[我分享] ZEMAX 的DMD设计

1.设计概述
起因是看到了一篇文章（Coded-aperture broadband light field imaging usingdigital micromirror devices），里边有两个DMD合在一起用，并使用4f透镜组消除色散，想复刻一下这个系统。系统如下图所示。文章只给出了透镜组是用的这个文件，可以到网上下载（https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=20529-S03.zmx&partNumber=AC254-100-A  ）经过测量，每个元件间的距离大约都是略小于100mm，应该是透镜组的焦距97.068，光路的夹角应该是24°，与DMD的偏转角12°相吻合。


2.实现过程
2.1 基础设置
整体选用序列模式，先在透镜组AC254-100-A的基础上，添加5个视场，设置光谱范围400-700nm。


之后，在镜头数据编辑其中添加与原透镜组相同但方向相反的另一组透镜，如下图所示，并在第4面前插入新的第4面，一会儿设置为MEMS表面。如下所示


2.2 DMD（MEMS)设置
在ZEMAX中，有两种设置DMD的方式，一种是非序列模式，添加物体MEMS，并进行设置(可参考网址)；一种是在序列模式中，选中某一表面，设置为用户定义-us_mems.dll，如下图。两者的参数设置是一样的，仅介绍序列模式，也可以在帮助文档里边搜索mems，阅读其参数设置方法。

参数设置方法：

参数含义
1x方向上的像素数
2y方向上的像素数
3x方向的总长度
4y方向上的总长度
5-7angle 0 1 2的度数，对应于DMD三个状态，比如-12°， 0°， 12 °
8rot angle 围绕Z轴旋转的角度，像素将围绕Z轴旋转。如果Z轴面向页面外/朝向观察者，旋转在X-Y平面是逆时针的。
90 1 2 分别代表，对DMD按照行，列和单像素控制，具体控制方法见下文。
10-10之后是对DMD的控制命令，一个命令可以控制DMD的15个单元（行 列 或单像素）

例子，比如我们设置像素数量是15×15，行和列的总宽度都是15mm，那么每个像素就是1mm×1mm，如果设置angle 0 1 2的度数就是-12°， 0°， 12 °，那么三个角度状态0 1 2就对应-12°， 0°， 12 °。

MEMS对象中的元素从左下角(在MEMS对象的局部坐标系的(-X， -Y)象限)开始编号，像素为# 1。像素首先沿着列的+X方向增加，然后沿着行的+Y方向增加。

如果设置参数9，flag=0，就是对DMD按照行控制，那么这15行就可以通过参数10输入一个命令数字来控制，比如，我们想要这15行都是0状态，那么一个三进制数00000 00000 00000（左到右是 行  从高到低），将这个三进制数转化为10进制数（=0）输入到参数10里边，那么1-15行都会偏转-12度。

如果设置参数9，flag=2，就是对DMD按照单像素控制，共15×15个单像素，参数10只能控制15个像素，就是第一行的15个单像素，第2行的15个单像素由参数11控制，依次类推。

DMD是沿着对角线偏转的，这时候只需要将参数8设置为45°即可，就是沿着对角线偏转。

zemax的控制数量是有限的，大约在3750个，也就是不论行、列还是单像素，ZEMAX最多只能控制这么多个微镜。

2.3 设置演示
将新插入的第4面设置为反射镜，x偏转-24°；接着设置DMD参数为15×15 像素，每个微镜面积为1mm×1mm。angle 0 1 2的度数就是-12°， 0°， 12 °，先设置flag=0(按行控制)。参数10为，7174453（行控制，所有行为0°），如果参数10设置为0或者14348906可能会找不到符合条件的像高，把视场里边的像高改为近轴像高即可，也可能是因为物体在焦点出，平行光而反射镜面积太小了，可以将物面距离设置成无限，ZEMAX中无限是I。如图：


接着设置参数10设置为0或者14348906，可以看到DMD很好地调制了反射的光线的方向。



2.4 完善结果
当设置反射镜反射角度为-24度，且所有微镜偏转-12度时，光路与元件并不重合，能不能像论文中的那样将反射镜保持竖直而仅偏转微镜呢?这个时候就可以用到倾斜和偏心的知识了（可参考网址），打开分析>报告>分类数据报告，参考面数据进行调整。

但是这里比较简单，我们只用把反射边上边的那个间断面删除，并将下边的间断面改为-24度即可。这时可能看起来比较奇怪，好像反射面上入射角不等于反射角，但正式因为DMD微镜偏转了-12°才会导致这样奇怪的现象，本质上入射角与反射角还是相等的。

如果将rot angle设置为45度，可以看到成像光路偏转了，这与DMD按照对角线偏转是吻合的，不过实际中，我们可以不这样做，因为DMD自己可以旋转45°保证光路不偏转。所以在本次仿真中就不将rot angle 偏转45°了。


3.总结
坐到这里，论文中的光路基本就可以像模像样的画出来了。不过要注意的是，ZEMAX应该先将整体的光路在一个光轴上设计出来，再插入反射镜，而不是按照顺序插入反射镜，否则会麻烦很多。接下来我们可以把整个光路设计出来，还要考虑DMD衍射仿真问题，看看这个问题如何解决。