ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅲ

ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅲ

本系列的 Zemax 技术文章分享一共将分为三个章节，会详细介绍如何设计车标 LOGO 投影系统，包含的内容有照明透镜设计，投影透镜的设计，整体系统的搭建和如何从序列转换到非序列模式，之前我们讲到了第一部分： ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅰ。
ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅱ。
下面我们来看看第三部分：如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统Ⅲ

概述

在本系列的前两篇文章中我们介绍了整体系统的设计要求，还分别介绍了照明透镜和投影物镜的设计方法，下面我们将介绍如何将两个系统连接成为一个整体的系统，并且将介绍如何将序列模式转换为非序列模式，并在非序列模式中对整体系统进行光线追迹和相应的分析。

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提取码：h688

整体系统建模和翻转

将初始的透镜物镜的 .zmx 文件另存为一个新的 .zmx 文件，并在其中导入照明透镜文件。在文件选项卡中，选择插入镜头，在表面插入的下拉菜单中选择8，整体系统的镜头数据和三维布局图如下所示。

点击镜头数据编辑器中的翻转元件按钮，将起始面设置为1，终止面设置为13，翻转后的镜头数据如下图所示。

由于我们在翻转过程中，仅考虑了对于系统内的光学表面/元件进行翻转，并没有正确设置翻转后镜头的物距和像距，所以下一步我们将镜头数据编辑器中表面0的厚度改为2.471，删除表面1，在最后一个偶次非球面后插入一个新的标准面，将此标准面的厚度设置为470，以构建系统工作中的物距和像距情况。修改后的镜头数据如下图所示：

导入非序列模式进行分析

在文件选项卡中点击转换为 NSC 组，在弹出窗口中点击确定按钮。得到转换后系统的非序列元件编辑器如下所示：

删除自动转换得到的三个椭圆光源，添加一个矩形光源（模拟系统使用的扩展光源），Z 位置设置为-2.471，分析光线条数设定为1E+08，X 半宽和 Y 半宽设置为0.563，余弦指数设为1（模拟一个扩展面光源的朗伯发光）。
在第二个和第三个偶次非球面透镜之间插入一个幻灯片物体（作为菲林片使用），选择数据文件 Demo picture – 640 × 480.bmp，可以使用这个图片文件来验证整体系统的投影效果，如果有特定的图片需要验证也可以将该图片文件以 bmp、ima 或者 jpg 的格式保存在 Zemax->IMAFiles 文档中，然后在 Opticstudio 中选中特定文件进行仿真。
将环形面的最大 X 半宽和最大 Y 半宽设置为300，因为在整个系统中，此表面为光阑，需要吸收所有没有通过此光阑的光，避免杂散光影响探测器的探测效果。
将矩形探测器的 Z 位置（模拟投影地面）设置为491.704，最大 X 半宽和最大 Y 半宽分别设置为150和100，X 像元数和 Y 像元数分别设置为600和400，全部设置完成后具体数据如下图所示：

搭建好系统之后，下一步开始进行光线追迹。在分析选项卡下点击光线追迹，勾选忽略错误和保存光线，可自定义光线数据文件的文件名（因为为了得到较好的仿真效果，我们选择追迹1亿根光线，所以光线数据文件较大，约 40G，注意磁盘空间使用情况）。

光线追迹完成后，打开探测器查看器可观察到如下所示的图案：

为了消除杂散光，点击探测器查看器的设置，在光线数据库下拉菜单中选择刚刚保存的光线数据文件。在选择光线的时候，我们可以使用光线过滤字符串来筛选所需的特定光线，例如只到达某个物体或者仅通过某个物体反射的光线。在此，我们选择使用字符串 H4（表示仅考虑击中物体 #4的光线），从而只留下击中幻灯片然后击中探测器的光线，得到的探测器查看器图案如下。

通过上述成像模拟结果可以看出，在对于投影镜头和照明镜头的初始结构进行精细的优化控制，并将系统结合在一起之后导入非序列模式进行分析后，我们可以得到比较好的图像模拟结果。此时，在满足了既定的扩展光源尺寸、菲林片图像尺寸的情况下，得到的投影结果图案将具有清晰的成像结果，并且投影结果内畸变较小、光线分布均匀。

总结

综上所述，在这个系列的三篇文章中，我们介绍了该车标投影系统的具体设计、分析方法，并最终结合非序列模式光线追迹实现了对于投影结果的模拟。从设计步骤中可以看出，此类系统的设计较为复杂，需要将两个透镜系统翻转后分开进行设计和优化，之后还需要翻转整个系统并使用非序列模式对其成像效果进行仿真，所以在分开设计的时候要注意光瞳匹配的问题，即需要保证照明系统出射的光线，能有效的通过投影物镜。在每一个不同的 .zmx 文件中，孔径和视场都需要按照实际情况进行设置，物像的距离也需要特别注意。经验证，遵循该设计思路，我们可以使用 OpticStudio 设计出来整体效果较好的车标 Logo 投影系统。