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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) $O_{cSKg7  
d.$0X/0  
介绍 O-&^;]ieJ  
L@"&s#~=3  
有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 *I.eCMDa  
46U*70  
X wIKpr8  
OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 |eI!wgQx  
MSE0z !t  
ZRj/lQ2D  
泽尼克相位数据 0K4A0s_R`  
w@WPp0mny  
如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 \+j:d9?  
mO2u9?N  
=[,EFkU?B  
Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 zl<D"eP  
aC94g7)`  
有一个重要的例外:当被建模的系统是全反射系统时,可以使用Zernike标准SAG表面来模拟给定场点的所有波长下的性能。下一期将详细介绍此特殊情况。
ipyc(u6Z5  
M|fC2[]v B  
起始设计
jo' V.]\  
W`uq,r0Xsy  
本文中使用的所有示例文件都包含在一个 zip 文件中,可以从本文顶部的链接下载该文件。我们将要看的第一个文件是“Cooke one field, one wavelength.zmx”,它基于 OpticStudio 分发的 Cooke 三元组示例文件。顾名思义,此文件基于单个(场,波长)对。 +GncQs y  
[attachment=117091] G=er0(7<  
i0F6eqe=J  
它的波前看起来像这样:
1`GW>ZKv  
[attachment=117092] QXW> }GdKZ  
g@Pq<   
它的光斑大小是这样的: QmMA]Q  
[attachment=117093] '<$*N  
T: SqENV  
$WXO1o(O  
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。 \k{d'R#~(  
4~Y?*|G]m  
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:
8jY<S+[o  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm 4~1lP&  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm aNBwb9X  
tz5\O}  
近轴当量 q07H{{h/B  
Xk!wT2;  
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: (/FG#D.  
[attachment=117094] w I;sZJc  
&?}A/(#  
5O;D\M{>  
请注意以下几点: Y]7 6y>|e  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 Nt\0) &b  
·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。 \OXQ%J2v  
·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。 gJ~CD1`O  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
c dWg_WBC  
KciN"g|X  
$z`l{F4eMf  
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。 N<b~,[yCd>  
 !# zO%  
> `mV^QD  
[attachment=117095] h^ K]ASj  
BwrX.!M  
在镜头之间复制泽尼克数据 o=6 <?v7  
[RY Rt/?Q  
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。 \}~71y}  
[attachment=117096] [ . }Uzx  
4;Vi@(G)  
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
PE g]z  
[b_qC'K[  
Fy0sn|  
[attachment=117097] !^o{}*]Pi  
nSRNd A  
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。
3.1%L"r[)  
3 NFo=Z8  
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。
mZM,"Wq,  
_90<*{bt.  
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: *tv\5KW G  
r Nurzag  
P)#h4|xZ  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 _8!x  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients xkU8(=  
! of a lens file in a format that can be directly imported "0,FB4L[U5  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface -+M360  
! First define the variables we need /]U;7)  
! Enter whatever values are appropriate L|L|liWd  
! Use INPUT statements if you prefer V%z?wDC  
max_order = 37 # can be up to 231 tfu`_6  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc )8oN$2 0  
field = 1 z;y{QO  
wavelength = 1 JU.!<  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients (> _Lb  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients $VB dd~f  
reference = 0 # reference to the chief ray cGR)$:  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data B:Ft(,  
output$ = “zernike.dat” K&zW+C b  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using %-$BtR2@o  
file$ = path$ + “\” + output$ |a a\t  
PRINT “Writing data to “, file$ ;^u,[d  
!tcz_%  
(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):
3l,-n|x  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data FJ4,|x3v[x  
GETSYSTEMDATA 1 QqRF?%7q"q  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure '7/F]S0K  
normalization_radius = EXPD/2 >*opEI+  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
;]b4O4C\  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference dJ#go*Gn  
d7mn(= &  
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):
KeRC8mYp  
aSu^  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
vm{8x o  
OUTPUT file$ *^Ges;5 $"  
FORMAT 1 INT ,Q3OQ[Nmh  
PRINT max_order 97$Q?a8S@  
FORMAT 9.8 0[M2LF!m  
PRINT normalization_radius KO~KaN  
FOR order = 1, max_order, 1 _x1W\#  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! Z^z{, u;!  
PRINT VEC1(z_term) dvqg H  
NEXT order dP +wcl4  
OUTPUT SCREEN MmfBFt*  
! End vd(S&&]o1  
PRINT “Program End” #z _<{' P"  
END 7}y@VO6]  
Kw$@_~BJ6  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
zi3v, Kq  
[attachment=117098] J*MH`;-  
"]kzt ux  
将此宏放入 {Zemax}/宏文件夹中,单击编程…ZPL宏…刷新列表,以便宏显示在菜单列表中,然后运行它。它将在与原始OpticStudio文件相同的文件夹中创建一个名为“zernike.dat”的文件。如果在记事本中打开此文件,您将看到:
KvEv0L<ky  
~CbiKez  
xr]bH.>  
[attachment=117099] p JT)X8K"  
+Ugy=678Tr  
此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 n6.Z{Q'b  
jf`w8*R  
'*65j  
返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件: 'I+S5![<  
[DDe}D3C  
:aomDK*  
[attachment=117100] .r{t&HO;Y  
yYYP;N?g4k  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
`B4Ilh"d  
Hg<aU*o;  
IN<nZ?D#  
[attachment=117101] 1 :$#a  
gd]S;<Jh  
波前错误现在显示: yo->mD  
[attachment=117102] R]e&JoY  
y6tqemz  
和点图显示 i!*<LIq  
y0(.6HI  
Dy,MQIM|!  
[attachment=117103] /<n7 iIK)  
(lS[a  
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。
[j5+PV  
[attachment=117104]
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