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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) (?zD!%
k }58MDpOF1 介绍 DR:$urU$ zB`woI28 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。 tLfhW1" a6e{bAuq ]6)u$4X6$ 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。 sTlel& PMB4]p%o tS] 泽尼克相位数据 z^Ikb(KC %KT}Map 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。 e}d(.H%l0 X
V;j6g Kmx^\vDs 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。
uu,F5<y[ rHX^bcYK 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。 n%J=!z3 p T 8?z 起始设计 lYQ|NL(): ;t\h"K<,| 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。 KBN% TqH| [attachment=117091] %(lO>4>| Rxd4{L
)n 它的波前看起来像这样: PKSfu++Z [attachment=117092] $P0q! Q[7 i 它的光斑大小是这样的: 4r1\&sI$~ [attachment=117093] GN(<$,~g Q]xkDr?
.=#jdc/ 现在,泽尼克系数是描述光学系统产生的波前误差的紧凑方法。为了产生“黑匣子”模型,我们必须首先生成具有相同一阶特性的近轴光学系统,然后用Zernike数据像差该近轴系统产生的波前。 K -rR)-rI HN{c)DIm] 我们需要的关键近轴数据是出口瞳孔位置和出口瞳孔直径。所有波前数据都是在出射瞳孔中测量的,因此我们的黑匣子系统必须具有相同的瞳孔数据。对于此文件,瞳孔数据如下所示: _f^KP@^j 出口瞳孔直径 = 10.2337 mm IFX$\+- 出口瞳孔位置 = -50.9613 mm
4F~^RR" ob{'Z]-V 近轴当量 $El-pMq :V)jm`)#+ 打开文件“Paraxis Equivalent.zmx”。它模拟了相同的系统,只有一个近轴透镜表面: GYaP"3Lu [attachment=117094] k5.5$<< T 0d9z8y xZ9:9/Vg 请注意以下几点: 'cXdc ·它使用与原始设计相同的场和波长。 :/;/mHG] ·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。 7R2O[=Szq ·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。 1jl!VU6 ·系统具有与原始系统相同的一阶属性。 p%"dYH%]&0 fo@^=-4A- .z`70ot? 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。 @%R<3!3v ;[sW\Ou /8h=6" [attachment=117095] ssi7)0 "n!yK 在镜头之间复制泽尼克数据 6@J=n@J$p c0@8KW[, 返回“Cooke One Field One Wavelength.zmx”文件,然后单击“分析…波…泽尼克标准系数”。OpticStudio计算系统的波前,然后拟合一系列Zernike多项式。 LmF ,en5 [attachment=117096] #dA$k+3 vjGQ! xF 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 ~9dpB>+ %X{EupiFA ' [
4;QYw [attachment=117097] A IP~A]T 'jtC#:ePK 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。 smQ^(S^ Nz,yd%ua 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。 pIJXP$v3 `C+<!)2 以下宏(也包含在文章附件中),称为Zernike Readout.zpl,从此镜头获取Zernike数据,并将其以Tools…在额外数据编辑器上导入数据可以读取。它经历的步骤如下: T
pkSY`T _>;Wz7 {3tzr ;c? 首先,它定义了它需要的所有变量(L1-19)。 Z'JS@dV ! This macro writes out the Zernike standard coefficients pN%&`]Wev ! of a lens file in a format that can be directly imported nVb@sI{{k ! into the Extra data Parameters of a Zernike Standard Phase surface |W">&Rb<t# ! First define the variables we need 7~/ cz_ ! Enter whatever values are appropriate @w[i%F,&` ! Use INPUT statements if you prefer 9 E!le=> max_order = 37 # can be up to 231 OU[<\d sampling = 2 #sampling is 1 for 32×32, 2 for 64×64 etc |p11Jt[ field = 1 }rTH<!j wavelength = 1 l90mM'[ zerntype = 1 # Get standard, not fringe or Annular coefficients ETe4I`d{ epsilon = 0 # only used for Annular Zernike coefficients y>^^. reference = 0 # reference to the chief ray +&Ld`d!n vector = 1 # use the built-in VEC1 array to store the data IS bs l=F output$ = “zernike.dat” _kj]vbG^; path$ = $PATHNAME() # save the data in the same location as the file we are using eU?hin@X file$ = path$ + “\” + output$ ggr PRINT “Writing data to “, file$ )+E[M!34 0+1wi4wy/ (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): WNjwv/ ! Then get the Exit Pupil Diameter. Use VEC1 to store the data
157_0 GETSYSTEMDATA 1 H",B[
YK EXPD = VEC1(13) # see the manual for the data structure n_8[bkbi normalization_radius = EXPD/2 )ZJvx%@i ! Then get the Zernike coefficients up to the maximum required order /:&!o2&1H GETZERNIKE max_order, wavelength, field, sampling, vector, zerntype, epsilon, reference *Gbhk8}V' vJkc/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): 7|P
kc(O woYD &Oml ! Then write them out to file in the format needed for the Import Tool U=on}W3V2 OUTPUT file$ xvr5$x|h FORMAT 1 INT ]T4/dk&|o^ PRINT max_order dhl[=Y`
Q FORMAT 9.8 lq/2Y4LE) PRINT normalization_radius $`=p] FOR order = 1, max_order, 1 W.7rHa z_term = order + 8 # offset to the correct location in the data structure, see manual! kX 1}/l PRINT VEC1(z_term)
5\- uo NEXT order IP~!E_e}\ OUTPUT SCREEN "n-'?W! ! End [M_{~1xX PRINT “Program End” 092t6D} END 0&.CAHb} #x%'U}sF Zernike 数据输入到“Zernike 标准相”曲面的“参数”列中,如下所示: j=_rUc'Me [attachment=117098] LSo!_tY 8s%/5v" 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: wucdXj{% bQAznd0 mYBEjZB [attachment=117099] !,WGd|oJ ;|N:FG 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。 BxY t*b% "}]`64? 2EY"[xK| 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: o9?@jjqH KWwtL"3 Hh<H~s [ [attachment=117100] 5/48w-fnZ j jpYg 按“导入”按钮,成功导入数据后将出现Zemax消息框: <Ox[![SR Rd?}<L Z5{a7U4z_ [attachment=117101] 2pS<;k` ejRK-! 波前错误现在显示:
w-jElV [attachment=117102] MatXhP] Fi gU9{~-9} 和点图显示 ZTC>Ufu2! 0r]n
0?x gjF5~
` [attachment=117103] sE9FT#iE ~m%[d.
}e 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。 eh#37*- [attachment=117104]
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