AnsysZemax|如何在序列模式下模拟分光棱镜

2023-06-15 11:27阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2185075743

概述

这篇文章介绍了：
· 如何在序列模式下使用多重结构创建分光棱镜
· 如何在布局图以及分析/计算窗口中同时追迹透射和反射光线
· 在考虑偏振及镀膜的影响下如何计算透射和反射光线的总能量
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介绍

在 OpticStudio 中，分光棱镜可以在序列或非序列追迹模式下模拟。

在非序列中，光线可以在折射表面上分裂为折射和反射光线。这也是非序列模式最主要的优势：光线可以在物体表面处分裂为反射和透射的部分。

而在序列模式中，光线只能在折射表面处发生折射，并在镜面上发生反射；OpticStudio 的多重结构功能可以用来在序列模式下同时模拟折射和反射光线。在本文中，我们将在序列模式中建立如下图所示的分光棱镜系统：

https://r.sinaimg.cn/large/article/2661f1af2ae02755d7f071ff27b1ae48

系统中包含一个与偏振无关的50/50分光棱镜。该棱镜由 N-BK7 玻璃组成，并且表面镀有 MgF2 抗反射膜层。其中，中间的50/50分光膜层为理想膜层，并且与偏振、入射角和波长无关。在上图中显示的绿色光线为反射光线，在入射到上面的像面前首先经过下面的反射镜反射。我们将计算两个像面上，考虑M-BK7玻璃的体吸收、表面膜层的菲涅尔损耗以及理想的50/50分光膜层的正确透射光强。

在开始本文的案例前，您需要了解如何在 OpticStudio 中设置系统和表面属性。您可以参考以下两篇文章。
Ansys Zemax | 如何设计单透镜第一部分：设置
Ansys Zemax | 如何倾斜和偏心序列光学元件

需要注意的是，OpticStudio 可以详细的模拟表面膜层，如金属膜层或多层电介质膜层等。在本例中，我们将主要展示棱镜几何体的建立，因此只会在模型中使用简单的膜层。

定义系统和分光表面

首先进行如下系统设置：
· 系统单位设为mm（系统选项 (System Explorer) – 单位 (Unit)）
· 波长设为550nm（系统选项 (System Explorer) – 波长 (Wavelength)）
· 设置单一视场：X=0, Y=0（系统选项 (System Explorer) – 视场 (Fields)）
· 设置系统孔径类型为入瞳直径 (Entrance Pupil Diameter)，并设置孔径值为15mm（系统选项 (System Explorer) – 孔径 (Aperture)）

在镜头数据编辑器中输入如下这些表面：

https://r.sinaimg.cn/large/article/252c1b72a5c0bb659c1942331fc7b587

在镜头数据编辑器的上方工具栏中，点击旋转/偏心元件 (Tilt/Decenter Elements)工具，并将表面3旋转-45度：

https://r.sinaimg.cn/large/article/debfe350dcc250eb7f5134d84e7c4612

https://r.sinaimg.cn/large/article/bbedc158740ca1dfa9c8fffa1591c155

打开3D视图 (3D Layout) 工具，并只在Y方向显示5条光线，如下图所示：

https://r.sinaimg.cn/large/article/7bdc240ea99f48ab26ddd7772cb0efd0

设置矩形孔径

序列模式下的系统孔径为圆形孔径，并且所有表面的默认孔径也是圆形孔径。如果想设置分光棱镜的几何体结构，需要在表面2和6上设置一个10mm x 10mm的矩形孔径，并在表面4上设置一个10mm x {10 x root(2)}mm的矩形孔径。

在表面2和6的表面属性中的孔径选项卡中设置如下孔径：

https://r.sinaimg.cn/large/article/4cd7478ec5c34c3cbe1d2bfddabcd1f5

在表面4的表面属性中的孔径选项卡中进行如下设置：

https://r.sinaimg.cn/large/article/87a4342db406fb2669e394819386b087

更新3D视图，您可以看到如下系统结构：

https://r.sinaimg.cn/large/article/e2c3fe6df83b6f2f39f38543b19c0298

如果想要在布局图中移除渐晕的边缘光线，您需要勾选3D视图的设置参数中的“删除渐晕 (Delete Vignetted)”选项：

https://r.sinaimg.cn/large/article/8bc4ce6fe567de8ef4ef19682c42097f

更新3D视图可以看到如下结果：

https://r.sinaimg.cn/large/article/d35be3c8646897c551f55de184fe41ee

设置分光膜层

在表面4上设置理想的50/50分光膜层“I.50”，在表面2和6上设置抗反射膜层“AR”。其中，I.50膜层是理想的50%透射的膜层，AR膜层是四分之波长厚度的MgF2抗反射膜层。

https://r.sinaimg.cn/large/article/c26a022cac018a503dfcd7591e3758e3

分析透射光强

现在我们已经模拟了分光棱镜的水平透射光路（折射光路）。您也可以通过镀膜文件定义任意透射比例的理想膜层，或通过定义膜层厚度和材料种类的方法或定义透射率根据波长和入射角的函数的方法创建非理想的膜层。

只有在分析或计算中考虑偏振影响时，薄膜膜层的影响才会被考虑，在使用理想膜层时也是如此。像面上的总透射能量可以使用OpticStudio中的偏振分析功能进行计算。我们将使用偏振光线追迹 (Polarization Ray Trace) 工具计算主光线在像面上的总透射能量。

打开偏振光线追迹（该工具位于分析选项卡 – 偏振 (Polarization)– 偏振光线追迹）工具，进行如下参数设置：

https://r.sinaimg.cn/large/article/413733df2529f1b0c74447aa7fc82cf0

总透射能量会显示在分析窗口的底部：

https://r.sinaimg.cn/large/article/d7ef1a1b87dd28805dd96e9de8a4e82f

偏振光线追迹考虑了所有效应的能量损失，其中包括：在追迹光线的波段以及光线在表面上的任意入射角下，AR镀膜的N-BK7玻璃表面，50/50的理想分光膜层，N-BK7材料的体吸收效应。

多重结构模拟反射光路

下面我们将使用多重结构模拟反射光路。打开多重结构编辑器（位于编辑器 (Editors) 组中的多重结构编辑器 (Multi-Configuration Editor)）并使用插入结构 (Insert Configuration) 按钮插入一个新的结构（或在键盘上点击Ctrl+Shift+Ins）。

https://r.sinaimg.cn/large/article/2e941ae41a31a60e09308c54349ab310

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