ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ

宇熠科技

2021年10月14日 16:06

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本系列的 Zemax 技術(shù)文章分享一共將分為三個(gè)章節(jié)，會(huì)詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)車標(biāo) LOGO 投影系統(tǒng)，包含的內(nèi)容有照明透鏡設(shè)計(jì)，投影透鏡的設(shè)計(jì)，整體系統(tǒng)的搭建和如何從序列轉(zhuǎn)換到非序列模式，之前我們介紹了第一部分和第二部分：

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下面我們來(lái)看看第三部分：

如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ

概述

ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖3

在本系列的前兩篇文章中我們介紹了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，還分別介紹了照明透鏡和投影物鏡的設(shè)計(jì)方法，下面我們將介紹如何將兩個(gè)系統(tǒng)連接成為一個(gè)整體的系統(tǒng)，并且將介紹如何將序列模式轉(zhuǎn)換為非序列模式，并在非序列模式中對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡和相應(yīng)的分析。

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提取碼：h688

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整體系統(tǒng)建模和翻轉(zhuǎn)

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將初始的透鏡物鏡的 .zmx 文件另存為一個(gè)新的 .zmx 文件，并在其中導(dǎo)入照明透鏡文件。在文件選項(xiàng)卡中，選擇插入鏡頭，在表面插入的下拉菜單中選擇8，整體系統(tǒng)的鏡頭數(shù)據(jù)和三維布局圖如下所示。

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點(diǎn)擊鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的翻轉(zhuǎn)元件按鈕，將起始面設(shè)置為1，終止面設(shè)置為13，翻轉(zhuǎn)后的鏡頭數(shù)據(jù)如下圖所示。

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ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖10

由于我們?cè)诜D(zhuǎn)過(guò)程中，僅考慮了對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)表面/元件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并沒(méi)有正確設(shè)置翻轉(zhuǎn)后鏡頭的物距和像距，所以下一步我們將鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中表面0的厚度改為2.471，刪除表面1，在最后一個(gè)偶次非球面后插入一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)面，將此標(biāo)準(zhǔn)面的厚度設(shè)置為470，以構(gòu)建系統(tǒng)工作中的物距和像距情況。修改后的鏡頭數(shù)據(jù)如下圖所示：

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ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖12

導(dǎo)入非序列模式進(jìn)行分析

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在文件選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換為 NSC 組，在彈出窗口中點(diǎn)擊確定按鈕。得到轉(zhuǎn)換后系統(tǒng)的非序列元件編輯器如下所示：

ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖14

刪除自動(dòng)轉(zhuǎn)換得到的三個(gè)橢圓光源，添加一個(gè)矩形光源（模擬系統(tǒng)使用的擴(kuò)展光源），Z 位置設(shè)置為-2.471，分析光線條數(shù)設(shè)定為1E+08，X 半寬和 Y 半寬設(shè)置為0.563，余弦指數(shù)設(shè)為1（模擬一個(gè)擴(kuò)展面光源的朗伯發(fā)光）。

在第二個(gè)和第三個(gè)偶次非球面透鏡之間插入一個(gè)幻燈片物體（作為菲林片使用），選擇數(shù)據(jù)文件 Demo picture – 640 × 480.bmp，可以使用這個(gè)圖片文件來(lái)驗(yàn)證整體系統(tǒng)的投影效果，如果有特定的圖片需要驗(yàn)證也可以將該圖片文件以 bmp、ima 或者 jpg 的格式保存在 Zemax->IMAFiles 文檔中，然后在 Opticstudio 中選中特定文件進(jìn)行仿真。

將環(huán)形面的最大 X 半寬和最大 Y 半寬設(shè)置為300，因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)中，此表面為光闌，需要吸收所有沒(méi)有通過(guò)此光闌的光，避免雜散光影響探測(cè)器的探測(cè)效果。

將矩形探測(cè)器的 Z 位置（模擬投影地面）設(shè)置為491.704，最大 X 半寬和最大 Y 半寬分別設(shè)置為150和100，X 像元數(shù)和 Y 像元數(shù)分別設(shè)置為600和400，全部設(shè)置完成后具體數(shù)據(jù)如下圖所示：

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搭建好系統(tǒng)之后，下一步開始進(jìn)行光線追跡。在分析選項(xiàng)卡下點(diǎn)擊光線追跡，勾選忽略錯(cuò)誤和保存光線，可自定義光線數(shù)據(jù)文件的文件名（因?yàn)闉榱说玫捷^好的仿真效果，我們選擇追跡1億根光線，所以光線數(shù)據(jù)文件較大，約 40G，注意磁盤空間使用情況）。

ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖18

光線追跡完成后，打開探測(cè)器查看器可觀察到如下所示的圖案：

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為了消除雜散光，點(diǎn)擊探測(cè)器查看器的設(shè)置，在光線數(shù)據(jù)庫(kù)下拉菜單中選擇剛剛保存的光線數(shù)據(jù)文件。在選擇光線的時(shí)候，我們可以使用光線過(guò)濾字符串來(lái)篩選所需的特定光線，例如只到達(dá)某個(gè)物體或者僅通過(guò)某個(gè)物體反射的光線。在此，我們選擇使用字符串 H4（表示僅考慮擊中物體 #4的光線），從而只留下?lián)糁谢脽羝缓髶糁刑綔y(cè)器的光線，得到的探測(cè)器查看器圖案如下。

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通過(guò)上述成像模擬結(jié)果可以看出，在對(duì)于投影鏡頭和照明鏡頭的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化控制，并將系統(tǒng)結(jié)合在一起之后導(dǎo)入非序列模式進(jìn)行分析后，我們可以得到比較好的圖像模擬結(jié)果。此時(shí)，在滿足了既定的擴(kuò)展光源尺寸、菲林片圖像尺寸的情況下，得到的投影結(jié)果圖案將具有清晰的成像結(jié)果，并且投影結(jié)果內(nèi)畸變較小、光線分布均勻。

ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)車標(biāo)投影系統(tǒng) Ⅲ的圖21

總結(jié)

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綜上所述，在這個(gè)系列的三篇文章中，我們介紹了該車標(biāo)投影系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)、分析方法，并最終結(jié)合非序列模式光線追跡實(shí)現(xiàn)了對(duì)于投影結(jié)果的模擬。從設(shè)計(jì)步驟中可以看出，此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要將兩個(gè)透鏡系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)后分開進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，之后還需要翻轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)并使用非序列模式對(duì)其成像效果進(jìn)行仿真，所以在分開設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意光瞳匹配的問(wèn)題，即需要保證照明系統(tǒng)出射的光線，能有效的通過(guò)投影物鏡。在每一個(gè)不同的 .zmx 文件中，孔徑和視場(chǎng)都需要按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，物像的距離也需要特別注意。經(jīng)驗(yàn)證，遵循該設(shè)計(jì)思路，我們可以使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)出來(lái)整體效果較好的車標(biāo) Logo 投影系統(tǒng)。

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