离焦增量选项只有在离焦点列图被选择时才使用.它是在点列图平面上Z方向的间隔.每个视场角显示5 个点列图.离焦量是给定的离焦增量分别乘以-2,-1,0,1,2.离焦量单位是mm..某些系统中,缺省的离焦增量太小以至于不能使点列图的结构发生改变.
Ray density
若选择六角形或高频脉冲光瞳模式,光线密度决定了六角环形的数目,若选择长方形模式,光线密度决定了光线数目的均方根.被追迹的光线越多,虽然计算时间会增加,但点列图的RMS 越精确.第一个六角环中有6 条光线,第二个有12 条,第三个有18 条,依此类推.
Use Symbols
若选中,每种波长将画不同的符号,而不是点.它可以帮助区分不同的波长 说明:
光线密度有一个依据视场数目,规定的波长数目和可利用的内存的最大值.离焦点列图将追迹标准点列图最大值光线数目的一半光线.列在曲线上的每个视场点的GEO 点尺寸是参考点(参考点可以是主波长的主光线,所有被追迹的光线的重心,或点集的中点)到距离参考点最远的光线的距离.换句话将,GEO 点尺寸是由包围了所有光线交点的以参考点为中心的圆的半径.RMS 点尺寸是径向尺寸的均方根.先把每条光线和参考点之间的距离的平方,求出所有光线的平均值,然后取平方根.点列图的RMS 尺寸取决于每一根光线,因而它给出光线扩散的粗略概念.GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息.艾利圆环的半径是1.22 乘以主波长乘以系统的F# ,它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向.对于均匀照射的环形入瞳,这是艾利圆环的第一个暗环的半径.艾利圆环可以被随意的绘制来给出图形比例.例如,如果所有的光线都在艾利圆环内,那么系统被认为处于衍射极限状态.若RMS 尺寸大于空心环尺寸,那么系统不是衍射极限.衍射极限特性的域值依赖于判别式的使用.系统是否成为衍射极限并没有绝对的界限.若系统没有均匀照射或用渐晕来除去一些光线,艾利圆不能精确地表示衍射环的形状或大小.在点列图中,ZEMAX 不能画出拦住的光线,它们也不能被用来计算RMS 或GEO 点尺寸.ZEMAX 根据波长权因子和光瞳变迹产生网格光线(如果有的话).有最大权因子的波长使用由“Ray Density”选项设置的最多光线的网格尺寸.有最小权因子的波长在图形中设置用来维持正确表达较少光线的网格.如果变迹被给定,光线网格也被变形来维持正确的光线分布.位于点列图上的RMS 点尺寸考虑波长权因子和变迹因子.但是,它只是基于光线精确追迹基础上的RMS 点尺寸的估算.在某些系统中它不是很精确.
像平面上参考点的交点坐标在每个点列图下被显示.如果是一个面被确定而不是像平面,那么该坐标是参考点在那个面上的交点坐标.既然参考点可以选择重心,这为重心坐标的确定提供了便利的途径.
5.5 调制传递函数MTF
计算所有视场位置的衍射调制传递函数.本功能包括衍射调制传递函数(DMTF),衍射实部传递函数(DRTF),
衍射虚部传递函数(DITF),衍射相位传递函数(DPTF),方波传递函数(DSWM).如图.
各选项说明
Sampling 在光瞳上对OPD 采样的网格尺寸,采样可以是32×32,64×64 等等.虽然采样数目越高产生的数据越精确,但计算时间会增加.Show Diff Limit 选择是否需要显示衍射极限的MTF 数据.
Max Frequency 确定绘图的最大空间频率(每mm 的线对数) Wavelength 计算中所使用的波长序号 Field 计算中所使用的视场序号
Type 可选择模数,实部,虚部,相位或方波
DMTF,DRTF,DITF,DPTF 和DSWM 函数分别表示模数(实部和虚部的模),实部,虚部,相位或方波响应曲线.与正弦波目标响应的其它曲线相反,方波MTF 是特定空间频率下方波目标的模数响应,方波响应是用下面的公式由DMTF 数据计算的:
这里S(v)表示方波响应,M(v)表示正弦目标响应的模数,v 表示空间频率.当采样点增加或OPD 的峰谷值减小时,衍射计算更精确.如果光瞳处的峰谷值很大,那么波前采样是很粗糙的,会有伪计算产生.伪计算会产生不精确的数据.当伪计算发生时,ZEMAX 会试图检测出来,并发出适当的出错信息.但是,ZEMAX 不能在所有情况下自动检测出何时采样太小,尤其是在出现很陡的波前相位时.当OPD(以波长为单位)很大时,如大于10 个波长,这时最好用计算几何MTF 来代替衍射MTF.对于这些大像差系统,几何
MTF 是很精确的,尤其是在低的空间频率下.任一波长的截止频率用波长乘以工作F/#分之一所得的值表示.ZEMAX 分别计算每个波长,每个视场的子午和弧矢的工作F/#.这样可以得出精确的MTF 数据,即使是那些有失真和色畸变的系统,如有混合柱面和光栅的系统也是如此.因为ZEMAX 不考虑矢量衍射,MTF 数据对大于F/1.5 的系统是不精确的(精度的衰退变化是逐步的).这些系统中,OPD 特性曲线数据是更重要的,因而是更可靠的性能指标.如果系统不接近衍射极限,几何MTF 可以证实是有用的.若显示,衍射极限曲线是在轴上计算的与像差无关MTF 值.在轴上光线不能被追迹的情况下(如当一个系统只有在轴外视场才能工作时),那么第一个视场位置被用来计算“衍射极限”MTF.MTF 曲线的空间频率刻度用像空间每毫米的线对数表示,它只是一个对正弦目标响应MTF 曲线的确切术语.但术语“每毫米的线对数”经常被使用,与正弦目标曲线相反,严格地说“每毫米的线对数”应使用黑白条纹,因为在工业上是通用的,ZEMAX 在使用这些术语时不加区别.MTF 通常是在像空间测量的,当决定物空间的空间频率响应时,需要考虑系统的放大率.
离焦的MTF
在确定的空间频率下,计算所有视场位置的离焦衍射传递函数.此功能包括离焦衍射传递函数,离焦衍射传递函数的实部,离焦衍射传递函数的虚部,离焦衍射传递函数的相位,离焦衍射方波传递函数.
5.6 点扩散函数(PSF) (1)FFT 点扩散函数 目的:
用快速傅立叶变换方法计算衍射的点扩散函数. Sampling 详见MTF 的描述
Display:显示尺寸表示计算所用数据的哪一部分将在图上表示,显示网格可以为32×32 到两倍抽样网格尺寸.显示尺寸小,所表示的数据也少,但由于放大,可视性较好.
Rotation 本设置规定了表面图观察时旋转角度,可以为0,90,180 或270 度.Wavelength 用于计算的波长序号 Field 用于计算的视场序号
Type 可选择线性(强度),对数(强度)或相位.
Show As 可选择曲面图,等高线图,灰度图或伪彩色图作为显示方式.
Use olarization:若选中,对每一条所要求的光线进行偏振光追迹,由此可得出通过系统的最后的光强.在“系统菜单”一章的“偏振状态”一节,可找到定义偏振状态和其他信息的细节,只有ZEMAX-EE才有本功能.
讨论:
用快速傅立叶变换(FFT)来计算点扩散函数的速度很快,但必须有几个假设,这些假设并不是永远成立的.速度慢但更通用的办法是惠更斯法,它并不要求这些假定,详见下节.用FFT 计算的PSF(点扩散函数)可以计算由物方某一点光源发出由一个光学系统所成的衍射像的强度分布.强度是在垂直于参考波长入射主光线的成像平面上计算得出的,参考波长在多色光计算中指的是主波长,而在单色光计算中指的是所计算的波长.因为成像平面是与主光线垂直的,所以它不是像平面.因此当入射主光线的角度
不为零时,由FFT 计算PSF 的结果一般总是过于乐观的(即PSF较小),尤其是对倾斜像平面系统,广角系统,含有出瞳像差系统和离远心条件较大的系统,更是如此.对于那些主光线与像平面接近于垂直(小于20 度)和出瞳像差可以忽略的系统而言,用FFT 计算PSF 是精确的,并且总是比惠更斯方法更快,如果对计算结果有怀疑,
可使用两种方法进行计算比较.用FFT 计算PSF 的算法基于下例事实:即衍射的点扩散函数和光学系统的出瞳上的波前的复数振幅的傅立叶变换有关.先计算出瞳上的光线网格的振幅和位相,然后进行快速傅立叶变换,从而可以计算出衍射像的强度.在出瞳的抽样网格尺寸和衍射像的抽样周期之间存在着一个折衷,如为了减少衍射像的抽样周期,瞳面上的抽样周期必须增加,这可以通过“扩大”入瞳抽样网格使它充满入瞳来达到.这一过程意味着真正处在入瞳中间的点子的减少.当抽样网格尺寸增加时,ZEMAX 按比例增加瞳面上的网格数,以增加处于瞳面上的点的数量,与此同时,可以得到衍射像的更接近
的抽样.每当网格尺寸加倍,瞳面的抽样周期(瞳面上各点之间的距离)在每一维上以2 的平方根的比例增加,像平面上的抽样周期也以2 的平方根的因子增加(因为在每维上的点子数增加了2 倍),所有比例是近似的,对大的网格是渐近式地正确的.网格延伸是以16×16 的网格尺寸为参考基准的.16×16 个网格点在整个瞳面上分布,处于光瞳内的各点被真正追迹,衍射像平面上的各点之间距离由下式给出:式中F 是工作F/#(与像空间F/#不同),λ是所定义的最短波长,n是通过网格的点数,在本例中n 为16(抽样网格尺寸为16×16),式中-2 是由于瞳面和网格不是同心的(因为n 是偶数),有一个n/2+1的偏离,分母中的2n 是由于零位添调整而产生的,详见以后论述.对一个大于16×16 的网格,每当抽样密度加倍时,网格在瞳空间以.的比例增大.像空间抽样的一般公式为:像方网格的总宽度为:因为瞳面网格的扩展会减少瞳面上抽样点的数目,有效的网格尺寸(即实际代表所追光线的网格尺寸)比抽样网格为小.随着抽样增加,有效网格尺寸也增加,但增加速度并没有那样快.下表所列的是近似的有效网格抽样尺寸随各种抽样密度值变化:
点扩散函数计算中有效网格尺寸 抽样网格尺寸近似的有效网格尺寸 32×32 23×23 64×64 32×32 128×128 45×45 256×256 64×64 512×512 90×90 1024×1024 128×128 2048×2048 181×181
抽样还是波长的函数,上述讨论只是对计算中最短波长有效,如果用多色光计算,那么对长波必须按比例缩小网格,这里的比例因子是波长之比.对波长范围较宽的系统选择抽样网格时,必须考虑到这一点.对多色光计算而言,短波长的数据比长波长的数据来得精确.一旦抽样确定以后,ZEMAX 在一个被称为“零位添加”的过程中,将陈列尺寸加倍,这意味着对抽样密度为32×32 的网格,ZEMAX在中间部分用64×64 的网格.因此衍射点扩散函数将在64×64 的网格中分布.像空间中的抽样总是瞳面抽样的两倍,“零位添加”是为了减少伪运算.
(2)惠更斯点扩散函数:用惠更斯子波直接积分法计算衍射点扩散函数.
Pupil Sampling:选择光线网格尺寸进行光追计算,高的抽样密度得到的结果精确,但耗费时间较长. Image Sampling:计算衍射像密度的点的网格的大小,该数字和像的δ值一起决定了所显示的面积大小. Image Delta:像方网格点之间的距离(用微米表示).
Rotation 本设置规定了表面图观察时旋转角度,可以为0,90,180 或270 度. Wavelength:用于计算的波长序号. Field :用于计算的视场序号.
Type: 可选择线性(强度),对数(强度)
Scale by Strel:如果本设置被选中,则所显示的峰值乘以所计算出来的斯特列尔因子,因而图形可直接与其他PSF 图相比较,否则,峰值永远归化为一个单位.
Show As 可选择曲面图,等高线图,灰度图或伪彩色图作为显示方式.
Use Polarization:若选中,对每一条所要求的光线进行偏振光追迹,由此可得出通过系统的最后的光强.在“系统菜单”一章的“偏振状态”一节,可找到定义偏振状态和其他信息的细节,只有ZEMAX-EE 才有本功能.
讨论:
考虑衍射效应的一种方法是将波阵面上的每一个点想象成为具有一定振幅和位相的完整点光源,每一个这样的点都会发出球面的“子波”,有时人们也称它为“惠更斯子波”,这是因为惠更斯首先提出了这一模型.当波阵面在空中传播时,波面的衍射是由各个点发出的球面子波干涉或复数和.为了计算惠更斯点扩散函数,一个网格的光线将通过光学系统,每一条光线代表一个特殊的振幅和相位的子波,像面上任何一点的衍
射强度是所有子波的复数求和再平方.和FFT 的PSF 计算中不一样,ZEMAX 在主光线交点处与像平面相切的想像平面上计算惠更斯的点扩散函数.请注意,这个想像平面垂直于表面的法线而不是主光线,因此,惠更斯的点扩散函数计算中考虑了像平面上的任何倾斜,这些倾斜可以是像平面的倾斜引起的,或主光线的入射角引起的,或者同时由两者引起的.更进一步,惠更斯的PSF 计算方法中,考虑到了光束沿像面传播时衍射像的演变形状.如果像平面和入射光束之间是非常倾斜的话,这是一个很重要的效应.用惠更斯PSF 计算中心方法的另一个好处的使用者可任意选择网格大小和网格间隙,这样可以对两个不同镜头的PSF 值之间进秆直接比较,即使它们的F/#或波长不同.用惠更斯PSF 计算的唯一缺点是计算速度与FFT 方法相比,直接积分法并不是很有效(详见上节),因此它所耗费的时间很长,计算时间大致上与瞳面网格尺寸平方、像面网格尺寸平方、波长的个数成正比.
用FFT 计算PSF 横截面:本功能画出点扩散函数的横截面图形. Sampling 详见MTF 的描述.
Row/Col:显示的行或列.对一个32×32 的抽样系统,有64 行64 列(见上节讨论),用行或列取决于类型设置. Wavelength 用于计算的波长序号. Field 用于计算的视场序号.
Type可选择X 方向或Y 方向的横切面,用线性或对数表示都可以.X 切面称为行,Y 切面称为列,但这是任意的.
Use Polarization若选中,对每一条所要求的光线进行偏振光追迹,由此可得出通过系统的最后的光强. 讨论:
切面是直接从PSF 数据中取得的.因为PSF 是直接从出瞳的位相计算出来的坐标系统的定位并不是在所有场合都是正确的.X 或Y轴正方向的指定也许会和像空间坐标(如点列图)中所提供的数据不相符合.
5.7. 其他
5.7.1 场曲和畸变:显示场曲和畸变曲线 设置:
1)Max Curvature:用透镜长度单位表示的场曲曲线图的最大场曲值,输入零代表自动设置. 2)Max Distortion:用百分比表示的畸变曲线的最大值,输入零代表自动设置. 3)Wavelength:用于计算的波长数目.
4)UseDashes:画图时选择颜色(对彩色屏幕和绘图仪而言) 或虚线(对单色屏幕和绘图仪而言) 5)Ignore Vignetting Factors:见讨论部分
6)Distortion 可选择标准,F-? 或刻度值,详见讨论部分
7)Do X-Scan:若选中,则计算沿着X 视场的正方向计算,否则,沿着Y 视场正方向计算. 讨论:
场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前的焦平面或像平面到近轴焦面的距离,子午场曲数据是沿着Z 轴测量的从当前所确定的聚焦面到近轴焦面的距离,并且是在子午(YZ 面)上测量的.弧矢场曲数据测量的是在与子午面垂直的平面上测量的距离,示意图中的基线是在光轴上,曲线顶部代表最大视场(角度或高度),在纵轴上不设置单位,这是因为曲线总是用最大的径向视场来归一化的.子午光线和弧矢光线的场曲是以用该光线的确定的像平面到近轴焦点之间的距离定义的.在非旋转对称系统,实际光线和主光线从不相交,因此所得出的数据是在最接近处理的点上得出的.在缺省时视场扫瞄是沿Y 轴的正方向进行的,如果选择“DoX_Scan”,那么最大视场是沿着X 的正方向,在这种情况下,子午场曲代表XZ 平面,弧矢场曲代表YZ 平面.初学者常问为什么零视场的场曲图并不总是从零开始的呢?这是因为图中所显示的距离是从当前定义的像平面到近轴焦面的距离,而当前定义的像平面并不需要与近轴像平面重合.如果存在着任何离焦量,那么这两个平面之间是有位移的,由此可以解释场曲的数据为什么会是那样.
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