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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) jgVra*   
H7H'0C  
介绍 k$7-F3  
b^;19]/RW  
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。 <xOpm8  
, .x5  
\4bma<~a  
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。 N`Zm[Sv7  
]j}zN2[A  
ZL+{?1&-  
泽尼克相位数据 \@:pWe  
@R9  
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。 J3}^\k=p"  
49@ pA-  
;#G>qo  
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。 wGBQ.Ve[  
$xvEYK  
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。
@lc1Ipfk"  
(|I0C 'Ki  
起始设计
>6@*%LM  
fp:j~a>E  
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。 tkR^dC  
[attachment=117091] bsR^H5O@  
2Qc&6-;`  
它的波前看起来像这样:
/ZvNgaH5M  
[attachment=117092] Z@RAdwjR`p  
W7O%.xP  
它的光斑大小是这样的: ahhVl=9/ao  
[attachment=117093] Y~,[9:SR  
+0^N#0)  
$lU~3I)  
现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 \@*cj8e  
3S_KycE{  
我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示:
=3a`NO5!  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm Y=vA ;BE]R  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm ]W5s!T_  
2j=3i@  
近轴当量 !:c7I@  
qusgX;)  
打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: "@$o'rfT  
[attachment=117094] c42p>}P[  
RD=!No?  
e1[kgp   
请注意以下几点: lh(A=hn"n  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 ?Xlmt$Jp  
·其入射瞳孔直径设置为与原始系统的出射瞳孔直径相同的值。在此文件中,入射瞳孔、停止曲面和出射瞳孔都位于同一位置。 vJtQ&,zG  
·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 WN?!(r<qA_  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
%Kw5 b ;  
Gvtd )9^<  
6:330"9  
该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 6$%]p1"!K  
SXwgn >  
bpzB}nEp  
[attachment=117095] (xG#D;M0  
R)nhgp(~  
在镜头之间复制泽尼克数据 f2uog$H k  
nUs)  
返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 4AZlr*U  
[attachment=117096] A}t.`FLP,j  
IN , @  
波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
f$*M;|c1c/  
f*NtnD=rJ  
_&19OD%  
[attachment=117097] wrK$ZO]  
xZGR<+t  
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。
yE{l Xp;  
{|%5}\%  
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。
[0m'a\YE9  
O|4~$7  
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: Hu1w/PLq  
: b $ M  
;Zw!  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 $Z.c9rY1  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients 0=t_ a]+  
! of a lens file in a format that can be directly imported d0MX4bhZ  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface ;=_<\2  
! First define the variables we need dQ/Xs.8  
! Enter whatever values are appropriate HR['y9 U  
! Use INPUT statements if you prefer A>R ^iu  
max_order = 37 # can be up to 231 yoGE#+|7^  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc S8.nM}x  
field = 1 \@MGO aR]  
wavelength = 1 M}(4>W  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients [EB2o.E sO  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients 4w2V["?X1  
reference = 0 # reference to the chief ray ?#,\,  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data )Qw|)='-  
output$ = “zernike.dat” ]L}<Y9)t  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using \n`UkxZn+  
file$ = path$ + “\” + output$ hCQ{D|/  
PRINT “Writing data to “, file$ je_77G(F  
o"7,CQye  
(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):
:bLGDEC  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data 1V FAfv%}  
GETSYSTEMDATA 1 Nf<([8v;t  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure } ..}]J;To  
normalization_radius = EXPD/2 Kqhj=B  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
ZSKk*<=  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference GrVvOJr  
d<`Z{"g NS  
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):
r[EN`AxDb  
%#/7Tl:  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
Q1buuF#CU&  
OUTPUT file$ JOenVepQ,  
FORMAT 1 INT p1J%=  
PRINT max_order khjW9Aa8t  
FORMAT 9.8 ;2#7"a^  
PRINT normalization_radius wQPjo!FEX  
FOR order = 1, max_order, 1 bL swq  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! =qI JXV  
PRINT VEC1(z_term) "=P@x|I  
NEXT order J*a`qU   
OUTPUT SCREEN )o AK)e  
! End \W/c C'  
PRINT “Program End” Pg*ZQE[ME8  
END i` Lt=)@&  
xQWZk`6~L  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
f{* G%  
[attachment=117098] "9>#Q3<N  
o] )qv~o)  
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:
xjR/K&[m  
Nl;rg*@o  
r IS \#j  
[attachment=117099] f.rHX<%q9B  
t)$>++i  
此文件包含泽尼克标准相表面所需的所有数据。第一个数字是 Zernike 项的数量,然后是归一化半径,然后是每个 Zernike 项。额外数据编辑器的导入工具可以直接读取此文件。 >qcir~ &  
MttVgNV  
+c\fDVv  
返回到近轴等效透镜文件。在 Surface 2 属性的“导入”选项卡中浏览并打开 zernike.dat 文件: Q'$aFl'NR  
Ji%T|KR_  
g>VkQos5"  
[attachment=117100] XK(<N<Z@|e  
]9;WM.  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
7/Ve=7]  
U{i9h6b"18  
CO4*"~']t  
[attachment=117101] )|Y"^K%Jm  
|`:Uww+3  
波前错误现在显示: hj0uv6t.c  
[attachment=117102] x<9|t(  
urXM}^  
和点图显示 W!GgtQw{F  
H'Z[3e  
I-fs*yzj;8  
[attachment=117103] Jw;J$ u!d  
S`"IM?  
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。
NpH)K:$#%  
[attachment=117104]
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