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概述

這篇文章介紹了：

1、如何設(shè)置掃描鏡建模時(shí)所需要的坐標(biāo)間斷面

2、如何利用多重結(jié)構(gòu)編輯器設(shè)置多個(gè)掃描角度

3、如何對檢流計(jì)式的掃描鏡建模，其中鏡面繞其頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)

4、如何對多邊形幾何體式的掃描鏡建模，其中鏡面繞著一個(gè)偏心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)

建立掃描鏡

在本文中我們將介紹如何設(shè)置一個(gè)光線90°反射的掃描鏡系統(tǒng)，其中反射鏡面以5°掃描角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。打開示例文件中的starting point.zmx文件。文件中包含有一個(gè)簡單的聚焦透鏡，其中虛擬表面（橙色）用來表示掃描鏡所要插入的位置。

其中，透鏡的設(shè)置如下：

1、厚度為5mm，材料為N-BK7玻璃

2、透鏡后表面的曲率半徑使用F數(shù)求解，以使透鏡的F數(shù)為5

3、透鏡的后焦距以最優(yōu)RMS光斑半徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化

現(xiàn)在我們要把表面2設(shè)置為掃描鏡的反射面，并使透鏡相對于表面1繞X軸旋轉(zhuǎn)90°。在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的工具欄中點(diǎn)擊添加反射鏡 (Add Fold Mirror) 工具，如下圖所示：

設(shè)置如下反射鏡的參數(shù)：

使用該工具時(shí)，OpticStudio實(shí)際進(jìn)行了如下幾步操作：

1、將選中的表面設(shè)置成鏡面 (MIRROR)

2、將所有鏡面之后的表面參數(shù)的符號(hào)取相反數(shù)，這是因?yàn)樘砑恿绥R面后，光線在原坐標(biāo)系中會(huì)沿著與反射光線相反的方向傳播

3、在鏡面前插入一個(gè)坐標(biāo)間斷面，并設(shè)置X傾斜 (Tilt About X) 為-45°

4、在鏡面后插入一個(gè)坐標(biāo)間斷面，并設(shè)置X傾斜為-45°

需要注意的是坐標(biāo)間斷面沒有光焦度，因此不會(huì)偏折光線：它們只是根據(jù)前一個(gè)表面的坐標(biāo)系設(shè)置相應(yīng)的傾斜和偏心，以此來定義一個(gè)新的坐標(biāo)系。這個(gè)工具非常有用，我們可以利用它來區(qū)分表面的幾何坐標(biāo)關(guān)系和光學(xué)性質(zhì)。

為了把鏡面設(shè)置為掃描鏡，我們需要對鏡面進(jìn)行傾斜。因此我們需要讓它相對原來的45°位置再傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)±5°。如果直接在坐標(biāo)間斷中把傾斜X的角度變成-50°會(huì)引入錯(cuò)誤，因?yàn)檫@同時(shí)會(huì)改變透鏡和像面的位置：

如上圖所示，如果只改變反射鏡的角度，則光線的偏折角變?yōu)?100°的同時(shí)還會(huì)改變透鏡和像面的位置，這和在光線90°偏折角的基礎(chǔ)上添加±5°的掃描角是不一樣的。在進(jìn)行后續(xù)設(shè)置前，我們先把傾斜X的角度改回-45°。

為了設(shè)置掃描鏡，我們需要用到旋轉(zhuǎn)/偏心元件 (Tilt/Decenter Elements) 工具。您可以在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的工具欄中找到它。鏡面的表面編號(hào)為3，因此如下圖所示輸入設(shè)置參數(shù)：

可以看到這個(gè)工具插入了額外兩個(gè)坐標(biāo)間斷面，這使得鏡面相對它初始的45°位置再次旋轉(zhuǎn)了5°。您可以改變表面3的傾斜X的角度來設(shè)置任意的掃描角：兩個(gè)工具自動(dòng)設(shè)置了拾取求解類型，以保證在表面1和表面7的表面坐標(biāo)系的相對角度總是-90°。

因此，掃描鏡的正確設(shè)置方法是：設(shè)置兩組坐標(biāo)間斷面；第一組，即外側(cè)的一組，是通過“添加反射鏡”工具添加的，用來設(shè)置鏡面的初始位置；第二組，即靠近鏡面的一組，是通過“旋轉(zhuǎn)/偏心元件”工具添加的，用來定義相對于初始位置的掃描角度。

使用多重結(jié)構(gòu)編輯器

到目前為止，我們構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)，它能夠設(shè)置鏡面的初始位置以及相對初始位置的傾斜角度。直接在表面3的傾斜X參數(shù)欄中輸入數(shù)據(jù)，或者使用優(yōu)化 (Optimize) 選項(xiàng)卡中的手動(dòng)調(diào)整 (Manual Adjustment) 中的滑塊 (Slider) 功能，我們可以設(shè)置任意的掃描角度。但是，如果想要進(jìn)行優(yōu)化和公差分析，則通常我們需要定義更多的結(jié)構(gòu)，使用一系列結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)對連續(xù)掃描運(yùn)動(dòng)過程的采樣率?；诖?，我們可以通過定義一系列掃描角固定的系統(tǒng)，來模擬任意掃描角的系統(tǒng)。

現(xiàn)在假設(shè)我們想模擬鏡面從45°的初始位置開始，在±5°的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。點(diǎn)擊設(shè)置 (Setup) 選項(xiàng)卡中的結(jié)構(gòu) (Configurations) 中的編輯器 (Multi Configuration Editor)，在打開的多重結(jié)構(gòu)編輯器中點(diǎn)擊工具欄中的插入結(jié)構(gòu) (Insert Configuration) 按鈕插入兩個(gè)新的結(jié)構(gòu)，您將在編輯器窗口中看到三個(gè)結(jié)構(gòu)。打開編輯器中的多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)的屬性設(shè)置菜單，我們需要告訴OpticStudio將表面3的參數(shù)3作為多重結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此進(jìn)行如下設(shè)置：

這樣一來，在不同結(jié)構(gòu)之間，只有出現(xiàn)在多重結(jié)構(gòu)編輯器里的參數(shù)是不同的。所有其他參數(shù)以及多重結(jié)構(gòu)編輯器中設(shè)置為拾取求解類型的參數(shù)都是相同的。

如下圖所示設(shè)置三維布局圖 (3D Layout) 中的參數(shù)：

可以看到布局圖中所有三個(gè)結(jié)構(gòu)都疊加顯示了出來。此時(shí)反射鏡面繞著它的前表面頂點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)與檢流計(jì)式的掃描鏡 (Galvanometer Mirror) 結(jié)構(gòu)類似。

您還可以使用組合快捷鍵Ctrl+A在不同結(jié)構(gòu)間進(jìn)行手動(dòng)切換。在切換結(jié)構(gòu)時(shí)，反射鏡面、透鏡和像面的半直徑 (Semi Diameter) 會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的切換而變化。這是因?yàn)榘胫睆降哪J(rèn)大小為光線入射的區(qū)域再額外添加2mm的延伸區(qū)。OpticStudio可以自動(dòng)將表面的半直徑的數(shù)值設(shè)定為所有結(jié)構(gòu)中的最大值。這需要將對應(yīng)表面的半直徑的求解類型設(shè)置為“最大 (Maximum)”。

當(dāng)前這個(gè)透鏡系統(tǒng)只對軸向視場進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用存在±5°的掃描角的情況下需要重新對透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。打開優(yōu)化菜單中的優(yōu)化向?qū)?，如下圖所示進(jìn)行設(shè)置：

重新執(zhí)行優(yōu)化，OpticStudio很快會(huì)得到一個(gè)新的透鏡設(shè)計(jì)，該透鏡在掃描系統(tǒng)的所有掃描角下的光斑尺寸最小。您也可以打開示例文件中的galvanometer.zmx文件查看當(dāng)前系統(tǒng)。/p>

繞偏心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)

在前一個(gè)例子中，我們展示了如何讓反射鏡面繞著它的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這在模擬檢流計(jì)式的掃描振鏡或者類似類型的反射鏡時(shí)非常有用。然而當(dāng)掃描鏡是多邊形幾何體的一部分時(shí)，它需要繞著一個(gè)距離鏡面頂點(diǎn)一定距離的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)我們應(yīng)該如何設(shè)置呢？

我們需要把鏡面的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)放在多邊形掃描鏡的中心位置。假設(shè)鏡面頂點(diǎn)和多邊形幾何體中心的間距是50mm。在檢流計(jì)式掃描振鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做如下修改：

這樣修改可以把掃描鏡的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)向遠(yuǎn)離鏡面的方向移動(dòng)50mm。然后，打開掃描鏡的表面屬性 (Surface Properties)，在繪圖 (Draw) 選項(xiàng)卡中將鏡面的基底厚度設(shè)置為50mm，如下圖所示：

這樣我們可以清楚的看到鏡面的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置：

您可以打開示例文件中的Polygon.zmx文件查看當(dāng)前系統(tǒng)。

小結(jié)

1、模擬掃描鏡分以下幾個(gè)步驟：

2、使用“添加反射鏡”工具，在鏡面的初始位置設(shè)置反射鏡

3、使用“旋轉(zhuǎn)/偏心元件”工具，設(shè)置反射鏡面的掃描角度

4、將掃描角度設(shè)置為一個(gè)多重結(jié)構(gòu)參數(shù)

5、根據(jù)使用需要，定義多個(gè)結(jié)構(gòu)，對鏡面的掃描過程進(jìn)行采樣

6、也可以利用優(yōu)化菜單中的滑塊功能模擬鏡面的掃描運(yùn)動(dòng)

7、如果掃描鏡的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)不在反射鏡表面上，則可使用坐標(biāo)間斷面的厚度參數(shù)來定義旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與鏡面表面的距離