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)介绍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。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。泽尼克相位数据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OpticStudioZernike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。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。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。起始设计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“Cookeonefield，onewavelength.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。它的波前看起来像这样：它的光斑大小是这样的：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。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：出口瞳孔直径=10.2337mm出口瞳孔位置=-50.9613mm近轴当量打开文件“ParaxisEquivalent.zmx”。它模拟了相同的系统，只有一个近轴透镜表面：请注意以下几点：它使用与原始设计相同的场和波长。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。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。系统具有与原始系统相同的一阶属性。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。在镜头之间复制泽尼克数据返回“CookeOneFieldOneWavelength.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。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。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。以下宏（也包含在文章附件中），称为ZernikeReadout.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：首先，它定义了它需要的所有变量（L1-19）。!ThismacrowritesouttheZernikestandardcoefficients!ofalensfileinaformatthatcanbedirectlyimported!intotheExtradataParametersofaZernikeStandardPhasesurface!Firstdefinethevariablesweneed!Enterwhatevervaluesareappropriate!UseINPUTstatementsifyouprefermax_order=37#canbeupto231sampling=2#samplingis1for32x32,2for64x64etcfield=1wavelength=1zerntype=1#Getstandard,notfringeorAnnularcoefficientsepsilon=0#onlyusedforAnnularZernikecoefficientsreference=0#referencetothechiefrayvector=1#usethebuilt-inVEC1arraytostorethedataoutput$="zernike.dat"path$=$PATHNAME()#savethedatainthesamelocationasthefileweareusingfile$=path$+"\"+output$PRINT"Writingdatato",file$（请注意，采样和最大Zernike项应设置为您用于上述Zernike分析的值。然后，宏获取出口瞳孔直径和Zernike数据（L21-27）：!ThengettheExitPupilDiameter.UseVEC1tostorethedataGETSYSTEMDATA1EXPD=VEC1(13)#seethemanualforthedatastructurenormalization_radius=EXPD/2!ThengettheZernikecoefficientsuptothemaximumrequiredorderGETZERNIKEmax_order,wavelength,field,sampling,vector,zerntype,epsilon,reference请注意，泽尼克曲面的归一化半径是出口瞳孔直径的一半。然后，宏将数据打印到.DAT文件的正确格式，以便Zernike标准相表面读取它（L29-43）：!ThenwritethemouttofileintheformatneededfortheImportToolOUTPUTfile$FORMAT1INTPRINTmax_orderFORMAT9.8PRINTnormalization_radiusFORorder=1,max_order,1z_term=order+8#offsettothecorrectlocationinthedatastructure,seemanual!PRINTVEC1(z_term)NEXTorderOUTPUTSCREEN!EndPRINT"ProgramEnd"ENDZernike数据输入到“Zernike标准相”曲面的“参数”列中，如下所示：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：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。返回到近轴等效透镜文件。在Surface2属性的“导入”选项卡中浏览并打开zernike.dat文件：按“导入”按钮，成功导入数据后将出现Zemax消息框：波前错误现在显示：和点图显示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“ZernikeEquivalent.zmx”显示了完成的系统。此外，文件“DirectComparison.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。
