如何使用Zernike多项式模拟黑盒光学系统

概要

我们经常需要在没有曲率、材料等具体数据的前提下来进行光学系统建模。这篇文章讲述了如何在OpticStudio黑盒文件无法使用的时候，使用泽尼克（Zernike）多项式作为替换方式，描述光学系统的波前像差并精确给出光学系统的成像结果。本文使用的附件请在以下链接下载：

http://customers.zemax.com/support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachments/How-To-Model-a-Black-Box-Optical-System-Using-Zern/zernike.aspx

介绍

有时我们需要在不清楚光学系统细节参数的情况下进行建模。这种情况下我们通常使用近轴透镜进行一阶参数计算。但当需要考虑波前像差时，可以使用泽尼克多项式对系统波前进行精确建模。

针对这一应用，OpticStudio内置有强大的黑盒功能。但是当黑盒文件不可用时（例如进行物理光学传播分析），我们可以尝试如下方法。

如果您想在不提供设计文件的情况下将像差数据发送给您的客户，或使用干涉仪测量没有结构参数的透镜，您都可以使用OpticStudio中的泽尼克相位参数。根据干涉仪软件的不同，测量数据可能为.INT文件以及网格相位数据等，OpticStudio支持全部这些数据格式，但在本文中我们只讨论Zernike数据类型。

泽尼克相位数据可以表示光学系统在特定波长、特定视场下的成像质量。由于光学材料、曲率半径、非球面系数等并不包含在泽尼克数据中。因此无法通过对当前视场和波长下对数据进行缩放得到其他视场或波长的数据。因此，采用这种方法需要对光学系统的每个视场和波长都生成对应的泽尼克相位数据。这些数据文件可以单独或统一输入到OpticStudio中。

有一个很重要的特殊情况：当系统全部使用反射面进行建模时，则可以使用泽尼克标准面对特定视场下所有波长的成像结果进行建模。详情请参考官网知识库文章：

http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-use-the-zernike-sag-surface-to-model-an-all

初始结构

首先我们以示例文件“Cooke one field, one wavelength.zmx”为例，该系统为库克三片镜结构。如文件名所述，该文件只包含一个视场和一个波长。