投影光學
投影光學的設計是以雙高斯 (double Gauss) 系統為基礎。系統的孔徑應該與離開聚光鏡後的最大輸出分佈相匹配。雖然系統在此已考量過特定放大率和成像位置,但多重組態在此設計中也可以用來優化放大率和聚焦長度在某範圍內的性能。此設計的聚焦長為52 mm、物空間數值孔徑 (object space NA) 為0.35、物高為16 mm。在全視場範圍內,優化是以使均方根光點大小減到最小為基礎。從長共軛系統 (long conjugate) 來優化設計。在結合聚光鏡到投影機設計之前,將反向做最後的計算。圖6顯示投影機光學的設計。放置於距離最後一個透鏡表面2000 mm的成像面將不顯示。
系統組裝
使用ZEMAX的非序列性功能來分析全部配件的要求。這將允許複雜光源分佈的建構,和建構照明與幻燈片物件的投影。大部分所使用的元件可以使用zemax主選單的選項,來直接轉成非序列性設計。聚光鏡配件將首先轉換。使用序列性建構的透鏡陣列,其設計參數是不同於非序列性模型,所以將需要個別定義。
使用適當的工具,可轉換聚光鏡設計為非序列性形式。兩個個別的透鏡也定義為非序列性的,表示兩個陣列的中心元件。“複製工具 (Replicator Tool) ”可用來產生每個陣列的重複性元件。圖7顯示透鏡陣列的形狀。每個小透鏡是12 mm的正方形。
圖7. 透鏡陣列
投影鏡頭現在也轉換成非序列性系統。所有表面可直接轉換成ZEMAX的非序性物件。新的物件可輕易的複製到非序列性元件編輯欄 (Non-Sequential Component Editor) 中,並已包含了聚光鏡的資訊。使用放置投影機元件相對於底片閘位置的功能以確保所有的元件能正確的擺放。圖8顯示相結合的光學系統。箭頭表示光源的位置。
圖8. 聚光鏡和投影配件
在非序列性分析中,檢測面可以放到光學系統中來分析感興趣位置上的能量分佈。在這個系統中,感興趣的位置是在底片閘、成像面和成像的陣列。這個資訊對確保光源能量沒有充滿陣列是很重要的。理想上,光源的成像應該是在每一個透鏡上所成的像。
除了考量系統的成像性質外,非序列性分析對於雜散光和散射光分析也是有用的。機構元件,如擋板 (baffles)、鏡頭套桶 (lens barrels) 和星形輪 (spiders) ,可以加入設計中。表面散射資訊也可以更精確的使用於建構雜散光效應。
以分析系統的成像品質開始。將需要在準直鏡的焦點建構一個延伸光源 (extended source) 和在底片閘位置放置幻燈片模型。從光源發出的光將傳播通過準直鏡;打到底片閘,光傳播通過投影機到成像面。任何JPG或BMP檔案可以放在底片閘上,這將允許投影系統性能的真實表現。圖9顯示被照明的物件,而圖10顯示在屏幕位置上的放大成像。為了實際示範,將使用一個延伸的高斯分佈光源。
圖9. 幻燈片物件
圖 10. 投影系統所形成的放大成像
對於燈絲光源 (filament source),離開光源的大部分能量是朝向離開準直鏡。為了增加系統的效率,一個反射元件常放在光源之後來截取這些能量的部分,並改變方向反向朝準直鏡。對於這一類的照明具,從光軸補償光源是很重要的。這將防止重新成像的光源能量造成過熱 (heating) 和損壞燈絲的可能性。落在相同的成像陣元件上的燈絲成像仍然是必須的。這個糸統顯示在圖11中。
圖11. 補償燈絲光源在第二個陣列上的成像
下一步的設計將包括加入鏡頭夾具 (mounts)、擋板 (baffles) 和其他機構元件,並使雜散光和鬼影減到最小。可以使用zemax本身的物件或匯入cad軟體所設計的物件來建構這些元件,以便做更進一步的分析。
結論
ZEMAX這套軟體有很強大的功能,對於成像系統和分析照明系統的整體表現,包括雜散光和散射光,可當作設計和優化的工具。投影系統的設計,可用來驗証這些功能如何讓光學工程師能幾乎毫無隔閡的在不同的分析模式下使用。
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