ZEMAX | 如何倾斜和偏心序列光学元件

发表于 2023-2-27 19:10:52

在许多光学系统中，元件故意从光轴倾斜或偏心。本文介绍如何在序列模式下对这些类型的系统进行建模。
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简介

本文介绍了插入坐标断裂曲面以允许光学元件的偏心和倾斜的过程。第一部分介绍坐标断点曲面的作用，以下各节包括有关正确使用坐标断点的教程。最后，介绍了用于倾斜和偏心光学元件的简单内置工具。
坐标断点曲面

在OpticStudio的序列光线追踪模式中，表面输入的顺序非常重要。透镜数据编辑器（LDE）中指定的顺序给出了光与光学系统的组件表面相互作用的确切顺序。
因此，一个曲面的厚度（沿局部 z 轴的距离）与前一个曲面相距甚远。这称为局部坐标系，因为表面的位置是根据前一个表面指定的。
坐标断裂（CB）曲面允许您将下一个曲面的位置指定为在 x 和 y 中移动，在 x、y 和 z 中倾斜（旋转）以及在 z 中简单平移。坐标断裂是一个虚拟曲面：也就是说，它没有折射或反射能力，并且不能弯曲光线。它的唯一目的是根据当前坐标系定义新的坐标系。使用这样的曲面可以将曲面的几何位置与其光学属性分开。
在本文中，我们将展示如何在保持所有其他组件的位置不变的同时倾斜和偏心光学组件。在精确解释了如何执行此操作之后，我们将展示一个简化整个过程的工具，但是了解该工具的工作原理非常重要，因此建议仔细阅读整篇文章。在附加的zip文件中，您将找到一个文件start point.zmx，其中显示了三个玻璃窗口，其中一个是粘合在一起的两个光学材料。
每个窗口都应用了矩形孔径（双击任何表面并查看“光圈”选项卡以进行验证）。落在光圈外的曲面上的任何光线都将被终止。

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在上面的屏幕截图中，正 z 位于从左到右的方向，正 y 位于页面上方，正 x 位于页面。这是一个右手坐标系，其中 z 位于食指上，y 位于拇指上，x 位于中指上，食指从左指向右，如左下角的坐标轴或 3D 布局所示。

我们在本文中的任务是倾斜中央窗口并使其居中，同时将其他两个窗口完全留在其原始位置。我们怎么知道我们什么时候实现了这一点？OpticStudio有一份报告，每当您在倾斜或分散的系统上工作时，该报告都至关重要。

打开Analyze...Reports...Prescription Data，并查看标题为“全球顶点”的部分：

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“全局顶点”报告列出了每个曲面相对于全局坐标参考曲面（GCRS）的顶点的位置和方向。在此设计中，图面 1 是 GCRS，但任何曲面都可以从“曲面属性”的“类型”选项卡（或从“系统资源管理器”中的“孔径”选项卡）中设置为 GCRS。

从“全局顶点”报告中可以看出，相对于 GCRS，所有曲面都在轴上，因为旋转矩阵是所有曲面的单位矩阵，并且每个曲面的 {x，y} 坐标为零。曲面 7（窗口 3 的正面）相对于曲面 1（GCRS）具有 {x， y， z} 坐标 {0，0，33}。

坐标断裂（CB）曲面允许您指定 x 中的偏心、y 中的偏向、{x、y、z} 中的倾斜以及影响所有后续曲面的 z（厚度）偏移。它还有一个订单标志，我们将在后面讨论其目的。

我们的首要任务是偏向中间窗口，而不干扰任何其他表面的位置。
对组件进行分化

为了使中间窗口偏心，请单击图面 4 上的任意位置（它具有注释 Front Window2），然后按键盘上的 INSERT 键。将插入一个新曲面，并且从旧曲面 4 开始的所有曲面都将被重新编号（因此曲面 5 现在具有注释 Front Window2）。

现在，在新曲面 4 上双击，并将其设置为坐标断点曲面：

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然后滚动到“Decenter Y”列并输入值 -5 mm。布局图和处方报告显示结果。从坐标断裂（CB）开始的所有曲面都偏心为 -5 mm。

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一个 CB 的效果一直持续到遇到另一个 CB 为止，因此通常需要两个坐标中断：一个用于实现倾斜/偏心，另一个用于恢复原始轴。

若要演示这一点，请单击“曲面 8”（窗口 3 的正面），再次按 INSERT，使新曲面成为 CB。使该表面的厚度为10 mm，并使表面的厚度为7为零，以便第二个CB与中间窗口的背面共存。给这个CB一个更大的y+5。您现在应该具有以下功能（如果您迷路了，请从zip中打开中间步骤.zmx）。请注意，由于曲面上有矩形孔径，因此错过中间窗口的光线将被终止。这是序列模型的重要组成部分。如果要对错过中间窗口的光线继续照射到第三个窗口的系统进行建模，则必须使用 非序列光线追踪（下期内容）。

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恢复 CB 恢复原始坐标轴，以便后续曲面返回到其原始位置。

手动设置恢复坐标中断表面的值不是很好的做法，因为很容易忘记第二个CB需要调整第一个CB。但是，OpticStudio可以轻松实现自动化，只需单击第二个CB的Decenter Y的求解单元格，然后选择一个拾取求解将值锁定到第一个CB，如下所示：

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使用 Decenter X 和倾斜参数执行此操作，但此时将两个 CB 的顺序标志保留为 0。（这是一个错误，但我们将在下一页中看到原因）。

您应该能够设置 Decenter X 和 Decenter Y 的任何值，OpticStudio 将在第二个 CB 处恢复原始坐标系。如果您迷路了，请从附加的zip存档中打开中间步骤2.zmx。我们现在将转向倾斜。
倾斜组件

将第一个 CB 上的所有参数重置为零。由于拾取求解，第二个 CB 的参数应自动将自身设置为零。然后将第一个 CB 的“倾斜约 X”设置为 20 度。乍一看，这看起来像是我们需要做的一切，但是当仔细查看Global Vertex报告时，很明显有些地方不对劲。

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x-tilt引入了0.68 mm的y偏角。这是因为第二个坐标断裂是沿着新的 x 倾斜坐标系的 z 的一定距离实现的。为了引入不偏心的纯倾斜，两个 CB 表面之间必须有零 z 偏移。这是通过在第二个 CB 之前的虚拟传播来实现的。

在第二个坐标断点之后立即插入虚拟曲面。第二个 CB 目前的厚度为 10。将其设置为 0，并使新虚拟曲面的厚度为 10。现在，两个CB之间的z位移总共为2 mm，因此使第二个CB之前的表面厚度-2，并使第二个CB的厚度+2。此虚拟传播将两个 CB 放置在空间中的同一点，因此直到操作不会引入分散。

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虚拟表面没有光学效应，因为我们在空气中跟踪-2 mm，然后在空气中跟踪+2 mm，因此没有光线弯曲，没有添加光程长度。可以使用“曲面属性”的“绘制”选项卡上的“不绘制此曲面”和“从此曲面跳过光线”控件隐藏虚拟曲面。

但是，虚拟传播厚度的设置方式并不令人满意。如果其中一个玻璃表面的厚度发生变化，无论是手动更改还是在优化过程中，会发生什么情况？第二个 CB 将不再正确放置。关键是第二个CB必须与第一个CB处于同一位置，OpticStudio有一个简单，强大的方法来确保始终满足此条件：位置求解。

“位置求解”将它后面的曲面设置为与另一个曲面具有指定的距离。打开紧挨在第二个 CB 之前的曲面的厚度单元的“求解”选项（该 CB 当前厚度为 -2），然后在求解对话框中选择：

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请注意，位置求解允许我们回过任意数量的曲面，直到到达第一个坐标断裂，然后在第二个 CB 的厚度上放置一个拾取求解，该解获取位置求解的值并将其乘以 -1。现在更改两个 CB 表面之间的玻璃表面厚度。无论您输入什么厚度，第二个CB始终与第一个CB完全位于同一位置，因此可以完美地撤消它。

最后，注意另一件事。将“约 Y 倾斜”设置为 30 度，将“约 X 倾斜”设置为 10 度。请注意，第二个 CB 不再完美地撤消第一个 CB。这是因为倾斜的顺序很重要。如果我们倾斜大约x，然后在这个新的倾斜位置倾斜大约y，那么我们必须直到大约y，然后直到大约x，以便恢复原始坐标系。这就是订单标志的用途。

如果订单标志为零，则 CB 图面执行，以便首先完成下角，然后按顺序倾斜。如果订单标志不为零，则 CB 将以相反的顺序执行。这意味着单个CB可以撤消由与其位于同一位置的另一个CB引入的任何复合倾斜/偏心。

最终系统作为最终 system.zmx 包含在附加的 ZIP 存档中。这是具有任意数量的倾斜和偏心的系统，表明第三个窗口的位置不受影响。请注意，虚拟表面已被隐藏。

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倾斜/偏心元件工具

但是，难道没有更简单的方法来做到这一切吗？有！倾斜/偏心元件工具。

这是倾斜/偏心光学元件的简单方法。重新打开 start point.zmx，然后单击“镜头数据编辑器”菜单中的 Tilt/Decenter Elements 图标，然后输入所需的任何倾斜/偏转数据，例如：

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请注意，此工具可以完成我们手动完成的所有操作！强烈建议使用该工具作为标准技术，通过该技术，您应该在系统中倾斜或偏心光学组件。

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