表面折射 (103)1-10 空气透镜 (104)1-11 调整焦距参数 (104)1-12 多焦透镜 (104)1-13 运行优化 (105)1-14 带状优化 (106)1-16 光线目标 (109)1-17 系统性能 (109)1-18 运行影像分析性能之优化 (110)1-19 设罝变数 (111)1-20 最终设计 (111)十、TO5 DM镜功能在TracePro中的模拟 (112)十一、光源文件及应用 (120)十二、在ZEMAX中理想光学系统合理架构的快速搭建《实例1》 (126)1在ZEMAX中理想光学系统合理架构的快速搭建 (126)2 “1-原态.ZMX”抽取框架 (129)3 创建等效架构 (129)4创建等效架构 (130)5 PWC公式汇集 (130)十三、在ZEMAX中对已知透镜求其PWC (134)1在ZEMAX中PWC法输入数据读取位置 (135)2优化设置参考表适用说明 (137)A 线性校正要求 (137)B 线性校正要求操作 (137)3 用等效mathmetica算式校验 (143)4 结论 (143)十四、ZEMAX中理想单镜PWC法求解(实例5） (144)1镜PWC法结构求解用公式 (144)2 将上公式组移植到ZEMAX中 (145)7用mathmetica校验（单镜与系统初级赛特系数校核） (148)十五、ZEMAX上双胶镜PWC法优化设计（双胶镜部分） (149)一双胶镜PWC法结构求解用公式 (149)二移植6双胶镜实体化算式 (151)1 创建初态双胶镜实体化架构文件 (151)2 编写双胶镜实体化操作集 (153)十六、双胶实体化模块应用实例-低倍显微镜头设计 (163)一低倍显微物镜设计要求 (163)二光路设计要求 (163)1 几何像差设计要求 (163)2 传函要求 (163)三棱镜初级像差 (164)三用单镜实体化操作集优化 (164)四优化结果工艺评估 (165)五小结 (166)十七、镜头实体化模块优化小结-中等视场，中等口径变焦镜头设计《2倍变焦镜头》 (167)一规划 (167)1 样例 (167)2 重新调整设计要求 (167)3 测绘系统数据 (167)5 变焦规划 (168)二PWC优化 (170)1胶合镜问题 (170)2 创建架构 (170)三在ZEMAX和CODE V间往返优化 (175)1 优化结果 (175)三相关问题 (179)四PWC法小结 (179)十九、光学系统塑料热补偿设计技术详解 (180)一ZEMAX中塑料热补偿设计操作 (180)二热补偿项说明 (181)三其它热补偿项说明 (181)四具有热效应材料的折射率修正问题 (181)一、预备知识前言：今天借贴1聊聊光学镜头的优化设计问题，这也是多数光学同行所关心的问题。

光学计算机辅助设计讲义-1

1．光学设计基础1.1现代光学仪器对光学系统的要求光学系统是现代光学仪器中的一个关键系统，光学系统的设计关乎整体系统的设计方案，因此设计好光学系统必须明确光学系统的基本要求。

1．1．1 光学系统基本要求如下性能•提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体•像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配•有效孔径和透过率必须足够满足设计要求构形选择•设计形式必须能满足所需的性能•特殊的技术要求，如扫描系统，红外系统中的光阑等，要符合要求可制造性考虑•最小尺寸/成本/重量/环境影响1．1．2 光学系统技术要求：1 f/number or NA （F 数或数值孔径）：F 数俗称光圈。

在光学系统技术指标中，F 数是一个非常关键的指标，在设计之前就必须确定的值。

焦距一定，F 数越小，通光孔径越大，设计的难度也相对较高。

/f f num ber D'=focal length 焦距＝clear aperture diameter 通光孔径D(又称入瞳直径)：孔径光阑在物孔径的共轭像孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑，如人眼的瞳孔1/D f num berf ='相对孔径＝数值孔径sin N A n U =数值孔径与F 数2 Full field of view （全视场，2 ）Aspect ratio投影比一般可以指定某一视场，如水平视场。

如CCD相机镜头以3×4×5的投影比覆盖传感器，水平视场为0.8视场。

若指定的视场小于全视场，必须说明是某视场。

例如，将视场指定为±10°，则全对角视场为20°，或半视场10°。

3 Vignetting（渐晕）:像平面边缘部分比中心暗这种现象称为“渐晕”.D, Dw’: 光束宽度线渐晕系数: K=Dw/D4 Spectral range（光谱范围）:是光学系统所能覆盖的波带。

例如，可见光系统一般覆盖约450～650范围内的光谱。

光学计算机辅助设计讲义3-4

1.Code V environment运行环境itile bar----包含当前镜头的名称window navigation bar--提供一种方法显示正在工作所有的界面。

导航条是能“停靠”CODEV边上的一个工作台窗口，也可以隐藏，在下列说明也同样出现。

MENU BAR---包含程序的许多功能。

你可以增加其他菜单，(例如频繁使用的宏) 或定制对话框(利用tools> customize菜单)toolsbar—为许多普通功能单个按钮。

把鼠标放在按钮前可以看到按钮的描述信息。

通过鼠标可以拖动工具栏。

也可以改变工具栏的内容(tools>custorms菜单)Lens Data Manager (LDM) Window—用数字来显示镜头数据数据的表格。

你能存取其它和修改数据表中利用用右击选择的表格、行或列的数据。

仅仅包含弹出式菜单中选择的条目命令。

Command Window—“journal”是所有的基于文本输出的窗口，并且为直接输入命令和显示结果的工作区。

Command entry line—命令窗户的部分，如果你希望使用命令，是输入目命令的位置(CODEV包含完整的命令和鼠标操作，你可以利用任何一种方式。

)。

Plot Windows—通过命令方式显示的专用绘图窗口，最多能够显示多达100个，但经常用到三到四个。

Tabbed Output Window—专门的计算如MTF和斑点图的在CODEV中称为options。

当从菜单条选定后，每个选项创造它的自己的tabbed输出窗口(TOW)，它包括文本，图形，和警告或误差消息。

TOW的主要特征是可以记住设定和点击Execute(Recalculate)按钮重新计算。

Status Bar—状态栏在CODEV主窗口下面边界处。

它显示一些参数例如焦距，尺寸规格，等等。

他可以通过customize对话框进行配置(tools>customize menu)。

光导设计手册

配光图配光数据
配光图，配光数据配光图是3m屏幕上的光分布
需要标明：光源型号光源光线文件参与配光的3D 数据材质报告反射率透过率折射率法规编号
必要公差
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常见问题
曲率问题
J11 问题分析
光源进光方向OK
光源进光方向错误
亮点，遮挡少
页面 19
如果间隔<15mm,AB 则为APPERANCE SURFACE
Z如果小于 75mm，光导间距>15mm (a+b+c+d+e)/A>60% (f+g+h+i+j)/B>60%
remark
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光泄漏
视觉效果分析
伪色彩光分布
设计完成后，评测是必要的. 1. 计算机仿真评测
1.1 人眼视觉效果评测（点亮，不点亮） 1.2 光分布评测 2. RP sample 评测 3. 简易模具开发评测
后果： 1 亮斑 2 暗斑
建议
安装脚、筋等结构做在可视区域外。
注意
如果不可避免：结构必须位于光导背面距离顶部<4mm 距离中间>R/4
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禁止皮纹区域
LED
如果末端需要补光，要留出 20mm
>20
允许皮纹区域
HOT SPOT 发生的位置
禁止皮纹区域
光轴
BEZEL
装饰圈遮挡部分
>10
光导 PCB
PCB直接固定在光导上。注意：如果结构不可行，不得不分开固定得话，请尽可能缩减led到光导的尺寸链。
A
光行进方向采用结构性调整减少亮斑对外观的影响 A<90

光学设计指引贴6《ZEMAX中的宏解析》

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DLP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。

一断点设置1 端点操作数为了便于查看宏程序，本贴给出了宏命令索引文件“ZEMAX 程序设计语言（ZPL）.txt”，便于快速对宏程序进行简单翻译。