Ansys Zemax｜為離軸反射鏡中增加相位表面

宇熠科技

2025年10月28日 10:27

附件下載

聯系工作人員獲取附件

概要

在光學設計中，可利用OpticStudio工具中一種特殊的表面——相位表面，來模擬光在經過時產生的相位變化（這種表面實際上并不真實存在）。雖然它不是物理上真實的東西，但它可以模擬一些真實世界中可能發生的效應，比如表面不規則度或折射率不均勻。

另外，還可以用這種相位表面來添加測量數據到曲面上。在這篇文章里，我們會學習如何將Zernike條紋相位面放在離軸拋物面（OAP，off-axis parabola）上，而且給這個離軸拋物面添加一個光功率誤差，查看當光線經過這個部分時會受到什么樣的影響。

除此之外，這個方法不僅可以用在離軸拋物面上，也可以用在其他類型的表面上。

簡介

在OpticStudio中，有多種表面可以用于啟用相位延遲功能。其中，Zernike標準/條紋相位面（Zernike Standard/Fringe Phase surfaces）是利用Zernike多項式來實現的，而網格相位面（Grid Phase surface）則是基于定義點的網格創建的。這兩種方法各具特色，因為Zernike表面能夠模擬不規則性，而網格相位則允許我們將實際測量的干涉數據添加到表面上。

在本文中，我們將運用Zernike條紋相位面來模擬離軸拋物面（OAP）模型曲率半徑的誤差。在定位這個相位表面時，我們需要仔細考慮多個因素，以確保相位表面不會超出其預期用途而干擾到整體模型。接下來，我們將利用Z4項向OAP添加一個光功率擾動。

OAP 系統布局

初始OAP（離軸拋物面）設計如下圖所示。其中OAP的直徑為50.8mm，焦距為-187.5mm，光束發散角為-36.9°。其中，位于OAP的前表面邊緣位置處的光闌用于阻擋多余的光線。此外，設置了兩個坐標斷點：其中一個用于將主鏡向下移動，以便調整光路；另一個用于使像面與主光線對準。

圖 1：離軸拋物面設計示例的布局圖，后焦距為 -187.5 mm。

圖 2：用于 OAP 設計的鏡頭數據編輯器。

插入和定位相位表面

在示例文件“OAPWithPhaseSurface_v02_OptimizePosition.zar”中，在鏡頭數據編輯器的第5行和第6行分別添加坐標斷點和Zernike條紋相位面，如圖所示。鏡頭數據編輯器第6行曲率半徑設置為：拾取第4行、縮放為1，確保Zernike條紋相位曲面與OAP擁有相同的曲率半徑。相位表面的曲率半徑不會給光線帶來相位誤差但使相位面具有曲率值，進而影響了光線在空間中與表面相遇的具體位置。

圖 3：在鏡頭數據編輯器的第 5 行和第 6 行中插入 Zernike 條紋相位面。

我們將通過優化來正確定位相位表面。下表描述了每個變量的用途。

表 1：圖 3 中所示的變量列表以及每個變量的用途。

定位光闌

在初始設計中，將光闌表面的厚度設定為一個變量，以便能夠將其定位在OAP的前表面邊緣。在圖4所展示的評價函數中，第7行中的操作數（DIFF）用來控制光闌上+Y光線的全局Z坐標（RAGZ）與OAP上+Y光線的全局Z坐標（RAGZ）之間的厚度之差。使用DIFF操作數時，要求這兩個值必須相等。其中，DIFF操作數是唯一包含權重的行，也是影響評價函數值的唯一因素。

圖 4：在評價函數編輯器中，第 1 行到第 7 行確保光闌位于 OAP 的前緣。

定位相位表面

為了將相位表面放置在OAP的頂點處，并確保它與OAP頂點相切，將從主鏡的頂點出發，沿Z軸方向移動相位表面，使其回退至適當位置。這一移動的距離由鏡頭數據編輯器中第4行的厚度值控制（如圖3所示），該值被設定為一個變量。同時，第5行中的“Decenter Y”和“Tilt About X”項也被設置為變量，以便我們可以根據需要調整相位面的傾斜和位置。

在以下的評價函數中，我們使用了RAGY（全局光線Y坐標）、RAGZ（全局光線Z坐標）和DIFF（兩個操作數的的差值）操作數，來確保擊中OAP的主光線和相位表面的主光線具有相同的Y和Z坐標。具體地，第11、15和19行控制Y坐標的匹配，而第12、16和20行則負責Z坐標的匹配。此外，RAID（實際光線入射角）和DIFF操作數（分別位于第13、17和21行）要求OAP和相位面的入射角相等，以確保相位面在OAP中心處，并與OAP具有相同的傾斜度。

圖 5：評價函數編輯器中的第 9 行到第 21 行用于控制相表面的 Y 偏心、Z 偏心和傾斜。

定位像面

評價函數的最后一部分是默認的優化函數，專門用于優化RMS光斑大小。它的主要作用是調整像面與鏡頭之間的距離，確保在相位面位置發生變化時，圖像仍能保持清晰。因此，在優化過程中，“鏡頭數據編輯器”中的第7行厚度值會根據需要進行調整（如圖3所示）。

完成優化后，相位面將被精確地定位，并且會相對于OAP傾斜到正確的角度。可以通過查閱“OAPWithPhaseSurface_v02_OptimizePosition.zar”文件，來檢查優化后的系統狀態。

將相位表面從反射鏡上移開

在“OAPWithPhaseSurface_v03_OffsetPhaseSurface.zar”文件中，我們已經利用第5行的厚度值將相表面稍微后移，使其在物理位置上位于OAP表面之后。這時光線需要在OAP后傳播極小的距離才能到達相位面，但相位面依然可以正常工作。不過，這種偏移并不是必須的，只是為了使得布局圖更易于理解。

為了保證在第5行增加了厚度之后系統焦距保持不變，需要對后焦距（即第7行的厚度值）進行優化。這里我們僅使用RMS光斑大小作為評價函數目標。

圖 6：在 LDE 的第 5 行中，相位表面在 Z 中略有偏移。這可確保相面上的所有點在物理上都位于 OAP 的左側。

最終系統

在最終的系統設計中，相位面的位置被精確設定，它相對于離軸部分的頂點進行了Y和Z方向上的偏心調整。此外，相位表面還進行了傾斜，以匹配離軸部分頂點處的傾斜角度，并保持了與離軸部分相似的曲率。這樣的設計可以確保光線在到達相位面上特定的XYZ坐標時，在離軸拋物線表面上也會遇到相似的XYZ截距。這有助于消除相位表面和OAP之間的配準誤差，從而提高整個系統的光學性能。