概述

這篇文章介紹了：
如何在序列模式下使用多重結(jié)構(gòu)創(chuàng)建分光棱鏡
如何在布局圖以及分析/計(jì)算窗口中同時(shí)追跡透射和反射光線
在考慮偏振及鍍膜的影響下如何計(jì)算透射和反射光線的總能量

本文所使用的附件請(qǐng)?jiān)谝韵骆溄犹幭螺d：

https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/knowledgebase-attachments/how-to-model-a-beam-splitter-in-sequential-zemax/rotating.aspx

介紹

在OpticStudio中，分光棱鏡可以在序列或非序列追跡模式下模擬。
在非序列中，光線可以在折射表面上分裂為折射和反射光線。這也是非序列模式最主要的優(yōu)勢(shì)：光線可以在物體表面處分裂為反射和透射的部分。
而在序列模式中，光線只能在折射表面處發(fā)生折射，并在鏡面上發(fā)生反射；OpticStudio的多重結(jié)構(gòu)功能可以用來(lái)在序列模式下同時(shí)模擬折射和反射光線。在本文中，我們將在序列模式中建立如下圖所示的分光棱鏡系統(tǒng)：

系統(tǒng)中包含一個(gè)與偏振無(wú)關(guān)的50/50分光棱鏡。該棱鏡由N-BK7玻璃組成，并且表面鍍有MgF2抗反射膜層。其中，中間的50/50分光膜層為理想膜層，并且與偏振、入射角和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。 在上圖中顯示的綠色光線為反射光線，在入射到上面的像面前首先經(jīng)過(guò)下面的反射鏡反射。我們將計(jì)算兩個(gè)像面上，考慮M-BK7玻璃的體吸收、表面膜層的菲涅爾損耗以及理想的50/50分光膜層的正確透射光強(qiáng)。 在開(kāi)始本文的案例前，您需要了解如何在OpticStudio中設(shè)置系統(tǒng)和表面屬性。您可以參考以下兩篇文章。

Design A Singlet in Zemax: https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/How-To-Design-a-Singlet-Lens How to Tilt and Decenter a Sequential Optical Component: https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/How-to-Tilt-and-Decenter-a-Sequential-Optical-Comp

需要注意的是，OpticStudio可以詳細(xì)的模擬表面膜層，如金屬膜層或多層電介質(zhì)膜層等。在本例中，我們將主要展示棱鏡幾何體的建立，因此只會(huì)在模型中使用簡(jiǎn)單的膜層。

定義系統(tǒng)和分光表面

首先進(jìn)行如下系統(tǒng)設(shè)置：
系統(tǒng)單位設(shè)為mm（系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) – 單位 (Unit）
波長(zhǎng)設(shè)為550nm（系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) – 波長(zhǎng) (Wavelength）
設(shè)置單一視場(chǎng)：X=0, Y=0（系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) – 視場(chǎng) (Fields）
設(shè)置系統(tǒng)孔徑類(lèi)型為入瞳直徑 (Entrance Pupil Diameter)，并設(shè)置孔徑值為15mm（系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) – 孔徑 (Aperture)）

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中輸入如下這些表面：

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的上方工具欄中，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)/偏心元件 (Tilt/Decenter Elements)工具，并將表面3旋轉(zhuǎn)-45度：

打開(kāi)3D視圖 (3D Layout) 工具，并只在Y方向顯示5條光線，如下圖所示：

設(shè)置矩形孔徑

序列模式下的系統(tǒng)孔徑為圓形孔徑，并且所有表面的默認(rèn)孔徑也是圓形孔徑。如果想設(shè)置分光棱鏡的幾何體結(jié)構(gòu)，需要在表面2和6上設(shè)置一個(gè)10mm x 10mm的矩形孔徑，并在表面4上設(shè)置一個(gè)10mm x {10 x root(2)}mm的矩形孔徑。 在表面2和6的表面屬性中的孔徑選項(xiàng)卡中設(shè)置如下孔徑：

在表面4的表面屬性中的孔徑選項(xiàng)卡中進(jìn)行如下設(shè)置：

更新3D視圖，您可以看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

如果想要在布局圖中移除漸暈的邊緣光線，您需要勾選3D視圖的設(shè)置參數(shù)中的“刪除漸暈 (Delete Vignetted)”選項(xiàng)：

更新3D視圖可以看到如下結(jié)果：

如果想要在布局圖中移除漸暈的邊緣光線，您需要勾選3D視圖的設(shè)置參數(shù)中的“刪除漸暈 (Delete Vignetted)”選項(xiàng)：

設(shè)置分光膜層

在表面4上設(shè)置理想的50/50分光膜層“I.50”，在表面2和6上設(shè)置抗反射膜層“AR”。其中，I.50膜層是理想的50%透射的膜層，AR膜層是四分之波長(zhǎng)厚度的MgF2抗反射膜層。

分析透射光強(qiáng)

現(xiàn)在我們已經(jīng)模擬了分光棱鏡的水平透射光路（折射光路）。您也可以通過(guò)鍍膜文件定義任意透射比例的理想膜層，或通過(guò)定義膜層厚度和材料種類(lèi)的方法或定義透射率根據(jù)波長(zhǎng)和入射角的函數(shù)的方法創(chuàng)建非理想的膜層。 更多信息，請(qǐng)參考幫助系統(tǒng)中的“Defining Coatings”一節(jié)。

只有在分析或計(jì)算中考慮偏振影響時(shí)，薄膜膜層的影響才會(huì)被考慮，在使用理想膜層時(shí)也是如此。像面上的總透射能量可以使用OpticStudio中的偏振分析功能進(jìn)行計(jì)算。我們將使用偏振光線追跡 (Polarization Ray Trace) 工具計(jì)算主光線在像面上的總透射能量。

打開(kāi)偏振光線追跡 （該工具位于分析選項(xiàng)卡 – 偏振 (Polarization)– 偏振光線追跡） 工具，進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置：

總透射能量會(huì)顯示在分析窗口的底部：

偏振光線追跡考慮了所有效應(yīng)的能量損失，其中包括：在追跡光線的波段以及光線在表面上的任意入射角下，AR鍍膜的N-BK7玻璃表面，50/50的理想分光膜層，N-BK7材料的體吸收效應(yīng)。

多重結(jié)構(gòu)模擬反射光路

現(xiàn)在我們已經(jīng)模擬了分光棱鏡的水平透射光路（折射光路）。您也可以通過(guò)鍍膜文件定義任意透射比例的理想膜層，或通過(guò)定義膜層厚度和材料種類(lèi)的方法或定義透射率根據(jù)波長(zhǎng)和入射角的函數(shù)的方法創(chuàng)建非理想的膜層。 更多信息，請(qǐng)參考幫助系統(tǒng)中的“Defining Coatings”一節(jié)。

下面我們將使用多重結(jié)構(gòu)模擬反射光路。打開(kāi)多重結(jié)構(gòu)編輯器（位于編輯器 (Editors) 組中的多重結(jié)構(gòu)編輯器 (Multi-Configuration Editor)）并使用插入結(jié)構(gòu) (Insert Configuration) 按鈕插入一個(gè)新的結(jié)構(gòu)（或在鍵盤(pán)上點(diǎn)擊Ctrl+Shift+Ins）。

在多重結(jié)構(gòu)編輯器中插入多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)PRAM，提取坐標(biāo)間斷面（表面5）的X旋轉(zhuǎn) (X Tilt) 參數(shù)（參數(shù)3）。

在第二個(gè)結(jié)構(gòu)中設(shè)置拾取求解 (Pick-Up Solve)，并設(shè)置縮放因子 (Factor) 為-1。

我們需要將表面4的材料類(lèi)型從N-BK7更改為Mirror。因此，在多重結(jié)構(gòu)編輯器中插入多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)GLSS，提取表面4的材料類(lèi)型并定義結(jié)構(gòu)2的材料類(lèi)型為Mirror。

在鍵盤(pán)上點(diǎn)擊Crtl+A切換鏡頭數(shù)據(jù)編輯器為結(jié)構(gòu)2?，F(xiàn)在，鏡頭編輯器的標(biāo)題欄中應(yīng)顯示“結(jié)構(gòu)2/2 (Config 2/2)”。
在3D視圖中進(jìn)行如下設(shè)置以顯示所有結(jié)構(gòu)：

更新視圖窗口，您將看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

可以看到，反射光線（綠色表示）向錯(cuò)誤的方向傳播。這是由于結(jié)構(gòu)2中經(jīng)過(guò)鏡面后的表面的厚度的符號(hào)錯(cuò)誤導(dǎo)致的，因而造成了“虛擬的”光線傳播。對(duì)于正常的光線傳播來(lái)說(shuō)，在鏡面后的厚度的符號(hào)會(huì)相應(yīng)的改變。在經(jīng)過(guò)偶數(shù)個(gè)鏡面后（包括0個(gè)鏡面），光線正常傳播的厚度的符號(hào)是正的，虛擬傳播的厚度的符號(hào)是負(fù)的。在經(jīng)過(guò)奇數(shù)個(gè)鏡面后，光線正常傳播的厚度的符號(hào)是負(fù)的，虛擬傳播的厚度的符號(hào)是正的。符號(hào)的規(guī)定與同一表面中的鏡面數(shù)量或坐標(biāo)間斷面無(wú)關(guān)。使用坐標(biāo)間斷面旋轉(zhuǎn)180°不會(huì)改變這一基本符號(hào)規(guī)定。因此，我們需要將結(jié)構(gòu)2中的表面5和6的厚度改變?yōu)?20mm。更多信息請(qǐng)參考幫助手冊(cè)中的“Virtual Propagation”一節(jié)。 插入多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)THIC提取表面5和6的厚度，在結(jié)構(gòu)2中設(shè)置拾取求解并設(shè)置縮放因子為-1。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

定義雙通光路

現(xiàn)在，我們將模擬雙通光路，其中第二條光路是再次返回到分光棱鏡中的光路。在第二條光路中，光束穿過(guò)分光棱鏡物體，因此光線必須再次與相同物體接觸。由于光線必須按照順序逐個(gè)通過(guò)表面，這表示我們必須為第二條光路重新定義分光棱鏡，這樣光線才能與之相互作用。 插入表面7并在厚度參數(shù)上設(shè)置縮放因子為-1的拾取求解，拾取表面6的厚度：

在序列模式中，光線只會(huì)按照鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的順序在每個(gè)表面上發(fā)生折射或反射。光線從底部反射鏡（表面7）反射后“看不到”表面2-6定義的表面，因此我們需要在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中重新定義分光棱鏡。
我們需要為第二條光路“重新建立”分光棱鏡以使光線與其發(fā)生交互。因此，在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的表面7之后插入3個(gè)新的表面。前兩個(gè)表面的材料為N-BK7玻璃，第三個(gè)表面的材料欄留空。使用旋轉(zhuǎn)/傾斜元件工具，將第二個(gè)N-BK7表面（表面9）旋轉(zhuǎn)45度使其變?yōu)榉止饫忡R中的斜面。 需要注意的是斜面的材料類(lèi)型為N-BK7而非鏡面，這是由于光線從底部反射鏡（表面7）反射后，我們需要追跡到達(dá)頂部像面的透射/反射光線。

設(shè)置3D視圖顯示當(dāng)前結(jié)構(gòu)。當(dāng)前選擇的結(jié)構(gòu)序號(hào)應(yīng)為2，它也會(huì)顯示在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器上方的標(biāo)題欄中。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在看起來(lái)比較奇怪，這是由于表面的孔徑和表面傾斜導(dǎo)致的，我們將在下一節(jié)中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

最終系統(tǒng)

我們首先需要在表面8、10和12上設(shè)置矩形孔徑。對(duì)于表面8和12，設(shè)置表面屬性 (Surface Properties) 中的孔徑選項(xiàng)卡中的拾取自 (Pickup From) 為表面2；對(duì)于表面10，設(shè)置拾取自為表面4。

設(shè)置表面10的膜層為I.50以及表面8和12的膜層為AR。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

現(xiàn)在我們得到了正確設(shè)置的結(jié)構(gòu)2；但是表面7和12仍然顯示在結(jié)構(gòu)1之中。您可以設(shè)置3D視圖顯示所有結(jié)構(gòu)來(lái)查看：

表面7-12應(yīng)該只在結(jié)構(gòu)2中而不是在結(jié)構(gòu)1中顯示，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)1只表示傳播穿過(guò)分光棱鏡的光束。您可以使用多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)IGNM在結(jié)構(gòu)1中忽略這些表面：

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

分析光強(qiáng)

在偏振光線追跡窗口中的工具欄中點(diǎn)擊復(fù)制 (Clone) 打開(kāi)另一個(gè)參數(shù)設(shè)置相同的偏振光線追跡分析窗口。

選擇顯示不同結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。

現(xiàn)在，您可以看到兩個(gè)結(jié)構(gòu)下的總透過(guò)率。

最終，您可以在實(shí)體模型圖 (Shaded Model) 中看到如下結(jié)果，其中棱鏡的透明度 (Opacity) 參數(shù)設(shè)為50%：

您還可以旋轉(zhuǎn)分光棱鏡使其繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。您可以在附件中找到旋轉(zhuǎn)后的文件Rotating BS.zmx。有關(guān)如何進(jìn)行調(diào)整的詳細(xì)步驟會(huì)在另一篇技術(shù)文章中詳細(xì)討論。

小結(jié)

這篇文章介紹了使用OpticStudio中的多重結(jié)構(gòu)功能模擬分光棱鏡。其中包括：
正確模擬透過(guò)率，使用偏振分析和計(jì)算考慮膜層所引入的影響
使用多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)IGNR實(shí)現(xiàn)只在個(gè)別結(jié)構(gòu)中顯示表面