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序列模式下如何使用全局坐标系

2019-08-21 文章来源:光行天下 阅读原文

在序列模式光学系统中,使用局部坐标系通常更为方便。然而仍有一些情况适合使用全局坐标系,如在一个具有杂三维倾斜和偏心系统中处理有限元分析扰动数据。这篇文章介绍了如何在序列模式中进行局部坐标和全局坐标的转换。

本文用到的示例文件请从以下中下载:

https://customers.zemax.com/support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachments/How-to-Work-in-Global-Coordinates-in-a-Sequential/Global.aspx

引言

序列模式光学系统中,我们常使用局部坐标系,即表面的位置由Z轴上距前一个表面的距离定义。我们可以利用坐标间断面实现X、Y轴的偏心以及关于X、Y和Z轴的倾斜。镜头数据编辑器的工具栏提供了实现常见操作的一系列工具,如添加或删除反射镜和旋转/偏心元件:

但有时,使用全局坐标系更为方便。一个常见的例子是,将光学系统转换到有限元分析中进行振动分析。从消费电子产品(如数码相机)到星载望远镜和卫星成像透镜,这一分析通常都是由光学设计实现的。最终我们会得到一组振动引起的扰动数据,而后将这些数据导入OpticStudio中,评估机械位移对光学性能的影响。

在这种情况下,我们需要方便快捷地进行局部、全局坐标系的双向变换。这篇文章介绍了镜头数据编辑器工具栏上的全局到局部坐标系 (Global To Local) 和局部到全局坐标系 (Local To Global) 工具是如何工作的。

初始设计

让我们以一个足够杂但又方便演示的光学系统开始。附件中包含名为single_prism.zmx的示例文件:

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在开始之前,我们来花点时间研究一下该示例文件中的光学系统是如何搭建的。

准直光在表面1处进入系统(作为物面),表面2是一个矩形孔径的平面。

表面2相对于表面1倾斜了15°,面之后 (Aflter Surface) 选项,我们设置翻转此面(Reverse This Surface),以便之后的表面回归到原始坐标系中。

用三维几何的术语来说,我们已经恢了原来的坐标系。表面3也进行如此操作,只不过角度是-15°。

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显示局部坐标轴 (Draw Local Axis),是另一个建立三维几何系统的实用功能。你可以在绘 (Draw) 标签中找到它,并可以逐个面进行设置。

将每个面都勾选此项后,3D布局图将变成如下所示:

表面1(以橙色绘)是全局坐标参考面 (Global Coordinate Reference Surface),定义了这个系统的起始坐标系。箭头代表它的局部Z轴,沿屏幕向上是它的局部Y轴,X轴垂直屏幕向外。

表面2关于X轴成15°倾斜,表面3关于X轴成-15°倾斜。

下来,我们注意到表面4是一个坐标间断面 (Coordinate Break surface),滚动编辑器我们发现,其X、Y偏心 (Decenter X, Decenter Y) 和X、Y倾斜 (Tilt About X, Tilt About Y) 参数求解类型均为主光线 (Chief Ray):

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表面4的X、Y偏心设置为主光线求解能够保证之后的面与主光线垂直,且主光线位于这些面的中央。

这表了局部坐标系的一个主要优点:因为局部坐标系是由每个表面定义的,所以在光穿过光学系统过程中,可以很容易地修改它们。OpticStudio包含许多基于光线的解来满足常见的需求,还可以根据更具体的需求选择基于ZPL宏的求解类型。

现在,我们将继续扩展这个示例文件,令局部坐标系没那么有用,并了解如何轻松切换局部坐标系和全局坐标系。

扩展初始设计

在镜头数据编辑器中单击表面2,按住鼠标左键向下拖,选中表面2、3、4。

或者使用Shift和下方向键配合来实现上述操作。随后按Ctrl+C或在右键菜单选择表面,来将其拷贝进剪贴板。

之后点击表面5,按Ctrl+V或在右键菜单中选择粘贴表面。重该操作10次,粘贴出本体的10个副本。更新后的3D布局图将如下所示:

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结果是我们轻松地得到了能让光线约180°转弯的一系列棱镜。现在,镜头数据编辑器中包含35个表面。我们选择表面17、表面18作为扰动分析的目标对象。在镜头数据编辑器的工具栏选择转到表面 (Go To Surface),填写数字17以转到表面17。

对表面17和表面18进行备注,并将表面颜色 (Surface Color) 设置为黄绿色(颜色4)以方便显示。

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