ZEMAX | 如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅰ

本系列的 Zemax 技术文章分享一共将分为三个章节，会详细介绍如何设计车标 LOGO 投影系统，包含的内容有照明透镜设计，投影透镜的设计，整体系统的搭建和如何从序列转换到非序列模式，今天让我们先分享第一部分：

如何使用 OpticStudio 设计车标投影系统 Ⅰ

概述

本系列主要介绍了如何在 OpticStudio 中设计一个车标投影系统，其中详述了照明透镜、投影透镜的搭建过程，讲解了如何将两个分开设计的系统结合在一起进行分析，且最后将序列模式的系统转为非序列模式进行系统整体光线追迹并验证其最终的性能和效果。

在本设计实例中，我们将通过已有的设计雏形数据分别建立照明系统和投影系统的初始结构，再分别设计照明透镜和投影透镜，然后将二者结合在同一个系统中并验证其光学性能。设计过程中需要保证两个透镜的光瞳匹配，最后实现较为良好的投影效果和保持较高的系统能量效率。

本文将主要包括背景介绍，设计目标和照明透镜的设计和优化。本文使用到的附件请从以下链接中下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1pr4EvezM-NXRDXhwwKwpxQ

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背景介绍

通常情况下，车标投影系统的设计目标为在地面上投影出清晰的车标 LOGO 图案，因此整个系统设计将包括扩展光源、准直透镜、带有 LOGO 图案的菲林片和投影透镜。

照明透镜主要用于对 LED 冷光源等光源的聚光和导光，需要根据不同的LED出射光角度设计透镜，实现较高的能量传输效率或者如本例所示实现光束的准直。LED所使用的透镜材料主要包括硅胶、PMMA 、聚碳酸酯 (Polycarb) 和玻璃，这些材料都有耐温高的特点，适合制造 LED 透镜。在本例中，准直透镜和光源是两个独立的物体，属于二次透镜，我们选择使用 Polycarb 作为透镜材料，因为其具有生产效率高（可以通过注塑完成）、耐温高（130度以上）、透光率较高（87%左右）等特点。

投影透镜可以将图像放大并投影至屏幕上，在投影形式的系统中得到了广泛的应用，因此我们可以利用投影镜头在该车标投影系统中，将车标投影至地面上。

设计要求

· 光源：1.12*1.12 mm 矩形扩展光源

· 幻灯片/菲林片：2.3*1.8 mm

· 光阑：半径1 mm，位于投影投机最后一片镜片之后0.25 mm

· 具有较好的投影成像效果

· 没有明显畸变

· 光束分布均匀度良好

· 透镜具有可加工性

照明系统建模

设置照明透镜系统参数，将系统孔径选项卡中的孔径类型设置为入瞳直径，孔径值设为6.27。这是因为我们使用的菲林片大小为2.3*1.8mm，对角线的长度为2.92mm，所以孔径值最小为5.84mm，一般情况下在设计时适当增大孔径值可以保证在目标范围内的光学性能更好。

在视场数据编辑器中设置三个视场，类型选择实际像高，其中 Y(mm）分别设为0、0.402、0.563。其中0.563为扩展光源长度的一半，0.402为0.563除以根号2的值，一般来说对比边缘视场进行等面积分布设置中间视场可以平衡系统整体的性能。如果希望进一步获得更精确的光学性能控制，可以考虑增加一些视场点。

在波长数据编辑器中设置单一波长0.587 um，因为此时我们的系统为单色Logo投影系统，工作波长为0.587 um的黄光。

由于照明镜头本身为无焦系统输出平行光，在此我们可以将其反向进行设计，即采用平行光入射后优化至指定像高的方式进行设计，保证照明镜头的设计效果。因此，在镜头数据编辑器后输入翻转后的照明透镜的参数。因为初始结构的照明质量较高可以直接使用，本文主要介绍参数输入的步骤。

打开镜头数据编辑器，输入翻转后的照明透镜初始结构的对应参数。其中使用的四个透镜表面选择偶次非球面，非球面最大项数设为10阶，材料使用 POLYCARB 。将表面1设置为光阑，其余的具体参数设置如下图所示。

输入完成的照明透镜的三维布局图如下所示。此时，翻转过后的系统为平行光从无穷远入射（对应正向系统的平行光输出），聚焦在指定尺寸的像面上（对应扩展光源尺寸）。

照明系统优化

如果对于照明透镜的照明质量有更高的要求，下一步可以制定标准对系统进行优化，我们将简单介绍优化的方法。

由于我们主要想要控制照明透镜尽可能聚焦至指定像高（即扩展光源尺寸），所以在这里我们使用 RMS 光斑尺寸作为当前优化的评判标准。打开优化向导，在优化函数一栏中的成像质量选择点列图，类型选择 RMS，参考选择质心。因为在当前反向系统中，当平行光入射时光斑尺寸越小，代表正向使用该照明透镜可以获得的准直照明效果越好。并且设置厚度边界条件为最小值为0.1 mm，边缘厚度边界条件也设为0.1 mm，其他保持默认参数即可（优化向导需要根据实际系统进行更有针对性的设置，以上仅为一个参考设置）。

如果对于透镜具有可加工性或机械装配的特定需求，可以添加相应的操作数来实现特定的优化。在执行优化的过程中，主要观察透镜的形状和成像质量的变化，适当调整评价函数使系统往理想的方向优化。在本例中，我们会直接使用初始结构进行整体系统的构造。

总结

本文介绍了如何在 OpticStudio 中搭建一个照明透镜，详细介绍了系统配置，视场波长设置，详细参数输入和优化方法的介绍。