本範例將會示範在Zemax OpticStudio模擬一個初步簡易的投射車燈,主要目的在於介紹各種模擬中使用者可能會用到的功能,包含Lens Catalog、光源建模、光源頻譜、拋物面建模、設置探測器、色彩分析以及照度分析。
簡介
本文章介紹如何在Zemax OpticStudio中模擬投射式車燈,主要分為以下章節:
使用透鏡資料庫 (Lens Catalog)
建立拋物面物件
建立鎢絲光源,設定黑體輻射頻譜
建立擋板物件
設定探測器
追跡並檢視結果
我們的最終架構將如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/c2aa4206-1997-42e4-9da5-d5b998ef9559.png)
建立橢圓反射面
橢圓反射面可以把其中一個焦點的光線反射到另一個焦點。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/a396c4db-842b-4062-ae9a-aea7633626f7.png)
我們透過Standard Surface來建立。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/d96705db-4eb1-4eaa-b750-d218f911bca9.png)
參數設定如下:
Material:MIRROR
Radius:30.165
Conic:-0.712
Maximum Aper:50
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/95b3976c-7532-4360-b729-a392d64d242a.png)
建立光源
我們將建立帶有黑體輻射頻譜的鎢絲光源,首先是光源的外型,新增物件定設定如下:
Object 2: Source Filament
X Position:3
Z Position:16.126
Tilt About Y:-90
Layout Rays:100
Analysis Rays:2E7
Length:5
Radius:0.6
Turns:8
接下來點一下 NSCE 上灰色的 Object Properties
選擇 Source 並設定黑體輻射頻譜如下圖:
Source Color: Black Body Spectrum
Temp (K): 5000
Spectrum: 7、Wavelength From 0.44 To 0.64
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/576525f0-27b7-4e96-8d01-6aa7f3c67f9e.png)
備註:
OpticStudio 內建許多常見的頻譜模型,例如黑體輻射、LED、D65 標準白光等
也可以根據三色刺激值、色座標、sRGB 等資訊模擬頻譜
有需要也可以使用純文字文件夾自行定義
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/ed899a3e-0c7f-40f8-a0ce-df17961f625c.png)
備註2:想要確認頻譜的時候,可以到Libraries > Source Spectrum Plot,輸入與剛剛一樣的頻譜設定
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/b588ed12-5603-450e-8974-970e245a48ef.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/400a1f7a-bd80-42ba-8673-36478f573738.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/005beeca-3d1a-44e6-866f-6d56d581f0c5.png)
如所見到的,Source Spectrum Plot 用繪圖方式讓你瞭解剛剛的光源頻譜是如何設定的,這是個很方便的工具。
你可以試著改變參數看看,如下圖:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/fdd21b70-fe3e-4206-a2c9-a91363773a83.png)
現在回到3D Layout設定,設定Color Rays: Wavelength,可以看到如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/434c596d-c35e-4a7a-b56d-e65a30f7e21d.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/f6d54c8d-468e-4a9f-9bea-047769e377b7.png)
備註3:每條光線僅會有一個波長。
使用透鏡資料庫
利用OpticStudio中內建的透鏡資料庫 (Lens Catalog) 可以快速搜尋並套入各大透鏡提供廠商。
這裡我們選用Edmund 鏡片編號 67248.1,這是一片實際買的到的透鏡,口徑 50mm,後焦距 18.04 (平凸非球面),我們將直接從 OpticStudio 內建鏡片資料庫讀取這個透鏡。
請開啟鏡片資料庫,位置在Libraries > Lens Catalog,選擇 Edmund Optics 67248,選好後,使用者可以點擊Layout確認外型,也可以點擊Load來匯入這個透鏡。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/b9140754-29a8-49e3-b431-7242faf8cd97.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/a4e109f5-5a85-4fe6-a2b2-5860cd13f523.png)
把匯入的非球面參數修改如下:
Object 3: Even Asphere Lens
Z Position:233.664
Tilt About X:180
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/62e4ee28-16ec-4d2b-961f-5e474e32ecfb.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/733d6136-1fff-4105-8e5d-7edfcc198521.png)
加入檔板
這裡我們要加入兩個檔板,資料如下:
Object 4: Rectangle
X Position:50
Y Position:-30
Z Position:195.83
Material:ABSORB
X Half Width:50
Y Half Width:30
Object 5: Null Object
Tilt About Z:15
Object 6: Rectangle
X Position:-50
Y Position:-30
Z Position:195.83
Material:ABSORB
X Half Width:50
Y Half Width:30
現在你可以看到這是一個投射式車燈的雛形,擋板同時位在橢圓面鏡與非球面透鏡的焦點上。檔板並沒有完全符合法規需求,實際應用中,使用者還可以依據狀況增加更多物件。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/5c1ed6fc-9d3a-4b49-b173-b9b08a33582b.png)
加入探測器
我們需要探測器來知道10公尺遠的地方,所看到的光型如何。
Object 5: Detector Color
Z Position:10000 (10 公尺)
X Half Width:700
Y Half Width:200
X Pixels:210
Y Pixels:60
Color:4
追跡光線
設定完成後就可以追跡光線了,請點一下Analyze > Ray Trace。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/819150ec-318f-4929-b32e-0bd530d9633d.png)
檢視結果
點一下Analyze > Detector Viewer。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/7b609200-4638-4aa0-84a4-5da97f9f9c8d.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/8ead92fd-fb68-4a8d-9ed9-0e179cd27edb.png)
設定設定 Smoothing = 1,可以讓結果便平滑,以利觀察。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/4c52ff66-7350-45b5-8a71-786dc1cb90d7.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/994e4c3f-8b7a-4a52-a4fc-b43f70dcd69b.png)
我們也可以改變座標軸,以放大觀察。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/6b66cb3a-a2c8-4205-b00e-96b4bc40f671.png)
或是直接用滑鼠圈選畫面放大。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/412410ac-41ad-4ab0-b96e-356b07340e0b.png)
可以看到色散射狀況如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/90807e57-d793-4041-a67f-1cac727cd459.png)
備註4:OpticStudio 除了能顯示真實色彩之外,還能輸出三色刺激值等原始資料。也能計算頻譜分布、色度座標、CCT 色溫等資訊。這些資料都可以被進一步優化,或是使用外部程式透過 API 來讀取並進行更進一步分析
現在你可以嘗試打開Shaded Model,利用已知的各種技巧,做出以下報告圖。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/6d0a1d14-0cf8-4ecb-adc8-c8ca52eb6c50.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/c62d4c4a-c457-43fd-901e-c0de20c40426.png)