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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) y(v_-6b  
h0Jl_f#Y  
介绍 d}-'<Z#G  
XG&K32_fs  
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。 ~ziexZ=N  
SF< [FM%1  
$XGtS$  
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。 JIxiklk  
gxmc|  
gz61FW  
泽尼克相位数据 v[&'k\  
/^2CGcT(  
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。 |>2: eH  
|<(t}}X  
4AHL3@x  
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。 A1-qtAO]  
f xtxu?A>  
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。
K-(;D4/sQE  
k1fRj_@WPT  
起始设计
3cC }'j  
Qra>}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。 ETp'oh}?  
[attachment=117091] v!trsjb  
pjN:&#Y]  
它的波前看起来像这样:
!O{ z 3W  
[attachment=117092] &fSTR-8ev#  
J+Bdz6lt  
它的光斑大小是这样的: u+2Lm*M  
[attachment=117093] Dp^/gL=  
U3F3((EYJ  
 O<GF>  
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。 wiE]z  
zZ,Yfd |W  
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:
7Fl-(Nv`  
出口瞳孔直径 = 10.2337 mm D1Yh,P<CF\  
出口瞳孔位置 = -50.9613 mm N E= w6  
' msmXX@q  
近轴当量 lLCdmxbT  
`o si"o9  
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: HmV /> 9  
[attachment=117094] El6bD% \G  
@\}YAa>>"I  
]MAT2$"le  
请注意以下几点: C4NRDwU|.  
·它使用与原始设计相同的场和波长。 I/B1qw;MN  
·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。 y $V[_TN  
·近轴透镜的焦距和到图像表面的厚度均设置为等于原始文件的-1*出瞳位置。-1因子是因为EXPP是从图像到瞳孔测量的,但表面厚度是从瞳孔到图像的距离,因此需要改变符号。 sX:lE^)-z  
·系统具有与原始系统相同的一阶属性。
Zq*eX\#C  
/ L~u0 2?  
bGv4.:)  
该系统的出瞳与原始系统的出瞳大小完全相同,位置相同。为了在近轴透镜输出上添加像差,我们在近轴透镜之后使用Zernike标准相位表面。我们的目标是获取原始透镜的泽尼克系数,并将它们添加到近轴等效透镜的泽尼克表面上。 n+oDC65[  
AyTx'u  
ow.6!tl0=h  
[attachment=117095] l2&hBacT  
rAXX}"l6s  
在镜头之间复制泽尼克数据 Kx6y" {me|  
0YS?=oi  
返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 ~HDdO3  
[attachment=117096] o6|-=FcvC  
I]uhi{\C  
波前的采样和Zernike项的数量都可以由用户通过“设置”对话框定义。确定波前是否充分采样或泽尼克项数量的关键参数是RMS拟合误差和最大拟合误差。此设计使用采样和项数的默认参数,可提供
>. LKct*5K  
~L4eZ  
\9/1L ?@  
[attachment=117097] 2P5_zND  
|F!F{d^p  
这意味着,当我们从从泽尼克系数重建的波前中减去真实的波前时,误差是百万分之一波的数量级。这已经足够接近了!但是,一般来说,您可能需要调整波前采样和最大 Zernike 项才能达到可接受的拟合。
, Oli  
Z$;"8XUM  
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。
7GZq|M_:y  
>o[|"oLO  
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: e|'N(D}h*  
v8@eW.I1  
LfX0Z=<  
首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 K/Y Agg  
! This macro writes out the Zernike standard coefficients k dU! kj  
! of a lens file in a format that can be directly imported *gu8-7'  
! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface 'IQsve7cI  
! First define the variables we need 1^{`lK~2  
! Enter whatever values are appropriate SRz&Nb  
! Use INPUT statements if you prefer kh?. K#  
max_order = 37 # can be up to 231 fk3kbdI  
sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc )U(u>SV(\  
field = 1 7+ XM3  
wavelength = 1 Dip*}8$o(w  
zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients `WlE| G[  
epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients "mZ.V  
reference = 0 # reference to the chief ray a8s4T$  
vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data |E|6=%^  
output$ = “zernike.dat” (pYYkR"  
path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using A=`* r*  
file$ = path$ + “\” + output$ 7B FN|S_l  
PRINT “Writing data to “, file$ WE.Tuo5L  
p4mY0Y]mP  
(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):
f a5]a  
! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data BGqa-d  
GETSYSTEMDATA 1 Tbh'_ F6  
EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure ./w{L"E  
normalization_radius = EXPD/2 KQ)T(mIqp  
! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order
V}9;eJRvw  
GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference Z?1OdoT-  
?q Xs-  
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):
}kPVtSQ  
oI@ 9}*  
! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool
"!q?P" @C  
OUTPUT file$ 9S1#Lr`r  
FORMAT 1 INT Y'N'hRD  
PRINT max_order %f!iHo+Z  
FORMAT 9.8 H;I~N*ltJ(  
PRINT normalization_radius X8CVY0<o  
FOR order = 1, max_order, 1 pFIecca w  
z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! M#M?1(O/NE  
PRINT VEC1(z_term) tWk{1IL  
NEXT order ! F7:i  
OUTPUT SCREEN `K?1L{p'4  
! End (I=6Nnt'  
PRINT “Program End” g42T#p8^  
END _4R,Ej}  
zilaP)5x6  
Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示:
']?=[`#NL  
[attachment=117098] sv=H~wce  
o#e7,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:
`C'}e  
n\= (S9  
z5EVG  
[attachment=117099] E5{n?e  
SDc" 4g`  
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。 \_ -DyD#3  
2Xgx*'t\  
>&hX&,hG  
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: ;$;rD0i|  
|s|/]aD}o  
K-4tdC3  
[attachment=117100] v@_in(dk  
dS$ji#+d$  
按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框:
./.=Rw  
ZQ[~*)  
g1qi\axm  
[attachment=117101] Z#7U "G-A  
vlQ0gsXK  
波前错误现在显示: }n95< {  
[attachment=117102] p&5S|![\  
B01^oYM}  
和点图显示 3bts7<K=  
k4R4YI"jV  
M(5D'4.  
[attachment=117103] h5!d  
J3&Sj{ o  
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。
.Cr1,Po  
[attachment=117104]
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