接上一次推送《使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析（1）》，欢迎继续阅读。
数组必要条件
在设计此类的系统时需要考察数个参数，包括：
1) 在底片闸 (filmgate) 上所需的照明大小
2) 场透镜数组的透镜大小和位置：
假如数组大小固定的话，较多的透镜通常会产生较好的均匀度但限制了F/#。
数组的位置通常由机构的限制来决定。
3) 成像透镜数组的大小和位置：
数组必须在场透镜数组的焦点上。
基于成本和装配的理由，数组通常是完全相同的。
4) 场透镜数组的焦距：
必须在第二透镜数组上成像，但没有打满光线 (overfilling)。
以ZEMAX来做设计
将藉由使用ZEMAX来决定聚光镜的参数来序列性地分析这个设计。聚光镜的要求，整体来说相当复杂，且照明系统并不会形成一真实的像，故可能使得优化过程复杂化。然而，这个设计可划分成两个不同的工作，每一个都是简单的设计工作。第一个问题仅是准直镜和聚光镜的设计。从光源发出的光将会被准直，然后重新成像在底片闸 (film gate) 位置上，犹如透镜数组不存在般。将光场透镜数组成像到底片闸 (film gate) 位置上是第二个设计上的议题。合并这两个设计的结果就是最后的聚光镜装配。这种型态的设计要求可很快地以ZEMAX的多重组态功能来建构。
多重组态的设计
一个多重组态的设计是参照一光学系统，其系统是经由多于一种的模式或结构来分析。对于多重结构的分析，最普遍的应用之一就是变焦镜头 (zoom lens)，其可允许光学组件的位置以焦距或放大率为函数做改变。其它普遍的系统，包括消温差设计 (athermalized designs)、多重光路系统 (multi-path systems) 和扫描系统 (scanning systems)。
多重组态系统的设定与单组态系统设定非常类似。多重组态编辑器是用来表示那些在不同组态间变化的设计参数。对于这个设计，我们将需要三种组态：第一个组态将建构整个系统，以致于能在底片闸 (film原由网 gate) 上决定均匀度。第二个组态将用来优化相匹配的准直镜和聚光镜的光学组件。第三个组态将用来决定焦距和透镜数组的间隔。
系统参数
对于准直镜和聚光镜，选择准直镜的焦距为60 mm。光源为8 mm长的灯丝，透镜数组为84 mm的正方形，有7 x 7的透镜结构。照明斑点的要求大小为16 mm。从这些我们可以决定//www.58yuanyou.com出数组的焦距：
重要的是，在第二透镜数组上的光源成像大小不能超出透镜组件的大小：
透镜的大小需合适于初始光源的大小。
初始系统设定
最终的透镜参数、厚度、间距、曲率等，将藉由使用ZEMAX的优化功能来决定。一个初始系统，包括基本数据，如光学表面的数目、初始材质的选定和系统孔径，必须在执行优化前提供。
准直镜和聚光镜皆是由两个透镜组件所组成。也将有两个数组式单透镜 (lenslet arrays)，其上共有六个光学组件。整个系统将首先定义 (结构1)，然后将提供多重组态 (configuration 1) 数据。表1列出初始透镜参数。
表1. 初始透镜参数
多重组态编辑栏可用来定义出准直镜、聚光镜和透镜数组间的不同优化参数。显示在表2中。数个列出来的多重组态参数可用来维持系统的设定对称。
表2. 多重组态参数
图3显示三种组态的初始设计。组态1在最下方，组态3在最上方。
图3. 使用三重组态的Layout图来优化聚光镜
绩效函数将使用标准的成像要求，以均方根光点大小 (RMS spot size) 法，来个别对光源经过准直镜和聚光镜对成像，然后光源同时成像于场数组和底片闸的位置。光源是藉由沿着8 mm直性范围的数个点（常取有限个间隔相同的点）光源来定义。准直镜和数组的焦距要求也将在绩效函数中控制。优化设计很容易符合设计要求。图4显示聚光镜的最后设计结果。图5显示在底片闸位置的照明分布。结果的分布显示出在要求的16 mm正方形范围上有高的均匀度 (uniformity)，而在这个范围之外能量较低。
图4. 优化后的聚光镜Layout
图5. 在底片闸上的照明分布
投影光学
投影光学的设计是以双高斯 (double Gauss) 系统为基础。系统的孔径应该与离开聚光镜后的最大输出分布相匹配。虽然系统在此已考察过特定放大率和成像位置，但多重组态在此设计中也可以用来优化放大率和聚焦长度在某范围内的性能。此设计的聚焦长为52 mm、物空间数值孔径 (object space NA) 为0.35、物高为16 mm。在全视场范围内，优化是以使均方根光点大小减到最小为基础。从长共轭系统 (long conjugate) 来优化设计。在结合聚光镜到投影机设计之前，将反向做最后的计算。图6显示投影机光学的设计。放置于距离最后一个透镜表面2000 mm的成像面将不显示。
图6. 投影镜头
系统组装
使用ZEMAX的非序列性功能来分析全部配件的要求。这将允许复杂光源分布的建构，和建构照明与幻灯片对象的投影。大部分所使用的组件可以使用ZEMAX主选单的选项，来直接转成非序列性设计。聚光镜配件将首先转换。使用序列性建构的透镜数组，其设计参数是不同于非序列性模型，所以将需要个别定义。
使用适当的工具，可转换聚光镜设计为非序列性形式。两个个别的透镜也定义为非序列性的，表EjmAhadQ示两个数组的中心组件。“复制工具(Replicator Tool) ”可用来产生每个数组的重复性组件。图7显示透镜数组的形状。每个小透镜是12 mm的正方形。
图7. 透镜数组
投影镜头现在也转换成非序列性系统。所有表面可直接转换成ZEMAX的非序性对象。新的对象可轻易的复制到非序列性组件编辑栏 (Non-Sequential ComponentEditor) 中，并已包含了聚光镜的信息。使用放置投影机组件相对于底片闸位置的功能以确保所有的组件能正确的摆放。图8显示相结合的光学系统。箭头表示光源的位置。
图8. 聚光镜和投影配件
在非序列性分析中，检测面可以放到光学系统中来分析感兴趣位置上的能量分布。在这个系统中，感兴趣的位置是在底片闸、成像面和成像的数组。这个信息对确保光源能量没有充满数组是很重要的。理想上，光源的成像应该是在每一个透镜上所成的像。
除了考察系统的成像性质外，非序列性分析对于杂散光和散射光分析也是有用的。机构组件，如挡板 (baffles)、镜头套桶 (lensbarrels) 和星形轮 (spiders) ，可以加入设计中。表面散射信息也可以更精确的使用于建构杂散光效应。
以分析系统的成像品质开始。将需要在准直镜的焦点建构一个延伸光源 (extended source) 和在底片闸位置放置幻灯片模型。从光源发出的光将传播通过准直镜；打到底片闸，光传播通过投影机到成像面。任何JPG或BMP档案可以放在底片闸上，这将允许投影系统性能的真实表现。图9显示被照明的对象，而图10显示在屏幕位置上的放大成像。为了实际示范，将使用一个延伸的高斯分布光源。
图9. www.58yuanyou.com幻灯片对象（图片大小18mm14mm）
图 10. 投影系统所形成的放大成像（图片大小640mm480mm）
对于灯丝光源 (filament source)，离开光源的大部分能量是朝向离开准直镜。为了增加系统的效率，一个反射组件常放在光源之后来截取这些能量的部分，并改变方向反向朝准直镜。对于这一类的照明具，从光轴补偿光源是很重要的。这将防止重新成像的光源能量造成过热 (heating) 和损坏灯丝的可能性。落在相同的成像阵组件上的灯丝成像仍然是必须的。这个系统显示在图11中。
图11. 补偿灯丝光源在第二个数组上的成像
下一步的设计将包括加入镜头夹具 (mounts)、挡板 (baffles) 和其它机构组件，并使杂散光和鬼影减到最小。可以使用ZEMAX本身的对象或汇入CAD软件所设计的对象来www.58yuanyou.com建构这些组件，以便做更进一步的分析。
结论
ZEMAX这套软件有很强大的功能，对于成像系统和分析照明系统的整体表现，包括杂散光和散射光，可当作设计和优化的工具。投影系统的设计，可用来验证这些功能如何让光学工程师能几乎毫无隔阂的在不同的分析模式下使用。
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