切换到宽版
  • 广告投放
  • 稿件投递
  • 繁體中文
    • 848阅读
    • 0回复

    [分享]Ansys Zemax | 如何使用 Zenike 系数对黑盒光学系统进行建模 [复制链接]

    上一主题 下一主题
    离线ueotek
     
    发帖
    179
    光币
    446
    光券
    0
    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-04-03
    通常需要在设计中表示光学系统,即使您没有详细的处方数据,如曲率半径、眼镜等。本文展示了如何使用 Zernike 系数来描述系统的波前像差,并在无法使用 Zemax 黑匣子表面文件的情况下生成光学系统的简单但准确的表示。如果您依赖于使用光学系统测量的实验数据,但您无法获得其处方数据,则通常会出现这种情况。(联系我们获取文章附件) !$NQF/Ol  
    kGmz1S}2  
    介绍 yUjkRT&h  
    ) 7C+hQe  
    有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 ~ <36vsk  
    dY{qdQQ}  
    `mthzc3W  
    OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 11vAx9  
    s:K'I7_#@  
    F%f)oq`B  
    泽尼克相位数据 I5@8=rFk  
    "m%EFWUOl  
    如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 $0gGRCCG;  
    I~GHx5Dk  
    X[!S7[d-y  
    Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 Q@1SqK#-DQ  
    Jcy+(7lE)  
    有一个重要的例外:当被建模的系统是全反射系统时,可以使用Zernike标准SAG表面来模拟给定场点的所有波长下的性能。下一期将详细介绍此特殊情况。
    |>RNIJ]  
    4,0 8`5{  
    起始设计
    1N[9\Yi  
    }_BNi;H  
    本文中使用的所有示例文件都包含在一个 zip 文件中,可以从本文顶部的链接下载该文件。我们将要看的第一个文件是“Cooke one field, one wavelength.zmx”,它基于 OpticStudio 分发的 Cooke 三元组示例文件。顾名思义,此文件基于单个(场,波长)对。 T>pyYF1Q  
    ]N2! 'c  
    AJ3%Z$JJ;s  
    它的波前看起来像这样:
    z=TO G P(  
    \.'[!GE*c  
    kl1/(  
    它的光斑大小是这样的: OdpHF~(Y/  
    O!t=,F1j  
    ^/VnRpU  
    on;>iKta9  
    现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 UhJ{MUH`  
    - ~4na{6x  
    我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示:
    O^PN{u  
    出口瞳孔直径 = 10.2337 mm )FSEHQ  
    出口瞳孔位置 = -50.9613 mm /ykc`E?f  
    n.i 8?:  
    近轴当量 m[z $y  
    mMvAA;  
    打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: l<p<\,nV$  
    JVGTmS[3  
    ?6]B6  
    peHjKK  
    请注意以下几点: lMH~J8U3  
    ·它使用与原始设计相同的场和波长。 Sl-9im1  
    ·其入射瞳孔直径设置为与原始系统的出射瞳孔直径相同的值。在此文件中,入射瞳孔、停止曲面和出射瞳孔都位于同一位置。 D2GF4%|  
    ·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 9Z }<H/q  
    ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
    7l ,f  
    EDuH+/:n  
    w5^k84vye  
    该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 PD^G$LT  
    =av0a !  
    XUKlgl!+.  
    ?pcbso  
    *?*~<R  
    在镜头之间复制泽尼克数据 8;L;R ~Q  
    yZ[=Y  
    返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 7#W]Qj  
    LF @_|o I  
    Alo L+eN@  
    波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
    alB'l  
    0w: 3/WO  
    `qYiic%  
    /G|v.#2/g  
    "*t0 t  
    这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。
    W9pY=9]p+  
    ,Tu.cg  
    我们现在需要将泽尼克系数数据从这个设计转移到近轴等效设计中。这可以通过打印出 Zernike 数据并重新键入来完成,但这很乏味。对于宏来说,这是一个很好的工作。
    ;c>"gW8  
    ks\q^ten  
    以下宏(也包含在文章附件中),称为Zernike Readout.zpl,从此镜头获取Zernike数据,并将其以Tools…在额外数据编辑器上导入数据可以读取。它经历的步骤如下: w@&z0ODJ  
    Y9|!= T%  
    i39ZBs@  
    首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 ?wv^X`Q*~  
    ! This macro writes out the Zernike standard coefficients wV iTMlq  
    ! of a lens file in a format that can be directly imported O_7}H)  
    ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface %)r:!R~R  
    ! First define the variables we need w/O'&],x  
    ! Enter whatever values are appropriate %8 D>aS U  
    ! Use INPUT statements if you prefer 39hep8+  
    max_order = 37 # can be up to 231 h]L.6G|hEN  
    sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc 8nu!5 3  
    field = 1 %\(-<aT  
    wavelength = 1 [qW%H,_  
    zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients vBOY[>=  
    epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients J4"A6`O  
    reference = 0 # reference to the chief ray Y,GlAr s4  
    vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data  ?ueL'4Mm  
    output$ = “zernike.dat” tq~4W% p/  
    path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using _@y uaMoW=  
    file$ = path$ + “\” + output$ u:lBFVqk  
    PRINT “Writing data to “, file$ xZ)K#\  
    e"wz b< b  
    (请注意,采样和最大 Zernike 项应设置为您用于上述 Zernike 分析的值。然后,宏获取出口瞳孔直径和 Zernike 数据 (L21-27):
    T7 "QwA  
    ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data B1J,4  
    GETSYSTEMDATA 1 =1dczJHV  
    EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure qR!ZtJ5j  
    normalization_radius = EXPD/2 z,$uIv}'@  
    ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
    ZzNHEV  
    GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference gm2|`^Xq$  
    g-wE(L  
    请注意,泽尼克曲面的归一化半径是出口瞳孔直径的一半。然后,宏将数据打印到 .DAT 文件的正确格式,以便 Zernike 标准相表面读取它 (L29-43):
    Z^2SG_pD  
    Y,v9o  
    ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
    E"_{S.Wc  
    OUTPUT file$ OblHN*  
    FORMAT 1 INT oJ %Nt&q  
    PRINT max_order Jk-WD"J6  
    FORMAT 9.8 >J3m ta3  
    PRINT normalization_radius yna!L@ *@,  
    FOR order = 1, max_order, 1 /KWdIP#  
    z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! (J%4}Dm  
    PRINT VEC1(z_term) |f @A-d X  
    NEXT order D.:`]W|  
    OUTPUT SCREEN x}pH'S7  
    ! End >oWPwXA  
    PRINT “Program End” S+~;PmN9qL  
    END MymsDdQ]  
    ]o]`X$n  
    Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
     mjP  
    ~EY)c~ H  
    %;ED} X  
    将此宏放入 {Zemax}/宏文件夹中,单击编程…ZPL宏…刷新列表,以便宏显示在菜单列表中,然后运行它。它将在与原始OpticStudio文件相同的文件夹中创建一个名为“zernike.dat”的文件。如果在记事本中打开此文件,您将看到:
    " Ot%{&:2  
    G gA:;f46  
    %;h1n6=v2  
    y>0 @.  
    DvQV_D  
    此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 ]:D&kTc  
    0.wF2!V.  
    /klo),|&  
    返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件: zA6C{L G3  
    0ZDm[#7z  
    0J'Cx&Rg  
    hNZ_= <D!  
    9&=%shOc+x  
    按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
    g]HWaFjc5  
    USN'-Ah  
    \mGb|aF8  
    q`{@@[/ (y  
    XchD3p+uB  
    波前错误现在显示: xjU0&  
    5)S;R,  
    Z{B[r;  
    和点图显示 *(q{k%/M  
    &$CyT6mb^  
    y'8T=PqY[t  
    0 fT*O  
    !gLJBp  
    此文件生成与原始文件相同的光线追踪结果!在随附的zip中,文件“Zernike Equivalent.zmx”显示了完成的系统。此外,文件“Direct Comparison.zmx”将同一文件的原始版本和Zernike版本显示为两种不同的配置。这允许在文件的两个版本之间轻松进行比较。
    /];N1  
     
    分享到