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ueotek 2023-04-03 12:09

Ansys Zemax | 如何使用 Zenike 系数对黑盒光学系统进行建模

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) GW.s\8w  
"6Ly?'H K  
介绍 s)xfTr_$  
y~p7&^FeR  
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。 a/`fJY6rR  
ZaXK=%z  
@: %}clZ  
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。 f-4<W0%  
.:_dS=ut  
v2rXuo  
泽尼克相位数据 ROQk^  
Xo{Ce%L  
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。 e J2[=L'  
uR@\/6!@  
<NT/+>:2  
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。 1sn!!  
HT kce,dQ  
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。
l|j&w[c[Q0  
oaRPYgh4  
起始设计
2ORWdR.b  
V,|9$A;  
本文中使用的所有示例文件都包含在一个 zip 文件中,可以从本文顶部的链接下载该文件。我们将要看的第一个文件是“Cooke one field, one wavelength.zmx”,它基于 OpticStudio 分发的 Cooke 三元组示例文件。顾名思义,此文件基于单个(场,波长)对。 j!m~ :D  
[attachment=117091] 8m-jU 5u  
^x:4%%Q]l  
它的波前看起来像这样:
N-K.#5  
[attachment=117092] Gash3}+  
|~v($c  
它的光斑大小是这样的: *~2jP;$  
[attachment=117093] ?CL1^N%  
-aKL 78  
+zz9u?2C`  
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。 .yg"!X  
>G/>:wwSP.  
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:
McH*J j  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm BQ_\8Qt|  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm ((;9%F:/$  
^D oJ='&  
近轴当量 AVNB)K"  
a[Txd=b  
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: `acorfpi  
[attachment=117094] W+Gu\=s%O  
\+L_'*&8  
fBw+Y4nCO7  
请注意以下几点: PX2Ejrwj  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 ><`.(Z5c  
·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。 K<Ct  
·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。 .9 nsW?  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
z-$?.?d  
9OT2yC T  
V! "^6)  
该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 h/-7;Csv  
Z4h P  
as o8  
[attachment=117095] h`3;^T  
6@bGh|   
在镜头之间复制泽尼克数据 Y5ebpw+B-  
 _%i|*  
返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 0SvPyf%AC  
[attachment=117096] v6f$N+4c  
_eO+O=j_x  
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
PMXnupt  
L[TL~@T   
4Z]^v4vb  
[attachment=117097] hn!$?Vo.  
BIV]4vl-&  
这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。
mpr["C"l  
=Ee f  
我们现在需要将泽尼克系数数据从这个设计转移到近轴等效设计中。这可以通过打印出 Zernike 数据并重新键入来完成,但这很乏味。对于宏来说,这是一个很好的工作。
du'$JtZo  
H@aCo(#  
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: F<IqKgGzH  
{"{J*QH  
/xsa-F  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 Z.<1,EKi=  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients 9h*$P:S;1v  
! of a lens file in a format that can be directly imported 6LvUi|~"<  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface ]p0m6}B  
! First define the variables we need \ 0<e#0-V  
! Enter whatever values are appropriate 0Vy* 0\{S  
! Use INPUT statements if you prefer 8hAI l  
max_order = 37 # can be up to 231 #+ n &  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc ZMx_J  
field = 1 *bv Iqa  
wavelength = 1 $RA"NIZ:!  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients ;'J L$=  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients <;U"D.'  
reference = 0 # reference to the chief ray eTrGFe!8w  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data - *yj[?6  
output$ = “zernike.dat” 5-]%D(y  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using CB?.| )Xam  
file$ = path$ + “\” + output$ zWjGGTP~3&  
PRINT “Writing data to “, file$ cMK6   
;iS}<TA  
(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):
G9V zVx#T#  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data o_\b{<^I  
GETSYSTEMDATA 1 )(DV~1r=  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure !+fHdB  
normalization_radius = EXPD/2 * ?KQ\ Y  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
>O\-\L  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference Yq5}r?N  
aty K^*aX  
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):
F1%' zsv  
w_|WberU  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
$L`7(0U-  
OUTPUT file$ SAo"+%  
FORMAT 1 INT ao7|8[  
PRINT max_order \ 2".Kb@=  
FORMAT 9.8 F7"Ihb^l  
PRINT normalization_radius KJ pM?:  
FOR order = 1, max_order, 1 ASu9c2s  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! lfI[r|  
PRINT VEC1(z_term) 0s<o5`v  
NEXT order 7r}gS2d  
OUTPUT SCREEN yUH8  
! End K5 w22L^=+  
PRINT “Program End” $X\BO&  
END @H{$,\\  
Nw|Lrn*h!  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
{z.}u5N  
[attachment=117098] 8Q6il-  
;W+.]_$6)T  
将此宏放入 {Zemax}/宏文件夹中,单击编程…ZPL宏…刷新列表,以便宏显示在菜单列表中,然后运行它。它将在与原始OpticStudio文件相同的文件夹中创建一个名为“zernike.dat”的文件。如果在记事本中打开此文件,您将看到:
;#Mq=Fr-SG  
MGmtA(  
+Z{ 4OJK  
[attachment=117099] C %EQ9Iq6r  
}.T$bj1B;V  
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。 Q&F@[k  
1W/= =+%I  
9Pem~<  
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: uHf~KYL  
p.l]% \QI  
ZFdQ Z=.'  
[attachment=117100] :Z< 5iLq  
5T8!5EcS*  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
JL(*peeu3  
FG8bP  
nt5 ~"8  
[attachment=117101] -k<.Q=]<t  
@pG\5Jnf  
波前错误现在显示: j?&FK  
[attachment=117102] mIr{Wocx  
<o]tW4\(R  
和点图显示 q_ 5xsTlTR  
kYR&t}jlCg  
[C d 2L&9  
[attachment=117103] ^|sQkufo  
#lB[]2]N  
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。
:'rXu6c-  
[attachment=117104]
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