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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) $!yW_HTx Rt!FPoN,y 介绍 #(JNn'fzq s<eb;Z2D 有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 [t@Mn m(#LhlX H'HA+q OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 F!Q@u [^e%@TV>d kep/+J-u 泽尼克相位数据 dCk3;XU S4Ww5G?. 如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 lP@Ki5 ?!cvf{a fNt`?pWH Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 )ZqTwEr@[ giIWGa.a+ 有一个重要的例外:当被建模的系统是全反射系统时,可以使用Zernike标准SAG表面来模拟给定场点的所有波长下的性能。下一期将详细介绍此特殊情况。 a$" Hvrj A
'5,LfTu 起始设计 |>27B 1Y@Aixx 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。 pDIVZC [attachment=117091] u!X|A`o5i 48qV>Gwf 它的波前看起来像这样: A?%H=>v$ [attachment=117092] lWc:$qnR-K E}p&2P+MR 它的光斑大小是这样的: X/2&!O [attachment=117093] 7/f3Z1g D.Q=]jOs dA0.v+Foz" 现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 \LppYXz QQ ~- 我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示: 6%Pdy$ P 出口瞳孔直径 = 10.2337 mm n3Z5t 出口瞳孔位置 = -50.9613 mm -
'W++tH= $[&*Bj11Yg 近轴当量 f Tl<p&b
lq&wXi 打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: .#Z%1U%P. [attachment=117094] ^1aAjYFn MIoEauf 6qaQ[XTxf 请注意以下几点: aL%AQB, ·它使用与原始设计相同的场和波长。 M|qteo ·其入射瞳孔直径设置为与原始系统的出射瞳孔直径相同的值。在此文件中,入射瞳孔、停止曲面和出射瞳孔都位于同一位置。 5sJJGv#6 ·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 X+}1 ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。 Q[I=T& W"'iIh)z
` k"]dK,, 该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 .wu
xoq 5v}8org ^8Q62 [attachment=117095] ;)e2@'Agl .0rh y2 在镜头之间复制泽尼克数据 Upd3-2kr&J (%xwl 返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 T {Uc:Z [attachment=117096] &PK\|\\2 @reeO= 波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供 I_rO! yi%-7[*]= 0B@Jity#! [attachment=117097] ";Rtiiu 9Fm"ei 这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。 pg%aI, x{c/$+Z[ 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。 KiOcu=F H&
Ca`B 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: ugx%_x6 sHl>$Qevz (RZD'U/B 首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 Zrr5csE ! This macro writes out the Zernike standard coefficients ixQJ[fH10 ! of a lens file in a format that can be directly imported eI:C{0p= ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface i?e`:}T ! First define the variables we need hQH nwr ! Enter whatever values are appropriate _b.qkTWUB ! Use INPUT statements if you prefer H;fxxu`cS max_order = 37 # can be up to 231 z;wELz1L{ sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc pL%r,Y_^\x field = 1 uDSxTz{ wavelength = 1 {aJJ`t zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients :`2=@ . epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients $N=N(^ reference = 0 # reference to the chief ray g9WGkHF vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data 1,~SS output$ = “zernike.dat” /<8N\_wh path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using z7Eg5rm|QZ file$ = path$ + “\” + output$ Bv.`R0e& PRINT “Writing data to “, file$ 9>rPe1iv T%n2$ (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): !o+_T? ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data @b~fIW_3> GETSYSTEMDATA 1 e^Ky<*Y EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure *"r~-&IL normalization_radius = EXPD/2 tP%{P"g3^ ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order RxN,^!OV GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference zC:wNz@zK ]B]*/ 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): lmSo8/%T fH?ha ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool p6XtTx OUTPUT file$ <K4,7J$}h FORMAT 1 INT lP!;3iJ B PRINT max_order "a/ Q%.P FORMAT 9.8 \7
NpT}dj PRINT normalization_radius [wB9s{CX FOR order = 1, max_order, 1 gxMfu?zk" z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! dN}#2Bo= PRINT VEC1(z_term) 4r0b)Y&I NEXT order k` (jkbEZ OUTPUT SCREEN W$Yc'E
; ! End PeE/iZ. PRINT “Program End” 1G'`2ATF* END y tf b$;| }Lw>I94e Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示: !'*csg [attachment=117098] T}=>C+3r UD y(v ] 将此宏放入 {Zemax}/宏文件夹中,单击编程…ZPL宏…刷新列表,以便宏显示在菜单列表中,然后运行它。它将在与原始OpticStudio文件相同的文件夹中创建一个名为“zernike.dat”的文件。如果在记事本中打开此文件,您将看到: #vqo -y7@ }AvcoD/b 5+jf/}tA [attachment=117099] q;wLa#4)J *79m^ 此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 'iY*6<xS< c$QX)V EK$Kee}~ 返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件: ;u(Du-Os! :aIN9; ,*@AX> [attachment=117100] =60~UM ')$NfarQ. 按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框: A[YpcG'9 ACK1@eF [|3>MZ2/ [attachment=117101] ;|cTHGxbE `j9$T:` 波前错误现在显示: 9r2IuS0 [attachment=117102]
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l"zUv 和点图显示 90Hjx>[ $8BE[u|H2 ,[nm_^R*\ [attachment=117103] STA4 p6 {+g[l5CR[ 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。 ro[Y-o5Q0 [attachment=117104]
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