像差分析的案例
球面像差 | RP 系列激光分析設計軟件
</span></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">當使用具有球面的透鏡進行</span>成像<span style="color: rgb(0, 0, 0);">應用時，所解釋的效應會導致所謂的球面像差，從而嚴重降低圖像質量。同樣，使用球面透鏡聚焦或</span>準直，激光束<span style="color: rgb(0, 0, 0);">會導致光束畸變。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">在許多情況下，像差效應遠沒有上面所示的球透鏡那么嚴重，因為所涉及的曲率并不那么強。</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>平板的球面像差</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">球面像差的問題可以推廣到與相位變化的非理想徑向相關性相關的所有像差。當發散或會聚的光穿過平面平行板時，即使對于平面表面也可能發生這種情況。這主要是因為</span>折射<span style="color: rgb(0, 0, 0);">包含正弦函數而不是正切函數，這是避免球面像差所必需的。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">圖3顯示了一個示例案例。
展開 ZEMAX | 如何設計一個單透鏡 第二部分：分析
? 點列圖(Spot Diagram)：點列圖可以通過分析( Analyze)>像質分析( Image Quality)>光線跡點(Rays & Spots)>標準點列圖(Standard Spot Diagram)打開。點列圖表示點物體所成的像。在沒有像差的情況下，點物體會收斂到一個完美的像點。默認情況下，OpticStudio會繪制的每個視場點列圖。
? 光程差圖(OPD Fan)：光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標變化的曲線。在一個理想的光學系統中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
? 光線像差圖(Ray Fan)：OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標變化的曲線。一般情況下，當一條光線通過光學系統到達成像表面時，它的交點落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個完美的光學系統中，任意光瞳位置對應的光線像差上都應該是零。
點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)是透鏡設計者用來確定光學系統中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設計人員根據這些分析功能確定設計中出現的像差的過程超出了本練習的范圍。
基于我們目前所搭建的設計，打開以上的每一個分析窗口來回顧當前鏡頭的性能。
從以上四個圖的評估中可以明顯看出，單透鏡設計有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場曲和像散。
展開 Ansys Zemax | 內窺鏡物鏡系統初始結構的優化提升（上）
點擊分析-像差分析-場曲 / 畸變功能，分別選擇不同的結構，可得到如下圖所示的畸變曲線：
從結構1的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.12%，畸變程度較大。通過文本數據結果也可以查看到 0.5 相對視場高度時（通常為觀測區域），其畸變值為 -5.64%。
從結構 2 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.17%，畸變程度較大。通過文本數據結果查看到 0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.58%。
而從結構 3 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.4%，0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.98%。
由于內窺鏡物鏡的總長和體積都比較小，難以在短距離和小口徑鏡片中矯正畸變，三種結構中的畸變值總體上都是可以接受的。
展開 Ansys Zemax | 如何設計單透鏡 第二部分：分析
光程差圖
(OPD Fan)
光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標變化的曲線。在理想光學系統中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
光線光扇圖
(Ray Fan)
OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標變化的曲線。一般情況下，當一條光線通過光學系統到達成像表面時，它的交點落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個完美的光學系統中，任意光瞳位置對應的光線像差上都應該是零。
點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線光扇圖(Ray Fan)是透鏡設計者用來確定光學系統中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設計人員根據這些分析功能確定設計中出現的像差的過程超出了本練習的范圍。
基于我們目前所搭建的設計，打開以上的每一個分析窗口來回顧當前鏡頭的性能。
從以上四個圖的評估中可以明顯看出，單透鏡設計有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場曲和像散。此外，根據下面點列圖底部的數據可以看出，最大視場的GEO半徑和RMS半徑分別為: 1774.42μm和734.581μm。
使用快速聚焦工具
從四個分析功能給出的結果可以看出，單透鏡在此時的性能肯定不是最優的。性能相當差的一個重要因素是像面位置的隨機選擇。從上面的布局圖(Layout)來看，當前選擇的像面并沒有處于“最佳焦點”。
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VirtualLab Unity應用：變焦鏡頭
在本案例中，將通過設計一個典型的連續變焦鏡頭光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義，優化以及結果展示。
SYNOPSYS? 經典版本16.021和新界面版本V2.0
像質分析的菜單欄里，像差分析更換了新的圖形窗口
2.SYNOPSYS 的電子表格更新了的傾斜和偏心編輯器。現在可以用這個編輯器為離軸系統設計輕松定義全局、局部和鏡面傾斜。請參閱幫助手冊中的 "傾斜/偏心編輯器 "部分。
3.增強了 Zemax 的導出和導入功能。例如，我們增加了將SYNOPSYS? 的傾斜和偏心導出為 Zemax 格式的功能。 請參閱幫助手冊中的“導出到 Zemax 和 CODE V”，以及“從 Zemax 導入”的章節。
02
問題修復（包含經典版本和新界面版本）：
1. 修復了 USS 13 面型的 YMT 求解出錯的問題2. 修復了 TRANS 繪圖渲染不正確的問題3. 修復了 GSS 中畸變曲線出錯的問題4. 修復了當開關 88 打開時，SOLID HRAYS 繪圖不正確的問題
03
應用指南：
我們在官方網站知識庫里更新發布了關于不同主題的案例說明和文件，供大家學習參考：
https://www.osdoptics.com.cn/knowlehttps://www.osdoptics.com.cn/knowledge_base.點擊 SYNOPSYS?光學設計軟件 了解該軟件申請試用咨詢請私聊我發送
展開 VirtualLab Unity應用：變焦鏡頭
在本案例中，將通過設計一個典型的連續變焦鏡頭光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義，優化以及結果展示。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優化后系統的3D光線追跡視圖
初始系統生成
評價函數定義
根據系統規格、額外系統限制以及像質與加工要求，定義了各種與之對應的評價函數。
優化
通過采用LM算法優化后，滿足了像質要求 1、系統規格 2-3、額外系統限制1-2以及加工要求 1-3。
通過采用LM算法優化后，滿足了像質要求 1、系統規格 2-3、額外系統限制1-2以及加工要求 1-3，此外系統規格1在初始系統生成時已滿足。
展開 有問必答 | 關于SYNOPSYS 中操作界面模塊問題匯總一
問：請問下，如何知道各個面的像差是多少？而不是整個系統的。
答：像差分析里有逐面分析。
5. 問：MTF繪圖時出現這個表示什么？
答：輸截止頻率的下面有這種允許低頻的選項，勾選上就可以。
6. 問：請教下，軟件里面怎么看艾力斑范圍？
答：點列圖里的紅圈就是艾里斑，默認都是直接顯示的。艾里斑大小也可以直接用波長和F數計算出來。
問：其他視場要顯示的話，怎么去設置？
答：單獨去查看那個視場的點列圖，里面會有顯示。
7. 問：請問一下，synopsys可以導入cad文件進行光學追蹤嗎？
答：目前不支持。
8. 問：我先問下，我做完dsearch的時候，想用MRG找真實玻璃，但它會顯示“必須要在優化以后執行”，這個錯誤，是我漏了什么步驟嗎?
答：自動替換玻璃的功能必須先有一個正常的優化宏能順利進行。
9. 問：為什么有時候顯示的視場、顏色和以前的不一樣？
答：新建工作目錄的時候在軟件里創建，或者手動把這三個宏復制到文件夾里在作為工作目錄。這個問題應該是當前目錄下面缺了CUSTOM.MAC這個宏。
10. 問：為什么沒有 插入透鏡 按鈕？
答：要打開WS之后才會顯示。
11. 問：MTF 怎么設置 橫坐標只有 50線對，不要到 450線對？
答：
展開 VirtualLab Unity應用：卡塞格林望遠鏡
應用場景
卡塞格林望望遠鏡廣泛應用于天文觀測，卡塞格林望遠鏡廣泛應用于天文觀測、空間成像和激光測距等領域，憑借其折疊光路設計，實現了長焦距與緊湊結構的結合，具有口徑大、像差校正能力強和易于安裝探測器等優點。在本案例中，將通過設計一個典型的折返式卡塞格林望遠鏡光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義、優化。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優化后系統的3D光線追跡視圖
初始系統生成
評價函數定義
根據系統規格、額外系統限制以及像質與加工要求，定義了各種與之對應的評價函數。
優化
通過采用POWELL算法進行優化后，滿足了像質要求 1-3，系統規格 2-3、額外系統限制1-2以及加工要求1。
通過采用POWELL算法進行優化后，滿足了像質要求 1-3，系統規格 2-3、額外系統限制1-2以及加工要求 1，此外系統規格1在生成初始系統時已滿足。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
為了找到這個“有效”區域，可以使用光跡圖（Footprint Diagram）工具，該工具可以在分析菜單欄下的光線跡點(Rays & Spots)中找到。它顯示了光束在擋風玻璃表面上疊加的光跡:
擋風玻璃建模：
擋風玻璃可以通過序列模式下面型表征，例如自由曲面面型，或者也可以被看作非序列 CAD 零件。如果它被表征為一個非序列 CAD 零件插入到一個序列模式下的系統中，那么系統就變成了混合模式。當對系統反向建模時，即從虛像到顯示器，這樣做效果很好，但在正向建模時就會出現問題，因為光闌面現在位于非序列組件表面之后，這使得光線瞄準更加困難，也可能導致其他光線追跡問題。
在本例中，擋風玻璃是使用擴展多項式面型建模的。
定位所有元素
所有元素的位置布局如下圖所示：
每個面的放置是通過一些便利的工具來完成的：
坐標斷點返回：坐標斷點面可以使用表面屬性下的傾斜/偏心中的坐標返回來定義。OpticStudio 之后將計算該坐標斷點面的參數，以便在該坐標斷點面之后，局部坐標（“返回”至）與之前的序列面型的局部坐標相同。
主光線求解：該求解會計算坐標斷點面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以其為中心。
初始性能
在系統中引入像差的元素是擋風玻璃。引入了多少呢？
該系統可以簡化為來自無限遠處（眼睛）的光線被擋風玻璃反射，反射后的點列圖可以告訴我們在"真正的 "擋風玻璃和理想的平面擋風玻璃（平面鏡）的情況下的光線角度。
要分析擋風玻璃引入的像差，請點擊分析…像差分析…全視場像差。賽德爾像差工具在此處不適用因為它僅描述旋轉對稱系統中的三階像差。
全視場像差分析計算了波前的澤尼克(Zernike)分解，并顯示整個視場的澤尼克系數。
展開 Ansys Zemax | 設計抬頭顯示器時要使用哪些工具 – 第二部分
本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第二部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio工具設計分析抬頭顯示器（HUD）性能，即全視場像差（FFA）和NSC矢高圖。（聯系我們獲取文章附件）
上篇文章中（點擊查看原文），我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，下一步我們將根據分析系統的初始性能，并結合具體設計指標了解如何對系統進行控制與優化。
初始性能
增加系統像差的因素是風擋玻璃，我們可以對于像差進行分析。
該系統可以簡化為來自無窮遠處(眼睛)的光，并被風擋玻璃反射；反射后，點列圖可以告訴我們在“真實”風擋玻璃和理想風擋玻璃(平面鏡)的情況下的光線角度。
以下是定義文件的不同步驟：
·忽略表面6至11；
·將視場類型轉換為角度；
·將“物面厚度”值設置為“無限”；
·在風擋玻璃后面添加一個標準表面，作為理想平面風擋玻璃的模型。將材質設置為“MIRROR”。在“Surface 4 Properties”的“Aperture”下，從“Surface 3”中拾取“Aperture”；
·創建兩種多重結構：一種帶有“真正”風擋玻璃，另一種帶有理想的平面反射風擋玻璃(表面3和4)；
·勾選System Explorer…Aperture下的Afocal Image Space，設置單位為角度。
這些修改可以在“HUD_Step1_windshield_aberration.zar” 文件中找到：
要分析風擋玻璃引入的像差，請單擊 Analyze…Aberrations…Full Field Aberration。塞德爾像差工具在此不適用，因為它只描述旋轉對稱系統中的三階像差。
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ZEMAX | 內窺鏡物鏡系統初始結構的優化提升Ⅰ
點擊分析-像差分析-場曲 / 畸變功能，分別選擇不同的結構，可得到如下圖所示的畸變曲線：
從結構1的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.12%，畸變程度較大。通過文本數據結果也可以查看到 0.5 相對視場高度時（通常為觀測區域），其畸變值為 -5.64%。
從結構 2 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.17%，畸變程度較大。通過文本數據結果查看到 0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.58%。
而從結構 3 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.4%，0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.98%。
由于內窺鏡物鏡的總長和體積都比較小，難以在短距離和小口徑鏡片中矯正畸變，三種結構中的畸變值總體上都是可以接受的。
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展開 自動刪減元件|SYNOPSYS光學設計軟件第90課
如下是一個四片式鏡頭以及它的三階像差分析，MTF 和 RMS 光斑半徑。
四片式鏡頭的技術指標：
1.焦距f=100mm
2.D/f=1/4.5，F/#=4.5
3.波段：可見光
4.視場角2w=40°
鏡頭文件：
請聯系工作人員獲取
輸入非常簡單，只需要在優化宏文件上準備這樣一行代碼:
AED LLIB[QUIET/0][JSSS[JSPS]] [PCV [C]]
該程序首先使用輸入的優點函數優化當前鏡頭。然后，它依次查看從JSSS到JSPS的表面范圍內的每個元素，并對每個元素執行以下操作：
1.添加半徑和厚度的變量，如果它們還沒有在PANT文件中。
2.增加像差，使兩側曲率差為0。
3.向該元素的厚度添加一個0的目標。
4.優化系統。
如果一切看起來都令人滿意，則很容易刪除該元素：程序將顯示一個框，詢問您是否希望刪除該元素，如果單擊Yes按鈕，則該元素將消失。當該過程完成時，最佳案例將保存在庫位置LLIB中，并顯示在PAD中。PCV為曲率變化量像差的權重。輸入C會在顯示最佳情況和同意刪除該元件后再進行一次優化循環。
展開 Ansys Zemax | 探索 OpticStudio中的序列模式
使用技巧：在分析窗口中單擊右鍵彈出下拉菜單，打開設置對話框 (Settings) 同樣可以對該窗口進行設置。
光線和OPD光扇圖分析
在OpticStudio中，可以通過分析光線像差和光程差的方法來衡量一個光學系統的幾何像差。您可以在分析 (Analyze) 菜單中的像差分析 (Aberrations)中找到這些功能。
打開光線像差圖 (Ray Aberration)，分析窗口中顯示了每個視場和波長下子午方向和弧矢方向的光扇圖。
除了光線像差，OpticStudio也能生成波前像差光扇圖。這類分析圖表也稱為OPD光扇圖（光程差，Optical Path Difference）。在分析菜單中的像差分析下拉菜單中選擇光程差圖 (Optical Path)。OpticStudio將對每個視場和波長繪制相應的波前像差光扇圖。
使用技巧：許多分析圖表都支持窗口光標 (Active Cursor) 功能，當您的鼠標光標移動到圖表上方時，該功能可以顯示光標所在位置的坐標信息。您可以在剛打開的光線光扇圖和OPD光扇圖中嘗試這一功能。
MTF分析
OpticStudio同樣支持對系統進行衍射分析。
點擊文件 (File) 菜單中的打開 (open) 按鈕，打開Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 degree field.zmx，該示例文件為一個簡單的名為庫克三片鏡的三透鏡物鏡系統。
使用技巧：您也可以通過點擊頂部工具欄中的打開按鈕來選擇要打開文件。
點擊分析 (Analyze) 菜單中MTF曲線 (MTF) 中的FFT MTF來查看這個鏡頭的MTF（調制傳遞函數）分析結果。
展開 設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第二部分
這些修改可以在“HUD_Step1_windshield_aberration.zar” 文件中找到：
要分析風擋玻璃引入的像差，請單擊 Analyze...Aberrations...Full Field Aberration。塞德爾像差工具在此不適用，因為它只描述旋轉對稱系統中的三階像差。
全視場像差分析計算波前的Zernike分解項，并顯示整個視場的Zernike系數。
整個視場由紅色方框的設置定義：
以下是這些視場點的表示：以下是這些視場點的表示：
對于每個視場點，軟件將波前擬合為一系列Zernike標準多項式，就像在Analyze…Wavefront…Zernike Standard Coefficients下所做的那樣。以下設置定義了需要顯示的Zernike像差項：
在像差下，根據Zernike標準項5(Z5)和Zernike標準項6(Z6)計算初級像散：
初級像散定義為：
Magnitude = sqrt (Z5^2 + Z6^2)
Angle = (1/2)*atan2(y = -Z5 , x = -Z6)
這里，atan2是C語言函數，它給出了（y/x）的反正切。
如果“顯示”設置為“圖標”，則線的長度將給出大小，方向將給出角度。
在框架的下方是所選像差的顯示范圍，這里則為全視場的初級像散。
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