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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) +_!QSU,@  
5G#n"}T  
介绍 RCrCs  
<b.D&  
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。 #4:?gfIj  
mq l Z?-  
R_KH"`q  
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。 Wqnc{oq |$  
/ FII07V  
wzA$'+Mb  
泽尼克相位数据 aXVFc5C\  
0K+ne0I  
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。 y-k.U%  
kstIgcI  
GyIV Hby  
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。 x2EUr,7  
K9[UB  
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。
1oS/`)  
'91/md5  
起始设计
txpgO1  
#spCtZE  
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。 SBpL6~NW  
[attachment=117091] sK{e*[I>W  
[ 3Gf2_  
它的波前看起来像这样:
7v kL1IA  
[attachment=117092] 4Ig;3 ^%71  
.>S!ji  
它的光斑大小是这样的: oRFq @g  
[attachment=117093] KXy6Eno  
*hx  
.8R@2c`}Cs  
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。 osRy e3  
i. "v4D  
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:
2iOV/=+  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm |=w@H]r  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm S!UaH>Rh  
^c<Ve'-  
近轴当量 ^ y::jK  
 Sf'CN8  
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: .]u /O`c]  
[attachment=117094] pb}*\/s  
L#J1b!D&<6  
>j/w@Fj  
请注意以下几点: NJ<F>3  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 n[z+<VGwC  
·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。 *p U x8yB  
·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。 wz%-%39q%  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
rH-23S  
"[J^YKoF  
WE?5ehEme  
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。 tA;}h7/Lc~  
+whDU2 "  
siI;"?  
[attachment=117095] bw7@5=?;  
DU S6SO  
在镜头之间复制泽尼克数据 QV!up^Zso  
v+XJ*N[W  
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。 ^sw?gH*  
[attachment=117096] [WmM6UEVS  
:> '+"M2r  
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
#mF"1QW  
b=vkiO`2  
z_HdISy0  
[attachment=117097] UNYqft4  
d6O[ @CyP  
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。
_/|\aqF.  
@]j1:PN-  
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。
{ FkF  
iTwm3V P  
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: !g[Zfo2r"  
Y]>t[Lo%  
_)8s'MjA:&  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 ;u JMG  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients R_C)  
! of a lens file in a format that can be directly imported OXA7w.^  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface HN"Z]/ 5j  
! First define the variables we need F5<H m_\:  
! Enter whatever values are appropriate N7"W{"3D  
! Use INPUT statements if you prefer .Mbz3;i0  
max_order = 37 # can be up to 231 tw;}jh  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc *@5@,=d  
field = 1 =bOW~0Z1  
wavelength = 1 ]Ze1s02(  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients sRs>"zAg  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients %J(:ADu]  
reference = 0 # reference to the chief ray e ,(mR+a8  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data :TbgFQ86~  
output$ = “zernike.dat” jA1 +x:Wq  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using .#gzP2 [q  
file$ = path$ + “\” + output$ Ui~>SN>s  
PRINT “Writing data to “, file$ 79gT+~z   
[,Gg^*umS  
(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):
,+k\p5P  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data Y2AJ+ |  
GETSYSTEMDATA 1 -w2/w@&  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure tQ)qCk07  
normalization_radius = EXPD/2 [txE .7p  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
t.<i:#rj>l  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference X ?O[r3<  
.v K-LHs  
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):
/uc>@!F  
7!1S)dup  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
7Q 3k 7  
OUTPUT file$ ?,z}%p  
FORMAT 1 INT oH@78D0A  
PRINT max_order P.cyO3l  
FORMAT 9.8 }j Xfb@`K  
PRINT normalization_radius :#Wd~~d  
FOR order = 1, max_order, 1 i!Ba]n   
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! >4TO=i  
PRINT VEC1(z_term) /~1+i'7V.,  
NEXT order )~>YH*g  
OUTPUT SCREEN 3o*YzwRt  
! End [Xkx_B  
PRINT “Program End” cAw/I@jG  
END yi[x}ffdE  
#!=tDc &  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
wYea\^co  
[attachment=117098] 0GwR~Z}Z  
8*X4\3:*N  
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:
$ nb[GV  
_`X:jj>  
+{]j]OP  
[attachment=117099] @7 }W=HB  
PCA4k.,T  
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。 mpyt5#f  
(3e 2c  
?6!LL5a.  
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: e-;}366}  
`[A];]  
6]N.%Y[(  
[attachment=117100] _c07}aQ ],  
qq?!LEZ  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
/ {%%"j  
BtZyn7a  
}V>T M{  
[attachment=117101] )b)zm2;  
YSMAd-Ef-  
波前错误现在显示: #yen8SskB  
[attachment=117102] !D6]JPX  
"@kaHIf[  
和点图显示 KvS G;  
HW|IILFB  
'w/hw'F6  
[attachment=117103] x-c"%Z|  
M|-)GvR$J  
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。
 _F{C\}  
[attachment=117104]
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