Ansys Zemax | 解析 OpticStudio 中復合表面的工作原理
本文主要介紹了 OpticStudio 中的復合表面類型，該功能將作為 Zemax OpticStudio 22.3 版本（支持于訂閱制專業/旗艦版）和 Ansys Zemax OpticStudio（專業/旗艦/企業版）2022 R2.02版本中一項新穎、有趣且實用的功能。該功能將延展支持出 OpticStudio 中許多新功能和可能性。
簡介
序列模式下的全新復合表面能使用戶能夠添加多個表面的矢高輪廓，最終實現具有復雜矢高分布的新光學表面。如果用戶想要將不同類型的矢高分布疊加到一個表面，則可以使用新表面對應的復合堆疊功能實現。此功能將啟發模擬分析中的無限可能性，涵蓋分析、公差等多個環節。
在本文中，我們將解釋復合表面的工作原理，然后將其功能應用于在手機攝像頭模組中，對復雜非球面透鏡進行公差分析。
復合表面的工作原理
如圖 1 所示，可以使用“表面屬性”中的“復合表面：添加矢高至下一表面 (Composite Surface: Add sag to the next surface)”復選框啟用復合表面屬性：
圖 1. 復合表面屬性設置界面
復合表面允許將任意數量的表面添加在一起，這些表面稱為“復合組件表面 (Composite Add-on)”，或簡稱為“組件面”。算法將把組件面的矢高輪廓將添加到下一個組件面上，總矢高最終將添加到鏡頭數據編輯器（LDE）中的下一個表面中，該表面稱為“復合基礎表面 (Composite Base)”，或簡稱為“基面”，緊隨組件面之后。然后，基面矢高將是所有附加矢高及其基面矢高的總和。組件表面和基面的矢高總和稱為“復合堆疊 (Composite Stack)”。如圖 2 所示，組件面行顏色為淺黃色，基面行顯示為亮黃色。
圖 2. Composite Add-on, Composite Base and Composite Stack
我們可以發現，不能為組件面設置材料和膜層，因為它僅用于將矢高分布提供給復合基面而不起其他任何作用。組件面的材料和膜層性能將跟隨基面的屬性。另一個重要的點是無論為復合組件面設置怎樣的孔徑，當算法計算矢高分布時，復合組件面的孔徑都將被認為與基面相同。
在光線追跡中，光線僅考慮在基面所表達的總表面矢高，組件面不直接參與光線追跡。
基面的矢高圖將顯示包含所有復合組件面的總矢高，而不是僅顯示基面的矢高。
所支持表面
復合表面可支持的表面類型如下所示，組件面和基面所支持的表面類型相同：
雙錐面（Biconic）
雙錐 Zernike（Biconic Zernike）
切比雪夫多項式 (Chebyshev Polynomial)
偶次非球面（Even Asphere）
擴展非球面（Extended Asphere）
擴展奇次非球面（Extended Odd Asphere）
擴展多項式（Extended Polynomial）
網格矢高面（Grid Sag）
不規則面（Irregular）
奇次非球面（Odd Asphere）
奇次余弦面（Odd Cosine）
離軸圓錐自由曲面（Off-Axis Conic Freeform）
周期面（Periodic）
多項式面（Polynomial）
Q型非球面（Q-Type Asphere）
Q型自由曲面（Q-Type Freeform）
標準面（Standard）
超圓錐面（Superconic）
傾斜面（Tilted）
環形面（Toroidal）
Zernike Fringe 矢高面（Zernike Fringe Sag）
Zernike 標準矢高（Zernike Standard Sag）
Zernike 環形標準矢高（Zernike Annular Standard Sag）
表面堆疊
如果要將不同類型表面的矢高分布添加到一個表面，可以將多個附加表面添加為復合堆疊。
在下面的示例中（圖 3 所示），通過將組件面 4 添加到基面 5 形成 ROC（曲率半徑）= -500mm的拋物面反射鏡，另一個組件面 3 為表面矢高增加了 Zernike 項的擾動。
圖 3. 使用復合表面建模的拋物面反射鏡
可以從以下視圖中看到，啟用組件面（圖4 (a)）后，布局圖將顯示復合堆疊的總矢高，而不顯示單個組件面矢高。在圖4 (b) 中忽略所有附加表面的情況下，布局圖中將僅顯示基面（因此系統現在明顯失焦）。
圖4.（a）啟用組件面的拋物面反射鏡系統 （b）忽略組件面的拋物面反射鏡系統
復合表面工具
添加復合表面后，有幾個用戶友好的工具可以使用。
忽略單個組件面
如圖 5 所示，選中“忽略此表面”復選框時，該組件面對復合表面的矢高貢獻將被忽略，行的顏色將變為深灰色。
圖 5. 忽略單個組件面
如果要忽略或啟用系統中的所有復合表面，可以在鏡頭數據編輯器上方的工具欄中用兩個按鈕來輕松控制。
忽略復合表面/啟用復合表面
圖 6. 忽略所有復合表面
圖 7. 啟用所有復合表面
-
隱藏/取消隱藏/刪除所有復合表面
在右鍵單擊菜單中，有三個選項可幫您根據需要輕松處理復合表面。
圖 8. 隱藏/取消隱藏/刪除所有復合表面
將復合表面與失高圖結合使用
我們可以使用 分析...偏振與表面物理...表面 (Analyze...Polarization and Surface Physics...Surface) 中的矢高圖功能來查看表面的矢高分布，以下是關于復合表面矢高圖的一些分析：
選擇“不移除”：矢高圖將顯示所選表面之前的所有組件面的總和。
選擇“移除復合矢高”：單獨繪制選定基面的矢高。
選擇“移除基底矢高”：僅顯示應用于此表面的所有組件面矢高的總和。
在下面的示例中，如圖 9 (a) 所示，表面 3 和 4 是組件面，表面 5 是基面。復合表面矢高圖，圖9 (b)~(g) 解釋了上述與復合表面的矢高關系。
圖 9(a). 用于解釋復合表面矢高圖的手機鏡頭系統示例
如圖9 (b)~(d) 所示，當使用“不移除”時，矢高會逐行加起來：
圖 9(b)
圖 9(c)
圖 9(d)
如果要單獨顯示某組件面的矢高，可以使用“移除復合矢高”或“移除基本矢高”，如圖9 (e)~(g) 所示：
圖 9(e)
圖 9(f)
圖 9(g)
復合表面與離軸孔徑
復合表面也可以應用于離軸系統的建模。
圖 10. 離軸反射式系統
如果單擊組件面的 “Composite” 選項卡中的“設置傾斜/偏心用于追隨基面孔徑 (Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture)”按鈕，則組件面將自動在基面的離軸孔徑上居中。點擊按鈕后 OpticStudio 會自動填充復合選項卡中的傾斜和偏心，以便組件面的矢高堆疊處于基面離軸孔徑的中心。其中，偏心與頂點位置匹配，而傾斜與離軸孔徑中心的基面旋轉方向匹配。
圖 11. “設置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑”和“更新傾斜”按鈕
對于復合堆疊，“設置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑光圈” 按鈕將用于基底之前的最后一個組件面，并且復合堆疊中的所有組件面將具有相同的傾斜/偏心屬性，即復合堆疊將具有相同的坐標系。請注意，復合堆疊的傾斜/偏心只能在最靠近基面的組件面上看到，其中“設置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑光圈”按鈕可以使用，對于所有其他組件面，這個按鈕將顯示為灰色。
如果用戶手動更改偏心值，則可以使用“更新傾斜 (Update Tilt)”按鈕（如圖 11 所示）自動填充更新后傾斜值，以便組件面的旋轉方向與指定偏心處的基面相匹配。
結合 TIRR、TEXI 和 TEZI 操作數進行公差分析
在公差分析方面而言，上面的討論中我們知道可以使用復合表面的 Composite 屬性設置手動添加不規則度和公差。
此外，復合表面擴展了現有 TIRR、TEXI 和 TEZI 操作數的功能，以前這三個操作數只能用于對以下表面進行公差分析：
圖 12. 之前TIRR、TEXI和TEZI僅用于有限的表面類型
現在得益于復合表面，任何可以成為復合基面的表面類型都可以使用這三個操作數來執行公差分析請注意，TIRR、TEXI 和 TEZI 的擴展功能不包括對離軸孔徑的支持）。
對于符合條件的表面類型，TIRR 操作數將使用不規則面作為復合表面對這些表面進行公差分析；TEXI 操作數將使用 Zernike Fringe 矢高面作為復合表面對這些表面進行公差分析；TEZI 操作數將使用 Zernike 標準矢高面作為復合表面對這些表面的公差進行分析。
我們以圖 13 所示的手機鏡頭設計為例。
圖 13. 手機鏡頭系統示例
公差數據編輯器（TDE）填充了手機鏡頭表面 3 和 4 的 TEZI 操作數。之前 TEZI 不能直接與 Q 型非球面一起使用，但現在您可以直接在 TDE 中進行設置并使用以下公差功能，如圖 14 所示。
圖 14.在Q型非球面上使用 TEZI 操作數進行公差分析
當我們運行公差分析并保存蒙特卡羅文件時，您可以輕松檢查公差結果。
圖 15. 蒙特卡羅分析設置
我們還可以打開一個蒙特卡羅隨機文件來驗證并更好地了解操作數如何向表面添加不規則度。如圖 16 所示，Q 型非球面上增加了一個復合組件面，該表面帶有 TDE 中指定的 Zernike 標準矢高擾動項。
圖 16. TEZI 操作數使用 Zernike 標準矢高復合表面對 Q 型非球面表面進行公差分析
后續我們將繼續更新文章來解釋上面使用的手機鏡頭系統設計，請持續關注[武漢宇熠]。
API控制
為復合表面添加了，IsCompositeSurface 和 SetOffAxisTiltAndDecenter() 兩個新的 API 命令。
IsCompositeSurface 用于此參數的 Sets 和 Get 值。SetOffAxisTiltAndDecenter() 根據離軸表面孔徑中心的復合表面基面法線矢量計算得出所需填充的恰當屬性值。
下面提供一個 Python 代碼的示例片段供參考：
TheSystem = TheApplication.PrimarySystem;TheLDE = TheSystem.LDE# Get Surface j InformationCompositeTest = TheLDE.GetSurfaceAt(j)# Check “Composite Surface:Add sag to the next surface”CompositeTest.CompositeData.IsCompositeSurface=1# Press “Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture” buttonCompositeTest.CompositeData.SetOffAxisTiltAndDecenter()# Extract Composite Surface Tilt/Decenter valueCompositeTiltX=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltXCompositeTiltY=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltYCompositeTiltZ=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltZCompositDecenterX=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterXCompositDecenterY=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterY# Change the Tilt/Decenter values manuallyCompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltX = 0CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterY = 0
API控制
還有用于復合表面的新 ZPL 宏命令。
COMPOSITEON(surface number) - 關鍵字
COMPOSITEOFF( surface number ) - 關鍵字
COMPOSITEOFFAXISAPERTUREON ( surface number ) - 關鍵字
ISCS(surface number) ->returns 1|0 - 數值函數
ISCS() 當表面不是復合表面時將返回 0，如果表面是復合表面則返回 1。
有關這些命令的詳細信息，請參閱幫助文件。提供了一些示例代碼供參考：
! Uncheck the composite surface checkboxPRINT "Turn off composite surface j"COMPOSITEOFF jA = ISCS(j)! ISCS () return 0 if it's not composite surf., return 1 if it's compositesurf.IF (A < 0.5)PRINT " ==> Composite surface flag is OFF"ELSEPRINT " ==> Composite surface flag is ON"ENDIF! Check the composite surface checkboxPRINT "Turn on composite surface j"COMPOSITEON jA = ISCS(j)IF (A > 0.5)PRINT " ==> Composite surface flag is ON"ELSEPRINT " ==> Composite surface flag is OFF"ENDIF! Press the "Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture" buttonPRINT "Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture"COMPOSITEOFFAXISAPERTUREON jPRINT " ==> Click Tilt/Decenter to follow Base surface aperturebutton"
結論
本文介紹了 Zemax OpticStudio 22.3 和 Ansys Zemax OpticStudio 2022 R2.02 中的復合表面功能。它擴展了 OpticStudio 中的許多新功能和可能性，希望它能幫助您更加高效工作，期待您的反饋！
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