| 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) mDA+
.l&)b _
j'm2BAO 介绍 WaX!y$/z 7ieAd/:_ 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。 9k9}57m.i *@@dO_%6 mg._ c 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。 ,V5fvHPH)8 mIrN~)C4\ Rc9>^>w 泽尼克相位数据 ,qB@agjvo< iSOyp\E| 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。 ^(T~ Q p eFy
{VpO+ R $dNdd9m Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 FD%OG6db]; l%0-W 有一个重要的例外:当被建模的系统是全反射系统时,可以使用Zernike标准SAG表面来模拟给定场点的所有波长下的性能。下一期将详细介绍此特殊情况。 Ke#Rkt fO#nSB/
8 起始设计 keQRS+9 >ZgV8X: 本文中使用的所有示例文件都包含在一个 zip 文件中,可以从本文顶部的链接下载该文件。我们将要看的第一个文件是“Cooke one field, one wavelength.zmx”,它基于 OpticStudio 分发的 Cooke 三元组示例文件。顾名思义,此文件基于单个(场,波长)对。 7&jq = [attachment=117091] rR{KnM x@)cj 它的波前看起来像这样: Ur1kb{i [attachment=117092] aS>cXJ;= b,jo94.G 它的光斑大小是这样的: D^s#pOZS [attachment=117093] fV6ddh l LBzY`j ]i1OssV~> 现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 C(>g4.-p8 3)e{{]6 我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示:
noB8*n0 出口瞳孔直径 = 10.2337 mm ;>5]KNj
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm uB6Mjdp6 9`H4"H>yG 近轴当量 Ck
m:;q {7$jwk 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: v/v PU [attachment=117094] Ui1s]R y5^OD63s y
La E] 请注意以下几点: at\u7>;.^k ·它使用与原始设计相同的场和波长。 P_p\OK*l]o ·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。 d}|z+D ·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。 MlS5/9m@^ ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。 N<Ym&$xR _2<UcC~ /Q89 y[ 该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 z7P~SM J5<16}* dd
+lQJ c [attachment=117095] B
o%Sl /m^G 99N 在镜头之间复制泽尼克数据 KP>1%ap6 'X4)2iFV 返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 7j#Ix$Ur [attachment=117096] 79o=HiOF99 RHbbj}B 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 F$:UvW@e1 @W==)S%O (WY9EJ<s, [attachment=117097] 1#fR=*ZM" FGm!|iI 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。 5'`DrTOA *.D{d0A 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。 -Oz! GX n\BV*AH 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: 6p3cMJ'8y bcxR7<T,"9 ;nAx@_ab^ 首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 ]F;1 l3I- ! This macro writes out the Zernike standard coefficients 6g#E/{kQw ! of a lens file in a format that can be directly imported F|oyrG ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface U.I7p ! First define the variables we need d@b2XCh<K ! Enter whatever values are appropriate B|M@o^Tf ! Use INPUT statements if you prefer Dk2Zl max_order = 37 # can be up to 231 4N3O<)C)@ sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc mjk<FXW field = 1 Qs8yJH`v wavelength = 1 >f1fvv6 zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients Y 9st3 epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients Zz'g&ew | |