切换到宽版
  • 广告投放
  • 稿件投递
  • 繁體中文
    • 1645阅读
    • 0回复

    [分享]Ansys Zemax | 如何使用 Zenike 系数对黑盒光学系统进行建模 [复制链接]

    上一主题 下一主题
    离线ueotek
     
    发帖
    197
    光币
    446
    光券
    0
    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-04-03
    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) 4"&-a1N  
    tZ]gVgZg  
    介绍 O-, "/Z  
    \M`qaFan5^  
    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。 XoN~d  
    :zL)O  
    CE"/&I  
    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。 Sca"LaW1  
    Nd0tR3gi7  
    Tm" H9  
    泽尼克相位数据 J|W E&5'  
    -y.cy'$f  
    如果您想在不透露处方数据的情况下将像差数据分发给客户,则可以由 OpticStudio 生成这些 Zernike 相位系数,或者如果您正在测量没有处方数据的镜头,则可以通过干涉仪生成。根据您的干涉仪软件,您可能已经拥有OpticStudio Zernike格式的数据,网格相位数据或.INT文件。OpticStudio可以处理所有这些,但在本文中,我们将仅使用Zernike数据。 IO)Y0J>x  
    fe\lSGmf  
    t$BjJ -G  
    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。 F5?S8=i  
    fD!c t;UK  
    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。
    .fWy\ r0  
    Y"FV#<9@7E  
    起始设计
    _c-3eQ1  
    :jTSO d[r  
    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。 ;yNc 7Vl  
    w$ 8r<?^3  
    $>)0t@[f  
    它的波前看起来像这样:
    < $zJi V  
    ZthT('"a  
    6]7csOE  
    它的光斑大小是这样的: ' ]k<' `b|  
    7(@xk_Pl  
    9E7G%-  
    4  OPY  
    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。 ' i+L  
    GxdAOiq;  
    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:
    P~ObxY|  
    出口瞳孔直径 = 10.2337 mm ;!<}oZp{  
    出口瞳孔位置 = -50.9613 mm xmg3,bO  
    ,YD7p= PY  
    近轴当量 _xKn2?d8g  
    _LJF:E5L  
    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: 5FOMh"!z\  
    2cCiHEL#  
    #E]K*mE'  
    &%OY"Y~bI!  
    请注意以下几点: 4c5BlD  
    ·它使用与原始设计相同的场和波长。 B4.: 9Od3  
    ·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。 4aO/^Hl  
    ·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。 ;,bgJgK  
    ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
    7d;|?R-8D  
    SAP/jD$5]>  
    gPd K%"B@  
    该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 AE rPd)yk0  
    P j   
    -[=~!Qr:  
    v@qP &4Sp  
    c}(H*VY2n  
    在镜头之间复制泽尼克数据 |5 V0_79  
    -8l<5g7  
    返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 I}PI  
    )] @h}K}  
    >9H^r\  
    波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
    i$NlS}W  
    }$_@yt<{W@  
    of B:7  
    J ?o  
    wQSan&81Q  
    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。
    t6"%u3W8M  
    Yw|v5/>  
    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。
    G80N8Lm  
    Vuz.b.,i`  
    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: ) H,Xkex  
    @j|E"VYY  
    p@jw)xI  
    首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 D?n6h\h\$%  
    ! This macro writes out the Zernike standard coefficients `*s:[k5k  
    ! of a lens file in a format that can be directly imported :+\0.\K0!  
    ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface c5ij2X|I  
    ! First define the variables we need DhE-g<  
    ! Enter whatever values are appropriate LdZVXp^  
    ! Use INPUT statements if you prefer WE\TUENac(  
    max_order = 37 # can be up to 231 `;85Mo:qJ  
    sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc #*g=F4>t  
    field = 1 gkr9+  
    wavelength = 1 +p%3pnj:K  
    zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients R,3cJ Y_%  
    epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients L$5,RUy  
    reference = 0 # reference to the chief ray pwFdfp  
    vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data 6ld4'oM  
    output$ = “zernike.dat” phy}Hk/  
    path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using e?W ,D0h  
    file$ = path$ + “\” + output$ _wKwiJs  
    PRINT “Writing data to “, file$ 2 5 \S>  
    D /QLp3+o  
    (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):
    Ja6KO2}p  
    ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data gWr7^u&q@|  
    GETSYSTEMDATA 1 @} Ig*@  
    EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure q;68tEupR  
    normalization_radius = EXPD/2 cC-8.2  
    ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
    Lap?L/NS  
    GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference _V"0g=&Hc  
    ]Q"T8drL  
    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):
    kp*v:*  
    :qE.(k1@5  
    ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
    [QnN1k  
    OUTPUT file$ O h@z<1eYZ  
    FORMAT 1 INT f ./K/  
    PRINT max_order W]po RTJ:  
    FORMAT 9.8 T]\1gs41  
    PRINT normalization_radius GxhE5f;  
    FOR order = 1, max_order, 1 'ma X  
    z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! ~uhW~bT  
    PRINT VEC1(z_term) ]W3_]N 3  
    NEXT order %M96 m   
    OUTPUT SCREEN s*PKr6X+  
    ! End T f3CyH!k  
    PRINT “Program End” 9Jwd*gevV  
    END 3H,x4L5j  
    wa[L[mw  
    Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
    TdPd8ig8{  
    -@XSDfy7S  
    @\?HlGWEf  
    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:
    { { \oC$  
    y_9\07va<  
    /NQrE#pb  
    'pt(  
    @ZISv'F  
    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。 J_7w _T/  
    5qM$ahN3wH  
    +<Gp >c  
    返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件: ejd_ 85$  
    ,8384'  
    cq[9#@ 4=  
    z\eQB%aM  
    ^;F/^ _  
    按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
    neU=1socJ  
    ykC3Z<pI.  
    Qhj']>#g  
    J'2 Yrn  
    &>AwG4HW#j  
    波前错误现在显示: ;y(;7n_ a  
    J=-z~\f56  
    !/,oQoG  
    和点图显示 \lg ^rfj  
    )Ra:s>  
    f(y+1  
    ir6aV|ea!  
    W/UA%We3+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。
    8)S)!2_h  
    本主题包含附件,请 登录 后查看, 或者 注册 成为会员
     
    分享到