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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) UiE 1TD{  
q$iGeE#  
介绍 vRI0fDu  
UI]UxEJ  
有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 _48@o^{  
L9} %tEP  
Fo.p}j+>  
OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 br3r!Vuz/-  
hI6Tp>b*~  
qmy3pnL  
泽尼克相位数据 3'jH,17lWV  
ehTRw8"R  
如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 bmP2nD6  
-hU1wX%U  
96#aG h>  
Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 {kOTQG?y  
LW#$%}  
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。
!kQJ6U  
5fDp"-  
起始设计
{lO>i&mx  
:ceT8-PBRx  
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。 Y'U]!c9  
[attachment=117091] (k$KUP  
L"[>tY  
它的波前看起来像这样:
*|*6 q/  
[attachment=117092] 0\KDa$ '1k  
h8 !(WO!  
它的光斑大小是这样的: iF^    
[attachment=117093] 2t}^8  
_t-e.2a v  
d`sIgll&n  
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。 OhW o  
c`s ]ciC  
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:
 %G>  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm {^A,){uX]  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm u5I#5  
cM Z-  
近轴当量 79d< ,q;uR  
ZOzwO6(_  
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: VlFhfOR6t  
[attachment=117094] <tI_u ~P  
t2_pwd*B  
kJNu2S  
请注意以下几点: L g2z `uv  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 g$T% C?  
·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。 h { M=V  
·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。 &:[hUn8jU  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
$Ma*qEB  
'9tV-whw  
i-M<_62c  
该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 Sej(jJX1  
YDjjhe+  
LA4,o@V`  
[attachment=117095] uZXG"  
P.W@5:sD  
在镜头之间复制泽尼克数据 58[.]f~0  
!n`Y^  
返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 \qw1\-q  
[attachment=117096] Noi+mL  
gxCl=\  
波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
v<:/u(i  
RN ~pC  
2@>#?c7  
[attachment=117097] Rc#c^F<  
bF c %  
这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。
-`ss7j&b3  
2|JtRE+  
我们现在需要将泽尼克系数数据从这个设计转移到近轴等效设计中。这可以通过打印出 Zernike 数据并重新键入来完成,但这很乏味。对于宏来说,这是一个很好的工作。
@,;VMO  
I`uOsZBO/  
以下宏(也包含在文章附件中),称为Zernike Readout.zpl,从此镜头获取Zernike数据,并将其以Tools…在额外数据编辑器上导入数据可以读取。它经历的步骤如下: 0}wmBSl  
5 NN`tv  
DgGG*OXY  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 qrkJ:  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients @ayrI]m#>,  
! of a lens file in a format that can be directly imported #sb@)Q  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface ,niQs+'<  
! First define the variables we need 2+}hsGnp  
! Enter whatever values are appropriate Z3N^)j8  
! Use INPUT statements if you prefer ;6tGRh$b  
max_order = 37 # can be up to 231 8?G534*r@2  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc _\u?]YTv  
field = 1 Ak+MR EG  
wavelength = 1 }]+k  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients QRz5eGpW  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients A ^X1  
reference = 0 # reference to the chief ray JB9s# `  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data x]pZcx9  
output$ = “zernike.dat” JqP~2,T  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using e6 a]XO^  
file$ = path$ + “\” + output$ \PM5B"MDZ  
PRINT “Writing data to “, file$ ^$~&e :{  
a n|bzG  
(请注意,采样和最大 Zernike 项应设置为您用于上述 Zernike 分析的值。然后,宏获取出口瞳孔直径和 Zernike 数据 (L21-27):
* %w8bB  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data 0<u(!iL  
GETSYSTEMDATA 1 #8i9@w  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure 0jMS!"k   
normalization_radius = EXPD/2 bI+ TFOP  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
6a4-VX5  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference &m{vLw  
ITf4PxF  
请注意,泽尼克曲面的归一化半径是出口瞳孔直径的一半。然后,宏将数据打印到 .DAT 文件的正确格式,以便 Zernike 标准相表面读取它 (L29-43):
+.IncY8C$  
3\H0Nkubts  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
a4x(lx&  
OUTPUT file$ `c/mmS  
FORMAT 1 INT 7Lx =VX#]q  
PRINT max_order +a74] H"  
FORMAT 9.8 RZTC+ylj  
PRINT normalization_radius W ,|JocDq  
FOR order = 1, max_order, 1 |s, Add:S  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! D |9ItxYu  
PRINT VEC1(z_term) lj"72   
NEXT order cp L'  
OUTPUT SCREEN Z lR2  
! End LseS8F/q  
PRINT “Program End” /tu\q  
END cnR18NK  
lJdwbuB6  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
^8{:RiN6e~  
[attachment=117098] # mW#K  
7|^5E*8/  
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:
DW0UcLO  
"XWO#,Ue  
S*S @a4lV7  
[attachment=117099] r"x/,!_E  
$uCY\ xqZ  
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。 _aK4[*jnqh  
9q>rUoK^  
N2\{h(*u  
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: k8O%gO  
]_y0wLq  
d D;r35h=  
[attachment=117100] :WAFBK/x  
A&7~] BR\  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
[hXnw'Im/  
g<jgR*TE`  
]n^TN r7  
[attachment=117101] B'~CFj0W%=  
BM_Rlcx~  
波前错误现在显示: o 12w p  
[attachment=117102] u>h|A(<  
Vc?=cQ'c  
和点图显示 %fB!XCW  
v>E3|w%  
iw0|A  
[attachment=117103] -/gAb<=  
@V71%D8{  
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。
y3Lq"?h  
[attachment=117104]
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