光学设计指引贴(20160420) - 图文

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

1 前工作面倾角调整 ............................................................................................................. 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

1-15 目标局部 ..................................................................................................................... 108 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

4 初步优化 ........................................................................................................................... 168 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。

对光学镜头的优化，不同的光学系统，光学设计的不同阶段，不同的人有各自的方法，很难说那种方法最优。这里介绍的方法，是绝大多数光学设计者所没有用过的，但在复杂的变焦系统中，却是行之有效的优化利器，在此抛砖引玉，希望能使镜头设计更上一层楼。 另外该贴还介绍了物距不同，象方成像有轴向分离的三个位置的变焦系统，该系统设计时有15重结构，这在变焦系统中也算较复杂类。这类变焦系统的成像质量应如何全面评估？这可能也是大家感兴趣的问题。

如果将上两个问题放在一起讨论，又会碰出是么样的火花？我们试目以待...。

一、概述

该帖介绍舞台投影变焦系统的光学性能约束要求，重点是提出超长操作集的高效编辑问题，让网友了解高效编辑对提高运行效率的重要性。

二、舞台变焦投影系统

1、光路图见图1

图1

2、技术要求

图1是物距不变时，只对像方三个图案盘位置分别调焦，在每个图案盘处要能进行长中短变焦。

对图案盘1变焦时，系统总长=450mm；对图案盘2变焦时，系统总长=455mm；对图案盘3变焦时，系统总长=460mm（比要求的470mm短，允许）。

如果系统要能对5米~20米成像都清楚，还应增加哪几重结构？

初步设计结果见“贴1-例1.ZMX”，应如何评估此系统，详见“3系统评估”。 （波长620,550,450；Real Image Height：17.5mm；像空间F/#=1.2）

0.5W 5 0.7W 7 0.85W 8.5 1W 10

上面的视场权重，可使各视场的传函尽量接近。

2 然后选弥散方均根值RMS为缺省优化函数，全部权重倍数为1。观察弥散图： RMS应接近或小于最小象元直径值。 GEO不大于3倍RMS。

3 其它约束的加权相对值（最后列）应在同一数量级上，然后根据相对重要性逐步加大权重。

4 观察传函曲线：其传函的频率设定为要求值，其各视场传函曲线较接近，不能出现散乱现象。如果初步优化后上述情况基本满足，则光学系统初态是合理的，可以进行下步优化，否则重新找初解。

5 寻找初解在CODE V与ZEMAX间交叉进行。 6 优化步骤：

（1）RMS优化（缺省优化）-->（2）GEO优化（增加TRAR约束）-->（3）波差优化（增加波差优化）-->（4）增加传函优化（最好是几何传函 ）-> （5）传函优化（最好是几何传函 ）--> 多重结构（只变焦，不调焦）-->（5）多重结构（变焦，调焦）--> （6）温度折射率与热膨胀优化。

传函优化在初期多采用不等式约束，以减少矛盾制约。 7 长操作集只会提高效率，但必须使各约束间的矛盾尽量小，这方面影响最大的是初始结构的合理性。

一、概述

在复杂光学系统设计中，许多性能校正是彼此有冲突的，如何平衡好各方面的矛盾，是个棘手问题。

不少人是通过更改操作数，调整其数值，权重来校正的，由于操作集过长不好编辑，也不好平衡权重而放弃了这方面的尝试，从而使校正摇摆不定，不能很快的得到好的校正结果。 长操作集可控制参数多，各种需要控制的性能在里面，只需要调整目标值和权重即可，而不必删减，增加操作集（这样可避免遗忘操作控制项）。 对长操作集的编辑控制是门学问，它有许多内在的规律与技巧需要我们去摸索，在这里介绍的方法，只是其中的一小部分。

一个好的长操作集可用于各种光学系统中，从而使操作集可局部标准化，从长远看反倒能加快系统的控制。

另外长操作集是从全方位上控制系统的光学性能校正，因此能很好的平衡系统校正的多方面矛盾，使系统校正避免了摇摆不定，加快了系统校正步伐，提高了校正速度，对复杂的变焦系统尤其是这样。

长操作集用于光学系统校正后期，以达到全方位控制光学系统设计的目的。

在初始设计光学系统时，并不能用上长操作集，它是在系统设计过程中，逐步累积出来的，对应着外形设计，初步像差设计，加入传函设计，系统多重结构化，精细控制，全方位控制得到的。我们不要以为全方位控制会降低效率，即使经验丰富的光学设计师也不可能用极少的操作集很好的控制一个复杂的系统的稳定校正，有了长操作集的概念及编辑方法，才能使全面稳定校正成为可能。关于这方面的详细论述，将在后续的光学设计中逐步涉及到。

长操作集中的权重是最关键的，它的给定也是上面各步优化累积得到的，并在长操作集优化过程中批量进行修改。 在第3种情况下，长操作集由于控制全面，因此运行时间长，但用好时此方法是很稳定的（即规律明显），不必中间经常光顾它，在样例的一个循环大致要运行近15~20分钟，这段时间我们可以做别的事情，我的光学系统设计总结就是利用这部分时间完成的（轻松完成）。 长操作集的控制编辑思想在前面步骤产生的短操作集中也可应用，这会极大的提高校正速度。

二、长操作集编辑实例

1 DLP复眼后续照明光路

文件“贴2-例1.ZMX”是DLP复眼后续照明光路，假设采用0.24英寸DMD，长宽比=4:3，则对角线长=0.24*25.4=6.1mm，长边长=6.1*4/5=4.9mm，短边长=6.1*3/5=3.7mm，考虑DMD光照区单边应用0.2mm余量，以便工艺校正。这样的DMD位置光照区尺寸=5.3*4.1mm（这个尺寸以矩形通孔方式设置在DMD工作面）。

由图可见出射光斑的弥散还比较大，即光照区周界不够清楚；再有这个光路在X向，Y向的F#=2.4。它只考虑了DMD的12°开关角的限制，没有考虑在其垂直方向没有开关角的限制，可以增大相对口径，使DMD得到更大照明。

为此重设置了X向F#=2.4，Y向F#=1.8，及优化函数。优化结果存成“贴2-例2.ZMX”，这是一个典型的DLP复眼后续系统光路优化设置（其特点是光路非旋转对称），其前提是中心光束出射主光线角在25°~27°之间（这个问题不在本课题之内，以后再谈）。

2 长操作集编辑

接着上文，假定上结构是一个完好照明光路的部分，并打样通过。在小批量试制中，发现校正过程中，DMD光照区余量不够，希望单边再增大0.1mm余量。这个问题应如下解决。 将优化操作集TRAC改成REAR（注意一个TRAC命令需追迹20*12=240条光线，而一个REAR命令只追迹一条光线，，这在复杂变焦系统中是非常值得注意的），更改方法见长操作集编

辑说明。由于要求DMD光照区由5.3*4.1mm改成5.5*4.3，能不能用扩大物方视场角的方法达到要求，这是不允许的，因为系统打样过了，即复眼出射视场角是不变的，只允许更改图1的两个聚光镜（外径及两镜间隔不变）。 我们可考虑：DMD光照区由5.3*4.1mm改成5.5*4.3，其中4.1变到4.3，放大率4.3/4.1=1.05。载入“贴2-例2.ZMX”→将系统放大1.05倍→F6→更新→提取现场数据存成1.MF。用EXCEL载入1.MF→将：

A TRAC改成REAR（这部分借用笔记本的全部替换功能进行操作）。、

B TRAC 的面序号列全是0,代表像面；但改成REAR就代表物面了。因此面序号列全改成21，指向像面（这部分借用笔记本的全部替换功能进行操作）。 C 操作数现场值列复制→粘贴到目标列。

D 控制转到“笔记本”软件页面→再存成3.MF。

取没有放大1.05的结构→载入3.MF→优化后存成“贴2-3.ZMX”。下面侧重在EXCEL的编辑操作。

以上操作详述如下： （2）长操作集编辑 具体操作步骤如下：

载入“贴2-例2”→F6→存成“1.MF”。打开EXCEL，载入“1.MF”，具体操作如下： 控制转到ZEMAX，载入“2.MF”，新编辑的2.MF载入成功，体会下长操作集的编辑，是很爽的。

以上完成了操作集中，TRAC操作数改成REAR的操作，使计算量减小了上百倍，这在复杂变焦系统中十分重要。

接着将系统乘1.05倍→更新→将操作集存成“1.MF”。

关闭EXCEL→再打开EXCEL→用图2方法将“1.MF”载入EXCEL中，清空操作数目标列，复制操作数现场数据列，粘贴到目标列，全选，复制。以上完成了在EXCEL中提取现场操作数的操作→删除→粘贴→存成“3.MF”，此时“3.MF”就是控制光照区达到5.5*4.3的优化操作集。

为了验证操作集是否正确，控制转到ZEMAX，重新载入“3.MF”，开启优化钮，优化函数为0,说明长操作集将现场数据列复制到目标列的操作成功（注意：此时由于前面的操作保证了操作集的目标列=现场列，因此优化时优化函数必为零，如果不是零，则前面的操作有问题）。

重新载入“贴2-例2”，载入“3.MF”，点击优化钮，优化函数不为零，这是因为系统此时未乘1.05,优化后，将像面尺寸设置成5.5*4.3进行观察，光照区恰好充满，说明优化准确到位，存成“贴2-例3”。

说明：

A 上面的长操作集编辑只是着重在体会，具体的技巧是非常多的。

B 这里光斑的放大，不允许间隔与外径变化，因为光机结构已确定了，所以直接放大是不允许的。

C 观察不同视场的弥散大小，发现大视场弥散小，小视场弥散大，可以将现场操作数值列的弥散斑，根据需要缩小不同倍数，再优化。这种操作如果不在EXCEL中进行，是很难完成的。

三、照明设计指引贴

上两贴以镜头设计为例介绍了长操作集的作用与编辑，此处介绍的是以能量观点进行评估的照明系统的设计。

照明系统的设计牵涉到的是千变万化，光怪陆离的世界，要总结出一套适应各种情况的统一规律又谈何容易？但又非无迹可寻：这就是要从全局出发，把握照明系统各组元间的衔接规律，调整好矛盾，平衡好利弊，有舍有取。这里最重要的的是要有合理的初始结构，其它问题才能迎刃而解。

本贴给出许多的基本上是好的照明系统样例，它可作为我们设计照明系统的初始结构。希望大家能从全局高度去观察，才能找出内在规律，用缩放，拆卸，组合的方法，尽量扩大样例的实用范围。

为了便于大家活用样例，在培训教材中“第五章 LCOS照明系统设计”，“第六章 DLP照明系统设计”两章，以实例介绍了从全局出发，把好各组元的衔接关口，尽量减少组元间性能上的相互干涉，使各组元顺畅的组合成高效，高质量的整体。

照明系统的色域匹配是影响照明系统能量利用率和色性能指标的最重要处，但往往因认识不足被人们忽略，或因其难于驾驭而放弃。其造成的能量损失超过20％。但由于其牵涉问题太多，问题讲述清又需花费较长篇幅，它与详尽解析清塑料热补偿设计一样（指理论上搞清，而非简单应用，简单应用在培训教材“第八章 塑料非球面镜头设计”介绍），只能放到专门的培训课中讲述。

“兵无常势，水无常形”，我们提供的样例是死的，但利用它们的人是活的：从大局着眼，各组元入手，做好衔接平衡就是破局的捷径。 见“照明系统样例集成.pptx”

四、《对成像镜头设计质量的评估》

不少光学设计同行感到镜头设计不好掌握，其实多数是对镜头设计达到什么状态就算好的把握不住。镜头设计的目标值定的过低，以致于设计出的镜头总是不理想，同时也失去了进一步提高的动力。目标也不能定的太高，使系统复杂化，成本过高，得不偿失。 镜头成像质量是其最重要的性能指标之一，应从：MTF要求（频率要求、高中低频的MTF要求、色频率要求、MTF视场一致性要求、MTF温度要求、调焦MTF要求、变焦MTF要求、），弥散要求，焦深要求，光能集中度要求，视场均匀性要求，畸变要求（DIST畸变要求、TV畸变要求），色差要求，公差要求，工艺性要求（中心边缘厚度差要求、单镜两半径同心性要求、中心边缘厚度要求、成本要求、玻璃加工软硬度、耐酸性等）来全面评估镜头。 在这里的评估指标对各种成像镜头基本上都适用，其中使用在不同场合的镜头所需另外的约束，不在小结中，请根据各系统的性能要求添加合理约束。

一 象质要求

1 MTF要求

(1) 常用条件下的传函要求

常用条件是指物距除两端点、变焦除两端点（五点变焦）、温度除两端点、最佳像面处的传函要求：

频率（CMOS、CCD、LCOS、DMD上）＝1/（2*最小象元直径） MTF>50%(接收器各点处)

频率（目视系统像面处，对应出射角＝3’的弥散，其直径定为最小象元直径）＝1/（2*最小象元直径）

MTF>30%（舞台投影镜头），MTF>50%(小视场广告投影镜头)。

(2) 两端条件下的传函要求

指物距两端点、温度两端点、变焦两端点（五点变焦）、最佳像面处的传函要求： MTF（CMOS、CCD、LCOS、DMD上）>40%(接收器各点处)

对于舞台投影镜头，由于不能用塑料镜头，故热变形，热折射率变化均不考虑，各物距调焦后的传函MTF>30%。

(3) 焦深要求

由弥散斑确定的焦深

当弥散光线散布方均根植RMS不大于最小象元直径时，象由点组成，成像是清楚的，下面计算的弥散半径(＝RMS)等于最小象元直径的像面的离焦尺寸：

F#＝F’/φ入瞳，对应轴向光束投射角 Q＝ArcTan【(φ入瞳/2)/ F’】＝ArcTan 【1/(2*F#)】，设F＃1.8，则Q＝ArcTan 【1/(2*F#)】＝ArcTan 【1/(2*1.8)】＝15.5°

假定计算出的最小象元尺寸＝0.008mm，则由弥散斑确定的焦深＝0.008/Tan15.5°＝0.028mm。

如果F#＝1.5，Q＝ArcTan 【1/(2*F#)】＝ArcTan 【1/(2*1.5)】＝18.4°

假定计算出的最小象元尺寸＝0.008mm，则由弥散斑确定的焦深＝0.008/Tan18.4°＝0.024mm。

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。 再看一例：0.19英寸的DMD，如果最大视场角＝±25°，那么F’＝ (0.19*25.4/2)/Tan25°＝5.2，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＝±5.2*(10*0.00029)＝0.015mm，即焦深＝±0.015mm，在焦深范围内要求MTF>0.2，中心与角顶成像将同时清楚。

由弥散与对正要求共同确定的焦深

由于0.46英寸情况下，透镜容易对正，因此由弥散确定的焦深允许略放松；但0.19英寸情况下，透镜不易对正，因此由弥散确定的焦深应略严，最后有： 对手机投影镜头焦深＝±0.015mm。

对0.46英寸的接受器（分辨率60lp/mm），焦深＝±0.03mm，MTF>20%。

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，角度透过率的综合技术指标要求。

(4) 全视场传函一致性要求

为了各视场传函（即像面各点传函）不致相差过大，应要求各视场传函一致性<10%。

(5) 高、中、低频传函要求

为了使传函的低频（分辨轮廓的能力），中频（分辨层次的能力），高频（分辨细节的能力）都达到较好的程度，应使：MTF>0.9(10 lp/mm时)，MTF>0.8(20 lp /mm时)，MTF>0.5(最大频率时)。

(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。

以上要求是在常用条件下的约束，对于端点状态下，允许略超。

二 光能要求

在MTF和弥散达到要求后，光能集中度亦影响象的晖光程度，光能越集中，晖光就越弱，好的光能集中度要求在最小象元尺寸下，光能集中度>90%。 全视场亮度的一致性，是由视场光能均匀性决定的，它由最大视场能量与中心视场能量比来定义的，其要求如下： 投影镜头：视场均匀性>80%。 舞台投影镜头：视场均匀性>70%。 照像镜头：视场均匀性>50%。

说明：视场均匀性>70%(舞台投影系统)是指投影镜头视场均匀性要求，其照明系统的视场均匀性>70%，因此舞台投影系统的总视场均匀性>50%，与照像镜头的视场均匀性是一样的。

三 畸变要求

相对畸变的百分数<1.5%，对于投影镜头，主要是TV畸变<1%(TV畸变定义为长边中心凸或凹点相对中心直边点的百分比) 制版镜头畸变要求很严，不在此小结内。

四 色差要求

1 垂轴色差要求

最大视场垂轴色差<最小象元直径。

例如最小象元尺寸＝0.008mm，则最大视场垂轴色差<0.008mm。

2 轴向色差要求

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

压边量要求 中心厚与边厚要求

(1) 中心厚公差要求 (2) 倒角宽度要求

(3) 倒角角度要求 (4) 偏心要求

(5) 表面误差要求

(6) 对材料要求

2 同心性要求

单镜同心性需>0.1，否则车边易垂轴串动，使中心偏超差，也会使边缘光圈超差。

单镜前后面的同心性约束如下（设单镜的前后面口径＝H1，H2；前后面半径＝R1，R2）：

3 公差要求

一般情况下焦距＝15～40mm的成像镜头，中等精度公差分配如下：

用ZEMAX2009计算公差，蒙特卡罗统计次数取3000，要求算出的98％概率的MTF>0.15。

玻璃材料要求

价格参考

见“玻璃批次价格表.PDF”

光学与理化性能

见“玻璃材料性能.xls”

五、《架构分析方法》

才来深圳不久，我出了不少PWC法的帖子，也解决了些实际镜头设计的问题，直到现在有时在系统的局部组元中还用PWC法。但由于深圳工作的高效快节奏，对复杂系统是否可用PWC法高效高质量的设计完成呢？答案是否定的，我在工作中PWC法的替代工具是架构分析法，它给出各镜设计的合理约束机制，在架构中是逐一对各组元进行分解并分别实体化进行设计的，由于光束的约束的合理性，使优化自动给出的初始结构也是合理的，与CODE V交互使用，最终都能得到很好的解，整个过程用时极短。为了说明架构分析方法，特出此贴。 再说说为什么架构约束能给出好的初解问题，这是因为架构是整体设计的结果，只有各

组元合理匹配，顺畅组成一个整体，才能最大限度的满足光学系统各项性能的要求，这样在此架构下的各组元实体化过程，就不会彼此冲突，约束好的结构的产生，因此今后光学设计者的注意力应放在架构合理性的分析与创建上。

该贴可以说是整个光学设计指引的灵魂，希望引起大家的重视。

在“光学设计指引”中曾提到：“系统原理架构的光学性能把握，是光学设计指引的关键所在”。光学系统的性能要通过系统架构来凸显，系统架构是系统基本组元（用理想透镜来表征）在合理约束下的组合，它使光学设计者易于从总体把握系统特性，并通过约束操作集的优化来验证对系统光学性能的理解是否合理，控制是否到位，方法是否简洁明确和有效。 光学系统的架构，不同的系统都有各自的规律，搭建的架构一定要最大限度的，最直观的反映系统特性，在控制计算上建立起的操作集，应层次清楚；架构中各组元间的相互约束和协调，是架构的神经中枢，光学设计者就是要把设计意图通过架构凸显出来，下面就通过LCOS照明系统的某一类（共三类）架构的创建，调整，优化，逐步控制系统达到要求的过程，体会一下架构分析控制法在光学设计中的作用。

一 架构原理

图1是贴2中的一个LCOS聚光系统图。

图1

二 架构图分析

架构分析需从全局着眼，看看系统有那些特点： 1 LCOS光照效率问题及应对措施

图一的架构，在LCOS上光照为圆斑，但LCOS是个长短边比为4:3的矩形，其形状光

34r**r**55?0.6111）（参考图2） 效＝4800/7854＝61%（本人注：

rπ*()22 再考虑LOCS只能利用偏振光工作，则形状效率X偏振效率＝30.5%，这个效率还不计其它能量损失，因此是非常低的。解决的办法之一就是提高形状效率，有3个途径：

其一：LCOS与LED近似物像关系（不能完全物像关系，否则LED组件的布局间隔会成像到LCOS上），从而提高形状效率。

其二：利用光棒得到无LED组件布局间隔的均匀矩形光斑，再用其与LCOS成物象关系的特点使形状效率大幅提高。

其三：利用复眼使LCOS上的光斑的形状效率大幅提高。 上面第一种成本最低，但形状效率低于后两个，本例用第一种方法设计LCOS聚光照明系统。

从架构原理分析得知了LCOS为什么会有三大类的照明架构。

图2

2 改变架构

通过架构分析可知，当采用第1类方法提高形状效率时，需使LED与LCOS近似物像

关系，可使LED成像在LOCS后方2mm处。

3 和色问题

LCOS聚光系统，为了得到宽广的色域，采用三基色的和色方案，也有采用白光的。不

同情况下，在LCODS上的色光斑都应尽量重合，以得到尽量多的色光重叠区，来提高色光的光能利用率。 本例采用白光照明系统，白光也是带有色光的，因此在LCOS后2mm处的成像，也应尽量减小色差。 假定我们投影镜头和照明系统都处在设计初期，因此PBS棱镜的设计在照明系统中不考虑投影镜头的问题。

4 聚光镜求解

由于我们手中只有图1，下面从此出发求解出各组元的理想焦距近似值。

三 架构调整

先估算3理想透镜焦距值，棱镜材料Nd值： 在图3中，Nd＝SIN16.516°/ SIN8.201°＝2，图3的角度偏差较大，可初步认为PBS棱镜材料为H-ZF52（Nd＝1.85） 看图3，由ZEMAX解出第3镜焦距＝13.08mm。

图3

看图4，由ZEMAX解出第2镜焦距＝13.6mm。

图4

看图5，由ZEMAX解出第1镜焦距＝-18.8mm。

图5

由图6，设置LCOS，光栏设置在LCOS上,0W1H投射角＝42°

图6

LED阵列为2X3个，如图7：

图7

上面解出了各组元的近似焦距，见“系统初态.ZMX”。光路图见图8，各数据基本吻合（LCOS光斑高＝7.5，合乎LCOS对焦线顶点尺寸，另外出射光束不是无限远，有一定汇聚度，利于下步将LED象聚焦到LCOS后2mm处）。

图8

四 架构调整2

上面得到ZEMAX系统架构初态，现在将其聚焦到LCOS后方2mm处，见“系统初态

2.ZMX”

图9

由图9可以看出架构存在严重问题：

1 象方离远心状态相差大，不利与投影镜头匹配。 2 0W1H投射角太大，会被投影镜头拦切去很多能量。 这些可通过架构分析来解决。

五 合理架构及其分析

架构越简单，越便于分析。图10是双远心照明的基本架构，其原理见“双远心架构分析.ZMX”中的操作集，LED光能采光角＝55°，PBS膜的透过角20°（透过率＝50％的角），与其匹配的投影镜头F#=1.5。 由图10可见，双远心架构与图9相比，合理多了。 另外由于采用了6个LED，其对角线高＝1.9mm，致使光能采集利用率＝(SIN 55°)^2＝55％，太低了。

图10

如果采用4个边长＝0.7mm的LED，则对角线高＝1.06mm(见图11)，对应ZEMAX文件见“双远心架构分析2.ZMX”，光能采集利用率＝(SIN 69°)^2＝87％，这个光能采集利用率是可以接受的。

图11

由上可见寻找合理初解的思路，要靠架构分析来实现，只要有合理的光学系统架构，就能指出寻找初解的方向。因此我们寻找专利时，也要观察专利架构是否与我们设计出的架构相符，或者通过拆分专利，放到架构组元中去优化，最后在组合优化得到最终结构。下面介绍架构中各组元的设计：

六 PBS棱镜处聚光镜设计

由“双远心架构分析2.ZMX”可得入瞳数据（参考图10，然后用RAID,REAY操作数探测图12的入瞳数据），可得“PBS处聚光镜设计.ZMX”，见图12： 透镜焦距＝20.39（略超17.85的焦距要求）。

图12

七 LED聚光镜设计

设计步骤如下：

1 LED聚光镜拆分

注意：这里用到的LED架构拆分方法可应用于各类透镜组元的拆分。

已知该组元焦距F’＝2.654(见“双远心架构分析2.ZMX “)，令拆分成3个间隔1mm的透镜，对0W1H光线，使其过每个透镜具有相同的偏折角(通过操作集进行约束，这里特别注意：控制OW1H通过各单镜有相同的偏折角，需分两步进行，第一步：用RETY反映

出通过各理想透镜角度的正切，是带符号的，第二步用RAID控制角度减小量是相等的，由于有第一步控制，在此避免了角度减小量有可能反向的结果)，见“创

建LED聚光镜三架构.ZMX”。

2 架构图

图13

3 第3镜实体化

第3镜实体化文件见“LED聚光镜3设计.ZMX”，其优化原理见文件的操作集。

4 第1、2镜实体化

手动使1、2两理想透镜实体化：手动使两镜焦距接近相等，弯曲方式弯向LED，且随着远离LED逐渐接近对称。观察组合焦距是否接近2.6，否则使1、2镜焦距减小（中心变厚），当组合焦距接近5后，不再降低，按“LED聚光镜优化.ZMX”操作集进行优化，得图14：

图14

注意：前面分析当对角线高1mm（4个0.7mm的LED）时，效率＝87％，对角线高2mm（6个1mm的LED）时，效率＝55％，这是在理想系统中，但在大象差系统中，会有较大出入，究竟如何？要等到系统组合优化完后才知道，因此先取此解。

八 组合设计 1 全反光路优化

观察“LED聚光镜优化.ZMX”、“PBS处聚光镜设计.ZMX”、“双远心架构分析2.ZMX”得到组合系统，见“全系统.ZMX”，优化后得“全系统2.ZMX”见图15：

图15

2 全正光路优化

将图15反180°得“全系统3.ZMX”。

. 59 DMD 对角线长＝25.4*0.59 ＝15mm，长边X短＝12X9 mm。观察TracePro中DMD上光斑图（图16），尺寸＝14.5X8mm，比DMD尺寸略小，形状基本相附，四周均匀性略欠，还需进一步校正。

图16

3 利用理想光路数据进行优化

由图16可见问题主要发生在边缘光线聚焦不够，且尺寸不够大。再观察图10，将其反光路，再只留1W，取出象方所有光线弥散值。作为优化函数，载入“全系统3.ZMX”，且指定1W主光线交高＝－9，优化后见“全系统4.ZMX”，见图17

图17

观察图均匀性好了很多，长边长度够了（单边有0.2余量，高低恰好为DMD短边长，没有余量），但均匀性还欠些，需继续调整。

4 系统光斑优化

“全系统4.ZMX”非球面系数用到10次，另外用REAY控制1W交高＝－7.5mm，优化后均匀性好了很多，只是边部比中心亮，需要边部光束聚焦变宽才行，为此将棱镜长改为15，重取最大视场光束现场值，且将所有光束按光线总高缩放到8mm（在EXCEL中编辑调整，将调整后的光束高度作为目标值）然后棱镜改成19mm，优化后载入TracePrro中给出40万光线追迹得图18（存成“全系统5.ZMX”）：

图18

5 系统光斑缩放

在如18中可见系统均匀性很好，只是尺寸大了，为此系统缩放，将高度缩放到9+0.4＝9.4mm(0.4是双边装配调整量)。缩放率＝9.4/10＝0.94，将操作集存出，然后重新载入“全系统5.ZMX”，再载入存出的操作集，优化后在PracePro中观察得图19：

图19

光斑尺寸恰好合乎要求，设定接受器尺寸为上图中尺寸，给50万光线，重新观察得图20（见“全系统6.ZMX”）：

图20

由图20，照明系统光照区均匀性已基本合乎要求，但边部暗区略宽，可以用上述方法，通过改变棱镜长度，更新数据，存出操作集，在EXCEL中，提取现场光束数据，且缩放光束高度，使最大高度为DMD要求值，将此时光束调整值存到操作集的目标列，复制全数据到笔记本中，存成操作集文件，重新调整棱镜到原厚度，载入上操作集进行优化，在TracePro中观察是否合乎要求，如此反复调整2、3次就可达到要求。

5 能量评估

在ZEMAX中DMD光照场效率 E0.00W＝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类LCOS照明的光效低于其它2类(尤其在非偏振光源下)。

说明：据前图10中的能量计算，在理想情况下，用边宽1mm的6个LED阵列，其尺寸＝3.2X2.1mm，系统象差校正达到图10状态时，光效只能为55％，现在由于象差的存在，光效为63％，如果采用0.7mm的4个LED阵列，其光效在利用象差提高效率后，能达到90％。因此在现场是用三组单色光路做成RGB系列的，光源用4个0.7mm的LED阵列，没有采用光棒与复眼。

九 小结

1 架构分析是光学设计站在全局高度，进行各类矛盾协调的有效工具，它可替代PWC法高效快速求解合理的透镜结构。

2 在能量均衡的过程中，EXCEL起到了举足轻重的作用，它的计算处理性能，使光束灵活重组成为了可能。

3 该类照明系统如果不是工作在激光光源下，或在没有偏振技术下，其光效要减小一半。

六、《ZEMAX中的宏解析》

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.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：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/32b.html