在ZEMAX中设置内窥镜30°偏转棱镜

名侦探柯玲

看了论坛很多大佬的帖子，发现讲得都比较模糊，小白很难跟着上手，所以本小白出一个小白视角的入门级的偏转棱镜设置教程，如果有错误的地方还请多多指正~

首先设计好0°镜头的光路，例如下面这个，给30度偏转棱镜预留的平板玻璃厚度为6mm。设计时注意控制平板玻璃内的光束宽度，光束太宽的话有部分光会被遮挡，导致视场边缘偏暗。




将平板玻璃及其前方的镜片另存到一个文件中，然后进行偏转棱镜设计，等设计完偏转棱镜再把后面的部分插入到系统中



将原来的平板玻璃拆分成三段，第一段厚度1.5mm。后方插入坐标断点，坐标断点后为反射镜MIRROR，其厚度为0，再插入一段玻璃，玻璃厚度为-2.5mm，然后插入两个坐标断点。在两个坐标断点后再依次插入反射镜、玻璃、坐标断点。
玻璃厚度随意设置，后续会进行优化，注意第二段玻璃厚度为负数。若棱镜的结构已经确定，将玻璃厚度及反射镜偏角按图纸输入即可。

第二个坐标断点的X轴倾斜拾取第一个坐标断点的X轴倾斜。第四个坐标断点的X轴倾斜拾取第三个坐标断点的X轴倾斜。光轴的偏转角是30°，所以要保证两片反射镜的夹角为15°，两片反射镜的偏转角度可以根据自己结构进行设计，只要保证其夹角是15°就行。

第二个坐标断点的Y轴偏移量先设置为3（可以根据自己的结构设置该偏移量）



这个时候的结构会有一点奇怪，先不管它，在最后一个坐标断点后面插入平板玻璃后的系统，这个时候由于三段玻璃的厚度设置与原先6mm平板玻璃的厚度不一样，系统离焦导致MTF变差。
可以先取消所有变量，仅将三段玻璃的厚度设置为变量，评价函数中自定义的操作数权重全部设置为零，玻璃厚度的范围设置为负数。



跑一下自动优化，优化结束后三段玻璃的厚度调整了一下，系统MTF恢复正常


如果中心光束和透镜轴线不重合，可以调整Y轴偏移量

小陳不是我

楼主你好，感谢分享！跟着走了一遍今天终于把这个视向角的问题又推进了很多。完成之后的点列图确实与等效平板的一致了。
还有几个问题想再请教一下
一是最后的厚度总和有设置成6了吗，看截图貌似绝对值之和还不等于6，所以确认下。
二是这个整体的光路光阑设置在哪里您是怎么考虑的呢？
三是我的效果虽然与等效平板一致了，但是棱镜出现了不符合实际的情况，调节材料面厚度好像无法解决，只有调mirror面厚度才能改善，但是点列图就会变了。您在设计过程中有出现过这种情况吗？有什么方式解决吗？

名侦探柯玲

小陳不是我 发表于 2024-8-28 04:41
楼主你好，感谢分享！跟着走了一遍今天终于把这个视向角的问题又推进了很多。完成之后的点列图确实与等效平 ...

1、我用来做示例的这个最后总厚度没有设置成6

目前我还没有想到如何用zemax自动完成这个设计，也许需要编写宏文件。


如果一定要偏转棱镜总厚度等于零度玻璃平板的厚度，目前我是通过手动调节的，一点一点调节使偏转棱镜的总厚度等于目标厚度，以下面这个棱镜为例，0°的玻璃厚度是4.04mm，那么30°偏转棱镜展开后，玻璃的厚度最好也是4.04mm
ZEMAX这个光路图中，两片反射镜之间黑色的线条是两个平面的间距，蓝色的线条是中心光线的路径，将三段玻璃中蓝色线条的长度加起来就是玻璃的总厚度。但是由于在之前的设计中为两个反射面添加了倾斜和偏心，导致黑色线条和蓝色线条不再重合，因此不能通过把第6、9、13面的厚度加起来得到玻璃厚度。
可以把ZEMAX文件存成.DXF格式放到CAD里面去直接测量三段玻璃里中心光束的长度得到棱镜展开的总厚度，如果嫌ZEMAX和CAD来回倒腾比较麻烦的话，可以直接根据参数计算一下棱镜展开厚度符不符合目标要求，不符合就一点一点去手动调节，直到棱镜厚度等于0°平板玻璃厚度。


计算棱镜厚度的方法：
下图里面红色线段代表中心光束，蓝色线段代表平面之间的距离。

可以看到在第一段玻璃中，由于不存在倾斜和偏心，红线和蓝线是重合的并且等于第6面到第8面的厚度1.4663mm

从第二段玻璃开始，蓝线和红线不再重合，那么这个时候想要知道中心光束的长度，就需要进行计算。
先计算第9面到第12面、第13面到第15面的间距，然后再计算中心光束的长度。

首先，第二段玻璃所在的第9面到第12面的距离是-1.2734mm，又因为第9面和第12面Y轴之间存在1.836mm的偏心，所以两个平面中心的间距也就是图中的②蓝色线条的长度为（1.2734^2+1.836^2）^0.5=2.2345mm

由于第13面和第15面之间只存在倾斜，不存在偏心，所以第13面到第15面的间距直接等于第13面到第15面的厚度0.7185mm，也就是图中的③蓝色线条


现在来计算中心光束长度：
第一段玻璃中：中心光束长度等于第6面到第8面的厚度，即1.4663mm
第三段玻璃中：中心光束也就是③红色线条与黄色线条还有③蓝色线条组成了一个三角形，由于第二个反射面的倾角为-55°（逆时针为+，顺时针为-），可以算出来最后水平出射的中心光束（③红色线条）与第二个反射面的夹角为35°，那么就能通过第13面到第15面的间距③蓝色线条计算中心光束的长度③红色线条：0.7185/sin35°=1.2526mm



第二段玻璃中：在中心光束与第二个反射面的交点作一条垂直于②蓝色线条的线，即图中品红色的线，那么很容易通过三角关系计算出第二段玻璃里中心光束的长度。由于两个反射面之间的夹角是15°，所以中心光束和两个反射面中心点连线（②蓝色线条）的夹角也是15°，由反射定理和三角形外角定理可以得到黄线和②蓝色线条的夹角是35°-15°=20°
那么，②蓝色线条的长度=②红色线条长度*cos15°+cos20°*③蓝色线条长度/tan35°，即2.2345=②红色线条长度*cos15°+0.7185*cos20°/tan35°，算出②红色线条长度=1.3151mm
所以棱镜展开长度等于三段中心光束的长度之和，也就是三段红色线条的长度之和1.4663+1.3151+1.2526=4.034mm，和目标值4.04mm差不多了，再微调一下就行。


这个棱镜厚度的计算就是很简单的几何计算，计算的核心就是两个计算式，把这两个计算式写到Excel里面，每次更改倾角、偏心、三段玻璃厚度的时候把参数输到计算式里面就能实时监控棱镜的展开长度了，然后一点一点调节倾角、偏心、三段玻璃厚度，让最后的计算结果等于目标值就行。

2、光阑有孔径光阑和视场光阑


孔径光阑设置在棒镜之间，视场光阑设置在棒镜与目镜之间的实像面处。



3、是不是倾角设置错了


我目前没有遇到过这个问题，反射面之前、之后的坐标断点倾角是一样的，用pick up，比例系数是+1，不是-1。有些zemax的默认设置好像是-1，你看看是不是这个问题。

小陳不是我

名侦探柯玲 发表于 2024-8-31 17:18
1、我用来做示例的这个最后总厚度没有设置成6

目前我还没有想到如何用zemax自动完成这个设计，也许需要 ...

干货满满，光是复现一遍完全学习都花了好久，感谢楼主耐心讲解，光线的问题我找到几个方向

1.视场角太大会出现
2.反射面厚度小了也会出现
完全按照您的设置我这边也会有这个情况，所以我试了一下参数感觉是视场角和F数不一致的问题，当然，知道具体设计思路后续再慢慢学习调整吧
第二个反射面拾取的缩放因素我感觉得是-1哎，第二个反射面应该与第一个反射面顺逆相反才行吧？
已经基本把问题解决了，非常感谢楼主指导

songshaoman

能把光学文件分享一下么？谢谢

lyardan

小陳不是我 发表于 2024-9-2 17:01
干货满满，光是复现一遍完全学习都花了好久，感谢楼主耐心讲解，光线的问题我找到几个方向

1.视场角太大 ...

光线只是显示问题，受光束口径、倾斜角度、厚度这些影响，不必理会。
楼主设置了很大的离轴，所以才没有

lyardan

我也分享几点
1、想只优化一部分操作数，可以用goto和endx，不必全部权重设为0
2、不引入离轴就不会出现厚度不相等的问题
3、实际设计中需要考虑棱镜的尺寸与位置，不要出现超出镜筒的情况

小陳不是我

lyardan 发表于 2024-9-6 22:26
光线只是显示问题，受光束口径、倾斜角度、厚度这些影响，不必理会。
楼主设置了很大的离轴，所以才没有
...

好的好的，感谢指导。之前也没有接触过GOTO和ENDX，想了一下确实很多场景很有用处！

名侦探柯玲

songshaoman 发表于 2024-9-3 10:27
能把光学文件分享一下么？谢谢

你跟着图片上的复现一下就好啦