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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) 0<XxR6w  
OJ1MV7&  
介绍 Eb7GiRT#  
Q-?6o  
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。 m++=FsiX=  
>|pN4FS  
+,_%9v?3  
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。 0m,q3  
aF{1V \e  
O'{g{  
泽尼克相位数据 (@Kc(>(: Y  
<2e[;$  
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。 3Ct:AJeg  
2@!B;6*8q  
4$y P_3  
Zernike相位数据表示光学系统在特定场和特定波长下性能的测量。因为有关玻璃、曲率半径、非球面系数等的信息。不是 Zernike 数据的一部分,无法将 Zernike 数据缩放到不同的场或波长。因此,对于要模拟性能的每个(场、波长)对,您将需要一组 Zernike 相位数据。这些可以通过为每个(场,波长)组合提供一个单独的文件或(更有可能)为每个(场,波长)对提供单独的配置来输入OpticStudio。 oh7tE$"c  
Nwg?(h#  
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。
F@b=S0}K  
6@;sOiN+  
起始设计
vO)]~AiB  
! mZWd'  
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。 cAn_:^  
[attachment=117091] ^x2@KMKXZ  
P}"T 3u\N  
它的波前看起来像这样:
*mz-g7  
[attachment=117092] AHU =`z  
3$9V4v@2  
它的光斑大小是这样的: RBLOc$2  
[attachment=117093] TSH'OW !b  
 6lL^/$]  
\[d~O>k2  
现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 lf\^!E:  
*mkVk7]c  
我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示:
!ou;yE&<,  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm A: O"N  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm w8bvqTQ  
E"7[|-`e6  
近轴当量 VV/aec8  
'?6j.ms M  
打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: (3Z;c_N  
[attachment=117094] ?1**@E0  
89m9iJ=  
yG^pND>_df  
请注意以下几点: V ONC<wC  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 Q)=2%X  
·其入射瞳孔直径设置为与原始系统的出射瞳孔直径相同的值。在此文件中,入射瞳孔、停止曲面和出射瞳孔都位于同一位置。 aoBiN_  
·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 FQ0PXYh  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
X%T%N;P  
<`u_O!h  
z3{Cp:Mn  
该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 +p$lVnAt  
%a]Imsm  
*-S?bv,T'  
[attachment=117095] NieNfurG%  
6Fc*&7Z+  
在镜头之间复制泽尼克数据 aMGyV"6(-6  
i v.G  
返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 ^v+p@k  
[attachment=117096] i.^:xZ  
<*9(m  
波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
,b:~Vpb1I  
p(fMM :  
)iJv?Y\]  
[attachment=117097] !JBj%|!  
[c XSk  
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。
hVl@7B~  
S|fb'  
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。
:? s{@7  
n:f&4uKoG<  
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: Ro;I%j  
yb>R(y  
c7.M\f P  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 bz1AmNZG  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients 7* [  
! of a lens file in a format that can be directly imported 0\, !  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface nTD4^'  
! First define the variables we need YABi`;R]'  
! Enter whatever values are appropriate T=RabKVYP  
! Use INPUT statements if you prefer 5hh6;)  
max_order = 37 # can be up to 231 )Cat$)I#,  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc =\mJ5v"hA  
field = 1 $R+rB;=a!  
wavelength = 1 d%RH]j4  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients 4$81ilBcL  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients :i|]iXEI"  
reference = 0 # reference to the chief ray (g&@E(@]?  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data Xtloyph  
output$ = “zernike.dat” ~SmFDg$/m  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using s< Fp17  
file$ = path$ + “\” + output$ Xq<_r^  
PRINT “Writing data to “, file$ 2.\"Q  
SbQ:vAE*ho  
(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):
; rNX  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data 3E0C$v KM  
GETSYSTEMDATA 1 uKj(=Rqq  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure Yh Ow0 x  
normalization_radius = EXPD/2 5m;BL+>YE  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
sk*vmxClY  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference A~^x*#q{4  
$sUn'62JlU  
请注意,泽尼克曲面的归一化半径是出口瞳孔直径的一半。然后,宏将数据打印到 .DAT 文件的正确格式,以便 Zernike 标准相表面读取它 (L29-43):
1f'msy/  
Wc,`L$Jx  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
"d /uyS$6  
OUTPUT file$ bAy\Sr #/  
FORMAT 1 INT uy<<m"cA;  
PRINT max_order gI"cZ h3}  
FORMAT 9.8 D6"d\F m<  
PRINT normalization_radius Z[0/x.pp$  
FOR order = 1, max_order, 1 BR_fOIDc  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! LFr$h`_D5  
PRINT VEC1(z_term) '=eVem=  
NEXT order $~VIx% h  
OUTPUT SCREEN <@l j\,  
! End j)#yyK{k2s  
PRINT “Program End” Wyow MFp  
END >;R7r|^k  
E25w^x2  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
'Sesh'2 /  
[attachment=117098] 5:#|Op N  
(_6JQn  
将此宏放入 {Zemax}/宏文件夹中,单击编程…ZPL宏…刷新列表,以便宏显示在菜单列表中,然后运行它。它将在与原始OpticStudio文件相同的文件夹中创建一个名为“zernike.dat”的文件。如果在记事本中打开此文件,您将看到:
W}%"xy]N  
~ Nf|,{[(5  
JT=ax/%Mo  
[attachment=117099] Z[B:6\oQ  
rq Uk_|Xa  
此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 2E`mbT,v&  
7%[ YX  
/k(wb4Hv  
返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件:  cV_-Bcb  
x34GRe!!  
Qpj[]c5  
[attachment=117100] mlUj%:Gm#  
rl&.|;5uH;  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
Q04 `+Vr  
4%|r$E/TQ  
71ab&V il  
[attachment=117101] y y[Y=  
Xr'b{&  
波前错误现在显示: UX<)hvKj  
[attachment=117102] Hl'AnxE  
 rvK%m_r  
和点图显示 7$t['2j3  
]0[ot$Da6  
g!o2vTt5  
[attachment=117103] euW   
^HtB!Xc  
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。
;*ULrX4[  
[attachment=117104]
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