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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) m=QCG)s \83sSw 介绍 @;m$ua*|: +vz`go 有时需要表示光学子系统,而不详细了解其处方。对于一阶计算,近轴透镜就足够了,但是当也需要波前像差时,可以使用Zernike相位系数来提供光学系统产生的波前的精确模型。 hY+R'9 GQx9u^> E:FO_R(Xq OpticStudio支持全面的黑盒功能,建议用于此目的。但是,如果无法提供 Zemax 黑匣子文件,则可以使用以下过程。 J='W+=N W<NmsG})_g \X&
C4# 泽尼克相位数据 O6iCZ YdI0E 如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 &3Tx@XhO 8%[HYgd5) XrS\+y3 Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 Ziz=]D_ 6Nt$ZYS 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。 !9r:&n.\ ANMYX18M 起始设计 2zK"*7b? jJ~Y]dQi 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。 ,GrB'N{8e u g\w\b 5lTD]d 它的波前看起来像这样: Fc8E Y* JRO$< M$A#I51 它的光斑大小是这样的: .#fPw_i z/1{OL 9cd 8=][ e7xj_QH 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。 ni6r{eSQ rGlRAn#?, 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: t)N;'v & 出口瞳孔直径 = 10.2337 mm :.iyR 出口瞳孔位置 = -50.9613 mm s
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A 近轴当量 ^7aN2o3{ by86zX 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: ?t rV72D 5|w&dM )ofm_R'q* ? _<[T 请注意以下几点: }q!_!q,@ ·它使用与原始设计相同的场和波长。 0xpx(T[ ·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。 ip``v0Nf ·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。 - 8bNQU ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。 MJ\[Dt WM,i:P)b A+
0,i 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。 d~*TIN8Ke~ |d7$*7TvV 44sy`e O8|*M " C+%K6/J( 在镜头之间复制泽尼克数据 ._CP%
R DjHp+TyT 返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 mm[SBiFO\ iOqk*EL_r\ 0a2@b"l 波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供 5Qa
zHlJ Cca0](R*& (/h5zCc/v :b/jNHJU [@"wd_f{l 这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。 >UHa t FgX\4 我们现在需要将泽尼克系数数据从这个设计转移到近轴等效设计中。这可以通过打印出 Zernike 数据并重新键入来完成,但这很乏味。对于宏来说,这是一个很好的工作。 TJy4<rb nWWM2v 以下宏(也包含在文章附件中),称为Zernike Readout.zpl,从此镜头获取Zernike数据,并将其以Tools…在额外数据编辑器上导入数据可以读取。它经历的步骤如下: D59T?B|BdD ^Jx$t/t Ec]|p6a3 首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 cA;js;x@ ! This macro writes out the Zernike standard coefficients D>sYPrf ! of a lens file in a format that can be directly imported hu5!ev2 ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface orIQ~pF# ! First define the variables we need 1 W'F3 ! Enter whatever values are appropriate v{;7LXy0 ! Use INPUT statements if you prefer `UzVS>]l[+ max_order = 37 # can be up to 231 .T.5TMiOSq sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc NZXjE$<Vr field = 1 Mkv|TyC wavelength = 1 x?r1s#88> zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients lDc;__}Ws epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients i$UQbd reference = 0 # reference to the chief ray 7#-y-B]l vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data ;-@= output$ = “zernike.dat” &35|16z%@ path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using 8_we:
9A file$ = path$ + “\” + output$ R+=a`0_S PRINT “Writing data to “, file$ -50AX1h31: :tGYs8UK (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): vR hnX ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data kA#vByf`v GETSYSTEMDATA 1 d"THt} EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure G?hK9@ |v normalization_radius = EXPD/2 yA7)Y})> ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order <GIwRVCU GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference F0dI/+ /"#4T^7& 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): `
2%6V)s (#Mp 5C'X ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool TEVI'%F OUTPUT file$ ^toAw8A=@0 FORMAT 1 INT TKI$hc3|L PRINT max_order 8{I"q[GZ FORMAT 9.8 %:u[MBe , PRINT normalization_radius m(47s FOR order = 1, max_order, 1 "mIgs9l$ z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! R>)MiHcCg PRINT VEC1(z_term) hWEnn=BW NEXT order @}LZ! y OUTPUT SCREEN %|"Qi]c d ! End 1B:aC|B PRINT “Program End” pP/@ END &Cro2|KZhG | {P|. Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示: iI?{"}BZ Tz-X o {aDFK;qG. 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: jNl/!l7B \,xFg w4 zCe/Kukvy
"S!3m9_# UQ8bN I7 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。 JWHSnu! :pC;`iQ Vb4;-?s_ 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: )iLM]m 4\2V9F{s dbF M,"^ mh`|=M]8E {]/8skov5] 按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框: 9y] J/1# cvo[s, p =nxKttmU0 ecHP
&Z$ Wd 2sh 波前错误现在显示: g1[&c+=U`P SS3-+<z ;u-4KK 和点图显示 .b>TK %|IUq jg
M7dU@ Ag 3#GqmhqKDk sa#.l% # 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。 Faac]5u:*
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