[光学原理与应用-353]：ZEMAX - 设置 - 可视化工具：2D视图、3D视图、实体模型三者的区别，以及如何设置光线的数量
在光学设计软件ZEMAX中，2D视图、3D视图和实体模型是三种不同的可视化工具，分别用于从不同维度展示光学系统的结构、布局和物理特性。它们的核心区别体现在维度、功能、应用场景及信息呈现方式上，以下是详细对比：
一、维度与信息呈现
| 特性 | 2D视图 | 3D视图 | 实体模型 |
|---|---|---|---|
| 维度 | 二维平面投影（如X-Y、X-Z平面） | 三维立体空间（可旋转、缩放） | 三维实体化模型（含物理属性） |
| 信息层次 | 仅显示几何轮廓和相对位置 | 展示空间布局和光线传播路径 | 模拟真实物理特性（如材料、表面处理） |
| 数据依赖 | 基于镜头数据编辑器（LDE）的参数 | 基于LDE参数 + 光线追迹结果 | 基于LDE参数 + 材料数据库 + 机械结构 |
二、功能与应用场景
1. 2D视图：快速布局与参数验证
- 功能：
- 以平面投影形式展示光学系统的侧面或俯视图，支持标注关键参数（如曲率半径、厚度、直径）。
- 可叠加光线追迹结果（如近轴光线、实际光线），验证系统布局是否合理。
- 应用场景：
- 初步设计阶段：快速检查透镜排列顺序、间距和孔径匹配。
- 公差分析：通过标注公差范围（如厚度公差TTHI），评估制造可行性。
- 示例：
- 在双胶合透镜设计中，用2D视图确认两片透镜的曲率半径和胶合层厚度是否符合设计要求。
- 在反射镜系统中，用2D视图检查光路折叠角度是否满足机械安装空间限制。
2. 3D视图：空间关系与光线传播可视化
- 功能：
- 以交互式3D模型展示光学系统的空间布局，支持旋转、缩放和平移操作。
- 可叠加光线追迹结果（如实际光线、鬼像分析），直观显示光线在系统中的传播路径。
- 应用场景：
- 复杂系统设计：如手机镜头、显微镜物镜，需验证多透镜组的空间对齐和光线覆盖范围。
- 杂散光分析：通过3D视图观察鬼像或散射光的传播路径，优化系统结构以减少杂散光。
- 示例：
- 在卡塞格林望远镜设计中，用3D视图确认主镜和副镜的相对位置及光线反射路径。
- 在激光振镜系统中，用3D视图检查光束在非球面透镜上的入射角度和聚焦位置。
3. 实体模型：物理特性与制造仿真
- 功能：
- 将光学系统转换为实体化模型，包含材料属性（如折射率、阿贝数）、表面处理（如镀膜、磨边）和机械结构（如螺纹、卡槽）。
- 支持导出为STEP/IGES格式，用于机械加工或装配仿真。
- 应用场景：
- 制造准备：与CAD软件（如SolidWorks）集成，验证光学元件与机械结构的兼容性。
- 成本估算：通过实体模型计算材料用量和加工工时，优化设计以降低成本。
- 示例：
- 在手机镜头设计中，用实体模型检查透镜组的机械公差（如偏心、倾斜）是否满足装配要求。
- 在医疗内窥镜设计中，用实体模型模拟镜头与导光束的集成方式，确保空间利用率最大化。
三、操作与交互性
| 工具 | 操作方式 | 交互性 | 输出格式 |
|---|---|---|---|
| 2D视图 | 固定平面投影，支持缩放和标注 | 静态展示，无旋转功能 | 图片（PNG/JPG）、矢量图（SVG） |
| 3D视图 | 鼠标交互（旋转/缩放/平移） | 动态展示，支持光线追迹叠加 | 图片、3D PDF、交互式HTML |
| 实体模型 | 参数化建模 + 材料/机械属性分配 | 支持有限元分析（FEA）和装配仿真 | STEP、IGES、STL（3D打印） |
四、典型案例对比
案例1：手机镜头设计
- 2D视图：
- 展示5片透镜的排列顺序、厚度和孔径，确认总长（TOTR）<5mm。
- 标注各透镜的圆锥系数（Conic）和非球面系数，验证像差校正效果。
- 3D视图：
- 旋转模型观察光束在透镜组中的传播路径，检查边缘光线是否被遮挡。
- 叠加鬼像分析结果，优化镀膜方案以减少反射杂光。
- 实体模型：
- 导出STEP文件至SolidWorks，检查透镜组的机械公差（如偏心≤0.01mm）。
- 模拟装配过程，验证螺纹接口和卡槽的匹配性。
案例2：反射式望远镜设计
- 2D视图：
- 展示主镜和副镜的曲率半径、间距及光路折叠角度，确认符合设计焦距。
- 标注副镜的圆锥系数（K<−1），验证其为双曲面形状。
- 3D视图：
- 旋转模型观察光线从主镜反射到副镜，再聚焦到焦平面的路径。
- 检查副镜边缘是否遮挡主镜反射的光线。
- 实体模型：
- 分配铝材料属性（反射率>90%），模拟实际使用中的光能损失。
- 导出IGES文件至CNC机床，加工主镜和副镜的曲面。
五、选择建议
- 初步设计：优先使用2D视图快速验证布局和参数。
- 复杂系统优化：结合3D视图和光线追迹分析空间关系和杂散光。
- 制造准备：通过实体模型导出机械文件，确保设计与生产无缝衔接。
六、附录
6.1 设置光学的数量
6.2 起始面与终止面
在光学系统设计中，起始面（Start Surface）和终止面（Stop Surface）是定义光线追迹范围、分析像差及优化系统的关键概念。它们不仅影响光线传播的边界，还直接关联到系统的性能评估。以下是两者的详细对比与实际应用解析：
1、定义与核心功能
| 特性 | 起始面 | 终止面 |
|---|---|---|
| 定义 | 光线追迹的起始位置，通常为物面或系统入口 | 光线追迹的终止位置，通常为像面或系统出口 |
| 核心功能 | 确定光线入射条件（如物距、孔径） | 定义系统输出边界（如像面位置、探测器尺寸） |
| 数学意义 | 光线追迹的初始参数（如 u,v,w 方向余弦） | 光线追迹的终止条件（如是否到达像面） |
2、关键区别与对比
1. 位置与作用
- 起始面：
- 位于系统最前端，可能是实物面（如光源）、虚拟物面（如无限远物点）或光阑面（如孔径光阑）。
- 示例：在显微镜系统中，起始面为样品表面；在望远镜系统中，起始面为无限远物点。
- 终止面：
- 位于系统最后端，通常是像面（如CCD传感器）、探测器或出射光瞳。
- 示例：在手机镜头系统中，终止面为图像传感器表面；在激光系统中，终止面为工作面（如切割点）。
2. 参数控制
- 起始面参数：
- 物距（Object Distance）：定义物体到起始面的距离（正值为实物，负值为虚物）。
- 孔径类型（Aperture Type）：控制入射光线的边界（如圆形、矩形、环形孔径）。
- 波长（Wavelength）：设定光线追迹的光源波长（如可见光、红外光）。
- 终止面参数：
- 像面位置（Image Plane）：定义光线聚焦的平面位置。
- 探测器尺寸（Detector Size）：限制可接收光线的区域（如CCD的像素尺寸）。
- 像差分析范围（Field Height）：定义视场范围（如全视场、半视场）。
3. 光线追迹逻辑
- 起始面到终止面：
- 光线从起始面出发，依次通过系统中的每个光学面（如透镜、反射镜），最终到达终止面。
- 示例：在卡塞格林望远镜中，光线从无限远物点（起始面）经主镜反射、副镜反射后，聚焦到像面（终止面）。
- 终止面反馈：
- 若光线未到达终止面（如被遮挡或发散），则视为无效光线，不参与像差分析。
- 示例：在激光切割系统中，若光线未聚焦到工作面（终止面），则切割效果失效。