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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) mDA+ .l&)b  
_ j'm2BA O  
介绍 WaX!y$/z  
7ieAd/:_  
有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 9k9}57m.i  
*@@dO_%6  
mg._c  
OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 ,V5fvHPH)8  
mIrN~)C4\  
Rc9>^>w  
泽尼克相位数据 ,qB@agjvo<  
iSOyp\E|  
如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 ^(T~Qp  
eFy {VpO+  
R$dNdd9m  
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。 FD%OG6db];  
l%0-W  
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。
Ke#Rkt  
fO#nSB/ 8  
起始设计
keQRS+9  
>Z gV8X:  
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。 7&jq  =  
[attachment=117091] rR{KnM  
x@)cj  
它的波前看起来像这样:
Ur1kb{i  
[attachment=117092] aS>cXJ;=  
b,jo94.G  
它的光斑大小是这样的: D^s#pOZS  
[attachment=117093] fV6ddh  
l  LBzY`j  
]i1OssV~>  
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。 C(>g4.-p8  
3)e{{]6  
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:
noB8*n0  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm ;>5]KNj  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm uB6Mj dp6  
9`H4"H>yG  
近轴当量 Ck m:;q  
{7$jwk  
打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: v/vPU  
[attachment=117094] Ui1s ]R  
y5^OD63s  
y La E]  
请注意以下几点: at\u7>;.^k  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 P_p\OK*l]o  
·其入射瞳孔直径设置为与原始系统的出射瞳孔直径相同的值。在此文件中,入射瞳孔、停止曲面和出射瞳孔都位于同一位置。 d}|z+D  
·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 MlS5/9m@^  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
N<Ym&$xR  
_2<UcC~  
/Q89y[  
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。 z7P~SM  
J5<1 6}*  
dd +lQJ c  
[attachment=117095] B o%Sl  
/m^G 99N  
在镜头之间复制泽尼克数据 KP>1%ap6  
'X4)2iFV  
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。 7j#Ix$Ur  
[attachment=117096] 79o=HiOF99  
RHbbj}B  
波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
F$:UvW@e1  
@W==)S%O  
(WY9EJ<s,  
[attachment=117097] 1#fR=*ZM"  
FGm!|iI  
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。
5'`DrTOA  
*.D{d0A  
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。
-Oz! GX  
n\BV*AH  
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: 6p3cMJ'8y  
bcxR7<T,"9  
;nAx@_ab^  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 ]F;1l3I-  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients 6g#E/{kQw  
! of a lens file in a format that can be directly imported F|oyrG  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface U.I 7p  
! First define the variables we need d@b2XCh<K  
! Enter whatever values are appropriate B| M@o^Tf  
! Use INPUT statements if you prefer Dk2Zl  
max_order = 37 # can be up to 231 4N3O<)C)@  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc mjk<FXW  
field = 1 Qs8yJH`v  
wavelength = 1 >f1fvv6  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients Y9st3  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients Zz 'g&ewo  
reference = 0 # reference to the chief ray )U]q{0`  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data /_8nZVu  
output$ = “zernike.dat” o,0 Z^"|  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using GyFA1%(o  
file$ = path$ + “\” + output$ \-[ >bsg  
PRINT “Writing data to “, file$ `@u9 fx.  
-?IF'5z  
(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):
x>A[~s"|N  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data Of9 gS-m  
GETSYSTEMDATA 1 q$ j  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure 4TiHh  
normalization_radius = EXPD/2 t9lf=+%s  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
l!\~T"-7;:  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference KO"+"1 .  
Lso%1M  
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):
0| =y#`;,Z  
3mg:9]X9  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
cw0uLMqr`  
OUTPUT file$ e9QjRx  
FORMAT 1 INT N+pCC  
PRINT max_order aQ&K a  
FORMAT 9.8 wqzpFPk(  
PRINT normalization_radius Q;nC #cg  
FOR order = 1, max_order, 1 cveQ6 -`K  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! 1jPh0?BY  
PRINT VEC1(z_term) ? 5OK4cR  
NEXT order +4[9Eb'k=  
OUTPUT SCREEN 'coY`B; 8  
! End GE !p  
PRINT “Program End” t/3qD7L  
END =&FaMR2  
t"MrrK>T  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
=OTu8_ d0t  
[attachment=117098] #v6<9>%  
~Ra8(KocD  
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:
I"KosSs  
WHU l.h  
Q `-Xx  
[attachment=117099] { qCFd  
j|XL$Q  
此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 /o}i,i$  
H"?Ndl:  
tv: mjS  
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: rcH{"\F_/  
EDF0q i  
,,ML^ey  
[attachment=117100] g{K \  
WQB V~.<Yv  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
7fl{<uf  
;r.#|b  
la^K|!|  
[attachment=117101] 7>AM zNj  
7[0CVWs,  
波前错误现在显示: M(^ e)7a1  
[attachment=117102] >Dz8+y  
j^h:*rw  
和点图显示 0;4 YU%u  
}2Y`Lr  
(io[O?te  
[attachment=117103] ,zZ@QW5  
,H$%'s1I(  
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。
kN 0N18E  
[attachment=117104]
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