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    [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]

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    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) -PNi^ K_  
    bA}AD`5  
    介绍 ,Bisu:v6FW  
    @ Ii-NmOr  
    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。 KcC!N{  
    63W{U/*aao  
    ShQ|{P9  
    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。 ?Bo?JMV  
    >_XOc  
    "(s6aqO$  
    泽尼克相位数据 t#C,VwMe[  
    n[!;yO  
    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。 z{ptm7  
    >(X #<`  
    I*EJHBsQ5  
    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。 bS>R5*Zp  
    =M7TCE  
    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。
    \ht ?G n  
    a:85L!~:l  
    起始设计
    Q"40#RFA  
    9A~>`.y  
    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。 GL1'Zo  
    '"y}#h__T  
    M\Se_  
    它的波前看起来像这样:
    /Rj#sxtdw  
    zj<ahg%z  
    2 P=[  
    它的光斑大小是这样的: pz{'1\_+9  
    iOXZ ]Xj5  
    4'',6KJ@  
    cJCU*(7&  
    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。 B`fH^N  
    $B\ H  
    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:
    cFK @3a  
    出口瞳孔直径 = 10.2337 mm YutQ]zYA.  
    出口瞳孔位置 = -50.9613 mm c!It ^*  
    CEuWw:)  
    近轴当量 T-'~?[v  
    &)n_]R#)  
    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: WmeKl  
    "+)K |9T#  
    O sQkA2=  
    d+;gw*_Ei  
    请注意以下几点: 8'A72*dhX  
    ·它使用与原始设计相同的场和波长。 a d9CsvW  
    ·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。 8$0\J_  
    ·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 9Hd;35 3Q  
    ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
    yEq#Dr  
    fiVHRSX60  
    0"78/6XIs  
    该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 aBhV3Fd[B  
    kZLMtj-   
    _%~$'Hy  
    zvY+R\,in  
    XM/vDdR  
    在镜头之间复制泽尼克数据 @5.e@]>ZM  
    5rb-U7 /  
    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。 |S&5es-yW  
    1svi8wh  
    ib$nc2BPb  
    波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
    j?6X1cMq  
    & ze>X  
    .m;G$X|3U  
    N2ied^* 0  
    nPN?kO=]  
    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。
    Tde0~j}  
    9M a0^_  
    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。
    O/Rhf[7v*  
    @*>Sw>oet  
    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: hIYTe  
    .&1C:>  
    t P"\J(x  
    首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 w8Vw1wW  
    ! This macro writes out the Zernike standard coefficients Wh( |+rJ?Z  
    ! of a lens file in a format that can be directly imported 3GH(wSv9\  
    ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface D)Q)NI  
    ! First define the variables we need H={&3poBz  
    ! Enter whatever values are appropriate 4-R^/A0  
    ! Use INPUT statements if you prefer ^e Gue  
    max_order = 37 # can be up to 231 2;$ k(x]  
    sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc !TKkec8$  
    field = 1 nXA\|c0  
    wavelength = 1 egk7O4zwP  
    zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients ~rD={&0  
    epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients F'JY?  
    reference = 0 # reference to the chief ray 445o DkG  
    vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data 9Q;c ,]  
    output$ = “zernike.dat” 5D Y\:AF  
    path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using #]]Su91BA  
    file$ = path$ + “\” + output$ (:pq77  
    PRINT “Writing data to “, file$ h3* x[W  
    F_;DN: {  
    (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):
    ,=QM#l]  
    ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data p\p\q(S">  
    GETSYSTEMDATA 1 &?,6~qm[  
    EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure FLZWZ;  
    normalization_radius = EXPD/2 )$ Mmn  
    ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
    'heJ"k?  
    GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference ] )DX%$f  
    bFS>)  
    请注意,泽尼克曲面的归一化半径是出口瞳孔直径的一半。然后,宏将数据打印到 .DAT 文件的正确格式,以便 Zernike 标准相表面读取它 (L29-43):
    j*v40mXl`2  
    ccFn.($p?,  
    ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
    U]|agz>  
    OUTPUT file$ SqA J-_~  
    FORMAT 1 INT .7NNT18  
    PRINT max_order '8Ztj  
    FORMAT 9.8 nmU_N:Y  
    PRINT normalization_radius G oM ip8'u  
    FOR order = 1, max_order, 1 fvq,,@23  
    z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! JAjmrX  
    PRINT VEC1(z_term) Q/ms]Du  
    NEXT order oR1^/e  
    OUTPUT SCREEN Y-mK+1 2  
    ! End epHJ@W@#  
    PRINT “Program End” j@gMb iu  
    END %xZG*2vc!B  
    '*^yAlgtt  
    Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
    iIT8H\e  
    *^\HU=&  
    2& PPz}Sw  
    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:
    51C2u)HE  
    WEg6Kz  
    3.d"rl  
    l>gI&1)%  
    LVJI_O{fH  
    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。 B(?Yw>Xd[  
    im7nJQ^H$q  
    J_;N:7'p  
    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: 2aw&YZ&Xo  
    TGXa,A{  
    9Jf)!o8  
    Migd(uw'  
    PNF?;*`-{7  
    按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
    =*qD4qYA  
    v~3B:k:?l  
    vu!d)Fy  
    uwf 5!Z:>  
    n+@F`]K e  
    波前错误现在显示: fj7|D'c  
    Aa0b6?Jm  
    pLa[}=  
    和点图显示 Z=B_Ty  
    f<=Fsl  
    YjF|XPv+ l  
    ^-mRP\5  
    )VL96did  
    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。
    dkgSvi :!  
     
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