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，今天讓我們先分享第一部分：

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

概述

本系列主要介紹了如何在 OpticStudio 中設(shè)計(jì)一個(gè)車標(biāo)投影系統(tǒng)，其中詳述了照明透鏡、投影透鏡的搭建過程，講解了如何將兩個(gè)分開設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)合在一起進(jìn)行分析，且最后將序列模式的系統(tǒng)轉(zhuǎn)為非序列模式進(jìn)行系統(tǒng)整體光線追跡并驗(yàn)證其最終的性能和效果。

在本設(shè)計(jì)實(shí)例中，我們將通過已有的設(shè)計(jì)雛形數(shù)據(jù)分別建立照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，再分別設(shè)計(jì)照明透鏡和投影透鏡，然后將二者結(jié)合在同一個(gè)系統(tǒng)中并驗(yàn)證其光學(xué)性能。設(shè)計(jì)過程中需要保證兩個(gè)透鏡的光瞳匹配，最后實(shí)現(xiàn)較為良好的投影效果和保持較高的系統(tǒng)能量效率。

本文將主要包括背景介紹，設(shè)計(jì)目標(biāo)和照明透鏡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文使用到的附件請(qǐng)從以下鏈接中下載：

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背景介紹

通常情況下，車標(biāo)投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為在地面上投影出清晰的車標(biāo) LOGO 圖案，因此整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將包括擴(kuò)展光源、準(zhǔn)直透鏡、帶有 LOGO 圖案的菲林片和投影透鏡。

照明透鏡主要用于對(duì) LED 冷光源等光源的聚光和導(dǎo)光，需要根據(jù)不同的LED出射光角度設(shè)計(jì)透鏡，實(shí)現(xiàn)較高的能量傳輸效率或者如本例所示實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直。LED所使用的透鏡材料主要包括硅膠、PMMA 、聚碳酸酯 (Polycarb) 和玻璃，這些材料都有耐溫高的特點(diǎn)，適合制造 LED 透鏡。在本例中，準(zhǔn)直透鏡和光源是兩個(gè)獨(dú)立的物體，屬于二次透鏡，我們選擇使用 Polycarb 作為透鏡材料，因?yàn)槠渚哂猩a(chǎn)效率高（可以通過注塑完成）、耐溫高（130度以上）、透光率較高（87%左右）等特點(diǎn)。

投影透鏡可以將圖像放大并投影至屏幕上，在投影形式的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此我們可以利用投影鏡頭在該車標(biāo)投影系統(tǒng)中，將車標(biāo)投影至地面上。

設(shè)計(jì)要求

· 光源：1.12*1.12 mm 矩形擴(kuò)展光源

· 幻燈片/菲林片：2.3*1.8 mm

· 光闌：半徑1 mm，位于投影投機(jī)最后一片鏡片之后0.25 mm

· 具有較好的投影成像效果

· 沒有明顯畸變

· 光束分布均勻度良好

· 透鏡具有可加工性

照明系統(tǒng)建模

設(shè)置照明透鏡系統(tǒng)參數(shù)，將系統(tǒng)孔徑選項(xiàng)卡中的孔徑類型設(shè)置為入瞳直徑，孔徑值設(shè)為6.27。這是因?yàn)槲覀兪褂玫姆屏制笮?.3*1.8mm，對(duì)角線的長(zhǎng)度為2.92mm，所以孔徑值最小為5.84mm，一般情況下在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增大孔徑值可以保證在目標(biāo)范圍內(nèi)的光學(xué)性能更好。

在視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器中設(shè)置三個(gè)視場(chǎng)，類型選擇實(shí)際像高，其中 Y(mm）分別設(shè)為0、0.402、0.563。其中0.563為擴(kuò)展光源長(zhǎng)度的一半，0.402為0.563除以根號(hào)2的值，一般來說對(duì)比邊緣視場(chǎng)進(jìn)行等面積分布設(shè)置中間視場(chǎng)可以平衡系統(tǒng)整體的性能。如果希望進(jìn)一步獲得更精確的光學(xué)性能控制，可以考慮增加一些視場(chǎng)點(diǎn)。

在波長(zhǎng)數(shù)據(jù)編輯器中設(shè)置單一波長(zhǎng)0.587 um，因?yàn)榇藭r(shí)我們的系統(tǒng)為單色Logo投影系統(tǒng)，工作波長(zhǎng)為0.587 um的黃光。

由于照明鏡頭本身為無焦系統(tǒng)輸出平行光，在此我們可以將其反向進(jìn)行設(shè)計(jì)，即采用平行光入射后優(yōu)化至指定像高的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證照明鏡頭的設(shè)計(jì)效果。因此，在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器后輸入翻轉(zhuǎn)后的照明透鏡的參數(shù)。因?yàn)槌跏冀Y(jié)構(gòu)的照明質(zhì)量較高可以直接使用，本文主要介紹參數(shù)輸入的步驟。

打開鏡頭數(shù)據(jù)編輯器，輸入翻轉(zhuǎn)后的照明透鏡初始結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)參數(shù)。其中使用的四個(gè)透鏡表面選擇偶次非球面，非球面最大項(xiàng)數(shù)設(shè)為10階，材料使用 POLYCARB 。將表面1設(shè)置為光闌，其余的具體參數(shù)設(shè)置如下圖所示。

輸入完成的照明透鏡的三維布局圖如下所示。此時(shí)，翻轉(zhuǎn)過后的系統(tǒng)為平行光從無窮遠(yuǎn)入射（對(duì)應(yīng)正向系統(tǒng)的平行光輸出），聚焦在指定尺寸的像面上（對(duì)應(yīng)擴(kuò)展光源尺寸）。

照明系統(tǒng)優(yōu)化

如果對(duì)于照明透鏡的照明質(zhì)量有更高的要求，下一步可以制定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，我們將簡(jiǎn)單介紹優(yōu)化的方法。

由于我們主要想要控制照明透鏡盡可能聚焦至指定像高（即擴(kuò)展光源尺寸），所以在這里我們使用 RMS 光斑尺寸作為當(dāng)前優(yōu)化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。打開優(yōu)化向?qū)?，在?yōu)化函數(shù)一欄中的成像質(zhì)量選擇點(diǎn)列圖，類型選擇 RMS，參考選擇質(zhì)心。因?yàn)樵诋?dāng)前反向系統(tǒng)中，當(dāng)平行光入射時(shí)光斑尺寸越小，代表正向使用該照明透鏡可以獲得的準(zhǔn)直照明效果越好。并且設(shè)置厚度邊界條件為最小值為0.1 mm，邊緣厚度邊界條件也設(shè)為0.1 mm，其他保持默認(rèn)參數(shù)即可（優(yōu)化向?qū)枰鶕?jù)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行更有針對(duì)性的設(shè)置，以上僅為一個(gè)參考設(shè)置）。

如果對(duì)于透鏡具有可加工性或機(jī)械裝配的特定需求，可以添加相應(yīng)的操作數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定的優(yōu)化。在執(zhí)行優(yōu)化的過程中，主要觀察透鏡的形狀和成像質(zhì)量的變化，適當(dāng)調(diào)整評(píng)價(jià)函數(shù)使系統(tǒng)往理想的方向優(yōu)化。在本例中，我們會(huì)直接使用初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體系統(tǒng)的構(gòu)造。

總結(jié)

本文介紹了如何在 OpticStudio 中搭建一個(gè)照明透鏡，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)配置，視場(chǎng)波長(zhǎng)設(shè)置，詳細(xì)參數(shù)輸入和優(yōu)化方法的介紹。