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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) s:F+bG}| =d.W'q| 介绍 3Il/3\ \1'R}B@; 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。 _H<OfAO G6mM6(Sr !rGI), 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。 }(}vlL *t9qH TFNU+ 泽尼克相位数据 i1@g Hk ']e4! 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。 bO%ck-om! }C`0"
1 <f{`}drp/ 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。 5MU@g*gj,C >Nl~"J|]q 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。 l8us6 2_v+q 起始设计 ,8?*U]} sn`?Foh 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。 HcS^3^Y [attachment=117091] !O_^Rn+<2 ~M1%,] 它的波前看起来像这样: Yx c >+mx [attachment=117092] Xb
1 ^Oj GhA~Pj ZS 它的光斑大小是这样的: Vzm7xl [ [attachment=117093] vz5RS g]JI}O*5 5z]KkPQ 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。 R!xc$`N g~u!,Zc 我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示: Ap18qp 出口瞳孔直径 = 10.2337 mm HV(*6b@ 出口瞳孔位置 = -50.9613 mm Mn;CG'FA 481u1 近轴当量 V t;&2v [c )\?MWW 打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: <QLj6#d7Y [attachment=117094] PMZzzZ {'aqOlw3<j c{ (%+ 请注意以下几点: 1&E&8In]$r ·它使用与原始设计相同的场和波长。 8#-}3~l[ ·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。 :\We =oX ·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。 cu|q& ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。 e$I:[> :PkSX*E[q nwH|Hs riU 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。 Ia"
Mi+{ ueo3i1 J3^Ir [ [attachment=117095] K2v)"|T) 2b1:Tt9 在镜头之间复制泽尼克数据 ^>uGbhBp 5OE?;PJ( 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。 THZ3%o=X [attachment=117096] Q&{5.}L y+h=x4t 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 Vdyx74xX "$9ZkADO i?9Lf [attachment=117097] LnIJw D Cvy;O~) 这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。 0Z(b/fdS <3OV 我们现在需要将泽尼克系数数据从这个设计转移到近轴等效设计中。这可以通过打印出 Zernike 数据并重新键入来完成,但这很乏味。对于宏来说,这是一个很好的工作。 T3 Fh7S / dq&d>f1 以下宏(也包含在文章附件中),称为Zernike Readout.zpl,从此镜头获取Zernike数据,并将其以Tools…在额外数据编辑器上导入数据可以读取。它经历的步骤如下: Xu0*sQK EQ-~e _bsfM;u.% 首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 2YQ$hL ~ ! This macro writes out the Zernike standard coefficients a[De ! of a lens file in a format that can be directly imported ~coG8r"o ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface @^@-A\7[KO ! First define the variables we need E ..[F<5 ! Enter whatever values are appropriate
1Btf)y' ! Use INPUT statements if you prefer #UIg<: max_order = 37 # can be up to 231 B$j,: ^ sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc iqYc&}k, field = 1 v-qS 'N4 wavelength = 1 .=S{ zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients -B!pg7>'## epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients A 78{b^0* reference = 0 # reference to the chief ray 2{\Y<%. vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data 8%B @[YDe output$ = “zernike.dat” 7)#/I
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using c$;enAf@ file$ = path$ + “\” + output$ F9" K PRINT “Writing data to “, file$ DTY=k suwj1qYJ4 (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): IA'AA|v ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data &gfQZxT GETSYSTEMDATA 1 ;RI,zQ EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure R_}(p2 normalization_radius = EXPD/2 U_?RN)>j ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order \I=:,cz*, GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference &Re | |