基于uds的含有自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于uds的含有自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，光學(xué)系統(tǒng)越來(lái)越多地采用了特殊的形式，使設(shè)計(jì)更自由、更靈活。自由曲面光學(xué)元件近年來(lái)已經(jīng)成為光學(xué)元件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。自由曲面給傳統(tǒng)光學(xué)以新的生命力,由其構(gòu)成的奇異光學(xué)元件,作為信息傳播的關(guān)鍵元件,在電腦、光通訊、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及視聽(tīng)設(shè)備等各種最新的電子產(chǎn)品中,起著極其重要的作用。由于自由曲面靈活的空間布局和設(shè)計(jì)自由度,使光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化,像質(zhì)得到了提高。然而,利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)仍然是一個(gè)難點(diǎn)。本文運(yùn)用UDS和DLL技術(shù),對(duì)CODEV中的UDS功能做了進(jìn)一步研究,已能夠通過(guò)CODEV中的UDS來(lái)設(shè)計(jì)含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)。1自由曲面的設(shè)計(jì)光學(xué)中的自由曲面是指無(wú)法用球面或非球面系數(shù)來(lái)表示的曲面,主要指任意非傳統(tǒng)曲面、非對(duì)稱(chēng)曲面、微結(jié)構(gòu)陣列曲面和用參數(shù)向量表示的任何形狀的曲面。本文描述的自由曲面采用的是參數(shù)向量表示的任何形狀的自由曲面,其中包含貝塞爾曲面,B樣條曲面及非均勻有理B樣條曲面等。在CODEV中可以用XY多項(xiàng)式來(lái)描述自由曲面。因?yàn)殡p三次B樣條曲面具有直觀、易于控制形狀且具有網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)與曲面階數(shù)互相獨(dú)立和便于局部修改的優(yōu)點(diǎn),我們采用雙三次B樣條曲面來(lái)描述自由曲面。雙三次B樣條曲面的特征網(wǎng)格由16個(gè)控制頂點(diǎn)組成,其方程通常用下式表示:P(u,w)=UBVBTWT式中,控制頂點(diǎn)矩陣V=??????V11V21V31V41V12V22V32V42V13V23V33V43V14V24V34V44??????V=[V11V12V13V14V21V22V23V24V31V32V33V34V41V42V43V44];U和W為參數(shù)矩陣,U=[u3u2u1],W=[w3w2w1];對(duì)于雙三次B樣條曲面,常量矩陣。當(dāng)參數(shù)u和w在之間遍歷時(shí),就可以得到一張雙三次B樣條曲面片。在一般的自由曲面設(shè)計(jì)中,通常需要以某張?jiān)颓鏋榛A(chǔ)設(shè)計(jì)一張新的曲面,為此需要以某張?jiān)颓孀鳛橐罁?jù),反求多邊形網(wǎng)格,然后不斷修正多邊形網(wǎng)格,最終獲得一張滿意的曲面。因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)有的原型曲面,因此我們不需要插值反算。在CODEV中描述自由曲面時(shí),我們直接給定控制頂點(diǎn),并根據(jù)雙三次B樣條曲面的方程來(lái)直接模擬。為了控制自由曲面的面型,我們?cè)O(shè)定16個(gè)控制頂點(diǎn)為可變參數(shù)來(lái)進(jìn)行一定的優(yōu)化修改。2并進(jìn)行了調(diào)整后的文本文件的名字CODEV中自由曲面的光線追跡是利用CODEV中UDS的特點(diǎn),按照鏈接路徑,編寫(xiě)一定的程序鏈接到CODEV,再通過(guò)此程序使用CODEV中的UDS功能進(jìn)而進(jìn)行自由曲面的光線追跡,以此來(lái)完成含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖如下:我們利用CODEV所支持的C語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算和程序編寫(xiě),在VisualC++下進(jìn)行編譯。UDS子程序欲完成光線追跡過(guò)程必須包含以下USERSUR(用戶自定義面形)參數(shù):x,y,z,curv,data,f,fx,fy,fz,error,mode,filename,length。其中:filename(可選),為子程序打開(kāi)的預(yù)先保存的文本文件的名字,此文本文件中有用戶要使用的另外的參數(shù);length,為(可選)文件名字符串的長(zhǎng)度;double*x,double*y,double*z,表示光線上一點(diǎn)的坐標(biāo);double*CUPV,表示光學(xué)面上某點(diǎn)的曲率;doubledata,表示子程序和CODEV之間傳遞的參數(shù),它依賴傳遞參數(shù)的個(gè)數(shù);double*f,表示f=z′-z,z′為利用點(diǎn)(x,y,z)中x,y的值來(lái)計(jì)算滿足曲面方程上的點(diǎn)Z值;double*fx,double*fy,double*fz,表示F函數(shù)曲面在光線上點(diǎn)(x,y,z)處的方向余弦;long*error,表示錯(cuò)誤標(biāo)志,沒(méi)有錯(cuò)誤時(shí)置0,出錯(cuò)時(shí)置非0;long為mode。CODEV通過(guò)編寫(xiě)的程序來(lái)計(jì)算光線走向上每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo):當(dāng)光線點(diǎn)的坐標(biāo)和自由曲面上的點(diǎn)不重合的時(shí)候,向CODEV主程序返回一個(gè)f非零值,子程序繼續(xù)計(jì)算其他光線和自由曲面的交點(diǎn);當(dāng)光線點(diǎn)的坐標(biāo)和自由曲面上的點(diǎn)重合時(shí),向CODEV主程序返回值f=0,以此來(lái)記錄此點(diǎn)的位置,即光線和自由曲面的交點(diǎn)。無(wú)數(shù)光線和自由曲面的交點(diǎn)的集合就構(gòu)成了自由曲面;當(dāng)追跡完所有光線時(shí),構(gòu)成了整個(gè)自由曲面,也完成了自由曲面的光線追跡過(guò)程。使用CODEV的鏈接路徑將程序鏈接成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件,產(chǎn)生于CODEV應(yīng)用程序所在目錄的CVUSER子目錄下。使用CODEV設(shè)計(jì)含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)時(shí),在surfaceproperties對(duì)話框的surfacetype列表欄中選擇UDS,并且在UserDefinedSurfaceName中輸入面型名稱(chēng)(即編譯好的DLL庫(kù)文件名稱(chēng)),在LDM的參數(shù)列上輸入所需的參數(shù)以及在附加參數(shù)列表中輸入自由曲面所需附加的參數(shù)(我們?cè)O(shè)定了16個(gè)附加參數(shù))。其他操作與普通面型一樣。對(duì)于此程序的準(zhǔn)確性和可靠性,我們?cè)谶M(jìn)行研究的初級(jí)階段就進(jìn)行了驗(yàn)證。起初,我們使用此方法設(shè)計(jì)了球面光學(xué)系統(tǒng),其結(jié)果能夠進(jìn)行正確的光線追跡和優(yōu)化設(shè)計(jì);隨后,我們分別驗(yàn)證了平面和錐面,結(jié)果均能進(jìn)行正確的光學(xué)設(shè)計(jì)。3基于tablev的非共軸平板顯示光學(xué)系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)實(shí)例,我們?cè)O(shè)計(jì)了含有自由曲面的目視放大顯示系統(tǒng)。將小尺寸彩色圖像放大,以虛像顯示目前常采用凹面鏡的光學(xué)系統(tǒng),其中利用了半透半反射鏡,如圖2所示。當(dāng)采用含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)后,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小型化,薄型化,如圖3所示。我們利用CODEV設(shè)計(jì)的含有自由曲面的非共軸平板顯示光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。其中,第1面和第2面是CODEV中內(nèi)置面型為偏心和傾斜的球面,第3面為自由曲面,它們共同構(gòu)成了一個(gè)自由曲面棱鏡。通過(guò)此種特殊面型的配合,可以獲得大視場(chǎng)、小焦距、大放大倍率的效果,其制造可以采用模壓成型技術(shù)。然而一般的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,包括CODEV的內(nèi)置面型,均不能采用雙三次B樣條曲面來(lái)模擬這種面型,并且在對(duì)自由曲面進(jìn)行光線追跡中求光線和曲面的交點(diǎn)也比較困難。我們通過(guò)對(duì)自由曲面以及CODEV中用戶自定義面型功能的進(jìn)一步研究,可以使用CODEV對(duì)自由曲面進(jìn)行光線的追跡,即求光線和自由曲面交點(diǎn)的同時(shí)把此面描述出來(lái),完成含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。4自由曲面光學(xué)系統(tǒng)本文對(duì)含有自由曲面的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究,用雙三次B樣