ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中建模一个投射式车灯

本文介绍的是在 Zemax OpticStudio 模拟一个简单的投射车灯，主要目的在于介绍各种模拟中使用者可能会用到的功能，包含透镜资料库 (Lens Catalog)、光源建模、光源频谱、抛物面建模、设置探测器、色彩分析以及照度分析等。

本文介绍如何在 Zemax OpticStudio 中模拟投射式车灯，主要分为以下章节：

• 使用透镜资料库 (Lens Catalog)
• 建立抛物面物件
• 建立钨丝光源，设定黑体辐射频谱
• 建立挡板物件
• 设定探测器
• 追迹并检视结果

我们的最终结构将如下：

椭圆反射面可以把其中一个焦点的光线反射到另一个焦点。

我们透过标准面 (Standard Surface) 来建立。

参数设定如下：

材料 (Material)：MIRROR

曲率半径 (Radius)：30.165

圆锥系数 (Conic)：-0.712

最大孔径 (Maximum Aper)：50

我们将建立带有黑体辐射频谱的钨丝光源，首先是光源的外型，新增物件定设定如下：

物体2 (Object 2): 灯丝光源 (Source Filament)

X 位置 (X Position)：3

Z 位置 (Z Position)：16.126

倾斜Y (Tilt About Y)：-90

陈列光线条数 (Layout Rays)：100

分析光线条数 (Analysis Rays)：2E7

长度 (Length)：5

曲率半径 (Radius)：0.6

圈数 (Turns)：8

接下来点一下非序列元件编辑器 (NSCE) 上的物体属性 (Object Properties)

选择光源 (Source) 并设定黑体辐射频谱如下图：

光源颜色 (Source Color):黑体辐射光谱 (Black Body Spectrum)

温度 (Temp) (K): 5000

光谱 (Spectrum): 7、波长从 (Wavelength From) 0.44 到 (To) 0.64

    备注：

• OpticStudio 内置许多常见的频谱模型，例如黑体辐射、LED、D65 标准白光等

• 也可以根据RGB、色坐标、sRGB 等信息模拟频谱

• 有需要也可以使用纯文字文件自行定义

    备注2：想要确认频谱信息的时候，可以点击数据库 (Libraries) >查看光谱文件 (Source Spectrum Plot) ，输入与刚刚一样的频谱设定。

如您所见,查看光谱文件 (Source Spectrum Plot) 是个很方便的工具，它将用图表的方式让告诉您刚刚的光源频谱是如何设定的。你可以试着改变参数，如下图：

现在回到三维布局图 (3D Layout)的设置，设定颜色显示 (Color Rays): 波长 (Wavelength)，可以看到如下结果：

备注3：每条光线仅会有一个波长。

利用 OpticStudio 中内建的透镜资料库 (Lens Catalog) 可以快速搜寻并套入各大透镜提供厂商。

这裡我们选用 Edmund 镜片编号 67248.1，这是一片实际买的到的透镜，口径 50mm，后焦距 18.04 (平凸非球面)，我们将直接从 OpticStudio 内建镜片资料库读取这个透镜。

请开启镜片资料库，位置在数据库 (Libraries) > 镜头库 (Lens Catalog)，选择 Edmund Optics 67248，选好后，使用者可以点击光线图输出 (Layout) 确认外型，也可以点击插入 (Load) 来插入这个透镜。

把插入的非球面参数修改如下：

物体3 (Object 3) :偶次非球面透镜 (Even Asphere Lens)

Z 位置 (Z Position)：233.664

倾斜 X (Tilt About X)：180

我们要加入两个档板，参数如下：

物体4 (Object 4):矩形 (Rectangle)

X 位置 (X Position)：50

Y 位置 (Y Position)：-30

Z 位置 (Z Position)：195.83

材料 (Material)：ABSORB

X 半宽 (X Half Width)：50

Y 半宽 (Y Half Width)：30

物体5 (Object 5): 空物体 (Null Object)

倾斜Z (Tilt About Z)：15

物体6 (Object 6):矩形 (Rectangle)

X位置 (X Position)：-50

Y位置 (Y Position)：-30

Z 位置 (Z Position)：195.83

材料 (Material)：ABSORB

X 半宽 (X Half Width)：50

Y 半宽 (Y Half Width)：30

现在你可以看到我们建模了一个投射式车灯的雏形，挡板同时处于椭圆面镜与非球面透镜的焦点上。档板并没有完全符合实际需求，在实际应用中，使用者还可以依据状况增加更多物体。

我们需要探测器探测10米远的地方，所看到的现象如何。

物体5  (Object 5):颜色探测器  (Detector Color)

Z 位置 (Z Position)：10000 （10米）

X 半宽 (X Half Width)：700

Y 半宽 (Y Half Width)：200

X 像元数 (X Pixels)：210

Y 像元数 (Pixels)：60

颜色 (Color)：4

设定完成后就可以追迹光线了，点击一下分析 (Analyze) > 光线追迹 (Ray Trace)。

点一下分析  (Analyze) > 探测器查看器  (Detector Viewer)。

设定设定平滑度  (Smoothing) = 1，可以让结果平滑，利于观察。

我们也可以改变坐标轴，以放大观察。

或是直接用鼠标框选画面放大。

可以看到色散射状况如下：

备注4：OpticStudio 除了能显示真实色彩之外，还能输出 RGB 等原始数据。也能计算频谱分布、色度坐标、CCT 色温等数据。这些数据都可以被进一步优化，或是使用 API 对接到其他软件中进行分析和处理。

现在你可以尝试打开非序列实体模型 (NSC Shaded Model)，利用已知的各种技巧，做出以下报告图。