折疊光路
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2023-05-11
折疊光路的實例教程
然而在一些應用領域中需要的確是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干涉儀的應用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干涉來實現測量。又如在激光的全息應用中，它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質，以實現信息的記錄和重現。因此需要使用激光擴束系統來實現激光束的準直擴束。
本文設計的是一種帶折疊光路的激光擴束系統，可以有效節省系統空間。
設計要求：EPD=10mm、f2/f1=10、波長1064nm、輸入輸出均為準直光、系統總長<450mm、使用兩個平面鏡折疊光路、波前差、。
設計步驟
1、 系統參數設定
孔徑類型選擇入瞳直徑，孔徑值輸入10，；波長選擇ND：YAG，或者直接輸入1.064，其它保持系統默認。
2、 建立系統結構
在鏡頭數據編輯器中輸入如下初始結構數值。
設置變量優化初始結構。
查看布局圖和標準點列圖。
添加反射鏡，第一塊反射鏡X傾斜-90°，第二塊反射鏡X傾斜90°。
設置雙膠合透鏡，使光路平行出射。
進一步優化結構參數，此時針對平行光優化評價函數要選擇波前。
查看3D布局圖和波前圖。
3、 控制系統總長
打開評價函數編輯器，插入空行，并改為OPLT來控制總長，設置如下。
最后再根據需求修改鏡片尺寸等參數。
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展開 另外，駕駛員應該在一定空間內都能看到該虛像，這個空間也叫視窗(eyebox)
簡化光路
在設計光學系統之初，最好使用簡化光路作為起始點。本例中我們將物面設為像面，反之亦然。這將允許我們在之后的設計中使用主光線求解類型。在鏡頭數據編輯器中，我們將駕駛員和虛像面的距離設為物面到第一個面的厚度。然后設置系統的出瞳也就是系統的第一個面為光闌面（STO）。現在我們暫時將擋風玻璃設置成反射鏡。接下來的面為反射鏡，用以將系統光路折疊。最后一個面的厚度為反射鏡到液晶顯示屏（像面）的距離。
這個布局圖可以讓光學工程師大體了解像面尺寸、視窗尺寸和最后一個元件所需的封裝尺寸。為了讓這些參數之間的關系更加清晰，將折疊光路展開是非常有幫助的一個方法。通過將反射鏡的材料從鏡面設為無、并調整坐標斷點面的角度參數可以得到如下布局圖：
橙色面表示儀表盤窗口。從這個布局圖中可以清晰的看到視窗的直徑，駕駛員到擋風玻璃的距離，駕駛員到虛像面的距離以及受儀表盤窗口尺寸限制的虛像面的大小。
初始結構
接下來我們需要減小系統的尺寸。首先我們可以為反射鏡添加光焦度。為了使光線聚焦成像，反射鏡在添加光焦度的同時也產生光軸偏移。有關設置光學元件偏移的詳細步驟請參考知識庫文章：How_to_Tilt_and_Decenter_a_Sequential_Optical_Component
為了進行優化，我們將優化向導的評價標準設為光斑半徑。對于這個系統來說，添加額外的操作數控制光線在每個面上的入射角、出射角和厚度是十分必要的。在本系統中，將含光焦度反射鏡在Y方向上的偏移、鏡面的圓錐系數和鏡面到像面的距離設為變量，運行優化將得到類似如下結果：
最終設計結果
為了減小系統的尺寸并更好的控制系統像差，我們添加了透鏡組并使用兩個反射鏡折疊光路。
展開 憑借將折疊光路的反射式光學結構與偏振光學元件（如PBS、λ/4波片）相結合的創新設計，該類鏡頭能夠在極大縮短系統光路長度的同時，實現高分辨率、低畸變的成像表現，從而顯著減小頭顯體積與重量。相比傳統菲涅爾透鏡（Fresnel Lens），Pancake 鏡頭具備更高的緊湊性、像質一致性以及邊緣清晰度優勢，但對制造精度與透光率控制要求更高。在本案例中，將通過設計一個典型的 Pancake 光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始系統生成、像質分析、評價函數定義與優化。
憑借將折疊光路的反射式光學結構與偏振光學元件（如PBS、λ/4波片）相結合的創新設計，該類鏡頭能夠在極大縮短系統光路長度的同時，實現高分辨率、低畸變的成像表現，從而顯著減小頭顯體積與重量。相比傳統菲涅爾透鏡（Fresnel Lens），Pancake 鏡頭具備更高的緊湊性、像質一致性以及邊緣清晰度優勢，但對制造精度與透光率控制要求更高。在本案例中，將通過設計一個典型的 Pancake 光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始系統生成、像質分析、評價函數定義與優化。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優化后系統的3D光線追跡視圖
初始系統生成
評價函數定義
優化
展開 另外，駕駛員應該在一定空間內都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)
抬頭顯示系統有多種光路結構，本文將和大家分享其中一種結構。示例文件請從以下鏈接下載：
http://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/HUD_Reverse.zar
http://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/HUD_Forward_Fresnel_Reflection.zar
簡化
光路
在設計光學系統之初，最好使用簡化光路作為起始點。本例中我們將物面設為像面，反之亦然。這將允許我們在之后的設計中使用主光線求解類型。在鏡頭數據編輯器中，我們將駕駛員和虛像面的距離設為物面到第一個面的厚度。然后設置系統的出瞳也就是系統的第一個面為光闌面（STO）。現在我們暫時將擋風玻璃設置成反射鏡。接下來的面為反射鏡，用以將系統光路折疊。
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折疊光路的最新內容
它打破傳統球面透鏡的旋轉對稱限制，能在不同方向上擁有各獨立的曲率分布——這意味著可以在單一元件表面完成過去需多片球面鏡組才能實現的復雜光路折疊和像差校正。
在威睛的相位調制體系中，自由曲面承擔著靜態相位編碼器的職責。其復雜面型天然產生一個多維度、高自由度的相位分布——這個分布經過精密設計，使整個系統在寬景深范圍內表現出高度一致的編碼特性。
緊湊型望遠鏡案例分析
簡介
緊湊型望遠鏡作為便攜觀測類光學核心設備，以反射鏡緊湊排布實現光路折疊與像差校正，在壓縮體積的同時保障望遠成像效果，是便攜觀測、安防偵察及消費級觀景設備的關鍵組件，其光學結構的合理性直接決定成像分辨率、視場范圍與設備便攜性，需嚴格滿足輕量化與高成像的雙重設計標準。
圖4 光斑圖
2.放大鏡組：四片式結構+折疊光路，兼顧放大與小型化
放大鏡組的核心需求是“5倍放大+小共軛距離（50-80mm）”，團隊以“四片式放映物鏡”為初始結構（圖5），在ZEMAX中優化如下：
像差控制：用操作數SPHA（球差）、COMA（彗差）、ASTI（像散）、DISG（畸變）約束像差，最終畸變僅5.17%；體積優化：加入平面反射鏡折疊光路，將鏡頭總長控制在90mm，與
應用場景
卡塞格林望望遠鏡廣泛應用于天文觀測，卡塞格林望遠鏡廣泛應用于天文觀測、空間成像和激光測距等領域，憑借其折疊光路設計，實現了長焦距與緊湊結構的結合，具有口徑大、像差校正能力強和易于安裝探測器等優點。
憑借將折疊光路的反射式光學結構與偏振光學元件（如PBS、λ/4波片）相結合的創新設計，該類鏡頭能夠在極大縮短系統光路長度的同時，實現高分辨率、低畸變的成像表現，從而顯著減小頭顯體積與重量。相比傳統菲涅爾透鏡（Fresnel Lens），Pancake 鏡頭具備更高的緊湊性、像質一致性以及邊緣清晰度優勢，但對制造精度與透光率控制要求更高。
該類光學系統通過自由曲面棱鏡實現光路折疊、虛像投射和透視光路合成，具備結構緊湊、重量輕、光效率高以及出瞳較大等優勢，特別適合集成式、輕量化的 AR-HMD 應用。
憑借將折疊光路的反射式光學結構與偏振光學元件（如PBS、λ/4波片）相結合的創新設計，該類鏡頭能夠在極大縮短系統光路長度的同時，實現高分辨率、低畸變的成像表現，從而顯著減小頭顯體積與重量。相比傳統菲涅爾透鏡（Fresnel Lens），Pancake 鏡頭具備更高的緊湊性、像質一致性以及邊緣清晰度優勢，但對制造精度與透光率控制要求更高。
該類光學系統通過自由曲面棱鏡實現光路折疊、虛像投射和透視光路合成，具備結構緊湊、重量輕、光效率高以及出瞳較大等優勢，特別適合集成式、輕量化的 AR-HMD 應用。在本案例中，將通過設計一個典型的自由曲面棱鏡-透鏡組合式光學透視頭戴顯示系統，演示在 VLU 中的光學系統設計流程，包括初始結構生成，成像質量分析，評價函數定義，優化。
</p><p><strong>● Pancake光學設計：</strong>Pancake光學是一種利用偏振反射原理實現光路折疊的技術，可以大幅縮短光學模組的厚度，從而實現更輕薄的VR/MR頭顯。其設計涉及到偏振膜、反射鏡和透鏡的復雜組合，仿真對于優化光路、控制鬼影和提升圖像質量至關重要。
而這一折疊光路的設計，也正是潛望式鏡頭最基礎的工作原理。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51); background-color: rgb(255, 255, 255);">對于當前的相機鏡頭來說，一般都假設其成像模型為小孔成像模型，因此成像位置位于鏡頭的焦點附近。
