使用OpticStudio中的多重結構功能模擬分光棱鏡

概述

這篇文章介紹了：

1.如何在序列模式下使用多重結構創(chuàng)建分光棱鏡;

2.如何在布局圖以及分析/計算窗口中同時追跡透射和反射光線;

3.在考慮偏振及鍍膜的影響下如何計算透射和反射光線的總能量。

介紹

在OpticStudio中，分光棱鏡可以在序列或非序列追跡模式下模擬。

在非序列中，光線可以在折射表面上分裂為折射和反射光線。這也是非序列模式最主要的優(yōu)勢：光線可以在物體表面處分裂為反射和透射的部分。

而在序列模式中，光線只能在折射表面處發(fā)生折射，并在鏡面上發(fā)生反射;OpticStudio 的多重結構功能可以用來在序列模式下同時模擬折射和反射光線。在本文中，我們將在序列模式中建立如下圖所示的分光棱鏡系統(tǒng)：

系統(tǒng)中包含一個與偏振無關的50/50分光棱鏡。該棱鏡由 N-BK7 玻璃組成，并且表面鍍有 MgF2 抗反射膜層。其中，中間的50/50分光膜層為理想膜層，并且與偏振、入射角和波長無關。在上圖中顯示的綠色光線為反射光線，在入射到上面的像面前首先經(jīng)過下面的反射鏡反射。我們將計算兩個像面上，考慮M-BK7玻璃的體吸收、表面膜層的菲涅爾損耗以及理想的50/50分光膜層的正確透射光強。

在開始本文的案例前，您需要了解如何在OpticStudio中設置系統(tǒng)和表面屬性。

需要注意的是，OpticStudio 可以詳細的模擬表面膜層，如金屬膜層或多層電介質膜層等。在本例中，我們將主要展示棱鏡幾何體的建立，因此只會在模型中使用簡單的膜層。

定義系統(tǒng)和分光表面

首先進行如下系統(tǒng)設置：

· 系統(tǒng)單位設為mm(系統(tǒng)選項 (System Explorer) – 單位 (Unit))

· 波長設為550nm(系統(tǒng)選項 (System Explorer) – 波長 (Wavelength))

· 設置單一視場：X=0, Y=0(系統(tǒng)選項 (System Explorer) – 視場 (Fields))

· 設置系統(tǒng)孔徑類型為入瞳直徑 (Entrance Pupil Diameter)，并設置孔徑值為15mm(系統(tǒng)選項 (System Explorer) – 孔徑 (Aperture))

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中輸入如下這些表面：

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的上方工具欄中，點擊旋轉/偏心元件 (Tilt/Decenter Elements)工具，并將表面3旋轉-45度：

打開3D視圖 (3D Layout) 工具，并只在Y方向顯示5條光線，如下圖所示：

設置矩形孔徑

序列模式下的系統(tǒng)孔徑為圓形孔徑，并且所有表面的默認孔徑也是圓形孔徑。如果想設置分光棱鏡的幾何體結構，需要在表面2和6上設置一個10mm x 10mm的矩形孔徑，并在表面4上設置一個10mm x {10 x root(2)}mm的矩形孔徑。

在表面2和6的表面屬性中的孔徑選項卡中設置如下孔徑：

在表面4的表面屬性中的孔徑選項卡中進行如下設置：

更新3D視圖，您可以看到如下系統(tǒng)結構：

如果想要在布局圖中移除漸暈的邊緣光線，您需要勾選3D視圖的設置參數(shù)中的“刪除漸暈 (Delete Vignetted)”選項：

更新3D視圖可以看到如下結果：

設置分光膜層

在表面4上設置理想的50/50分光膜層“I.50”，在表面2和6上設置抗反射膜層“AR”。其中，I.50膜層是理想的50%透射的膜層，AR膜層是四分之波長厚度的MgF2抗反射膜層。

分析透射光強

現(xiàn)在我們已經(jīng)模擬了分光棱鏡的水平透射光路(折射光路)。您也可以通過鍍膜文件定義任意透射比例的理想膜層，或通過定義膜層厚度和材料種類的方法或定義透射率根據(jù)波長和入射角的函數(shù)的方法創(chuàng)建非理想的膜層。

只有在分析或計算中考慮偏振影響時，薄膜膜層的影響才會被考慮，在使用理想膜層時也是如此。像面上的總透射能量可以使用OpticStudio中的偏振分析功能進行計算。我們將使用偏振光線追跡 (Polarization Ray Trace) 工具計算主光線在像面上的總透射能量。

打開偏振光線追跡 (該工具位于分析選項卡 – 偏振 (Polarization)– 偏振光線追跡) 工具，進行如下參數(shù)設置：

總透射能量會顯示在分析窗口的底部：

偏振光線追跡考慮了所有效應的能量損失，其中包括：在追跡光線的波段以及光線在表面上的任意入射角下，AR鍍膜的N-BK7玻璃表面，50/50的理想分光膜層，N-BK7材料的體吸收效應。

多重結構模擬反射光路

下面我們將使用多重結構模擬反射光路。打開多重結構編輯器(位于編輯器 (Editors) 組中的多重結構編輯器 (Multi-Configuration Editor))并使用插入結構 (Insert Configuration) 按鈕插入一個新的結構(或在鍵盤上點擊Ctrl+Shift+Ins)。

在多重結構編輯器中插入多重結構操作數(shù) PRAM，提取坐標間斷面(表面5)的X旋轉 (X Tilt) 參數(shù)(參數(shù)3)。

在第二個結構中設置拾取求解 (Pick-Up Solve)，并設置縮放因子 (Factor) 為-1。

我們需要將表面4的材料類型從 N-BK7 更改為 Mirror。因此，在多重結構編輯器中插入多重結構操作數(shù) GLSS，提取表面4的材料類型并定義結構2的材料類型為Mirror。

在鍵盤上點擊Crtl+A切換鏡頭數(shù)據(jù)編輯器為結構2?，F(xiàn)在，鏡頭編輯器的標題欄中應顯示“結構2/2 (Config 2/2)”。

在3D視圖中進行如下設置以顯示所有結構：

更新視圖窗口，您將看到如下系統(tǒng)結構：

可以看到，反射光線(綠色表示)向錯誤的方向傳播。這是由于結構2中經(jīng)過鏡面后的表面的厚度的符號錯誤導致的，因而造成了“虛擬的”光線傳播。對于正常的光線傳播來說，在鏡面后的厚度的符號會相應的改變。在經(jīng)過偶數(shù)個鏡面后(包括0個鏡面)，光線正常傳播的厚度的符號是正的，虛擬傳播的厚度的符號是負的。在經(jīng)過奇數(shù)個鏡面后，光線正常傳播的厚度的符號是負的，虛擬傳播的厚度的符號是正的。符號的規(guī)定與同一表面中的鏡面數(shù)量或坐標間斷面無關。使用坐標間斷面旋轉180°不會改變這一基本符號規(guī)定。因此，我們需要將結構2中的表面5和6的厚度改變?yōu)?20mm。

插入多重結構操作數(shù) THIC 提取表面5和6的厚度，在結構2中設置拾取求解并設置縮放因子為-1。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結構：

定義雙通光路

現(xiàn)在，我們將模擬雙通光路，其中第二條光路是再次返回到分光棱鏡中的光路。在第二條光路中，光束穿過分光棱鏡物體，因此光線必須再次與相同物體接觸。由于光線必須按照順序逐個通過表面，這表示我們必須為第二條光路重新定義分光棱鏡，這樣光線才能與之相互作用。

插入表面7并在厚度參數(shù)上設置縮放因子為-1的拾取求解，拾取表面6的厚度：

在序列模式中，光線只會按照鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的順序在每個表面上發(fā)生折射或反射。光線從底部反射鏡(表面7)反射后“看不到”表面2-6定義的表面，因此我們需要在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中重新定義分光棱鏡。

我們需要為第二條光路“重新建立”分光棱鏡以使光線與其發(fā)生交互。因此，在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的表面7之后插入3個新的表面。前兩個表面的材料為 N-BK7 玻璃，第三個表面的材料欄留空。使用旋轉/傾斜元件工具，將第二個 N-BK7 表面(表面9)旋轉45度使其變?yōu)榉止饫忡R中的斜面。需要注意的是斜面的材料類型為 N-BK7 而非鏡面，這是由于光線從底部反射鏡(表面7)反射后，我們需要追跡到達頂部像面的透射/反射光線。

設置3D視圖顯示當前結構。當前選擇的結構序號應為2，它也會顯示在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器上方的標題欄中。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結構：

系統(tǒng)結構現(xiàn)在看起來比較奇怪，這是由于表面的孔徑和表面傾斜導致的，我們將在下一節(jié)中進行相應的調整。

最終系統(tǒng)

我們首先需要在表面8、10和12上設置矩形孔徑。對于表面8和12，設置表面屬性 (Surface Properties) 中的孔徑選項卡中的拾取自 (Pickup From) 為表面2;對于表面10，設置拾取自為表面4。

設置表面10的膜層為I.50以及表面8和12的膜層為AR。

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結構：

現(xiàn)在我們得到了正確設置的結構2;但是表面7和12仍然顯示在結構1之中。您可以設置3D視圖顯示所有結構來查看：

表面7-12應該只在結構2中而不是在結構1中顯示，因為結構1只表示傳播穿過分光棱鏡的光束。您可以使用多重結構操作數(shù) IGNM 在結構1中忽略這些表面：

更新3D視圖，您將看到如下系統(tǒng)結構：

分析光強

在偏振光線追跡窗口中的工具欄中點擊復制 (Clone) 打開另一個參數(shù)設置相同的偏振光線追跡分析窗口。

選擇顯示不同結構的分析結果。

現(xiàn)在，您可以看到兩個結構下的總透過率。

最終，您可以在實體模型圖 (Shaded Model) 中看到如下結果，其中棱鏡的透明度 (Opacity) 參數(shù)設為50%：

您還可以旋轉分光棱鏡使其繞中點旋轉。您可以在附件中找到旋轉后的文件Rotating BS.zmx。有關如何進行調整的詳細步驟會在另一篇技術文章中詳細討論。

小結

這篇文章介紹了使用 OpticStudio 中的多重結構功能模擬分光棱鏡。其中包括：

1.正確模擬透過率，使用偏振分析和計算考慮膜層所引入的影響;

2.使用多重結構操作數(shù) IGNR 實現(xiàn)只在個別結構中顯示表面。

審核編輯：湯梓紅