Текст
                    Программа оптического конструирования
Руководство пользователя
6 марта 2002
ZEMAX Development Corporation
4901 Morena Blvd., Suite 207
San Diego, CA 92117-7320 USA
Тел: (858) 490-2844
Факс: (858) 490-2836
support@zemax.com
www.zemax.com


ОГЛАВЛЕНИЕ INTRODUCTION ВВЕДЕНИЕ Глава 1 Относительно этого документа Что может сделать ZEMAX? Чего не может сделать ZEMAX? Обучение работе с ZEMAX Требования к компьютеру Процедура инсталляции Установка электронного ключа Загрузка ZEMAX Политика фирмы относительно утраты электронного ключа Что такое техническая поддержка Как получить техническую поддержку Политика фирмы относительно обнаруженных дефектов 1-1 1-1 1-2 1-3 1-3 1-3 1-3 1-4 1-4 1-4 1-5 1-5 USER INTERFACE ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ-КОМПЬЮТЕР Глава 2 Введение Типы экранных окон Работа с главным окном Работа с редакционными охнами Работа с графическими окнами Использование опции "Annotation" Использование опции "Выделение и увеличение* Работа с текстовыми окнами Работа с диалоговыми окнами Прекращение чрезмерно длительных вычислений Сводка полезных комбинаций клавиш Использование буфера обмена Windows 2-1 2-1 2-2 2-3 2-4 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-10 2-12 CONVENTIONS AND DEFINITIONS СОГЛАШЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Глава 3 Введение Активная конфигурация 3-1 3-1 .Угловое увеличение Аподизация 3-1 3-1 |_3адний фокапыный отр езок ^Кардинальные плоскости 3-1 3-2 Главный луч 3-2 . Оси координат_ . Термин Дифракционно ограниченный Краевая толщина [.Эффективное фокусное расстояние Л«яметр входного зрачка 3-3 3-3 3-3 Положение входного зрачка Диаметр выходного зрачка f*t Попохение выходного зрачка Дополнительные данные 3-4 3-4 3-5 3-5 ОГЛАВЛЕНИЕ
гг. г в- СОТЫ погя firs' г Стг- ла 3-5 ,у рэзмео апеотурной -е ос/ л ости F/tf а пр •страистве из _ Числовая апертура в прострэпСтее изображений Единицы <*зме< 3-6 3-6 3-6 3-6 3-7 3-7 Матсичум поля зрения Непаоа«:иальные системы Непоследовательная трассировка луча ' v/роваииые кссрлинаты поля у эрачка Числовая апертура в пространстве объектов Параметрические данные Параксиальные и парабаэовые лучи Параксиальная высота изображения Параксиальное увеличение_ Параксиальное рабочее F/# Главная длина волны 3-7 3-7 3-Г 3-8 3-8 3-9 3-10 3-10 3-10 3-11 3-11 3-11 _Радиус_ 3-11 _Сагиттальный и меридиональный_ Полудиаметры Последовательная^трассировка луча Число Штреля 3-11 3-12 3-12 3-13 Апертуры поверхностей 3-13 Апертура системы 3-13 Толщины 3-13 Полное внутреннее отражение Полная длина системы 3-14 3-14 Коэффициенты виньетирования 3-14 Длина волны 3-16 рабочее F/# 3-16 FILE MENU МЕНЮ "FILE" Глава 4 New Open Save Save as Use Session Files Program Mode Insert Lens Preferences Exit Recently used files 4-1 4-1 4-1 4-2 4-2 4-2 4-3 4-3 4-11 4-11 EDITORS MENU МЕНЮ "EDITORS" Глава 5 Редактор данных оптической схемы -"Lens Data Editor" редактор оценочной функции - "Merit Function Editor" Редактор данных мультиконфигурации -"Multi-Configuration Editor" Редактор данных для анализа допусков -"Tolerance Data Editor" Редактор дополнительных данных - Extra Data Editor" Редактор данных для непоследовательных компонентов - "Non-Sequential Components Editor" Undo Redo, and Recover 5-1 5-14 5-16 5-19 5-21 5-22 5-25 TABLE OF CONTENTS
SYSTEM MENU МЕНЮ "SYSTEM" Глава 6 Update Update All General (Главные параметры схемы) Fields (Поля зрения) Wevelenqths (Длины волн) Next Configuration (Следующая конфигурация) Last Configuration (Предыдущая конфигурация) 6-1 6-1 6-1 6-17 6-18 6-19 6-19 ANALYSIS MENU МЕНЮ "ANALYSIS" Глава 7 Введение Layout (Схемы) Pans (Диаграммы) Spot Diagrams (Диаграмма пятна_рассеивания) MTF (Модуляционная передаточная функция. МПФ) PSF (Фкнкция рассеивания точки. ФРТ> Wavefronl (Волновой фронт) Surface (Поверхность) RMS (Среднеквадратическое отклонение. С.К.З.) Encircled energy (Распределение энергии) Illumination (Освещенность) Imaqe Analysis (Анализ изображения) Вiocular Analysis (Бинокулярный анализ) Miscellaneous (Разные дополнительные программы) Calculations (Вычисления) Gradient Index (Градиент показателя преломлений) Universal Plot (Универсальный график) Polarization (Поляризационный анализ) Coatinqs (Тонкопленочные покрытия) Physical Optics (Физическая оптика) Physical Opltcs Propagaiion Beam File Viewer 7-1 7-1 7-14 7-17 7-21 7-32 7-39 7-42 7-43 7-48 7-52 7-56 7-73 7-75 7-95 7-100 7-100 7-103 7-106 7-109 7-114 7-117 TOOLS MENU МЕНЮ "TOOLS" Глава 8 Optimization (Оптимизация) 8-1 GJobal Search (Поиск глобалного оптимума) Hammer Optimization (Hammer-оптимизация) Merit Function Listing (Список оценочных функций) Remove All Variables (Убрать со всех параметров статус переменной вепичины) I Glass Substitution Template (Спецификатор стекла) 8-1 6-1 8-1 8-2 8-2 Jo'erancing (Допуски) Tolerance Listing (Списокдопусков) Tolerance Summary (Итоговая таблица допусков) Je$tP\aie Fitting {Подгонка радиусов кривизны Поверхностей по„ пробные стекла) Test Plaie Lists (Список пробных стекол) G[ass Catalogs (Каталоги оптического стекла) Lens Catalogs (Каталоги линз) Abg Scatter Data Catalogs (Каталоги ABg данных для характеристики рассеивающих свойств поверхностей) 8-3 8-3 8-3 8-4 8-6 8-7 8-7 8-9 ОГЛАВЛЕНИЕ
cd • C^atirra Fi* (Рела-т^^саа^^е ^гй-ас—а-—vn опокрь тиях) Re ad Coa*-q Fi с fПе" ла'э <а свила го-.--т,..) /•^d Cca: ng to 1 Surface ГНагес.1* пог.Сэггис на все поверхности) Coatina Listip, (Список по*оыил) Convert Semi-Diameiers to Circular Apenures (Преобсазовать полуд^аметсл в круглые апертуры) Convert Semi-Drameters to Floating Apertures (Преобразовать полудиаметры в "плаза«ощие" апертуры) Remove A'l Aoertures (Убрать апертуры со всех поверхностей) Replace Vignetnng With Apertures . (Заменить коэффициенты виноетирсвания на апертуры) Reverse Elements (Обращение группы элементов оптической системэ|) Trlt/Decenter Elements {Наклон и децентрозка элементов) Scale Lens (Масштабирование cxev Make Focal (Масштабирование схемы к новой с зональной длине) Quick Focus (Бысирая подфокусировкз ) Add Fold Mirror (Добавить в схему наклонное зеркало) Delete Fold Mirror (Удалить из схемы наклонное зеркало) Convert to NSC Group (Преобразование группы последовательных элементов в группу непоследовательных элементов) Ghost Focus Generator (Генератор Фокуса "духов ) Performance Test (Тест на скорость вычислений) Create Polyqon Object (Создание объекта типа "Polyqon') Export IGES/STEP Solid Export IGES Line Work Slider 8-11 8-11 8-11 8-11 8-12 8-12 8-12 8-13 8-13 8-13 8-14 8-14 8-14 8-15 8-16 8-17 8-18 8-20 8-21 8-21 8-23 8-25 REPORTS MENU МЕНЮ "REPORTS 11 Глава 9 Введение Surface Data (Данные о параметрах поверхности) System Data (Данные о параметрах оптической системы)^ Prescription Data (Спецификация оптической схемы) Report Graphics 4/6 (Графики для отчета) 9-1 9-1 9-2 9-2 9-3 MACROS, EXTENSIONS, AND WINDOWS MENUS МЕНЮ " MACROS", "EXTENSIONS", AND "WINDOWS " Глава 10 Editl/Run ZPL Macros Refresh Macro List Macro Names Extensions Refresh Extensions List Extensions Names Listing of open windows 10-1 10-1 10-1 10-1 10-2 10-2 10-3 SURFACE TYPES ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ Глава 11 Введение Параметрические данные Дополнительные данные Обзор типов поверхностей 11-1 11-1 11-2 11-2 TABLE OF CONTENTS
Стандартные поверхности Поверхность с четной асферикой Поверхность с нечетной асферикой Параксиальная поверхность Параксиальная XY поверхность Тороидальная поверхность Биконическая поверхность Тороидвльная дифракционная решетка Поверхности, аппроксимируемые кубическими сплайнами Голограмма 1 Голограмма 2 Поверхность типа "Coordinate Break" Полиномиальная поверхность Поверхность Френеля Поверхность типа ABCD "Альтернативная" поверхность с четной асферикой "Альтернативная" поверхность с нечетной асферикой Дис )ракционная_решетка Поверхность, сопрягающая две точки Наклонная поверхность Нерегулярная поверхность Поверхность типа "gradient 1" Поверхность типа "gradient 2" Поверхность типа "gradient 3* Поверхность типа "gradient 4" Поверхность типа "gradient 5" Поверхность типа "qradient 6" Поверхность типа "gradient 7" Поверхность типа "GRADIUM" Поверхность типа "qradient 9" Поверхность типа "qradient 10" Поверхность Цернике (ряд Frinqe) Фазовая поверхностьЦернике (ряд Fringe) Поверхность Цернике (стандартный ряд) Фазовая поверхностьЦернике (стандартный ряд) Обобщенная полиномиальная поверхность Бинарная оптика 1 Бинарная оптика 2 Обобщенная поверхность с аппроксимацией кубическими сплайнами Обобщенная асферическая поверхность . Обобщенная поверхность с нечетной асферикой Дифракционная решетка с переменным шагом Эллиптическая дифракционная решетка Эллиптическая дифракционной решетка 2 Голограмма, изготовленная оптическим методом Суперконическая поверхность Обобщенная поверхность Френеля Цилиндрическая поверхность Френеля Генерализованная поверхность Френепя Поверхности, определяемые сеткой прогибов Поверхности, определяемые сеткой фазовых величин Периодическая поверхность Голограмма на тороидальной поверхности Матрица Джонса Поверхность для моделирования атмосферной рефракции ' Зонная пластинка 1 Поверхность, определяемая пользователем (UDS DLL) ! Двоякопреломляющие поверхности 1 Радиальная NURBS- поверхность 11-5 11-6 11-6 11-7 11-8 11-9 11-9 11-10 11-11 11-11 11-13 11-13 11-14 11-15 11-15 11-16 11-16 11-17 11-17 11-19 11-19 11-20 11-21 11-22 11-22 11-23 11-24 11-25 11-26 11-29 11-30 11-31 11-32 11-34 11-35 11-35 11-36 11-38 11-40 11-41 11-42 11-43 11-44 11-45 11-46 11-49 11-51 11-52 11-53 11-53 11-56 11-56 11-57 11-58 -.1-59 11-59 11-61 11-70 11-74 ОГЛАВЛЕНИЕ
3" NUF5S-поверхность Псэер/ ^пе*с-а-^л- ых 11-76 NON-SEQUENTIAL COMPONENTS НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Глава 12 Рведение Оптимизация схемы с NSC-группой (гоуппои непосяедоватегьчьос компонентов) Два метода трассировки лучей через NSC объееты Оозор Истода трассировки лучей через NSC-roynny с портами Обэср метода трассировки лучей через NSC-группу без портов Описание NSC объектов Кольцо Асферическая поверхность Биконическая линза Биконическан поверхность Объект "Binary Г Объект "Binary 2" Конус Граненый параболический концентратор Цилиндрическая трубка Цилиндрический объем Цилиндрическая трубка второго типа Цилиндрический объем второго типа Дифракционная решетка Эллипс Линза с четной асферикой Линза Френеля первого типа Линза Френепя второго типа Импортируемый объект Прямоугольная линза MEMS- системы (Микро-Электро-Механические Системы) Нуль-объект Линза с нечетной асферикой Многогранник Трехгранный угол Прямоугольник Прямоугольная трубка Прямоугольная крыша Прямоугольный объем Слайд Сфера/Шар Стандартная линза Стандартная поверхность STL-объекты Табулированный объект, образованный радиальными гранями Табулированный граненый тороид Табулированная радиальная линза Френеля Тороидальная линза Тороидальная поверхность Торическая поверхность Тороидальный сплошной объект Трехгранный угол Треугольник Комментарий относительно использования граней Источники и детекторы излучения Детектор Диодный источник 12-1 12-2 12-2 12-4 12-7 12-9 12-12 12-13 12-13 12-15 12-17 12-17 12-18 12-19 12-19 12-20 12-20 12-20 12-21 12-22 12-22 12-23 12-25 12-26 12-28 12-29 12-31 12-31 12-31 12-32 12-33 12-33 12-34 12-34 12-35 12-35 12-35 12-36 12-37 12-38 12-39 12-41 12-41 12-42 12-43 12-44 12-44 12-44 12-45 12-45 12-47 12-50 TABLE OF CONTENTS
DLL источник Эллиптический источник Источник в виде спиральной нити Источник, определяемый пользователем Точечный источник Прямоугольный источник Объемный источник в форме цилиндра Объемный источник а форме эллипсоида Объемный источник а формв параллелепипеда Расположение NSC-объектов Преломление и отражение на NSC объектах Дифракция на NSC объектах Диалоговое окно "Свойства объектов" Определение пути луча по указанному списку объектов Апертуры, определяемые пользователем Группировка поверхностей объекта по их рассеивающим свойствам Поляризация и тонкопленочные покрытия Рассеивание Модели рассеивания Объемное рассеивание Моделирование/длины когерентности Определение среды с градиентом показателя преломления Определение дифракционных свойств поверхностей DLL Расщепление лучей Сложение всех эффектов вместе Трассировка лучей методом Монте-Карло Определение объектов типа "Polygon Object" Определение STL-объектов Особые замечания по трассировке лучей через граненые объекты Комментарий относительно объектов DLL l_12 - 51 I 12-52 12-54 12-55 12-57 12-57 12-57 12-58 12-58 12-59 12-64 12-65 12-65 12-66 12-67 12-67 12-68 12-68 12-69 12-73 12-73 12-73 12-73 12-73 12-75 12-76 12-77 12-80 12-81 12-82 SOLVES ФУНКЦИИ "SOLVE" Глава 13 Введение. Список функций "SOLVE" Описание функций "SOLVE*, применяемых к кривизне поверхности Описание функций "SOLVE", применяемых к толщине поверхности Описание функций "SOLVE", применяемых к стеклу Описание функций "SOLVE", применяемых к лолудиамет^у поверхности Описание функций "SOLVE", применяемых к параметрам поверхности Советы по использованию функций "SOLVE" 13-1 13-4 13-6 13-9 13-10 13-10 13-11 OPTIMIZATION ОПТИМИЗАЦИЯ Глава 14 Введение Задание переменных Выбор оценочной функции Возможные ошибки при работе с запрограммированными оценочными функциями Оптимизация при аподиээции пучка Модификация оценочной ф>нкции Операторы оптимизации Понимание операторов ограничения Использовании операторов MTF L Выполнение оптимизации i Определение сложных (составных) операторов 14-1 14-1 14-2 14-8 14-8 14-9 14-11 14-41 14-43 14-44 14-45 ОГЛАВЛЕНИЕ
Om^v/'-a " ZOOV • v rbT/tCh^/^.^a^-^-noixcxev Опт**у/-э »*я объ5<стсв /" ^^пы^епоследевгтепьныхэге'.'^ч-тоэ* Опт/м/зэ^я с опеоатессу (VAE использована операторов кс-трол'руюд.их материалы с град/ентег/ г*4карателя преломления Опорэтссы, определяешье польэсэателем Опт/»ли^аи^я с усполозова^е ^э-эоссв 2PL Глобальн > on /»«/м 14-47 14-49 14-50 1 14-50 14-51 14-51 14-52 14-53 114-55 GLOBAL OPTIMIZATION ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ Глава 15 Введение Возможности ZEMAX Алгоритм глобального поиска Алгоритм 'Hammer Optimization" Оптимизация стекол Рекомендации по использованию алгоритма Глобального поиска" 15-1 15-2 15-3 15-4 15-6 15-8 TOLERANCING ДОПУСКИ Глава 16 Введение Основная процедура Операторы допусков Использование поверхностей нерегулярного типа для анализа допусков Операторы, контролирующие анализ допусков Автоматическое задание допусков Определение компенсаторов Подготовка схемы к анализу допусков Выполнение анализа допусков Как 2 ЕМ АХ выполняет анализ допусков Правила вложения операторов допусхоз при анализе методом Монте-Карло Использование программы "Tolerance Script" при анализе допусков Анализ допусков у ZOOM и мультиконфигурационных систем Анализ допусков с функциями "Solve" Ошибки, уничтожающие результаты анализа допусков - "Подводные камни, на которые можно "налететь" при выполнении анализа допусков Заключение 16-1 16-2 16-3 16-15 16-15 16-19 | 16-21 16-21 16-22 16-28 16-35 16-36 16-44 16-44 16-44 16-45 16-45 MULTI-CONFIGURATIONS МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИИ Глава 17 Введение Первый шаг Операторы, используемые в редакторе МСЕ Задание числа конфигураций Определение каждой конфигурации Добавление элементов 8 схему и их устранение Смена конфигураций Оптимизация схем с изменяющейся конфигурацией Использование функций "Solve" с мультиконфигурационными данными 17-1 17-1 17-1 17-5 17-5 17-5 17-6 17-6 17-8 8 TABLE OF CONTENTS
USING GLASS CATALOGS ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ Глава 18 Введение Выбор используемых каталогов стекла Просмотр и редактирование каталогов стекла Описание каталожных данных Создание нового каталога стекла Дисперсионные формулы Аппроксимация дисперсионных данных Аппроксимация данных "плавки" Определение коэффициентов пропускания Моделирование газов и жидкостей _Др_угие опции каталогов стекол Быстрый поиск стекла в каталоге Использование MlL-чисел для описания стекла Использование моделей стекла Литературные источники данных для каталогов стекла Вышедшие из употребления каталоги стекол 18-1 18-2 18-2 18-3 18-4 18-5 18-7 18-8 18-10 18-11 18-11 18-12 18-12 18-12 18-13 18-15 THERMAL ANALYSIS ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Глава 19 Введение Задание температуры и давления Задание длин волн Вычисление величины показателя преломления Операторы, используемые при термооптическом анализе Определение диапазонов изменений температуры и давления для одной конфигурации схемы Автоматическое выполнение термооптического анализа Введение дополнительных величин ТСЕ Моделирование газов и жидкостей Дополнительные данные для температурной зависимости показателя преломления Оптимизация схем в заданном диапазоне температур Ограничения термооптического анализа 19-1 19-1 19-2 19-2 19-5 19-7 19-8 19-8 19-9 19-9 19-10 19-10 POLARIZATION ANALYSIS ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ Глава 20 Введение Обзор основных понятий о поляризации света Свойства непокрытых поверхностей Моделирование покрытий Материалы и покрытия 2ЕМАХ | "Нанесение покрытий на поверхности Что делает 2ЕМАХ. если покрытие не задано** ^Определение состояния поляризации падающих лучей Определение компонент вектора поляризации Что может вычислить ZEMAX при поляризационном анализе7 . Моделирование двоякопреломляющих материалов Моделирование нарушения полного внутреннего отражения ' Ограничения на поляризационный анализ 20-1 20-1 20-7 20-7 20-16 20-17 20-17 20-18 20-18 20-19 20-20 20-20 20-22 1 ОГЛАВЛЕНИЕ
PHYSICAL OPTICS PROPAGATION МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА Глава 21 Введение Дифракционное распространение света Дифракция оренепя Дифракция ©раумгоферз Пипотный пучок Распространение пучка в пределах и вне области Репея Распространение пучка через произвопьные поверхности Учет полр.ризацг.,1 Требования к объему памяти компьютера Задание исходного пучка Специапьные установки дпя поверхностей Вычисление эффективности связи со световодом Советы по использованию программы Приближения в модели к алгоритмах Примеры 21-1 21-3 21-6 21-7 21-8 21-11 21-12 21-13 21-14 21-14 21-19 21-20 21-22 21-23 21-24 ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX Глава 22 Введение Создание ZPL-программ Выполнение ZPL-программ Обзор языка ZPL Переменные 2PL Функции 2PL Использование функции FICLQ Математические операции нэ языке ZPL Логические операторы ZPL Строчные переменные и операции с ними Строчные логические операторы ZPL Ключевые слова ZPL Пример 1 Пример 2 22-1 22-1 22-1 22-2 22-4 22-4 22-12 22-12 22-13 22-14 22-16 22-17 22-69 22-70 ZEMAX EXTENSIONS РАСШИРЕНИЕ ZEMAX: СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ZEMAX С ВНЕШНИМИ КОМПИЛИРОВАННЫМИ ПРОГРАММАМИ Глава 23 Эта глава не переведена на русский язык. Мы полагаем» что содержание этой главы будет понятно без перевода пользователям, владеющим языком программирования СИ. Вместо этой главы мы включили в это издание перевод раздела "Начальный курс обучения работе с ZEMAX", который будет полезен начинающим пользователям. ю TABLE OF CONTENTS
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: TUTORIAL НАЧАЛЬНЫЙ КУРС ОБУЧЕНИЯ РАБОТЕ С ZEMAX Введение Яе*цня 1 Сим глет Лекция 2 Дубле! Лелуия 3. Телескоп Ньютона Лекция 4. Телескоп Шмидта с асферическим корректором Лекция 5. Расширитель лазерного лучка Мультиконфигурация. Лекция 6. Наклонное зеркало Излом оптической оси. Лекция 7. Ахроматическая линза. П1-1 П1-1 П1-8 П1-13 П1-16 П1-21 П1-25 П1-28 ПРИЛОЖЕНИЕ 2: RELEASE NOTES Перечень изменений и дополнений, внесенных bZEMAX с марта по сентябрь 2002 г April 4. 2002 May 16. 2002 June 10. 2002 July 9. 2002 July 24. 2002 Auqust 26. 2002 September 19.2002 П2-1 П2-1 П2-3 П2-3 П2-4 П2-5 П2-6 ОГЛАВЛЕНИЕ 11
INTRODUCTION ВВЕДЕНИЕ About this document Относительно этого документа ZEMAX доступен в трех различных редакциях: ZEMAX-SE (стандартная редакция). ZEMAX-XE (расширенная редакция) и 2ЕМАХ-ЕЕ (инженерная редакция). Это руководство охватывает все три редакции; однако, некоторые программы, входящие в пакет, являются уникальными для одной или двух из этих редакций, как это отмечено в тексте. Если какая-либо из программ доступна только для редакций ZEMAX-XE и ZEMAX-EE, но недоступна для ZEMAX-SE, то в том месте руководства, где описана эта программа, дана «шапка»: ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУПЕН ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИЙ ZEMAX-XE и ЕЕ. Если какая-либо программа доступна только для 2ЕМАХ-ЕЕ и не доступна для ZEMAX-XE и 2EMAX-SE, то в том месте руководства, где эта программа описана, дэна «шапка»: ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУПЕН ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ 2ЕМАХ-ЕЕ. Заметьте, что редакция ХЕ включает в себя редакцию SE; все. что доступно в редакции SE. доступно и в ХЕ плюс некоторые дополнительные возможности. Точно так же редакция ЕЕ вмещает в себя редакцию ХЕ. Это руководство охватывает все эти три редакции ZEMAX, работающие в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT. Имейте в виду, что ZEMAX® - зарегистрированная торговая марка фирмы Focus Software, Inc. What does ZEMAX do? Что делает ZEMAX? ZEMAX - это пакет программ, позволяющий моделировать, анализировать и проектировать оптические системы. Интерфейс, с помощью которого осуществляется связь пользователя с компьютером, является очень простым в использовании и, при небольшой практике, позволяет осуществлять быстрый диалог. Доступ к большинству программ ZEMAX осуществляется путем выбора соответствующих опций либо через высвечивоемое на экране главное меню либо через выпадающие подменю. Для быстрого перемещения по меню или ускоренного прохода по его иерархии используются различные комбинации клавиатурных клавиш. В этом руководстве дано описание условных обозначений, используемых ZEMAX. объясняются возможности программы и процедуры их реализации. Глава1: ВВЕДЕНИЕ 1-1
What doesn't ZEMAX do? Чего не может сделать ZEMAX? Ни программа ZEMAX. ни это руководство не предназначены для обучения пользова- пользователей науке проектирования оптических систем. Хотя программа во многом поможет пользователю в проектировании и анализе оптических систем, именно Вы остаетесь проектировщиком. Это руководство по использованию ZEMAX не является учебным пособием по проектированию оптики, используемой в оптике терминологии или методологии. Техническая поддержка предоставляемая пользователям, включает помощь в использовании программы, но не включает обучение фундаментальным основам оптики. Если Вы совсем не имеете или имеете очень небольшой олыт в проектировании оптических систем, то Вы можете обратиться к многочисленным хорошим книгам по оптике для получения ответа на интересующий Вас вопрос. В следующей ниже таблице дан список некоторых полезных книг. REFERENCE ON LENS DESIGN СПИСОК ПОЛЕЗНЫХ КНИГ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ АВТОР Bass Born & Wolf Fischer&Tadic-Galeb Hecht Kingslake Laikin Mahajan O1 Shea Rutten and van Venrooij Shannon Smith, Gregory Hallock Smith, Warren Smith. Warren Welford Welford НАЗВАНИЕ Handbook of Optics Principles of Optics Optical System Design Optics Lens Design Fundamentals Lens Design. Second Edition Aberration Theory Made Simple Elements of Modern Optical Design Telescope Optics The Art and Science of Optical Design Practical Computer-Aided Lens Design Modern Optical Engineering Modern Lens Design Aberrations of Optical Systems Useful Optics ИЗДАТЕЛЬСТВО McGraw-Hill Pergamon Press McGraw-Hill Addison Wesley Academic Press Marcel Dekker SPIE Optical Engineering Press John Wiley and Sons Willmann-Bell Cambridge University Press Willmann-Bell, Inc. McGraw-Hill McGraw-Hill Adam Hilger Ltd. University of Chicago Press Самое главное - ZEMAX не заменяет хорошую инженерную практику' Проект не должен рассматриваться как законченный до того, как вычиспения, выполненные с программой, не будут проверены квалифицированным инженером. Это особенно важно, когда проект направляется на производство и стоимость его изготовления оценивается высоко. Проверка результатов ZEMAX должна быть обязанностью инженеров -другого пути нет! 1-2 Chapter 1: INTRODUCTION
Learning to use ZEMAX Обучение работе с ZEMAX Диалоговое учебное пособие по работе с ZEMAX доступно через главное меню ZEMAX: инсталлируйте ZEMAX, затем выберите в главном меню заголовок Help и команду Online Tutorial. Это учебное пособие охватывает основы и некоторые другие темы ло использованию ZEMAX. System requirements Требования к компьютеру ZEMAX требует текущую версию операционной системы, 200 Mb (или больше) свободного пространства на жестком диске, CD-ROM-драйвер, дисплей с минимальным разрешением 1024 х 768 пикселов (и соответствующую видеокарту) и доступ к сети Internet и электронной почте (e-mail) для получения технической поддержки и возможности быстрого обновления программы. Для установки электронного ключа, защищающего ZEMAX от несанкционированного доступа, требуется, чтобы компьютер имел либо параллельный порт, либо USB порт (см. ниже). Требование к объему операционной памяти компьютера варьируется в зависимости от свойств моделируемой оптической системы и вида производимого анализа. Для обычных изображающих систем 64 Mb RAM можно считать достаточным, но только как минимальное требование. Для моделирования очень сложных систем, физического распространения светового пучка, анализа рассеивающих свойств поверхностей или анализа освещенности фокальной плоскости требуется значительно больший объем памяти. Для таких типов анализа 256 Mb RAM можно считать как минимальное требование! но лучше иметь 512 MB. Возможно, что для моделирования физического распространения лучка (заданного матрицей отсчетов с очень большим форматом), потребуется еще больший объем оперативной памяти; смотри в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" раздел "Memory requirements". Использование многопроцессорных компьютеров Многие программы ZEMAX могут выполняться одновременно на нескольких процессорах. Если в компьютере установлено несколько CPU. то ZEMAX автоматически их обнаружит и будет их использовать. Installation procedure Процедура инсталляции Перед тем как инсталлировать программу, пожалуйста, проверьте, что Вы имеете компьютер, удовлетворяющий требованиям, указанным в предыдущем разделе Installing the key Установка ключа ZEMAX является защищенной от копирования программой. Для защиты от копирова- копирования используется специальное кодовое устройство, называемое "ключом" ("key"). Установите ключ, полученный вместе с ZEMAX. в параллельный порт компьютера, предназначенный для подсоединения принтера и обычно расположенный с задней стороны компьютера, если Вы заказывали и получипи ключ для параллельного порта. Глава!: ВВЕДЕНИЕ 1-3
или в USB порт если Вы заказывали и получили ключ типа USB. Если у Вас нет принтера установите в параллельный порт только ключ. Если Вы имеете принтер отсоедините его кабель от компьютера, затем вставьте в этот порт ключ и лрисоедините к ключу кабель принтера. Работа вашего принтера, как и все другие операиии с компьютером не будут нарушены из-за подключения ключа. ■ Подсоединять принтер к ключу не обязательно но если Вы это сделали, то принтер должен находиться во включенном состоянии. Если Вы неправильно установили ключ, то ZEMAX выведет на экран сообщение об ошибке и не позволит программе работать. Running ZEMAX Запуск ZEMAX Инсталляционная программа ZEMAX создаёт новую группу программ. Для запуска ZEMAX дважды кликните на иконку ZEMAX. которая включена в эту группу программ. Policy on the key Политика FSI относительно утраты ключа ZEMAX - программа, защищенная от несанкционированного использования с помощью устройства, называемого "ключом". Ключ должен быть подсоединен к компьютеру при работе с ZEMAX. Ключ не позволяет одновременно работать с несколькими копиями ZEMAX (инсталлированными на разных компьютерах). Зарегистрированный пользователь может инсталлировать ZEMAX на нескольких компьютерах, но при этом работать с программой можно будет только на одном из них (на том, который будет снабжен ключом). Например, пользователь может инсталлировать программу ZEMAX на компьютере, который находится у него на рабочем месте, и на компьютере, который находится у него дома, но ключ должен физически переноситься с одного компьютера на другой. Ключ, поставляемый вместе с ZEMAX, имеет стоимость, равную полной покупной стоимости ZEMAX. Если ключ будет Вами потерян или украден у Вас, то новый ключ можно будет приобрести только за полную стоимость ZEMAX. Застрахуйте ключ точно так же. как это Вы делаете по отношению к другим дорогостоящим устройствам или к личному имуществу. Если ключ к ZEMAX будет Вами потерян или его украдут у Вас, он не будет заменен на новый без дополнительной оплаты полной стоимости ZEMAX! Попытка взлома ключа с целью использования ZEMAX для одновременной работы на нескольких компьютерах является грубым нарушением прав собственника и преследуется по уголовному и гражданскому законодательству США. Definition of support Техническая поддержка В стоимость купленного лицензионного пакета программ ZEMAX входит его 3-х месячная техническая поддержка (с 1-го января 2002 года этот срок будет увеличен до одного года ). Дополнительный год технической поддержки можно получить за дополнительную плату как при покупке ZEMAX, так и в любое Другое время. Период 1-4 Chapter 1; INTRODUCTION
технической поддержки ассоциируется с индивидуальным электронным ключом ZEMAX. "Иметь поддержку" для данного ключа означает, что период поддержки для этого ключа еще не окончился. Техническая поддержка состоит из двух предоставляемых пользователю услуг: собственно технической поддержки и обновления программы. Техническая поддержка заключается в том, что компания Focus Software, Inc. отвечает пользователю на любые его вопросы по использованию ZEMAX. Вопросы можно задавать и получать на них ответы по телефону, электронной почте (e-mail), в факсимильных сообщениях или путем переписки по обычной почте. Обновление ZEMAX состоит в добавлении в пакет новых программ и новых опций, а также в исправлении найденных в программах ошибок. Обновление сопровождается новой документацией, записанной в электронной форме. Пользователи, имеющие техническую поддержку, могут обновлять свои программы через Internet путем копирования файлов с записью новых версий ZEMAX прямо с WEB сайта компании Focus Software, Inc.: www.focus-software.com. Getting technical support Получение технической поддержки Если у Вас есть какие-либо вопросы по инсталляции или по использованию ZEMAX, пожалуйста, следуйте следующим советам для получения нужной Вам информации: 1) Просмотрите раздел "Оглавление": нет ли в этом руководстве главы или раздела, в которых рассмотрен интересующий Вас вопрос. 2) Проверьте по Указателю (данному в конце этого руководства): нет ли в нем соответствующей ссылки. 3) Просмотрите главу "Common question about ZEMAX". В ней Вы можете найти ответы на несколько различных категорий вопросов, наиболее часто задаваемых начинающими пользователями. 4) Просмотрите раздел "The ZEMAX example lens files" в главе "Support files". Возможно. Вы найдете в ней подходящую схему. Если Ваши вопросы касаются установки наклонных компонентов в системе, то несколько таких примеров включены в директорий ZEMAX. Если Вы все же не можете найти необходимую информацию, Вы можете обратиться за помощью на фирму FSI, написав нам письмо, или по телефону, факсу и электронной почте. Если Вы будете звонить по телефону, то постарайтесь на время разговора установить перед собой компьютер. Пожалуйста, имейте в виду, что техническая поддержка производится до тех пор. пока не закончился срок поддержки для вашего электронного ключа, как это было описано в предыдущем разделе. Policy on bug fixes Политика фирмы относительно подтверждения дефектов Все нетривиальные программы могут иметь дефекты. FSI предпринимает все возможные меры для обнаружения и устранения дефектов перед выпуском новых версий ZEMAX. Однако программа ZEMAX является исключительно сложной, так что дзже талантливая группа программистов, занимающаяся тестированием программы перед ее реализацией, не всегда обнаруживает все дефекты Поэтому фирма Focus Software периодически принимает меры по устранению выявленных дефектов Глава!: ВВЕДЕНИЕ 1-5
Если Вы обнаружили очевидный дефект, пожалуйста, сообщите нам об этом. Попытайтесь точно выделить те действия, которые вызывают или ведут к дефекту. Попытайтесь увидеть, не является ли ошибка уникальной для файла именно с вашей схемой Дефект обычно просто выявить, если он явно обнаруживается на файлах с примерами, которые поставляются вместе с программой. Если Вы обнаружили дефект, который вызывает значительную деградацию исполнительных характеристик программы и Вы имеете техническую поддержку Вашей программы, устранение дефекта будет сделано бесплатно. Focus Software оставляет за собой право определять, что именно дефекты лежат в основе значительной деградации программы. Если -Вы не имеете технической поддержки, компания Focus Software, Inc. может потребовать от Вас новой подписки на годовую техническую поддержку Вашей программы перед тем, как будет устранен обнаруженный Вами дефект: в таком случае Вы получите самую последнюю версию программы. Устранение дефектов не производится, если установлено, что они проистекают от несовместимости, нестандартности или недостаточности Вашего компьютера или если Вы пользуетесь устаревшей версией операционной системы. 1 -6 ChaDter 1 INTRODUCTION
USER INTERFACE ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Introduction Введение В этой главе описаны правила пользования интерфейсом ZEMAX, а также некоторые комбинаций клавиатурных клавиш для управления основными экранными окнами. ZEMAX будет прост в использовании, если Вы освоите основные правила работы с программой. Для приобретения первых навыков работы с ZEMAX выполните примеры, данные в главе "Tutorial". Types of windows Типы экранных окон ZEMAX имеет различные типы экранных окон, имеющих различное назначение. Типы окон следующие: Главное окно. Это окно занимает весь экран; в его верхней части имеется заголовок окна, строка с заголовками нескольких меню и полоса "горячих" электронных клавиш, служащих для быстрой подачи команд на выполнение требуемых вычислений. Команды, содержащиеся в этих меню, в основном используются для текущей оптической схемы в целом. Окна редакторов. Есть шесть различных редакционных окон: редактор параметров схемы (Lens Data Editor, LDE), редактор оценочной функции (Merit Function Editor, MFE), редактор мультиконфигураций (Multi-Configuration Editor. MCE), редактор допусков (Tolerance Data Editor, TDE), редактор внешних данных (Extra Data Editor. EDE; только в редакции ZEMAX-EE) и (активизируется только при введении в схему "непоследовательных" компонентов) редактор "непоследовательных" компонентов (Non-Sequential Components Editor; только в редакции ZEMAX-EE). Графические окна. Эти окна используются для высвечивания графических данных, таких как оптические схемы, диаграммы и графики. Текстовые окна. Текстовые окна используются для выведения на экран текстовых и числовых данных, таких как исходные данные, величины коэффициентов аберраций, числовые данные графиков, диаграмм и др. Диалоговые окна. Диалоговые окна - это временно высвечиваемые на экране окна, предназначенные для задания и изменения установленных для текущей схемы опций или данных, таких как углы поля, длины волн, апертуры и типы поверхностей. Они также широко используются для изменения опций в графических и текстовых окнах (например, изменения числа лучей на рисунке оптической схемы). Все окна можно перемещать по экрану и у всех окон можно изменять их размер (за исключением диалоговых окон) с помощью стандартной мышки и клавиатурных команд. Если Вы не знакомы с этими процедурами, прочитайте какую-нибудь книгу по использованию Windows или руководство по использованию Windows Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 -1
Main window operations Работа с главным окном В верхней части главного окна расположена строка с заголовками различных меню. Большинство из них имеют те же названия, что и главы в этом руководстве, в которых они описываются. Смотрите соответствующие главы, в которых Вы найдете детальное описание всех рабочих операций, содержащихся в каждом отдельном меню. Заголовки меню следующие: File: Используется для открытия, закрытия, записи и переименования (save as) файлов с данными оптических схем. Editors: Используется для вызова различных редакционных окон. System: Используется для определение главных параметров оптической схемы. Analysis: Группы программ для анализа оптических схем; эти программы не изменяют параметры схемы, а выполняют численные расчеты и строят графики по данным текущей схемы. Это включает построение оптических схем, изображение различных диаграмм, выполнение дифракционных вычислений и многое другое. Tools: "Инструменты"-программы, которые позволяют производить изменения параметров схемы или производить какие-либо операции над схемой в целом. Это включает оптимизацию, расчет и анализ допусков, подгонку радиусов кривизны под пробные стекла и другие. Reports: Используется для документирования оптических схем; это включает суммарные данные по оптической схеме, данные по отдельным оптическим поверхностям и графики для отчетов. Macros: Используется для редактирования и выполнения ZPL программ (ZPL макросов). Extensions: Обеспечивает доступ к программам ZEMAX Extensions, которые являются внешними компилированными программами, работающими вместе с ZEMAX. Window: Позволяет выбрать из списка всех ранее открытых окон нужное окно и расположить его на экране перед другими окнами. Help: Обеспечивает доступ к справочным материалам по использованию ZEMAX. Большинство из наиболее часто используемых рабочих операций, содержащихся в различных меню, могут быть для сокращения времени вызваны с помощью команд, подаваемых с клавиатуры компьютера. Например, комбинация клавиш Ctrt-Q закрывает ZEMAX. Клавиатурные команды указаны в меню вместе с названиями команд. Для быстрого переключения между окнами в пределах главного окна удобно использовать комбинацию клавиш Control-Tab. Это обеспечивает активизацию следующего окна из списка окон, сохраняемых ZEMAX. 2 -2 Chapter 2: USER INTERFACE
В главном окне ниже полосы с заголовками различных меню высвечен также ряд так называемых "горячих" электронных клавиш. Эти клавиши используются для ускоренного вызова наиболее часто используемых рабочих операций. Все эти клавиши дублируют команды, доступные через главное меню. Функциональное назначение всех этих клавиш может быть изменено по вашему желанию с помощью последовательности команд File, Preferences, Button Ваг. Для наименований "горячих* клавиш используются три буквенных символа, соответствующие именам, выбранных для них рабочих операций. Если разрешающая способность экрана недостаточно высока, то не все "горячие" клавиши могут быть высвечены на экране. Рекомендуется, чтобы разрешение экрана было 1024x768 или выше. Editor windows operations Работа с редакционными окнами Редакционные окна используются в основном для введения данных оптической схемы (Lens) и задания оценочной функции (Merit function). Каждый редактор представляет собой таблицу с рядами и колонками. Пересечения рядов и колонок образуют ячейку. Если редактор является активным окном (имеет ярко высвеченный заголовок), то одна из его ячеек будет высвечена в обратном контрасте. Эта ячейка называется активной ячейкой, и она имеет так называемый входной "фокус*. Обратный контраст ячейки также называется курсором, хотя курсор в его обычном понимании отсутствует. Наличие входного "фокуса" означает, что все данные, набираемые на клавиатуре, будут печататься в этой ячейке. Исключение составляют контрольные команды, такие как подаваемые от курсорных клавиш или от различных комбинаций клавиатурных клавиш, команды от которых посылаются прямо к главному окну. Для изменения данных в активизированной ячейке просто напечатайте новые данные и по окончании нажмите на клавишу Enter. Для прибавления какого-либо числа к уже записанному в активной ячейке наберите на клавиатуре знак "+и и за ним добавляемое число, затем нажмите Enter. Например, для изменения 12 на 17 наберите "+5" и нажмите Enter. Символы умножения "#" и деления Т работают также. Для вычитания надо набрать знак "-" и за ним пробел, а затем вычитаемое число и Enter Пробел необходим для того, чтобы избежать путаницу между операцией вычитания и простым вводом отрицательного числа. Для изменения только части текста в ячейке, без перепечатки всего текста, сначала высветите нужную ячейку, а затем нажмите клавишу "Back space" или клавиатурную клавишу F2 Левая и правая клавиатурные курсорные клавиши, а также клавиши "Ноте" и "End" могут быть использованы для перемещения курсора внутри ячейки и редактирования ее содержания. Мышка также может быть использована для выбора и замены части текста в ячейке. После изменения данных в ячейке и нажатия на клавишу Enter редактирование будет полностью закончено, а курсор останется на этой же ячейке. Нажатие на (курсорные) клавиши "Up" или "Down" также завершит редактирование, но курсор будет соответствующим образом перемещен; нажатие на клавиши ""Tab" или "Shift-Tab" также завершит редактирование и переместит курсор вправо или влево. Для прекращения неудачного редактирования и сохранения старых данных в ячейке нажмите клавишу 'Escape* Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 3
Все четыре курсорные клавиши будут перемещать курсор по таблице соответ- соответствующим образом. Одновременное нажатие на клавишу "Ctrl" и одну из курсорных клавиш переместит курсор сразу на одну страницу в соответствующем направлении. Клавиши "Tab" и "Shift-Tab" также перемещают курсор вправо и влево. Клавиши "Page Up" и Page Down перемещают курсор сразу на всю высоту экрана. Клавиши "Cntrl-Page" и Cntrl-Page Down" перемещают курсор из верхней части в нижнюю часть текущей колонки. Клавиши "Ноте" и "End" перемещают курсор к первой колонке первого ряда и к первой колонке последнего ряда соответственно. Клавиши "Ctrl-Home" и Ctrl-End" перемещают курсор к первому и к последнему ряду последней колонки соответственно. Кликнув мышкой на какую-либо ячейку, вы переместите курсор к этой ячейке. Дважды кликнув на ячейку, вы вызовете диалоговое окно для этой ячейки, если оно для нее предусмотрено. Если кликнуть правой кнопкой мышки, будет вызвано диалоговое окно для установки функций Solve, если это предусмотрено для этой ячейки. Graphic windows operations Работа с графическими окнами Графические окна имеют следующее меню: Update: Обновление графика в соответствии с заданными для схемы новыми данными и новыми установками для графика. Settings: Вызывает диалоговое окно, с помощью которого производятся новые установки для данного графика. Print: Печатает на принтере содержание данного графического окна. Window: Открывается выпадающее подменю со следующими опциями: Annotate: Смотри ниже раздел "Using the annotation feature". Выпадающее по этой команде меню содержит четыре опции: Line: Рисование линии в графическом окне. Text: Позволяет сделать текстовую надпись в графическом окне. Box: Рисование прямоугольной рамки в графическом окне. Edit: Редактирование всех предыдущих комментариев. Copy Clipboard: Копирует содержание окна в буфер обмена Windows. Смотри следующий раздел. Export: Экспортирует показанный график в файлы в форматах Windows Metafile (WMF), BMP или JPG. Lock Window: Эта опция переводит график в "статическое" состояние, при котором он уже не может изменяться. Закрытое для новых данных окно может быть распечатано, скопировано в Clipboard или записано в файл. Эта опция применяется для сравнения результатов различных схем. Если окно закрыто для новых данных, то оно не может быть обновлено и, таким образом, результаты анализа новых загруженных схем могут быть сравнены 2 -4 Chapter 2: USER INTERFACE
с результатами, представленными в этом окне. Закрытое командой "Lock Window" окно не может быть открыто вновь! Для обновления данных в окне оно должно быть закрыто, а затем открыто другое окно. Clone: По этой команде открываются новые окна с теми же данными и теми же установками, как у текущего окна. Эта команда полезна для копирования окон. После создания новое окно функционирует точно таким же образом, как все другие окна, так что оно может обновляться и для него могут вводиться другие установки независимо от первоначального окна. Aspect Ratio: Отношение сторон графика может быть установлено: 3x4 (высота х ширина), 3 х 5, 4 х 3 или 5x3. При двух последних установках высота графических окон больше их ширины. Установить отношение сторон для графиков можно также через диалоговое окно Graphics (File, Preferences, Graphics). Active Cursor: Активизация координатного курсора. С помощью координат- координатного курсора на экран выводятся координаты его текущего местоположения на графике. Для большинства графиков X(Y) выводимые на экран величины очевидны. На некоторых графиках, таких как 3D Layout, показанное изображение представляет собой проекцию трехмерного объекта на плоскость. Для проекции изображения координатные данные дают менее значимую информацию, если объект повернут. Не для всех графиков поддерживается работа координатного курсора. По умолчанию координат- координатный курсор "выключен", но он может быть активизирован, если выбрать эту опцию в диалоговом окне Graphics (File, Preferences. Graphics). Configuration: С помощью этой опции можно выбрать любую из имеющихся конфигураций схемы для визуализации соответствующих этой конфигурации данных. По умолчанию в окне отображаются данные активизированной конфигурации. У некоторых окон, особенно у 3D layout и у текстовых окон, нужную конфигурацию (одну или более) можно выбрать также с помощью "установок", произведенных в диалоговых окнах "Settings". Эти последние установки, если они предусмотрены для данного окна, преобладают над опцией изданного меню. Overlay: По этой команде на экран выводится список всех открытых графических окон; любое их этих окон может быть выбрано для расположения его поверх других текущих окон. Эта опция полезна, когда нужно произвести сравнение двух подобных графиков или схем для выявления в них небольших изменений. Text: Открывает новое окно с цифровыми данными, соответствующими данному графическому окну. Эта опция поддерживается не для всех графических окон Zoom: Контроль увеличения небольших областей графиков Смотри ниже раздел "Using pan and zoom". Меню Zoom содержит следующее подменю: in: 2-х кратное увеличение изображения с сохранением текущего центра графика Out: Отмена 2-х кратного увеличения и возвращение к исходному масштабу изображения Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 - 5
Last: Возвращение к предыдущей установке масштаоа изображения Unzoom: Восстанавливает нормальный размер графика. Имеется две возможности использования мышки в графических окнах: Если дважды кликнуть левой клавишей мышки в каком-либо месте графика, то его содержание будет обновлено. Это действует так же, как команда "Update". Если кликнуть правой клавишей мышки в каком-либо месте графика, то будет вызвано диалоговое окно "Settings . Using the annotation feature Использование опции "Аннотация" Есть несколько способов внесения в графические окна комментариев: линий, прямоугольных рамок и текста. Простейший путь - это ислольэовать опцию Annotate в оконном меню, а затем команды Line, Text или Box. Для рисования линии выберите команду Line, кликните на место начала линии и, не отлуская клавишу мышки, ведите курсор к месту, где линия должна закончиться; затем отпустите клавишу мышки. Такая же процедура используется для рисования рамки на графиках. Чтобы произвести на графике запись какого-либо текста, выберите команды Annotate, Text. Появится диалоговое окно. Напечатайте в нем желаемый текст, кликните на электронную клавишу 'ОК" и кликните мышкой на место в окне, где этот текст должен быть расположен. Для более точного контроля за местом расположения линий и текста, а также для установки шрифта и возможности введения более сложных залисей выберите команды Annotate, Edit из меню графического окна. Эти команды вызывают на экран редактор комментариев, который представляет собой обычный текстовый редактор и несколько клавиш. В этом редакторе имеется также одно контрольное окошко "Use Annotations" для установки флага, указывающего программе, следует или нет вносить записанный комментарий в графическое окно. Поле текстового редактора используется для ввода текста комментария, который должен быть записан в графическом окне. Для ввода новой строки используйте (в конце строки) клавиши Ctrl-Enter. Для задания в редакционном окне текста комментария и сопутствующих ему линий и рамок применяется специальный синтаксис: TEXT ччстрока текста" х у угол х-шрифт у-шрифт Команда TEXT записывает текст, взятый в кавычки, в месте на графике, определенном координатами х и у, под углом, определенном аргументом (угол), шрифтом, ширина и высота которого определены аргументами х-шрифт и у-шрифт. Координаты х и у выражаются в нормализованных единицах по отношению к экстремальным координатам графика: левый край графика имеет координату х = ОД правый край графика имеет координату х = 100, нижний край графика имеет координату у = 0.0 и верхний край графика имеет координату у = 100.0. Началом системы координат является левый нижний край экранного окна. Величина "угла* выражается в градусах. Размерность х-шрифт и у-шрифт - задается в относительных 2 -6 . Chapter 2: USER INTERFACE
единицах. Значения угла, х-шрифт и у-шрифт могут оставаться неопределенными; в таком случае будут использованы их значения по умолчанию. LINE xl yl х2 у2 Команда LINE рисует линию от точки с координатами х1. у1 к точке с координатами х2. у2. Единицы измерения и система координат те же, как они объяснены при описании команды TEXT. ЕОХ xl yl х2 у2 Команда BOX рисует прямоугольник, противоположные углы которого имеют координаты х1, у1 и х2, у2 соответственно. Единицы измерения и система координат те же. как они объяснены при описании команды TEXT. £' LIPSE х у гх гу По команде ELLIPSE рисуется эллипс с центром при координатах х и у и полушириной гх по оси х и полушириной гу по оси у. Если величина гу отсутствует, то рисуется окружность с радиусом гх. В этом диалоговом окне имеется также несколько электронных клавиш: ОК: Принимает комментарий к исполнению и закрывает редакционное окно. Cancel: Возвращается к ранее записанному комментарию и закрывает редакционное окно. Save: Открывает окно типа "Save As", в котором можно определить директорий и имя файла, в котором должен быть записан текст с набранным комментарием. Load: Открывает окно типа "Load", из которого можно выбрать и загрузить в текущее графическое окно файл с комментарием. Reset: Очищает редакционное окно. Help: Вызывает справочную систему. Using pan and zoom Использование опции "Выделения и увеличения" В каждом графическом окне можно выделить небольшой фрагмент и увеличить его. Для активизации этой операции кликните левой клавишей мышки в каком-либо месте графического окна и удерживайте клавишу в нажатом состоянии в течение Уг секунды. Вид курсора изменится - он примет форму крестика. Теперь передвигайте курсор вправо и вниз, выделяя прямоугольной рамкой ту часть графика, которую Вы хотите увеличить, а затем нажмите правую клавишу мышки. Выделенная часть графика будет увеличена до размера полного окна (при этом отношение сторон графика сохранится). Используйте бегунки прокрутки, расположенные по краям окна, для перемещения по графику увеличенного фрагмента Бегунки прокрутки появляются топько после испопьзования увеличения выделенного фрагмента. Для восстановления первоначального размера графика используйте команду "Unzoorrf из меню "Zoom" графического окна. Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 - 7
Для выполнения этих операций можно использовать также некоторые комбинации клавиатурных клавиш, смотри в этой главе ниже раздел " Summary of useful shortcuts'*. Text windows operations Работа с текстовыми окнами Текстовые окна имеют следующее меню; Update: Заново вычисляет данные, представленные в окне с текущей установкой. Settings: Вызывает диалоговое окно, с помощью которого осуществляется выбор установок для этого окна. Print: Печатает на принтере содержание окна. Window: Открывает выпадающее меню с пятью опциями: Copy Clipboard: копирует содержание окна в буфер обмена Windows. Смотри следующий раздел. Save Text: Записывает текст с данными в ASCII файл. Lock Window: Эта опция переводит график в "статическое" состояние, при котором он уже не может изменяться. Закрытое для новых данных окно может быть распечатано, скопировано в Clipboard или записано в файл. Эта опция применяется для сравнения результатов различных схем. Если окно закрыто для новых данных, то оно не может быть обновлено и, таким образом, результаты анализа новых загруженных схем могут быть сравнены с результатами, представленными в этом окне. Закрытое командой "Lock Window" окно не может быть открыто вновь! Для обновления данных в окне оно должно быть закрыто, а затем открыто другое окно. Clone: По этой команде открываются новые окна с теми же данными и теми же установками, как у текущего окна. Эта команда полезна для копирования окон. После создания новое окно функционирует точно таким же образом, как все другие окна, так что оно может обновляться и для него могут вводиться другие установки независимо от первоначального окна. Configuration: С помощью этой опции можно выбрать любую из имеющихся конфигураций схемы для визуализации соответствующих этой конфигурации данных. По умолчанию в окне отображаются данные активизированной конфигурации. Имеется две возможности использования мышки в текстовых окнах: Если дважды кликнуть левой клавишей мышки в каком-либо месте текстового окна, то его содержание будет обновлено. Это действует также, как команда "Update". Если кликнуть правой клавишей мышки в каком-либо месте текстового окна, то будет вызвано диалоговое окно "Settings" ■ 2 -8 Chapter 2: USER INTERFACE
Dialog operations Работа с диалоговыми окнами Работа с большинством диалоговых окон понята без пояснений. Обычно в диалоговых окнах имеется две электронные клавиши: ОК и Cancel (Одобрение и Аннулирование, соответственно). Диаграммы и графики, имеют диалоговые окна с шестью электронными клавишами: О К: Производит заново вычисление данных с учетом текущих установок. Cancel: Восстанавливает установки, которые были выбраны до открытия диалогового окна и не производит новых вычислений. Save: Записывает выбранные установки с целью их постоянного использования до момента выбора новых установок. Смотри ниже. Load: Загружает установки, которые были ранее записаны. Смотри ниже. Reset: Вновь восстанавливает установки, которые были заданы изготовителем программы. Help: Вызов справочной системы ZEMAX. Открываемая страница содержит информацию об опциях открытого диалогового окна. Клавиши Save и Load выполняют двойную функцию. Когда нажимается клавиша Save. установки записываются в файл с текущей схемой. Например, если загружена схема "А" и для изображения схемы установлено число рисуемых лучей - 15. то после нажатия клавиши Save это число лучей будет в дальнейшем воспроизводиться по умолчанию. Также, если создается новая схема или загружается старая схема, не имеющие собственных установок для числа лучей, то по умолчанию будет использоваться тоже 15 лучей. Теперь предположим, что загружается следующая схема ' В" и для нее устанавливается число лучей 9. которое записывается нажатием на клавишу Save. Для схемы "В" и всех схем, не имеющих собственных установок, теперь по умолчанию будет устанавливаться число лучей 9. Однако для первой схемы "А" сохранится установка для 15 лучей, так как это уже ее собственная установка. Клавиша Load работает таким же образом. Когда нажимается клавиша Load. ZEMAX проверяет, была ли у этой схемы ранее записанная установка. Если да, то эта установка будет загружена и воспроизведена. Если нет, то ZEMAX загрузит установку, которая была записана самой последней для какой-либо схемы Из предыдущего примера, в новую схему "С" по команде Load будет загружена установка 9 лучей, так как эта установка была записана последней: хотя схемы "А" и "В" будут загружаться с установками 15 и 9 лучей соответственно, так как это их собственные установки. Собственные установки Save и Load записываются в файл под тем же именем, которое имеет схема, за исключением того, что этот файл будет иметь расширение CFG. а не ZMX. В этот файл не записываются данные схемы, а записываются только определенные пользователем установки для каждого графика. Другие опции диалоговых окон могут быть выбраны либо с помощью клавиатуры, либо с помощью мышки. Используйте клавиши Tab и Shift-Tab для перехода от одной опции к другой. Нажатие мышкой на окошки с записью опций также может быть Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 - 9
использовано для переключения мезду ними. Для этой же цели могут быть использованы и курсорные клавиши. Нажатие на клавиатуре буквы, с которой начинается название опции в выпадающем меню, вызывает эту опцию. Aborting long computations Прекращение чрезмерно длительных вычислений Некоторые задачи, решаемые ZEMAX. требуют относительно большого времени. Например, оптимизация, глобальная оптимизация и анализ допусков могут выполняться как за несколько секунд, так и за много дней. Для прекращения выполнения этих задач можно нажать на электронную клавишу "Terminate'1. После этого ZEMAX прекратит вычисления и возвратится к главной программе. При этом результаты незаконченного вычисления не показываются. Некоторые операции по анализу схем, такие как вычисление МПФ (MTF) или анализ изображения, выполняются при некоторых условиях в течение длительного времени. Например, вычисление МПФ с частой сеткой отсчетов или анализ изображения с высокой плотностью лучей требуют длительного времени. Однако при выполнении операций анализа на экран не выводится информация о состоянии вычислений, а также не высвечивается клавиша для прекращения вычислений, так как их результат направляется непосредственно в окно. Поэтому для прекращения длительных вычислений должна использоваться клавиатурная клавиша "Escape". He преду- предусмотрено выполнение этой команды с помощью мышки. - только "Escape"! Нажатие на клавишу Escape позволяет прервать вычисления МПФ (MTF), ФРТ (PSF), функции распределения энергии в пятне рассеяния и другие дифракционные вычисления. После нажатия клавиши "Esc" происходит возвращение к главной программе (это может занять время от 1 до 2 секунд), а показанные в окне данные вычислений будут дефектными. При анализе изображения нажатие на клавишу "Esc" приведет к прекращению трассировки новых лучей, однако уже трассированные лучи будут показаны и соответствующие им данные будут точными, но не полными. Summary of useful shortcuts Сводка полезных комбинаций клавиш В этом разделе дана сводка полезных команд, осуществляемых с помощью клавиш клавиатуры или мышкой. ZEMAX shortcuts Ускоренные команды ZEMAX Действие Ctrl + Tab Ctrl + буква F1...F1O Результат Смена выведенных на экран окон Используется ао многих инструментах и функциях. Например, Ctrl-L вызывает на экран 2D layout plot (двумерное изображение схемы). Все эти клавиши указаны в меню вместе с названиями опций. Функциональные клавиши также используются для многих приложений. Все они указаны в меню вместе с названиями опций. 2-10 Chapter 2: USER INTERFACE
Действие Backspace Двойное нажатие левой клавиши мышки Нажатие правой клавиши мышки Tab Действие Shift + Tab Home/End Ctrl + Home/End Курсорные клавиши M-> I) ctn + курсорные клавиши Page Up/Down Ctrl + Page Up/Down Результат Когда активизировано редакционное окно, высвеченная ячейка может быть отредактирована с помощью клавиши Backspace, После нажатия этой клавиши мышка, а также левая и правая курсорные клавиши могут быть использованы для редактирования. Если мышка установлена на поле какого-либо графика или текстового окна, то двойное нажатие левой клавиши вызовет пересчет и обновление содержания окна; это равносильно команде Update. Для редакционных окон это действие вызывает на экран диалоговый бокс по установке функций solve. Если мышка позиционирована на каком-либо графическом или текстовом окне, то это действие вызывает диалоговое окно с установками для этого окна. Это равносильно выбору из меню окна опции Setting. В редакционных окнах это действие вызывает диалоговое окно для установок функций solve. Перемещает курсор к следующей ячейке в редакционных окнах и к следующему полю в диалоговых окнах. Результат Перемещает курсор в предыдущей ячейке в редакционных окнах или к предыдущему полю в диалоговых окнах. Перемещает курсор к первой/последней строке первой колонки в редакционной таблице или двигает текст в начало/конец в текстовых окнах. Перемещает курсор к первой/последней строке последней колонки в редакционной таблице. В редакционных таблицах производят перемещение курсора (высвеченной ячейки) на одну ячейку в соответствующем направлении. В трехмерных графических окнах производят поворот графиков относительно осей X и Y. В редакционных таблицах производят перемещение курсора (высвеченной ячейки) на одну экранную страницу в соответствующем направлении. В трехмерных графических окнах производят выделение фрагментов графиков для их увеличения. В редакционных таблицах производят перемещение курсора (высвеченной ячейки) на одну экранную страницу вверх или вниз. В трехмерных графических окнах производят поворот графиков относительно оси Z. Перемещает курсор к первой или последней строке в текущей колонке. Windows shortcuts Ускоренные команды Windows Действие Результат Alt + Tab Переключение между всеми текущими вызванными программами. Очень полезно для быстрого перехода от программы ZEMAX к другим программам и обратно. Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2-11
Действие J Результат Ctrl + Esc Выводит на экран рабочий список Windows. Активизирует верхнее меню в текущем приложении. Активизирует в верхнем меню текущего приложения команду, имя которой начинается с нажатой буквы. Та b J Tie ре ход к следующей опции или к следу юще му полю. Shift + Tab | Переход к предыдущей опции или к предыдущему полю. Включает или выключает выбранное контрольное окно. Вызывает диалоговое окно для текущего окна и текущего параметра^ Нажатие первой буквы из названия опции в выпадающем меню активизирует эту опцию. Using the Windows clipboard Использование буфера обмена Windows Очень полезным является буфер обмена Windows. Буфер обмена используется для временного хранения графической и текстовой информации. Преимущество использования буфера обмена состоит в том, что фактически все программы Windows могут либо экспортироваться в буфер, либо импортироваться из него. Так как ZEMAX используется в основном для генерации графических и текстовых данных, он может только экспортировать данные в буфер обмена. Данные, скопированные в буфер обмена (Clipboard), могут быть доступными для других приложений, таких как текстовые редакторы, графические редакторы и издательские системы для восстановления данных. Например, графики, приведенные в этом руководстве, были генерированы 2ЕМАХ, скопированы в Clipboard и помещены из него в издательскую программу. Передача графиков и текстов из ZEMAX в Clipboard осуществляется очень просто. Выберите нужное графическое или текстовое окно, затем из меню этого окна дайте команды Windows, Copy Clipboard. При этом на экране ничего не произойдет (так как данные передаются очень быстро), но данные этого окна уже будут доступны дпя других приложений. Для того чтобы поместить эти данные к какое-либо приложение, откройте это приложение и дайте команду Paste, которая обычно находится в Ed:t menu приложе- приложения для уточнения места расположения этой команды прочитайте руководство к этому приложению. Заметьте, что как ZF.MAX, так и принимающее из Clipboard приложение могут в это время продолжать работать. Если Вы закрываете прило- приложение, а затем открываете другое и снова его закрываете, Вы не будете исполь- использовать все преимущество работы с Windows! Оставляйте все ваши приложения открытыми одновременно и используйте команду Alt-Tab для переключения между ними. ZEMAX передает графики а полном цвете и с полным разрешением. Формат экспортируемых в Clipboard графиков - это независящий от устройства векторньй файл, который будет выводиться на печатать с полным разрешением на любом принтере. При небольшой практике передача графиков и текста из ZEMAX к другим приложе- приложениям осуществляется исключительно быстро. Старые программы DOS часто требо- требовали предварительной записи графиков и текста в файлы В последние годы часто генерировались файлы типа HPGL, которые использовались для импорта данных в 2-12 Chapter 2: USER INT RFACE
другие приложения Этот метод сейчас считается устаревшим и редко используется Однако Вы можете осуществлять запись донных в файл о любом формате, который Вы вьюряли для Вашего принтера Для генерации файла типа HPGL используйте дрсывер принтера HP 7470A (Вы должны его сначала инсталлировать; читайте руководство Windows) и дайте команду' Print To File" из диалогового окна принтера Некоторые приложения Windows не могут импортировать графики ZEMAX, если даже графики выглядят хорошо в просмотровом окне Windows Clipboard Viewer. В таком случае нужно использовать опцию Export Metafile", описанную в этой главе ранее в разделе "Работа с графическими окнами1. Большинство приложении Windows могут импортировать графики, записанные в метафайл. Глава 2: ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 2 -13
CONVENTIONS AND DEFINITIONS УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Introduction Введение В этой главе описаны используемые в этом Руководстве термины и определения. Большинство используемых в 2ЕМАХ терминов являются общепринятыми в оптической промышленности, однако могут быть и некоторые важные различия. Active configuration Активная конфигурация Активная конфигурация оптической системы — это конфигурация, параметры которой показаны в данный момент времени в редакторе данных оптической системы ("Lens Data Editor"). Angular magnification Угловое увеличение Отношение угла параксиального главного луча в пространстве изображений к углу параксиального главного луча в пространстве объектов. Углы измеряются относительно центров входного и выходного (параксиальных) зрачков системы. Apodization Аподизация Аподизация — понятие, характеризующее степень однородности освещения входного зрачка системы: по умолчанию зрачок всегда освещен однородно. Однако в некото- некоторых случаях зрачок должен быть освещен неоднородно. Для этой цели ZEMAX предоставляет возможность произвести аподизацию зрачка — ввести вариации облученности по площади зрачка. ZEMAX поддерживает три типа аподизации: однородную, гауссову и тангенциаль- тангенциальную. Для каждого типа (кроме однородного) факторы аподизации, определяют степень варьирования амплитуды излучения по площади зрачка. Более детальное описание этих типов и факторов аподизации дано в главе "System Menu". ZEMAX позволяет также пользователю ввести свой собственный тип аподизации для какой-либо поверхности схемы. Свойства аподизированной поверхности отличаются от свойств аподизированного зрачка, если положение этой поверхности не совпадает с положением зрачка. Back focal length Задний фокальный отрезок Заднее фокальное расстояние определяется как расстояние вдоль оси Z от послед- последней стеклянной поверхности до параксиальной плоскости изображения. Если стеклянная поверхность отсутствует в схеме, то заднее фокальное расстояние - это расстояние от поверхности 1 до параксиальной плоскости изображения. Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -1
Cardinal Planes Кардинальные плоскости Термин кардинальные плоскости (иногда говорят о кардинальных точках) относится к особому сопряженному положению этих плоскостей, при котором поверхности объекта и изображения связаны определенным увеличением К числу кардинальных плоскостей относятся: главные плоскости, для которых увеличение равно +1, антиглавные плоскости, для которые увеличение равно -1, узловые плоскости, для которых угловое увеличение равно +1. фокальные плоскости, для которых; увеличение равно нулю для фокальной плоскости, расположенной в пространстве изображений, и равно бесконечности для фокальной плоскости, расположенной в пространстве объектов. За исключением фокальных плоскостей, кардинальные плоскости сопряжены одна с другой, то есть главная плоскость в пространстве изображений сопряжена с главной плоскостью в пространстве объектов и так далее. Если в схеме показатель преломле- преломления в пространства изображений и в пространства объектов один и тот же. то узловые плоскости совпадают с главными плоскостями. ZEMAX вычисляет расстояния от поверхности изображения до различных плоскостей в пространстве изображений и расстояния от первой поверхности до различных плоскостей в пространстве объектов. Chief ray Главный луч Если в системе нет виньетирования и нет аберраций, главный луч определяется как луч, проходящий от определенной точки поля через центр входного зрачка к плоскости изображения. Заметьте, что при отсутствии виньетирования и аберраций любой луч, проходящий через центр входного зрачка, будет проходить также через центр апертурной диафрагмы системы и через центр выходного зрачка. Если используются коэффициенты виньетирования, то главный луч рассматривается как луч, проходящий через центр виньетируемого зрачка: это означает, что главный луч может не проходить через центр апертурной диафрагмы. Если имеются аберрации зрачка (а они фактически всегда есть), то главный луч может проходить через центр параксиального входного зрачка (если не используется опция "ray aiming") или через центр апертурной диафрагмы (если используется опция "ray aiming"), но обычно не через обе эти центральные точки. Если введены коэффициенты виньетирования, которые децентрируют зрачок, то главный луч будет проходить через центр виньетируемого входного зрачка (если не используется опция "ray aiming") или через центр виньетируемой апертурной диафрагмы (если используется опция "ray aiming"). Используется общелринятое соглашение о том. что главный луч проходит через центр виньетируемого зрачка, а кардинальный луч проходит через центр невиньетируемой апертурной диафрагмы. ZEMAX никогда не использует кардинальный луч. Большинство вычислений относятся либо к главному лучу либо и к центру "тяжести*1 (центроиду) изображения. Заметьте, что использование в качестве опорной точки центра тяжести изображения является более предпочтительным, так как оно основано на совместном эффекте от всех падающих на плоскость изображения лучей, а не на выборе одного "особого" луча. 3 -2 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
Coordinate axes Оси координат Оптической осью является ось Z, начало которой расположено в плоскости объекта. Осевой луч распространяется слева направо в положительном направлении оси Z. Зеркала могут последовательно изменять направление распространения осевого луча на противоположное. Координатная система - прав(овращательн)ая: сагиттальная ось X направлена "вглубь" экрана монитора при стандартном изображении схемы, а тангенциальная ось Y лежит в плоскости экрана и направлена вертикально. После нечетного числа зеркал A. 3. 5..) пучок лучей физически распространяется в отрицательном направлении оси Z. Поэтому все толщины после нечетного числа зеркал должны быть отрицательными. Diffraction limited Термин "дифракционно ограниченный". Термин "дифракционно ограниченный и используется в тех случаях, когда характери- характеристики оптической системы ограничены в основном эффектами дифракции, а не несовершенством оптической схемы или качеством ее изготовления. Общепринятый способ определения, работает ли система в условиях ограничения дифракцией, — это вычисление или измерение разности оптических путей. Если максимальная разница оптического хода (peak to valley OPD) меньше четверти длины волны, то система считается дифракционно ограниченной. Можно многими другими соотношениями определить дифракционно ограниченную систему, такими как число Штреля, RMS OPD (CK3 оптической разности хода), стандартным отклонением, максимумом ошибки наклона и другими. Существует возможность, что при использовании одного из этих соотношений система может считаться ограниченной дифракцией, а при использовании другого - не относится к дифракционно ограниченной. На некоторых графиках ZEMAX, таких как график MTF (МПФ) или график дифракци- дифракционного распределения энергии, может быть показан дифракционный предел (по вашему желанию). Эти данные обычно вычисляются путем трассирования лучей от опорной точки в поле зрения. Аподизация и виньетирование зрачка. F-число, апертуры поверхностей и пропускание могут учитываться, но разность оптических путей устанавливается равной нулю независимо от действительного (аберраци- (аберрационного) оптического пути. Для систем, для которых определены точки поля 0.0 как по оси X, так и по оси Y (такие как 0.0 для угла поля по оси X и 0.0 для угла поля по оси Y). опорной точкой поля является осевая точка поля. Если точка поля @,0) не определена, то вместо этой осевой точки в качестве опорной используется точка с координатами, определенными для 1 позиции поля! Edge thickness Краевая толщина В ZEMAX используются два разных определения термина "краевая толщина" Обычно краевая толщина определенной поверхности вычисляется по формуле Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -3
где Z, - стрелка прогиба поверхности при полудиаметре +у, Zh-i - стрелка прогиба следующей поверхности при ее полудиаметре +у и Т, - осевая толщина поверхности. Заметьте, что краевые толщины вычисляются с учетом прогибов при соответству- соответствующих полудиаметрах каждой поверхности, величины которых обычно отличаются друг от друга. Заметьте также, что краевые толщины обычно вычисляются при +у радиальной апертуре, что может быть неадекватно системам, не имеющим вращательной симметрии, или случаям, когда на одну из поверхностей установлена апертурная диафрагма (апертурная поверхность). Исключением из этого правила являются вычисления краевых толщин с помощью специальной функции solve - "edge thickness". Так как эта функция может изменять центральную толщину, она может изменять положение, а следовательно, и величину полудиаметра следующей поверхности. Это может привести к неустойчивости процесса вычислений. Поэтому краевые толщины при использовании функции "edge thickness solve" вычисляются для обеих поверхностей строго при полудиаметре только первой поверхности. Полудиаметр второй поверхности никогда не используется, но кривизна второй поверхности учитывается. Effective focal length Эффективное фокусное расстояние ^^^ Это расстояние от задней главной плоскости системы до параксиальной плоскости изображения; это расстояние вычисляется для системы, сопряженной с бесконечностью. Положение главной плоскости всегда основано на данных для параксиального луча. Эффективное фокальное расстояние всегда относится к показателю преломления, равному 1.0, - если даже пространство изображения имеет другую величину показателя преломления. Entrance pupil diameter Диаметр входного зрачка Величина диаметра параксиального изображения апертурной диафрагмы системы в пространстве предметов в установленных линейных единицах. Entrance pupil position Положение входного зрачка - Параксиальное положение входного зрачка относительно первой поверхности в системе. Первая поверхность всегда имеет порядковый номер 1 (поверхность объекта всегда имеет порядковый номер 0). Exit pupil diameter Диаметр выходного зрачка Величина диаметра параксиального изображения апертурной диафрагмы системы в пространстве изображений в установленных линейных единицах. 3 -4 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
Exit pupil position Положение выходного зрачка Параксиальное положение выходного зрачка относительно поверхности изображения. ' Extra data Дополнительные данные < Дополнительные данные — это числовые значения параметров, используемых для ц задания некоторых нестандартных типов поверхностей. Например, эти данные I используются для определения фазы дифракционных оптических поверхностей, < таких, как поверхность типа Binary 1. Более полное описание дополнительных данных < дано в разделе "Extra data" в главе "Surface Types". ' Field angles and heights Углы и высоты поля Точки поля могут быть определены углами поля, высотами объекта (для объектов, расположенных на конечном расстоянии), паракисзльными высотами изображения или реальными высотами изображения. Углы поля всегда определяются в градусах; углы поля измеряются относительно оси Z в пространстве объектов с вершиной, расположенной в точке положения параксиального входного зрачка на оси Z в пространстве объектов. Положительные углы поля соответствуют положительному наклону луча и. таким образом, относятся к отрицательным координатам объекта. ZEMAX преобразует углы поля по осям X и Y в направляющие косинусы луча в соответствии с следующими формулами: tan вл = , п „ т tan ву = , п где I, m и п - направляющие косинусы относительно осей х, у и z. Если для определения точек поля используются высоты объекта или изображения, то эти высоты измеряются в установленных для текущей схемы линейных единицах. Когда точки поля определяются параксиальными высотами изображения, эти высоты являются координатами точки пересечения параксиального главного луча с поверх- поверхностью изображения, и если оптическая система имеет дисторсию. то реальные главные лучи будут иметь другое положение на поверхности изображения. Когда точки поля определяются высотами реального изображения, высоты являются координатами точки пересечения реального главного луча с поверхностью изображения. Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -5
Float by stop size Плавающий размер апертурной диафрагмы "Float by stop size" - один из способов определения апертуры системы, используемых в ZEMAX Это название связано с тем фактом, что положение входного зрачка, числовой апертуры в пространстве объектов, F/# в пространстве изображений и радиус апертурной диафрагмы - все эти основные параметры являются взаимозависимыми и становятся определенными, как только определяется один из них. Поэтому, задав радиус апертурной диафрагмы, и позволив другим параметрам принять соответствующие ей значения, можно определить апертуру системы. Это особенно удобно, когда диафрагма является реальной поверхностью, постоянно встроенной в систему, как, например, в схеме с нуль-корректором. Glasses Стекла __=^ Стекла вводятся путем указания наименования стекла в колонке Glass. Пустые графы в этой колонке трактуются как воздух с показателем преломления, равным 1.0. Зеркала определяются путем написания в этой колонке слова MIRROR, хотя это слово и не содержится в каталогах стекол. Доступные наименования (марки) стекол могут быть просмотрены, а также новые стекла могут быть записаны в каталоги посредством команды Tools, Glass Catalogs. Смотри описание каталогов стекол в главе "Using Glass Catalogs" (Использование каталогов стекол). Hexapolar rings Гексаполярные окружности Zemax обычно автоматически выбирает для Вас диаграмму распределения лучей по площади входного зрачка, когда выполняются обычные вычисления (такие, как расчет диаграммы пятна рассеяния). Обычно используется гексаполярная диаграмма распределения лучей, обладающая вращательной симметрией. Эта диаграмма описывается посредством указания числа концентрических окружностей с центром на оптической оси, через которые проходят лучи. На первой окружности располагается 6 лучей через каждые 60 градусов; первый луч находится на оси X @ градусов). На второй окружности располагается 12 лучей. На третьей окружности располагается 18 лучей. Каждая последующая окружность имеет на 6 лучей больше, чем предыдущая. Многие характеристики (такие как вычисление геометрической МЛФ) требуют задания плотности отсчетов. Величина плотности отсчетов устанавливается посредством указания числа вводимых концентрических окружностей. При установке плотности отсчетов, равной 5, будет использовано 5 окружностей и, соответственно, 1 +6 + 12+18 +24 + 30 = 91 луч, включая центральный луч. Image space F/# F-число в пространстве изображений F/# в пространстве изображений есть отношение эффективного параксиального фокусного расстояния системы, вычисленного для системы, сопряженной с бесконечностью, к величине параксиального диаметра выходного зрачка. Заметьте, что сопряжение системы с бесконечностью используется для определения этой величины даже в тех случаях, когда оптическая система используется не при таком условии. 3 -6 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
Image space numerical aperture (NA) Числовая апертура в пространстве изображений Числовая апертура в пространстве изображений равна произведению показатепя преломления в пространстве изображений на синус угла между параксиальным осевым главным лучом и параксиальным осевым крайним лучом (по координате +у), вычисленному для определенного расстояния до объекта и для главной длины волны. Lens units Единицы измерения Единицы измерения используются для опредепении величин радиусов, топщин, апертур и других линейных величин и могут быть выражены в миллиметрах, сантиметрах, дюймах или метрах. Marginal ray Крайний луч Крайний луч - это луч, исходящий из центра объекта, проходящий через край входного зрачка и падающий на плоскость изображения. Если есть виньетирование, ZEMAX расширяет это определение, определяя краевой луч как луч, проходящий через край виньетированного входного зрачка. Если используется опция "ray aiming", то крайний луч - это луч, проходящий через край виньетированной алертурной диафрагмы системы. Смотри также определение главного луча в начале этой главы. Maximum field Максимум поля Это величина максимального радиуса поля зрения в градусах, если выбрана мода 'field angle" (точки поля заданы в градусах), или - величина максимальной радиальной координаты объекта в установленных линейных единицах измерения, если выбрана мода "object height" (точки поля заданы высотами объекта), или - величина максимальной радиальной координаты изображения, если выбрана мода "image height" (точки поля заданы высотами изображения). Указанные способы задания точек поля устанавливаются в диалоговом окне "Field Data", доступном через меню "System11. Non-paraxial systems Непараксиальные системы Термин "непараксиальные системы" относится к таким оптическим системам, которые не могут быть адекватно представлены данными для параксиальных лучей. Это в основном относится к системам, имеющим наклоненные или децентрированные элементы (установленные посредством введения в систему break-поверхностей), а также к системам, содержащим гопограммные поверхности, дифракционные решетки, параксиальные поверхности, поверхности, аппроксимированные кубическими Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -7
сплайнами, ABCD поверхности, элементы с градиентом показателя преломления или с дифракционными компонентами. Теория аберраций хорошо разработана для систем, имеющих обычные преломля- преломляющие или отражающие компоненты и обладающих вращательной симметрией. Это относится к аберрациям Зейделя. дисторсии, гауссовым пучкам и, фактически, ко всем характеристикам первого порядка - таким, как фокальное расстояние, F/#, величина и положение зрачков. Все эти величины вычисляются для параксиальных лучей Если анализируемая система содержит какие-либо непараксиальные компоненты, то вычисленные для параксиального приближения данные не могут быть надежными. Non-sequential ray tracing "Непоследовательное" трассирование луча "Непоследовательное" трассирование луча означает, что лучи трассируются только вдоль физически осуществимого пути до их попадания на какой-либо объект. Луч затем отражается, преломляется или поглощается в зависимости от свойств объекта, на который он падает. После этого продолжается новый путь луча. При непоследова- непоследовательном трассировании луча лучи могут пройти через какую-либо группу объектов в любом порядке или могут повторно пройти через один и тот же объект в зависимости от геометрии и свойств объектов. Смотри также определение термина Sequential ray tracing" (Последовательное трас- трассирование луча). Normalized field and coordinates Нормированные координаты поля и зрачка Нормированные координаты поля и зрачка часто используются как в самой программе ZEMAX, так и в этом руководстве. Имеется четыре нормированных координаты: Нх, Ну, Рх и Ру. Величины Нх и Ну — нормированные координаты поля; величины Рх и Ру — нормированные координаты зрачка. Нормированные координаты поля и зрачка представляют собой точки на единичном круге. Координаты поля нормируются к максимальному радиальному размеру поля зрения (или к максимальной высоте объекта, если поле зрения определено в значениях высоты объекта), а координаты зрачка нормируются к радиусу входного зрачка. Например, предположим, что максимальная высота объекта равна 10 мм. Тогда координаты (Нх = 0. Ну = 1) будут соответствовать лучу, который стартует в верхней точке объекта (х = 0 мм, у = 10 мм). Координаты (Нх = -1, Ну = 0) будут соответствовать лучу, который стартует с поверхности объекта в точке (х = - 10 мм, у = 0 мм). Координаты зрачка нормируются таким же образом. Предположим, что радиус зрачка (не диаметр!) равен 8 мм. Тогда координаты (Рх = 0. Ру = 1) будут соответствовать лучу, проходящему через верхнюю точку зрачка, то есть на поверхности зрачка луч будет проходить через точку с координатами (х = 0 мм, у = 8 мм). Заметьте, что нормированные координаты всегда должны иметь значения в пределах от -1 до 1 и что 3 -8 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
Преимущество использования нормированных координат состоит в том. что некоторые лучи всегда будут иметь одни и те же координаты независимо от размера или положения объекта и зрачка. Например, краевой луч — это луч, выходящий из центра объекта и проходящий через верхнюю точку зрачка, или (Нх = 0, Ну = О, Рх = 0. Ру = 1I главный луч исходит из верхней точки поля и проходит через центр зрачка, то есть @.1,0.0). Другим значительным преимуществом нормированной системы координат является ее независимость от изменения масштаба. Предположим, что перед оптимизацией оптической схемы вы определили ряд лучей, который должен быть использован при вычислении оценочной функции. При использовании нормированных координат этот же ряд лучей без всякого переопределения их координат будет работать и в тех случаях, когда вы произвели изменение размера или положения объекта или входного зрачка или когда эти изменения, возможно, произойдут в процессе оптимизации. Нормированные координаты поля используются и в тех случаях, когда положение точек поля определяется углами. Например, предположим, что вы выбрали в направлении оси Y углы 0. 7 и 10 градусов. Из этого следует, что определенный вами максимальный "радиус11 поля в пространстве объектов равен 10 градусам. Тогда нормированные координаты Нх = 0 и Ну = 1 будут соответствовать лучу, имеющему угол 0 градусов относительно оси X и угол 10 градусов относительно оси Y. Координаты Нх = - 0.5 и Ну = 0,4 будут соответствовать лучу, идущему под углом - 5 градусов к оси X и под углом 4 градуса к оси Y. Заметьте, что если даже вы не задавали углы относительно оси X, вы все равно можете трассировать лучи от этих точек поля, используя для них отличные от нуля величины для координаты Нх . Величины Нх и Ну всегда относятся к точкам на круге в пространстве углов объекта, радиус которого определяется максимальной величиной радиального поля. Если вы задали только одну точку поля с углами 10 градусов к оси X и -6 градусов к оси Y, то максимальная величина радиального поля будет равна 11,66 градусов, и координаты Нх и Ну будут нормированы именно к этой величине радиуса. Примите во внимание, что нормированные координаты — это относительные величины углов поля в тех случаях, когда вы определяете ваш объект в значениях углов поля. Если же вы используете для полей высоты объекта/изображения, то координаты Нх и Ну — это нормированные высоты объекта/изображения. Object space numerical aperture Числовая апертура в пространства объектов Числовая апертура оптической системы в пространстве объектов есть мера расходимости лучей, исходящих от поверхности объекта. Числовая апертура опреде- определяется как произведение показателя препомления на синус угла краевого луча, измеренных в пространстве объектов. Краевой луч определяет границу светового конуса, расходящегося от точки объекта. Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -9
Parameter data Параметрические данные Параметрические данные используются для определения некоторых нестандартных поверхностей. Например, параметрические данные могут включать коэффициенты асферичности, плотность штрихов у решетки, величины наклонов и децентрировок. Более полное описание этих параметров дано в главе "Surface Types" (Типы поверхностей) в разделе "Parameter Data" (Параметрические данные). Paraxial and parabasal rays Параксиальные и парабазовые лучи Термин параксиальный, строго говоря, означает "близкий к оси". Параксиальная оптика - это оптика, которая хорошо описывается линейным приближением закона Снеллиуса. Закон Снеллиуса выражается следующим соотношением: /7 sin О - //sin О*. Для небольших углов это уравнение принимает вид п О = п ' О'. Большое число определений в оптике основано на линейном приближении. Аберрации представляют собой отклонение от линейности, и поэтому параксиальные свойства оптических систем часто рассматриваются как свойства системы в отсутствии аберраций. Хотя известны разные простые формулы для вычисления параксиальных величин, таких как фокальное расстояние, F/#, увеличение и так далее. 2ЕМАХ обычно не использует эти формулы. Для определения параксиальных величин ZEMAX трассирует "парабазовые" лучи, которые представляют собой реальные лучи (распространяющиеся через систему в соответствии с законом Снеллиуса), идущие под небольшими углами к базовому лучу, в качестве которого обычно используется либо осевой луч, либо главный луч. Смысл того, что ZEMAX использует вместо параксиальных формул трассировку парабазовых лучей, состоит в том, что многие оптические системы содержат непараксиальные компоненты. Термин "непараксиальный" означает, что эти компоненты плохо описываются теорией первого порядка. Это включает наклоненные или децентрированные системы, а также системы, в которых используются голограммы, дифракционная оптика, обычная асферика и линзы с градиентом показателя преломления.гЕМАХ вычисляет многие параксиальные величины, но их значения должны использоваться с большой предосторожностью, когда оптическая система содержит нестандартные элементы. В основном использование парабазовых величин вполне приемлемо, но приближение первого порядка может быть недостаточно для адекватного описания свойств очень необычных систем Paraxial image height Параксиальная высота изображения Это параксиальный радиальный размвр полного поля изображения в параксиальной плоскости изображения, выраженный в установленных для текущей схемы линейных единицах. 3 -10 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
Paraxtal magnification Параксиальное увеличение ( Это (радиальное) увеличение, которое вычисляется как отношение высоты { изображения к высоте объекте. Параксиальное увеличение вычисляется для паракси- параксиальной плоскости изображения. Для системы, работающей на бесконечности, параксиальное увеличение всегда равно нулю. | с Paraxial working F/# < Параксиальное рабочее F/число \ Параксиальное рабочее F/число определяется как j где 0 - угол параксиального краевого луча в пространстве изображений и п — показатель преломления в пространстве изображений. Параксиальный краевой луч трассируется для конкретного сопряжения. Для внеосевых систем этот параметр относится к осевому лучу и представляет собой усредненное по зрачку значение. Параксиальное рабочее F/# есть эффективное F/#, игнорирующее аберрации. Смотрите также определение для рабочего F/# . Primary wavelength Главная длина волны Это величина длины волны, установленная Вами как главная. Эта величина используется для вычисления большинства параксиальных или фактических величин системы, таких как положения зрачков. Величина главной длины волны высвечивается в мкм. Radii Радиус Это радиус кривизны каждой поверхности, измеренный в установленных Вами линейных единицах. В соответствии с установленным правилом знаков величина радиуса положительна, если центр кривизны поверхности расположен справа от вершины поверхности (положительное расстояние вдоль локальной оси Z). и — отрицательна, если центр кривизны расположен слева от вершины поверхности (отрицательное расстояние вдоль локальной оси Z). Это условие не зависит от количества зеркал в системе. Sagittal and Tangential Сагиттальный и меридиональный Термин "tangential" ("меридиональный") относится к данным, вычисленным для меридиональной плоскости, которая определяется линией и одной точкой линия - это ось симметрии оптической системы, а точка - это рассматриваемая точка поля в Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3 -11
пространстве объектов. Сагиттальная плоскость - это плоскость, ортогональная к меридиональной плоскости; она также пересекает ось симметрии в месте расположения входного зрачка. Для обычных, обладающих вращательной симметрией систем, у которых точки поля располагаются вдоль оси Y, меридиональной плоскостью является плоскость Y2, а сагиттальная плоскость определяется как плоскость, ортогональная к плоскости YZ и проходящая через центр входного зрачка. Проблема с этим определением заключается в том, что его нельзя легко распростра- распространить на системы, не обладающие вращательной симметрией. Поэтому в ZEMAX за меридиональную плоскость принимается плоскость YZ вне зависимости от того, где находится точка поля, а меридиональные данные всегда вычисляются вдоль оси Y в пространстве объектов! Сагиттальная плоскость ортогональна к плоскости YZ и пересекает центр входного зрачка обычным образом, а данные для сагиттальной плоскости всегда вычисляются вдоль оси X в пространстве объектов! Смысл этого соглашения заключается в следующем. Если система обладает враща- вращательной симметрией, то только точки поля, расположенные вдоль оси Y, определяют изображающие свойства системы; и эти точки должны быть использованы! В таком случае два разных определения опорных плоскостей являются излишними, поскольку они становятся идентичными. Если система не обладает вращательной симметрией, то нет и осевой симметрии, и выбор опорных плоскостей произволен. Semi-diameters Полудиаметры ====г= ^^==^___ Радиальный размер каждой поверхности задается посредством определения величины ее полудиаметра. При автоматическом расчете радиальная величина каждой поверхности вычисляется и устанавливается, исходя из заданной величины апертуры системы таким образом, чтобы все реальные лучи проходили через все поверхности системы без экранирования. При редактировании колонки "Semi- diameters" в ней будут установлены . новые, введенные Вами величины полудиаметров, а в следующей колонке при этом будет высвечен символ "IIм. Символ "U" показывает, что величина полудиаметра была установлена пользователем. Эта установка влияет только на качество изображения оптической системы и не оказывает влияния на прохождение лучей через данную поверхность или их экранирование этой поверхностью! Это в особенности относится к апертурной диафрагме и к поверхности изображения. Для экранирования лучей необходимо либо вводить факторы виньетирования, либо использовать апертурные поверхности (Surface aperture). Sequential ray tracing Последовательное трассирование лучей Последовательное трассирование лучей означает, что лучи трассируются от одной поверхности к другой в заданной последовательности их расположения. ZEMAX нумерует поверхности последовательно, начиная от нуля, который присваивается поверхности объекта. Первой поверхности, следующей за поверхностью объекта, присваивается номер 1, второй - номер 2, третьей - номер 3, и так далее. При последовательной трассировке лучи, стартующие на поверхности объекта, трассируются к поверхности 1, затем к поверхности 2, и так далее. Лучи не 3-12 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
трассируются, например, от поверхности 5 к поверхности 3. если даже такой путь лучей физически возможен. Смотри также определение термина Non-sequential ray tracing". Strehl ratio Число Штреля Число Штреля - один из наиболее часто используемых критериев, характеризующий качество оптического изображения у высококачественных оптических изображающих систем. Число Штреля определяется как отношение пиковой интенсивности дифракционной функции ФРТ у реальной оптической системы к пиковой интенсивности дифракционной ФРТ у безаберрационной системы.. ZEMAX вычисляет ФРТ дважды - для системы с аберрациями и для безаберрационной системы и делит полученные значения пиковых интенсивностей одно на другое. Число Штреля мало пригодно для характеристики систем, имеющих большие аберрации и для которых число Штреля меньше 0.1. Surface apertures Апертуры поверхностей Для виньетирования пучков используются следующие (устанавливаемые на отдель- отдельные поверхности оптической системы) апертуры: круглая, прямоугольная, эллипти- эллиптическая и апертура с растяжками. "Поверхностные" апертуры не изменяют характер пропускания или трассирования лучей, а только экранируют лучи, если они ограничи- ограничиваются данной апертурой. Эти апертуры не оказывают влияния на апертуру системы (System aperture). Более детальная информация об апертурах поверхностей дана в главе "Editors Menu" в разделе "Specifing surface apertures". System aperture Апертура системы Апертура всей системы может характеризоваться F-числом (F/#). диаметром входного зрачка, числовой апертурой или размером апертурной диафрагмы системы (Stop Size). Каждая из этих четырех характеристик может быть использована для определения трех других для данной системы. Апертура системы используется для определения диаметра входного зрачка в пространстве объектов, который, в свою очередь, используется для трассировки всех лучей. Апертура системы всегда круглая. Лучи могут быть виньетированы апертурными поверхностями. В системе может быть использована только одна апертура системы, хотя в систему может быть введено много апертурных поверхностей. Thicknesses Толщины ^__^^^^_____^_ Толщины — это расстояния вдоль локальной оси Z (оптической оси) от вершины одной поверхности до вершины следующей поверхности в установленных для схемы линейных единицах. Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3-13
Толщины всегда изменяют знак после зеркальной поверхности. После нечетного числа зеркальных поверхностей все толщины допжны быть отрицательными. Это условие знаков не зависит от количества зеркал в системе или наличия в системе фиктивных поверхностей (coordinate breaks). Это основное соглашение не может быть изменено на противоположное путем поворота системы координат на 180 градусов. Total internal reflection (TIR) Полное внутреннее отражение Полное внутреннее отражение (TIR) имеет место в условиях, когда лучи образуют слишком большой угол с нормалью к поверхности, величина которого определяется законом Снеллиуса. Это обычно происходит в тех случаях, когда лучи с большим углом падения переходят из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, например, из стекла в воздух. Лучи, которые испытывают полное внутренне отражение, считаются ошибочными и ограничиваются. Физически эти лучи допжны отражаться, а не преломляться, но ZEMAX не учитывает этот эффект. Total track Полная длина Полный длина - это длина оптической системы, вычисленная путем алгебраического суммирования всех расстояний между вершинами от "крайней левой" (left most) поверхности до "крайней правой" (right most) поверхности. Вычисления начинаются от поверхности номер 1. Учитываются толщины всех поверхностей от номера 1 до плоскости изображения, игнорируя все повороты системы координат. Поверхность, которая лежит при наибольшем значении координаты Z, определяется как "крайне правая" (right most) поверхность, а поверхность, которая лежит при наименьшем значении координаты 2, определяется как "крайне левая11 (left most) поверхность. Полная длина имеет небольшие значения для внеосевых систем. Vignetting factors Коэффициенты виньетирования Факторы виньетирования — это коэффициенты, которые описывают кажущийся размер и положение входного зрачка для различных положений поля. ZEMAX использует четыре фактора виньетирования: VDX, VDY, VCX и VCY . Эти факторы представляют соответственно децентровку по оси X, децентровку по оси Y, сжатие по оси X и сжатие по оси Y входного зрачка. При автоматической установке (по умолчанию) все четыре фактора устанавливаются равными нулю, что соответствует отсутствию виньетирования. Как поле зрения, так и входной зрачок оптической системы могут представляться в виде единичных кругов. Нормированные координаты поля и зрачка, определенные ранее в этой главе, есть координаты этих двух единичных кругов. Например, координаты зрачка (рх = 0, ру = 1) относятся к лучу, который проходит от некоторой точки поля к верхней точке входного зрачка. Если виньетирование в системе 3 -14 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
отсутствует, ZEMAX будет трассировать лучи, заполняя лучами всю площадь зрачка при большинстве последующих вычислений. ■ Во многих оптических системах намеренно используется виньетирование. Это означает, что часть лучей умышленно "обрезается" различными апертурными поверхностями, а не апертурной диафрагмой системы. Двоякий смысл для введения виньетирования в систему имеется. Во-первых, виньетирование уменьшает размер оптических элементов, особенно в широкоугольных системах. Во-вторых, посредством виньетирования можно устранить часть лучей, которые имеют большие аберрации. С ростом виньетирования обычно увеличивается F/# - пропорционально угпу поля (что затемняет изображение), но качество изображения может улучшиться, если большая часть лучей с большими аберрациями будет обрезана. Факторы виньетирования переопределяют положение и форму входного зрачка для каждой из установленных точек поля. Нормированные координаты зрачка модифицируются путем испрользования двух последовательных преобразований. Сначала зрачок масштабируется и смещается в соответствии с соотношениями: Рч' =IDA+PX{\-VCX)> Затем масштабированный и смещенный зрачок поворачивается в соответствии с соотношениями: где G - угол виньетирования. Величина VDX может смещать кажущийся зрачок влево и вправо, в то время как величина VCX делает зрачок большим или меньшим в X- направлении. Подобный результат производят величины VDY и VCY в Y- направлении. Заметим, что если все факторы виньетирования равны нупю, то координаты зрачка остаются непреобразованными. Факторы виньетирования обеспечивают удобный способ проектирования оптических систем с умышленным виньетированием. Однако, имеются недостатки использования факторов виньети- виньетирования, которые нужно хорошо понимать. При выполнении некоторых программ 2ЕМАХ трассирует лучи от произвольных точек поля, которые могут не совпадать с точками поля, для которых были заданы факторы виньетирования. Эти программы не могут обеспечить необходимую точность результатов для тех точек поля, для которых факторы виньетирования не были заданы. При выполнении некоторых программ заданные факторы виньетирования автоматически игнорируются путем расположения на виньетирующей поверхности чистой апертуры эквивалентного размера. Программы, которые автоматически игнорируют факторы виньетирования, описаны в главе "Analysis". Если Вы задали величину коэффициента виньетирования. Вы должны убедиться, что лучи, проходящие вне кажущегося изображения зрачка действительно виньетируются! Если Вы используете виньетирование для сжатия размеров линз, то линзы должны быть сделаны с размерами не больше, чем требуется для пропускания лучей, которые проходят через край кажущегося изображения зрачка Если лучи. Глава 3: УСЛОВНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3-15
проходящие вне виньетирующей диафрагмы, будут проходить через реальную оптическую систему, то характеристики реальной системы не будут совпадать с компьютерной моделью. Факторы виньетирования работают как с включением, так и без включения алгоритма "Ray Aiming". Если алгоритм "ray aiming" не задействован, го параксиальное изображение входного зрачка переопределяется в соответствии с данными выше уравнениями Если же задействован алгоритм "ray aiming" то переопределение производится для поверхности апертурной диафрагмы. Одно из возможных применений факторов виньетирования — это учет аберраций зрачка без использования алгоритма "ray aiming". Это удачная хитрость, которая может быть использована для увеличения быстродействия операции трассирования лучей в широкоугольных системах. Факторы виньетирования могут быть определены в диалоговом окне "Field Data". Более детальную информацию можно найти в главе "System Menu". Факторы виньетирования могут быть также параметрами для zoom-систем; см. главу "Multi- Configurations". Более детальную информацию об использовании факторов виньетирования при проектировании оптических систем можно найти в хороших книгах, ссылки на которые даны в первой главе. Wavelength data Длины волн Длины волн всегда задаются в микронах! Величины длин волн вводятся путем использования диалогового окна "Wavelength Data"; см. главу "System Menu". Working F/# Рабочее F/число Рабочее F/число определяется как 1 2п sin О где в — угол краевого луча в пространстве изображений ил — показатель преломления в пространстве изображений. Краевой луч трассируется для заданного определенного сопряжения системы. Для внеосевых систем этот параметр относится к осевому лучу и представляет собой усредненное по площади зрачка значение. Величина рабочего F/#. в основном, значительно полезнее, чем F/# для пространства изображений (image space F/#), так как она основана на реальных данных для конкретного сопряжения системы. См. также определение для параксиального рабочего F/#. 3 -16 Chapter 3: CONVENTIONS AND DEFINITIONS
FILE MENU < МЕНЮ TILE" . с New c Создать файл с новой схемой { Назначение: J Очищает окно с текущей схемой. 1 Обсуждение: * ( Эта опция возвращает ZEMAX к стартовым условиям. Открытое окно Windows * остается открытым. Если текущая схема не была записана, перед закрытием ZEMAX ' запишет ее. Open Открыть Назначение: Открывает существующие файлы сданными оптических схем. Обсуждение: Эта опция открывает новые файлы с данными оптических схем. Если текущая схема не была записана, ZEMAX запишет ее перед открытием новой схемы. Смотри также "Insert Lens". Save Записать Назначение: Записывает файл с текущей оптической схемой. Обсуждение: Эта опция записывает файл с данными текущей оптической схемы. Для записи схемы в другие директории используйте команду "Save As4. Save as Записать как ... Назначение: Записывает файл с текущей схемой под другим именем. Обсуждение: Эта опция записывает файл с данными текущей оптической схемы под другим именем или в другой директорий. Глава 4: МЕНЮ "FILE" 4 -1
Use Session Files Сохранить/нет текущие файлы при загрузке новой схемы Назначение' Переключение между двумя различными режимами загрузки файла с оптической схемой: A) с сохранением всех открытых в предыдущем сеансе работы окон (с данными и установками текущей схемы) или B) с обновлением всех окон (в соответствии с данными новой схемы). Если эта опция включена, то все ранее открытые окна сохраняются при новой загрузке файла с оптической схемой. Обсуждение: Эта опция обсуждается в данном ниже подразделе Environment. Editors. Program Mode Режим работы программы =__==_^_^_^_^_^^__ Назначение: Выбор типа интерфейса и режима работы программы. Обсуждение: Имеется два различных интерфейса пользователя и два соответствующих им режима работы ZEMAX: Работа с последовательными или смешанными - последовательными/ непоследовательными - схемами {'Последовательный" режим работы"). Работа только с непоследовательной схемой ("Непоследовательный" режим работы). При последовательном режиме работы доступны все программы и установки из пакета ZEMAX, включая установку группы "непоследовательных" элементов на любую поверхность последовательной схемы. В этом режиме ZEMAX трассирует лучи, исходящие от поверхности объекта, через все последовательные и непоследовательные элементы схемы. " Этот режим работы является предпочтительным при проектировании изображающих систем, а также систем, требующих оптимизации, расчета допусков и детального анализа изображения. При непоследовательном режиме работы интерфейс пользователя и редактор оптической схемы сильно изменены для упрощения работы с непоследовательной группой элементов: В редакторе схемы используется только одна единственная поверхность №1; на эту поверхность устанавливается вся группа непоследовательных элементов. Редактор данных оптической схемы (Lens Data Editor, LDE) и редактор дополнительных данных (Extra Data Editor, EDE) не используются. Главным редактором схемы служит редактор непоследовательных элементов (Non- (Nonsequential Components Editor. NSCE). Диалоговое окно для установки точбк поля не используется. Используется только диалоговое окно для установки длин волн, которые должны быть трассированы через группу непоследовательных элементов. 4-2 Chapter 4. FILE MENU
Через группу непоследовательных элементов трассируются только лучи, исходящие от источников, расположенных внутри группы. Программы, которые не используются в непоследовательном режиме работы, ( исключаются из главного меню и из строки "горячих" клавиш для упрощения интерфейса пользователя. Это относится к программам построения диаграмм лучевых аберраций, графиков МПФ. диаграмм пятна рассеивания и ; некоторым другим программам, которые используются только при после- - довательной трассировке лучей через оптическую систему. Главное < назначение непоследовательного режима работы - это трассировка лучей к \ одному или нескольким детекторам, расположенным в пределах группы ( непоследовательных элементов. с Использование непоследовательного режима работы упрощает анализ систем, не i строящих изображение. Всегда существует возможность переключиться от непоследовательного режима работы к последовательному режиму работы без потери данных. Однако при обратном переключении - от последовательного режима работы к непоследовательному режиму работы - все "последовательные" данные будут стерты. Insert Lens Присоединить схему Назначение: Присоединение ранее записанного файла к текущему файлу. Обсуждение: Эта опция подобна опции "Open", но при этой команде новый файл добавляется к текущему файлу. После выбора дополнительного файла ZEMAX запросит у Вас номер поверхности, начиная с которой должны быть введены новые данные. Для новых данных будут введены новые дополнительные поверхности. Диалоговое окно имеет также контрольную клавишу "Ignore Object": no умолчанию расстояние от объекта до новой системы будет игнорироваться. Поэтому с новыми данными система будет начинаться с поверхности #1. а не с поверхности #0. Хотя с помощью этой процедуры можно составить систему с большим набором различных схем. в полученной системе могут образоваться лишние поверхности, так что для достижения желаемого результата потребуется некоторое редактирование данных. Preferences Пользовательская среда Назначение: ZEMAX предоставляет пользователю на выбор ряд экранных опций, которые могут быть установлены и записаны, так что они будут выполняться автоматически при каждом новом запуске программы. Главный конфигурационный файл программы - это ZEMAX.CFG, этот файл может быть стерт для возвращения к первоначальной конфигурации, которая устанавливается по умолчанию Экранные опции подразде- Глава 4: МЕНЮ "FILE" 4 -3
лены на группы: Address (адрес), Directories (директории), Graphics (графики), Text (текст), Editors (редакторы). Printing (печать) и Button bar (экранные клавиши). Address Адрес Назначение: Эта опция позволяет сделать какую-либо запись в "адресный бокс". Адрес может быть использован, например, для указания названия предприятия-разработчика или названия оптической системы. Адресный бокс появляется в нижнем правом углу большинства графиков. Settings: Установки: Позиция Address Line 1 Address Line 2 Address Line 3 Address Line 4 Address Line 5 Show Line 4 As Show Line 5 As Hide Address Описание Запись текста в первой строке адресного бокса Запись текста во второй строке адресного бокса Запись текста в третьей строке адресного бокса Запись текста (или автоматическая запись имени файла или номера zoom-позиции) в четвертой строке адресного бокса Запись текста (или автоматическая запись имени файла или номера zoom-позиции) в пятой строке адресного бокса Выбор содержания записи в четвертой строке: текст пользователя, имя файла или номер zoom-позиции Выбор содержания записи в пятой строке: текст пользователя, имя файла или номер zoom-позиции Убрать адресный бокс Directories Директории Назначение: С помощью этой опции задается путь к главному директорию ZEMAX и к поддиректориям, в которые помещаются определенные типы рабочих файлов. Settings: Установки: Позиция ZEMAX Path Output Path Lens Path ZPL Path Undo Path Описание Путь к главному директорию ZEMAX, в котором (по умолчанию) ZEMAX будет искать файлы с записью каталогов стекол и стандарт* ных оптических элементов. Путь к директорию, в который должны записываться (по умолчанию) файлы с текстовыми и графическими данными. Путь к директорию, в который должны записываться (по умолчанию) файлы сданными оптических схем. Путь к директорию, в который должны записываться (по умолчанию) ZPL-макросы. Путь к директорию, в который должны записываться файлы с сохраненными данными для операций undo/redo. 4-4 Chapter 4. FILE MLNU
Позиция Stock Path Objects Path Glass Path Coating Path Описание Путь к директорию, в который должны записываться файлы с дополнительными каталогами оптических элементов и схем. Все отдельные каталоги должны быть записаны в поддиректории директория "StockPath". Путь к директорию, в который должны записываться файлы с "непоследовательными" (NSC) объектами и DLL-файлы. Путь к директорию, в который должны записываться файлы с записью каталогов стекол. Путь к директорию, в который должны записываться файлы с данными об оптических покрытиях Graphics Графики Назначение: С помощью этой опции устанавливаются размер, цвет и характер большинства графических окон ZEMAX. Смотри также описание опции Windows в разделе ^ option (Дата/Время). Settings: Установки: Позиция B/W Screen ВЛЛ/ Printing Show Options First Win X.Y Size Background Metafiles Metafile Pen Width Описание По умолчанию ZEMAX рисует на экране цветные графики; если эта опция включена, то на экране будут изображаться черно- белые графики. По умолчанию ZEMAX печатает на принтере цветные графики; если эта опция включена, то печататься будут черно-белые графики. При включении этой опции перед вычислением и высвечи- высвечиванием графиков на экране сначала будет появляться окно для редактирования установочных параметров. Установка размера графиков графиков (в пикселах), который будет использоваться ZEMAX no умолчанию. Это позволяет подогнать размер графиков к размеру и разрешению используемого монитора. Цвет фона в графических окнах может быть выбран из открывающегося списка. Установка формата записи текстовых и графических данных Метафайлы используются для копирования графиков в буфер (Clipboard) или на диск, после чего они могут быть импортиро- импортированы в другие приложения Windows В большинстве 16-битных приложений Windows 3.1 используется формат 6 Bit Standard". Однако в некоторых приложениях Windows 3.1 используется формат 6 Bit Placeable* В новейших 32-битных приложениях используется формат 2 Bit Enhanced" Файлы, записанные в 32-битном Формате, имеют расширение EMF (Enhanced Metafile Forma!* Остановка толщины ль»«.-.' (в пикселах) на графиках экспорти- экспортируемых в еиле Winoows Metaf es (запись в Clipboard или на Глава 4 МЕНЮ FILE' 4 -5
Позиция Aspect Ratio Use Active Cursor Frame Zoomed Graphics Layouts Rotate Z. Y.X Highlight Layouts Highlight While Scrolling Описание По умолчанию ZEMAX устанавливает для графических окон формат 3x4. который хорошо подходит для стандартной принтерной бумаги 8,5 х 11 дюймов. Для печати на бумаге 11 х 17 дюймов лучше установить формат окон 3x5. При отноше- отношении сторон 4x3 или 5x3 высота окон будет больше их ширины. Каждое графическое окно может иметь свое отноше- отношение сторон, устанавливаемое с помощью Window, Aspect Ratio. Установка активного курсора во вновь создаваемых окнах. В каждом отдельном окне может быть установлен или нет активный курсор. Для уже открытого окна используйте опцию "Active Cursor из Window menu" для данного окна. Если эта опция включена, то увеличенные фрагменты графиков, экспортированные в Clipboard, будут обрамлены рамкой: в противном случае рамка не будет показана. Если установить эту опцию, то поворот всех трехмерных графиков относительно осей X, Y и Z будет производиться в системе координат, связанной с экранными окнами. Это означает, что график будет поворачиваться сначала относительно оси Z, затем относительно оси Y и затем относительно оси X. Эта операция поворотов подобна операции "Coordinate Break", когда установлен флаг "порядка". Если эта опция не установлена, то повороты схемы (графиков) будут осуществляться сначала относительно оси X. затем относительно оси Y и затем относительно оси Z в координатной системе, связанной с экранным окном. Эта операция поворотов аналогична операции "Coordinate Break", когда флаг "порядка" не равен нулю. Если установить эту опцию, то текущая поверхность, установленная в редакторах LDE или EDE, или текущий объект, установленный в редакторе NSCE, будут высвечены в установленном цвете во всех открытых изображениях схемы. При перемещении курсора от одной строки редактора к другой на изображениях схемы будут высвечиваться соответ- соответствующие положению курсора поверхности (объекты). Цвет высвечивания поверхности (объекта) устанавливается в таблице Colors (см. ниже). При высвечивании текущей поверхности на схемах несколько снижается скорость работы с редакторами, так как схемы непрерывно переизображаются. Если установить эту опцию, то высвечивание поверхностей (см. описание предыдущей опции) будет производиться при верти кальном сканировании таблицы редактора схемы, производимой с помощью вертикального ползунка, расположенного с правой стороны редакционного окна. В оптических схемах, состоящих из большого числа поверхностей, эта процедура может взаимодей- взаимодействовать с происходящим обновлением экрана, так ка* изображение схемы обновляется не так быстро, как этого требует быстро перемещаемый сканирующий движок. 4-6 Chapter 4: FILE MENU
Text Текст Назначение* Эта опция используется для установки характеристик текстовых окон. Установка Date/Time (дата/время) будет также действовать в графических окнах Settings: Установки: Позиция Screen Font Size Date/Time Описание Размер шрифта (выраженный в пикселах), который будет исполь- использоваться для высвечивания текста в окнах По умолчанию устанавливается 8-пикселный шрифт. Позволяет выбрать, нужно или кет печатать на диаграммах и графиках дату и время работы с данным файлом. Editors Редакторы Назначение* Эти установки позволяют выбрать формат и другие характеристики таблиц редакто- редакторов данных. Если ячейка в таблице слишком мала, чтобы на неъ могло поместиться введенное число или надпись со многими знаками, то s ячейке вместо урезанных данных будет высвечен знак Settings: Установки: Позиция 1 Описание Decimals Font Size Auto Uodate Позволяет установить число высвечиваемых в редакторе LDE десятичных знаков у всех чисел. Команда «Compact», высвечиваемая вместе с другими числами, изменяет число высвечиваемых десятичных знаков минимизируя занимаемое числом пространство. Размер шрифта, который должен быть использован для текста По умолчанию устанавливается 8-пикселный шрифт. Контроль за тем. как и в какие моменты ZEMAX производит обнов- обновление данных редактора При включении опции "None* такие паоа- метры. как погочение зрачка, функции solves и другие данные редактора LDE не будут обновляться до тех пор. пока не будет дана команда "Update" из системного меню "System" При включе- включении опции "Update" обновление данных будет производиться автоматически каждый раз после того, как будут произведены какме-либо изменения параметров оптической системы, введены данные из внешнего файла или ""чзчзведены изменения в редачтссе мульти>«>фиг>рац »и Пси зъ.5сре опции "Update AJf автоматически б>дут сонсв^тъся не только о*но редактора данчых. но и все другие высвеченчь-е оч.на Смотри ггаву "System ггепо" дг.я детагььсго ознакомление с команда п *Upcate" и -Urxiate АН". Глаза-1'МЕНЮ TILE"
Позиция * Описание Undo LDE Cell Size MFE Cell Size MCE Cell Size EDE Cell Size TDE Cell Size NSC Ceil Size Show Comments Use Session Files i Allow Extent *гъ To push ij* isp з j Эта команда позволяет сделать три установки: None. Memory 1 Step и Diak МиВД 6tep. Детальное описание этих установок дано в главе "Editor» Menu". Установка ширинь- элементов таблицы редактора LDE. При большой ширине элементов на экране может разместиться только небольшое число колонок таблицы, но зато заполняющие их данные будут легче читаться. Установка ширины элемента таблицы редактора MFE (Merit Function Editor) Установка ширины элемента таблицы редактора МСЕ (MuKi-Configuratton Editor). Установка ширины элемента таблицы редактора EDE (Extra Data Editor). Установка ширины элемента таблицы редактора TDE (Tolerance Da'a Editor) Установка ширины элемента таблицы редактора NSC (Non-Sec<J^ntial Components Editor). Если установить этот "флаг", то в редакторе LDE появится дополнительная крг.онка. в которую можно будет записывать комментарий для каждой поверхности. Есгм эта опция установлена, то при загрузке новой схемы все о' рытью окна закрываются и открываются новые окна с их * входным расположением на экране; если эта опция выключена, при загрузке новой схемы расположение открытых окон на экране не изменится. he in установить эту опцию, то работающая совместно с ZEMAX здешняя программа (ZEMAX extension) может изменять данные в гедакционной таблице LDE без предупреждения или напоминания об этом. Если эта опция не установлена, то внешняя программа находится под контролем ZEMAX. Смотри главу "Extensions", в которой дана более детальная информация о внешних программах. Prinfi' j > а .ачение: С помощью этой опции производится установка характеристик вывода 1ных на внешнее печатающее устройство. ettings: Установки: Позиция Описание Skip Print Dialog Если эта установка произведена, то ZEMAX не будет после команды "Print" (поданной из любого открытого окна) высвечивать установочное окно "Print", позволяющее установить тип принтера и выбрать другие опции печати. Если же эта установка не произведена, то после команды "Print" будет высвечиваться установочное окно "Print", позволяющее выбрать опции печати, определенные в Windows Print Manager. 4-8 Chapter 4: FILE MENU
Позиция Rotate Plots Plot Width Pen Width Print Font Size Left Graphic Margin % Right Graphic Margin % Top Graphic Margin % Bottom Graphic Margin % Left Text Margin Top Text Margin Описание Если произвести эту установку, то все графики при печати будут повернуты на 90 градусов. Это позволяет изменить ориентацию графиков для печати в "портретном" режиме. Смотри также текст следующего раздела. Смотри данный ниже радел "Обсуждение". Толщина линии в пикселах. Число 0 соответствует самой тонкой линии, большие числа будут обеспечивать более толстые линии. Установка размера.шрифта при печати текстовых окон. Ширина левого поля фа фи ко в в процентах от максимальной ширины графика. Действует только на печать. Ширина правого поля графиков в процентах от максимальной ширины графика. Действует только на печать. Отступ сверху в процентах от максимальной ширины графика. Действует только на печать. Отступ снизу в процентах от максимальной ширины графика. Действует только на печать. Ширина (отступ) левого поля, выраженная в числе знаков, которая будет использована при распечатке текстовых файлов. Высота (отступ) верхнего поля, выраженная в числе знаков, которая будет использована при распечатке текстовых файлов. Обсуждение: Опция "Plot Width" отличается от большинства других установок в ZEMAX. так как эта характеристика служит скорее для информации о том. какова ширина графика при печати, чем для ее установки. Разные принтеры будут печатать графики различного размера. Для масштабирования графиков необходимо определить их масштаб перед печатью. ZEMAX может печатать графики с точным масштабом 1:1,1:2 и т.д. Нажатие экранной клавиши "Plot Width" приводит к появлению диалогового окна "Print". Это то же самое окно, которое появляется при печати графиков. Это окно позволяет установить нужный драйвер принтера и определить характеристики печати, такие как разрешение, ориентация и другие, изменяющиеся в зависимости от типа принтера. С помощью опций этого окна установите нужный драйвер принтера и режим печати, который Вы предпочитаете Заметьте, что ZEMAX печатает графики в "пейзажной" моде, поворачивая их на 90 градусов, если Вы используете установку "портретной" моды. Это сделано потому, что все принтеры по умолчанию обычно печатают в "портретной" моде. Поэтому лучше не менять установку принтера, а использовать опцию поворота графиков. ZEMAX будет использовать эти установки для определения ширины графиков при печати и будет показывать эту ширину в дюймах в графе "plot width". Заметьте, что ширина графиков автоматически пересчитывается при изменениях установок печати или при нажатии экранной клавиши "Reset", После расчета действительной ширины графика, масштаб оптической схемы при печати будет очень точен. Однако это будет только в том случае, если при печати будет использоваться тот же самый драйвер и тот же самый режим печати Если при печати будут использоваться разные драйверы и разные режимы печати, то ширина графиков не будет автоматически пересчитываться. Для точного масштабирования графиков при печати с новым принтером или в новом режиме необходимо произвести новую установку ширины графика, как это было описано выше. Глава 4: МЕНЮ "FILE' 4-9
Наконец, могут быть случаи, когда требуется изменить устанавливаемую по умолчанию ширину графиков Например, если получаемый размер графиков должен быть уменьшен до определенной величины, чтобы он мог разместиться на каком- либо другом документе то уже известный его размер может быть использован для масштабирования к новому размеру. Для этого просто введите новую ширину изображения в графу "Plot width" и нажмите экранную клавишу "Save". Все последующие графики будут печататься в новом масштабе. Заметьте, что точное масштабирование графиков возможно только при печати изображений схем или отдельных элементов, так как изображения всех других графиков не зависят от масштаба. Colors Цвета Назначение: Эта установка служит для задания цветовой, гаммы, которая будет использоваться ZEMAX для раскраски графических линий. Линии разного цвета используются для изображения графических кривых, относящихся к разным длинам волн или к разным направлениям в поле зрения. Это относится к графикам аберраций, диаграмме пятна рассеяния и другим. Для длины волны под номером 1 будет использоваться цвет "реп Г. для длины волны под номером 2 — "реп Т и так далее. Для поля под номером 1 также будет использоваться цвет "реп 1", для поля под номером 2 -— "реп Т и так далее. Соотношение цифровьгх величин Red (красный), Green (зеленый) и Blue (синий) определяет цвет. Каждая из этих величин должна находиться в пределах от О до 255. В результате цвет определяется 24-битным RGB-числом A6 миллионов цветов), но количество реально получаемых цветов зависит от характеристик компьютера и графической разрешающей способности его монитора. Получающиеся цвета показаны справа от каждого значения RGB. С помощью опции "Highlight Color" устанавливается цвет высвечивания на схемах текущей поверхности или текущего объекта, рассматриваемых в редакторах LDE или NSCE соответственно. Buttons 1-16, Buttons 17-32, Buttons 33-48 "Горячие" клавиши 1-16, 17-32. 33-48 Назначение: С помощью этих установок определяются функции так называемых "горячих" экранных клавиш, расположенных в верхней части главного окна ZEMAX под главным меню. Обсуждение: В верхней части главного окна ZEMAX под главным меню расположен ряд из 48 экранных клавиш, каждая из которых может служить для быстрого вызова любой подпрограммы из главного меню ZEMAX. Каждой клавише может быть присвоена функция любой из опций из главного меню. Опция "Off' убирает изображение данной клавиши с экрана. Для большего удобства все клавиши разбиты на три группы по 16 клавиш в каждой. 4-10 Chapter* RLE MENU
Status Bar Информационная полоса Назначение: С помощью этих установок определяются характеристики оптической системы, которые должны постоянно высвечиваться в информационной строке, располо- расположенной в нижней части главного окна ZEMAX. Обсуждение: В нижней части главного окна ZEMAX имеется информационная полоса, на которой могут высвечиваться различные характеристики оптической системы, такие как EFL (эффективная фокальная длина). EPD (размер диаметра входного зрачка). F/# (F/число) и другие. Exit Выход Назначение: Выход из программы ZEMAX. Обсуждение: Если в схеме были произведены какие-либо изменения, то ZEMAX предложит записать их. Если никаких изменений не было сделано, то работа программы будет просто прекращена. Recently used files Последние из загружавшихся файлов Имена нескольких последних файлов с которыми Вы работали, приведены в нижней части меню "File". Выбрав из этого списка нужный файл. Вы можете сразу же произвести его загрузку. Это просто быстрее, чем при использовании команд File. Open. Глава 4: МЕНЮ 'FILE" 4 -, 1
EDITORS MENU ■ МЕНЮ "EDITORS" Lens Data Редактор данных оптической схемы Редактор данных оптической системы "Lens Data Editor" (LDE) является главной таблицей, в которую вводится большинство параметров оптической системы. Это включает радиусы кривизны оптических поверхностей, расстояния от одной поверхности до Другой (толщины) и марки стекол. Система, состоящая из одной линзы, определяется двумя поверхностями (передней и задней), а также поверх- ностью объекта и поверхностью изображения. Эти основные данные могут быть непосредственно введены в таблицу. Когда на экране открыто окно LDE, данные могут быть просто впечатаны в высвеченный (в обратном контрасте) элемент таблицы. Каждая колонка таблицы имеет заголовок, указывающий тип данных, а каждая строка представляет данные, относящиеся к одной оптической (или. возможно, пустой) поверхности. С помощью курсорных клавиш клавиатуры можно перемещать высвеченный в обратном контрасте элемент (курсор таблицы) к нужному месту таблицы. Перемещая курсор таблицы вдоль какой-либо строки, можно получить доступ к колонкам с названиями "semi-diameters" (лолудиаметры), "conic constants" (конические постоянные) и "parameter" (параметр); назначение последних зависит от типа данной поверхности. Клавиши "Page Up" и "Page Down" могут быть использованы для быстрого перемещения курсора в первую или последнюю строку таблицы соответственно. Inserting and deleting surfaces Ввод и стирание поверхностей Обратите внимание на то. что сначала (до загрузки какого-либо файла) в таблице показаны только три поверхности: object (объект), stop (апертурная диафрагма системы) и image (изображение). Другие поверхности могут быть введены в таблицу или стерты из нее с помощью клавиатурных клавиш Insert и Delete. Однако новые поверхности не могут быть введены перед поверхностью объекта или за поверхностью изображения; в этом контексте слово "перед" означает меньший номер поверхности, а слово "за" — больший номер поверхности в том смысле, что свет достигает различные поверхности последовательно (последовательная трассировка лучей). ZEMAX нумерует поверхности от объекта, которому присваивается номер О, до последней поверхности, которая становится поверхностью изображения. Для введения данных в таблицу переместите курсор таблицы в нужное место и начинайте печатать в этом элементе данные. Для редактирования ранее введенных данных нажмите на клавишу "Backspace". При редактировании данных для перемещения по таблице Вы можете использовать курсорные клавиши клавиатуры, а также клавиши Ноте и End. После того, как Вы ввели новые данные, переместите курсор на любой другой элемент таблицы или просто нажмите на клавишу Enter. Существует также более быстрый способ редактирования данных, который может быть использован только в Редакторе LDE. Чтобы прибавить к текущей величине какое-либо число, просто напечатайте перед этим число знак "+"; например, если Глава 5: МЕНЮ "EDITORS4 5-1
высвечено число 10. напечатайте "+5" и нажмите клавишу Enter, чтобы получить число 15. Для умножения и деления могут быть использованы также символы "*" и 7\ Для вычитания используйте знак минус с пробелом после него. Например, введение "-_ 5" изменит значение с 17 на 12. Обратите внимание на пробел между "-" и й. Если пробела не будет, то программа поймет это как введение нового значения с отрицательным знаком Ввод ""-1" приведет к изменению знака числа. Cutting, Copying, and Pasting surface data Уничтожение, копирование и "склейка" данных Смотри ниже пояснение к разделу меню "Edit". Entering surface comments Ввод комментария к поверхности Каждая строка в таблице редактора данных имеет поле для записи какого-либо комментария, состоящего из 32 печатных знаков. Колонка комментария используется для записи замечаний, поясняющих данные, и не влияет на расчеты. Эта колонка может быть временно удалена из таблицы и введена снова со всеми записями, когда это требуется; см. ниже описание меню "Options". Entering radii data Ввод величин радиусов Для ввода или изменения величины радиуса (кривизны) поверхности установите курсор на нужный элемент таблицы и напечатайте новое значение. Величины радиусов всегда вводятся в принятых для данной схемы единицах длины. Entering thickness data Ввод величин толщины Для ввода или изменения величины толщины поверхности установите курсор на нужный элемент таблицы и напечатайте новое значение. Величина толщины всегда вводится в принятых для данной схемы линейных единицах. Толщина ловерхности- это расстояние от данной поверхности до следующей поверхности. Не используется только толщина поверхности изображения. Толщина всегда изменяет знак после зеркала. После нечетного числа зеркал все толщины должны быть отрицательными. Это условие знаков не зависит от общего числа зеркал или наличия в системе фиктивных поверхностей типа "coordinate breaks". Это фундаментальное правило не может быть изменено путем поворота системы координат на 180 градусов. Entering glass data Ввод марки стекла Материал, используемый для каждой поверхности, обычно определяется путем введения наименования стекла в колонку "Glass" редактора LDE. Введенное наименование стекла должно присутствовать в одном из загруженных каталогов стекол. По умолчанию загружаются каталоги "Schott" и "Misc"; другие каталоги загружаются по указанию пользователя. О том, как использовать одновременно несколько каталогов стекол, как их просматривать, редактировать и добавлять в них 5 -2 Chapter 5: EDITORS MENU
новые стекла смотри в главе "Using Glass Catalogs" (Использование каталогов стекол). Для задания зеркальной поверхности нужно использовать в колонке 'Glass" слово "mirror" (зеркало). Имеется опция 7Р", которая может быть прибавлена к имени стекла при замене одного стекла на другое. Эта опция вызывает изменение радиусов кривизны обоих поверхностей линзы для сохранения величины её параксиальной оптической силы. Например, если введено стекло ВК7, то введение вместо него стекла "SF1/P" приведет к замене стекла на SF1 и, вместе с этим, произойдет изменение радиусов кривизны обоих поверхностей линзы таким образом, что параксиальная оптическая сила поверхностей линзы останется неизменной. ZEMAX сохраняет неизменной только параксиальную оптическую силу поверхностей (линзы); однако оптическая сила всей линзы несколько изменится в результате изменения ее оптической толщины. Для тонких линз этот эффект обычно очень мал. Entering semi-diameter data Ввод величин полудиаметров По умолчанию величины полудиаметров всех поверхностей автоматически вычисляются таким образом, чтобы они обеспечивали чистую радиальную апертуру для всех лучей, идущих от всех точек поля. Если для какой-либо поверхности будет введена величина полудиаметра, то эта величина будет помечена буквой "LT. Эта буква указывает на то, что величина полудиаметра данной поверхности была задана пользователем. Величина полудиаметра имеет значение только для изображения оптической схемы и не влияет на виньетирование лучей. См. раздел "Specifying surface apertures". Entering conic data Ввод величины конической постоянной Коническая постоянная может быть введена для многих различных типов поверхностей. Для введения или изменения величины конической постоянной просто переместите курсор в соответствующий элемент таблицы LDE и напечатайте нужное значение. Коническая постоянная всегда является безразмерной величиной. Более детальные пояснения даны в разделе "The standard surface" в главе "Surface Types". Entering parameter data Ввод величин параметров В колонки параметров можно ввести до 8 дополнительных числовых данных. определяющих свойства определенных типов поверхностей. Более детальная информация о параметрических данных дана в главе "Surface Types" (Типы поверхностей). The Surface Properties dialog box Диалоговое окно для задания свойств поверхностей Двойное нажатие мышкой на самую левую колонку таблицы (в строке рассматри- 10 ваемой поверхности) вызывает диалоговое окно, с помощью которого можно задать и требуемые свойства данной поверхности. Свойства поверхности, которые можно задать в этом диалоговом окне, следующие. Гпава 5 МЕНЮ 'EDITORS ' 5-3
Surface properties type tab Задание типов и свойств поверхностей (меню "Туре' в диалоговом окне 'Surface Properties") Surface Type Тип поверхности ZEMAX моделирует плоские, сферические и конические (асферические второго порядка) поверхности; группа этих типов поверхностей относится к категории стандартных поверхностей ("Standard surface"). В диалоговом окне имеется список типов поверхностей. Выберите нужный тип поверхности из этого списка. В дополнение к стандартным поверхностям ZEMAX поддерживает много других типов поверхностей. Типы поверхностей обсуждаются в главе "Surface Types". Во многих оптических схемах используются только поверхности стандартного типа. Surface DLL Поверхности типа DLL Если используется поверхность типа "User. Defined" (тип поверхности задается пользователем), то форма поверхности и её свойства задаются через интегрированную с ZEMAX внешнюю программу, называемую Dynamic Link Library, или DLL. Из этой библиотеки выбирается нужный тип DLL-поверхности. Более детальная информация о поверхностях этого типа дана в главе "Surface Types" в разделе "User Defined". Surface Color Цвет поверхности При изображении твердотельной модели оптической схемы (Shaded Model Layout) ZEMAX no умолчанию рисувт зеркальные поверхности в зеленом цвете, а преломляющие и фиктивные поверхности в голубом цвете. Цвет поверхностей при изображении оттененной твердотельной модели может быть установлен по выбору пользователя с помощью диалогового окна File, Preference и таблицы Colors tab. Make Surface Stop Задание поверхности апертурной диафрагмы Апертурная диафрагма может быть установлена на любой поверхности системы, за исключением поверхностей объекта и изображения. Для введения в систему апертурной диафрагмы дважды кликните мышкой на номер той поверхности (в таблице LDE), на которую Вы хотите установить апертурную диафрагму. В открывшемся диалоговом окне установите флажок "Make Surface Stop". Диалоговое окно закроется, а поверхность получит обозначение "STO", которое появится в таблице LDE вместо номера поверхности. Важно установить апертурную диафрагму таким образом, чтобы входной зрачок был сцентрирован с поверхностью объекта. Вы можетв быть уверены в выполнении этого условия, если Вы ломеститв апертурную диафрагму перед поверхностями "coordinate breaks", ловерхностями с децентрированными экранами, поверхностями с голограммами и решетками, или любыми другими компонентами, которые могут 5 -4 Chapter 5: EDITORS MENU
изменять направление оптической оси. Если Ваша система обладает вращательной симметрией, то это ограничение снимается. Только в системах, в которых исполь- используются заклоны и децентрировки оптической оси, апертурная диафрагма должна быть расположена перед такими поверхностями. Если поверхности "coordinate breaks" используются только для введения в систему поворотных зеркал, а в других отношениях система является симметричной, то положения зрачков будут вычислены правильно даже в тех случаях, когда апертурная диафрагма будет расположена после поворотных зеркал. В некоторых системах нет возможности расположить апертурную диафрагму перед поверхностями "coordinate breaks". В таких случаях должна быть использована процедура "нацеливания лучей". Эта процедура обсуждается в главе "System Menu". Make Surface Global Coordinate Reference Задание опорной поверхности в глобальной системе координат Опорной поверхностью в устанавливаемой глобальной системе координат может быть любая поверхность в системе. Для задания опорной поверхности дважды кликните мышкой на номер той поверхности (в таблице LDE), которая должна быть опорной. В открывшемся диалоговом окне установите флажок "Make Surface Global Coordinate Reference". Детальное описание опорной поверхности дано в главе "System Menu" в разделе "Miscellaneous" ("Global Coordinate Reference Surface"). Hiding Rays To/From Surfaces Скрыть на схеме изображение лучей, идущих К/ОТ указанной поверхности Для того, чтобы убрать на схеме изображение лучей, идущих к и от данной поверхности, дважды кликните мышкой на номер той поверхности (в таблице LDE). для которой Вы хотите применить данную опцию. В открывшемся диалоговом окне установите флажок "Hide Rays To/From This Surface". На всех изображениях схемы лучи, идущие К и ОТ данной поверхности, больше не будут изображаться. Do Not Draw Edges From This Surfaces Скрыть на схеме изображения краевых линий у линзовых элементов Если установить опцию ttDo Not Draw Edges From This Surface", то на схеме не будут изображаться краевые линии, соединяющие данную поверхность со следующей поверхностью. Эта опция позволяет в некоторых случаях получить более ясное изображение схемы, например, в системах, у которых промежутки между оптическими поверхностями заполнены каким-либо жидким или другим не воздушным наполнителем. Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5 -5
Surface properties aperture tab Задания типа и свойств поверхностных апертур (диафрагм) (меню Aperture^ в диалоговом окне "Surface Properties') Aperture type and other aperture controls Тип и другие свойства поверхностных апертур Апертуры устанавливаются иа отдельные поверхности для учета виньетирования. ZEMAX поддерживает следующие типы апертур: no aperture (нет апертуры), circular aperture (круглая апертура), circular obscuration {круглый экран), rectangular aperture (прямоугольная апертура), rectangular obscuration {прямоугольный экран), elliptical aperture (эллиптическая апертура), elliptical obscuration (эллиптический экран), spider obscuration (экран в форме растяжек), user defined aperture (определяемая пользователем форма апертуры), user defined obscuration (определяемая пользователем форма экрана) и floating aperture (плавающая апертура). Апертуры и экраны определяют области пропускания и виньетирования лучей соответственно. Если апертура определена для данной поверхности, то ZEMAX помечает эту поверхность знаком "*". прибавляя его к номеру поверхности в редакторе LDE. Если апертура определена для данной поверхности, то ZEMAX помечает эту поверхность знаком "*", прибавляя его к номеру поверхности в редакторе LDE. На поверхность можно установить несколько различных апертур путем введения в требуемом месте нескольких дополнительных фиктивных поверхностей с нулевой толщиной; на каждую такую поверхность можно установить свой тип апертуры. Это позволяет создавать апертуры с более сложной формой. Сложная форма апертур и экранов может быть определена также путем использования апертур и экранов типа "user defined aperture" (определяемая пользователем форма апертуры) и "user defined obscuration" (определяемая пользователем форма экрана). Для установки апертуры на какую-либо поверхность дважды кликните мышкой на номер этой поверхности (в таблице LDE). В открывшемся диалоговом окне войдите в опцию "Aperture" и выберите нужный тип апертуры. Если выбрать апертуру типа "None" (этот тип устанавливается по умолчанию на все поверхности), то все лучи. которые могут быть отражены или преломлены на данной поверхности, пройдут дальше. Прохождение лучей через данную поверхность совершенно не зависит от величины ее полудиаметра ("Semi-Diameter"), указанной в редакторе LDE; эти величины используются только для рисования элементов схемы, а не для учета виньетирования. Для изменения текущего типа апертуры выберите из открывшегося списка другой нужный тип апертуры. Отдельные типы апертур описаны ниже. Circular Aperture/Obscuration: Circular Aperture (круглая апертура) определяет кольцеобразную область, которая виньетирует все лучи, которые попадают внутрь области, ограниченной радиусом "minimum radius", и проходят за пределами области, ограниченной радиусом "maximum radius". Если луч проходит в области мевду минимальным и максимальным радиусами, то он будет пропущен. Circular Obscuration (круглый экран) является дополнением Circular Aperture до целой плоскости. 5 -6 Chapter 5: EDITORS MENU
Rectangular Aporture/Obscuratlon: Лучи виньетируются, если они пересекают поверхность вне прямоугольной области, определенной полуширинами х и у. ^ Прямоугольный экран (Rectangular Obscuration) дополняет прямоугольную [ апертуру (Rectangular Aperture) до целой плоскости. Elliptical Aperture/Obscuration: Лучи виньетируются, если они пересекают поверхность вне эллиптической области, определенной полуширинами х и у. с Эллиптический экран (Elliptical Obscuration) дополняет эллиптическую апертуру ( (Elliptical Aperture) до целой плоскости. Spider: Растяжки определяются их шириной и общим количеством. ZEMAX I считает, что все растяжки имеют одинаковую ширину и что они расположены ( равномерно по кругу с одинаковыми углами между ними. Первая растяжка < устанавливается вдоль положительного направления оси X, и ее радиальный ' угол считается равным нулю. Более сложные растяжки, имеющие различные ' ширины и расположенные неравномерно по кругу, могут быть промоделированы путем использования нескольких таких апертур, установленных друг за другом на дополнительные пустые поверхности. Поверхности "coordinate break" могут быть использованы для поворота одной или всех растяжек на любой угол. * User Defined Aperture/Obscuration: Смотри обсуждение, данное в следующем разделе. Floating Aperture: "Floating Aperture" (плавающая апертура) очень подобна круглой апертуре, за исключением того, что ее максимальный радиус всегда равен полудиаметру поверхности. Так как полудиаметр поверхности может перевычисляться ZEMAX (при работе в автоматическом режиме), то полудиаметр апертуры изменяется ("плавает") вместе с величиной полудиаметра поверхности. Плавающая апертура полезна, когда макросы или внешние программы используются для трассировки лучей; некоторые из этих лучей могут проходить вне установленных по умолчанию полудиаметров поверхностей и поэтому должны быть виньетированы. Все описанные выше апертуры моделируются в плоскости, касательной к вершине оптической поверхности. Реальные координаты х и у пересечения лучей с поверхностью используются для определения виньетирования; z-координата при этом игнорируется. Разные результаты могут быть получены для сильно выпуклой или вогнутой оптической поверхности, если апертура установлена не на самой оптической поверхности, а на пустой поверхности, расположенной перед ней, и в случае, если апертура устанавливается прямо на искривленную поверхность. Это может произойти только в том случае, если лучи падают на поверхность под большими углами. Обычно наилучшее место для апертуры - это расположить ее прямо на оптической поверхности, если, конечно, ее другое расположение не будет в большей степени соответствовать Вашей задаче. Все типы апертур могут быть децентрированы относительно текущей оптической оси путем введения Х- или Y-смещений, или их обоих. Величины децентрировки задаются в установленных линейных единицах измерения. Важно помнить, что децентрировки не смещают главный луч; апертурная диафрагма системы должна быть расположена на той же оси, на которой расположен объект. Для моделирования внеосевого телескопа, например, апертурная диафрагма системы устанавливается на оси. а децентрируется сама система? Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5 -7
User defined apertures and obscurations Апертуры и экраны геометрическая форма которых определяется пользователем Круглые, прямоугольные и эллиптические диафрагмы и экраны просты для использования и пригодны для большинства обычных схем. Однако бывают случай, когда необходимы более сложные формы. ZEMAX позволяет пользователю определить нужную геометрию апертур и экранов с помощью серии упорядоченных пар координат: (х1. у1), (х2 у2). .. (хп. уп); точки определяют вершины многоуголь- многоугольника. Многоугольник может иметь любую форму и может быть замкнут простым или сложным образом; можно также определить множество многоугольников, которые могут быть вложены друг в друга или нет. Для задания собственной диафрагмы или экрана выберите желаемый тип (User Aperture или User Obscuration) из списка типов апертур, а затем нажмите в этом же окне электронную клавишу "Edit User Aperture" (Редактирование апертуры пользова- пользователя). На экране появится простой текстовый редактор, который позволяет редактировать и "прокручивать" список координат точек, определяющих вершины многоугольника или многоугольников. Координаты точек на поверхности (X и Y) вводятся непосредственно. Коней многоугольника указывается точкой с координатами X и Y, равными нулю; поэтому многоугольник не может быть определен с вершиной в точке @,0). Если одна из вершин многоугольника должна находиться в точке @,0). просто определите ее координаты в близкой к ней точке, например, в точке Aе-6, 0). Пока хотя бы одна из координат не будет равна нулю, эта точка будет рассматриваться как вершина многоугольника, а не как его окончание. Принимается, что последняя из перечислен- перечисленных вершин должна быть связана с первой указанной вершиной. Например, для определения квадрата со стороной 20 единиц нужно задать следующие точки: -10, -ю, ю, ю, о, -10 10 10 -10 0 Обратите внимание на то, что последняя точка будет связана с первой точкой, так что ими определяется последняя сторона квадрата. Можно задать множество много- многоугольников, разделяя их точками с координатами @,0); например, для определения апертуры, состоящей из двух щелей, имеющих ширины по 5 единиц и разделенных промежутком 10 единиц, нужно задать следующие точки: -ю, -ю, -5, -5, 0, ю, ю. 5, 5, 0, -10 10 10 -10 0 -10 10 10 -10 0 5 -8 Chapter 5: EDITORS MENU
Несколько многоугольников могут быть также вложены друг в друга. Если луч пересе- пересекает точку, находящуюся внутри многоугольника, который находится внутри другого многоугольника, то принимается, что точка находится вне апертуры. Эта условность позволяет определять внутри апертуры "островки", которые становятся экранами, и наоборот. Допускается любое число уровней вложения, и каждый уровень переклю- переключает положение точки: внутри/снаружи. Максимальное число точек для определения апертуры равно 200. Surface properties scattering tab Задание рассеивающих свойств поверхностей (меню "Scattering" в диалоговом окне "Surface Properties") ЭТИ ОПЦИИ ДОСТУПНЫ ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ ZEMAX-EE. Хорошо полированные оптический поверхности обычно рассеивают небольшое количество света в небольшом телесном угле (приблизительно конической формы) в направлении преломленного ипи отраженного луча. Моделирование такого процесса рассеяния полезно для учета эффектов рассеяния при оценке MTF (МПФ) ипи других количественных характеристик оптической системы. ZEMAX моделирует рассеяние путем случайного изменения величины угла преломления ипи угла отражения для некоторого количества или для всех лучей, покидающих данную поверхность. В ZEMAX используются два фундаментально различных метода моделирования рассеяния света: "последовательный" и "непоследовательный". При "последовательном" моделировании рассеяния принимается, что лучи рассеиваются только в очень небольшом угле. Главный эффект такого процесса рассеяния заключается в "размытии" пятна рассеяния или картины распределения лучей на поверхности изображения. Метод "последовательного рассеяния" не предназначен для моделирования процессов рассеяния назад, рассеяния в широких углах (типа ламбертовского) или рассеяния, при котором рассеянные лучи могут распространяться в произвольном направлении (а не только в направлении к следующей поверхности, проходя все поверхности системы одну за другой в строгой последовательности). При непоследовательном" моделировании рассеяние может происходить в широкой области углов и лучи будут трассироваться правильно независимо от того, в каком направлении они распространяются. Непоследовательный метод моделирования лучше выбирать в тех случаях, когда необходимо промоделировать рассеяние от поверхностей, не являющихся частью оптической системы, таких как оправы линз, бленды или другие подобные объекты. Более детальное описание этого метода моделирования рассеяния дано в главе "Non-Sequential Components". Нет никакой необходимости использовать непоследовательные компоненты для моделирования рассеяния, если оптическая система состоит из последовательных поверхностей и интерес представляет только рассеяние в небопьших углах обусловленное небопьшой шероховатостью оптических поверхностей, а также желательно выпопнить только анализ деградации качества изображения, вызванного таким видом рассеяния. Глава 5: МЕНЮ EDITORS" 5 -9
Surface scattering settings Задание рассеивающих свойств поверхностей В ZEMAX используются одна и те же терминология и одни и те же модели рассеяния как для последовательных поверхностей, так и для непоследовательных компонен- компонентов Детальное техническое описание моделей рассеяния дано в главе "Non- Sequential Components в разделе "Scattering". Различие между моделями рассеяния для непоследовательных компонентов и для последовательных поверхностей заключается только в следующем; Модель рассеяния АВд для непоследовательных компонентов поддерживает одновременно коэффициенты рассеивания как для отраженного, так и для преломпенного света. Эта же модель для последовательных поверхностей поддерживает только один единственный ряд коэффициентов - либо для отраженного, либо для преломпенного света, но не для того и другого вместе. Отражает ли последовательная поверхность свет или преломляет его зависит только от того, является эта поверхность зеркальной (типа "mirror") или нет. Хотя опция "Рассеяние по Ламберту" присутствует в диалоговом окне для установки свойств последовательных поверхностей, лучи по этой модели могут рассеиваться вперед в любом направлении, так что некоторые из них могут рассеиваться в довольно больших углах и не будут распространяться через оставшуюся часть оптической системы.. Данные по рассеиванию лучей используются только в некоторых программах анализа характеристик оптической системы. В большинстве других программ, таких как оптимизация ипи изображения схемы данные рассеивания на поверхностях игнорируются. В программах, в которых используются данные рассеивания лучей, таких как "Spot diagram", в диалоговых окнах "Settings" имеется контрольный флажок 'Scatter Rays'. Surface tilt/decenter tab Установка наклонов и деиентрировок поверхностей (меню Tilt/Decenter" в диалоговом окне "Surface Properties") Эти установки позволяют производить изменения координатной системы как непосредственно перед поверхностью ("Before Surface"), так и сразу же после нее ("After Surface"). Это включает: - децентрировку поверхности с- последующим возвращением к первоначальной координатной системе; - наклон зеркала и последующий повторный наклон координатной системы для придания правильного направления отраженному пучку; - наклон поверхности для моделирования клина и многие другие применения. Эти установки дублируют введение в схему поверхностей типа "coordinate breaks" и очень подобны им по своему действию; см. в главе "SURFACE TYPES* раздел "Coordinate Break". Действие установок Tilt/Decenter" можно представить себе как последовательное введение в схему трех поверхностей: A) поверхности типа "coordinate breaks", B) оптической поверхности и C) следующей за ней еще одной фиктивной поверхности типа "coordinate breaks". 5 -10 Chapter 5: EDITORS MENU
Преимущество использования установок Tilt/Decenter" состоит в том, что в этом ■ случае в таблице редактора схемы (Lens Data Editor) отсутствуют перегружающие ее J пустые поверхности типа "coordinate breaks". Недостатком установок Tilt/Decenter" ^ является то, что в настоящее время ZEMAX не позволяет производить оптимизацию этих поверхностей. Наклоны и децентрировка поверхностей производятся следующим образом. Order Порядок ввода наклонов и децентровок Dec. Tilt Координатная система сначала децентрируется no X ("Dec.X") и Y ("Dec.Y") направлениям, а затем производятся наклоны относительно осей X ("Tilt X"), Y ("Tilt V) и 2 ("Tilt 2"). Величины децентровок задаются в единицах измерения, установленных для схемы, а наклоны - в градусах; углы наклона отсчитываются по часовой стрелке относительно направления соответствующих осей. Tilt Dec: Можно выбрать и другой порядок, в соответствии с которым сначала производятся наклоны относительно осей Z, Y и X, а затем координатная система децентрируется по Y и X направлениям. G Установки "Before Surface": Порядок, в котором производятся наклоны и децентрировки координатной системы, существенен! Установки "After Surface": Таким же образом производятся повороты и децентровки координатной системы непосредственно после поверхности. Величины наклонов и децентровок перед поверхностью и после нее могут быть независимыми и введены в любой последовательности. Однако часто бывает полезным, чтобы величины наклонов и децентровок после поверхности находились в определенном соотношении с введенными перед поверхностью. В соответствии с этим предусмотрены следующие опции: Explicit: Независимое задание величин наклонов и децентровок; Pick Up This Surface: Взять величины наклонов и децентровок, заданные для этой поверхности в установках "Before Surface". Reverse This Surface: Взять с обратным знаком величины наклонов и децентровок, заданные для этой поверхности в установках "Before Surface". Pick Surface n: Взять величины наклонов и децентровок, заданные для одной из предыдущих поверхностей в установках "Before Surface". Reverse Surface n: Взять с обратным знаком величины наклонов и децентровок, заданные для одной из предыдущих поверхностей в установках "Before Surface". Глава 5: МЕНЮ 'EDITORS" 5 -11
Все эти опции поддерживаются для установок "After Surface" Инверсные значения от предыдущей поверхности приводят к (автоматическому) изменению порядка наклонов и децентрировок для текущей поверхности и изменению их знака. Координатная система, полученная после установок наклонов и децентрировок для текущей поверхности (группы поверхностей), определяет координатную систему для последующей поверхности. Толщина поверхности, для которой были введены наклоны и децентрировки. измеряется в новой координатной системе вдоль новой ocnZ. Более детальная информация о преобразовании координатной системы дано в главе "SURFACE TYPES" в раздел "Coordinate Break". Surface physical optics tab Установка Физических свойств поверхностей (меню "Physical Optics" в диалоговом окне "Surface Properties'^ Смотри в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" раздел "Surface specific settings". Setting and removing solves Меню "Solves" в редакторе "Lens Data Editor" Большинство колонок с данными (такие, как радиус и толщина) поддерживают одну или несколько опций "solve" - функциональных условий, накладываемых на данный параметр системы. Для установки функции "solve" на параметр нужно установить курсор на соответствующий элемент таблицы LDE и дважды нажать левую клавишу мышки. Можно также один раз нажать на правую клавишу мышки или выбрать команду "Solves" из меню LDE. Типы функций "solve" описаны в главе "Solves" Setting and removing variables Установка и снятие статуса переменной величины Чтобы установить на какой-либо параметр статус переменной величины, кликните на ячейку, в которой записана величина этого параметра, и нажмите на клавиатуре клавиши Ctrl-2. Повторное нажатие на эти клавиши снимет с параметра статус переменной величины; эти клавиши работают как переключатель. Menu options Меню опций в редакторе LDE В редакторе LDE имеется ряд опций, позволяющих вводить новые и стирать ненужные поверхности, производить выбор типа поверхностей, устанавливать функций solve и статус переменной величины на параметры схемы. Edit Редактирование Меню Edit предоставляет пользователю следующие опции: Surface Type (тип поверхности): эта опция позволяет задать или изменить тип поверхности. 5 -12 Chapter 5: EDITORS ME NU
Insert Surface, (добавить поверхности): эта опция вводит в таблицу LDE новую строку, которая появляется на месте текущей строки. Клавиша Insert может быть с использована для введения такой строки более коротким способом. Insert After: с помощью этой опции новая строка вводится в таблицу LDE после С текущей строки. Для этой же цели может быть использована комбинация клавиш Ctrl-Insert как более короткий путь. < Delete Surface: эта опция позволяет стереть текущую строку в таблице LDE Для * этой цели может быть использована также клавиша Delete. с Cut Surface: с помощью этой опции осуществляется копирование данных одной с или нескольких строк таблицы LDE в буфер Windows Clipboard, а затем эти ( строки стираются. Эти строки должны быть выделены в таблице одним из , следующих способов: i С помощью мышки: Кликните первую строку из тех. которые должны быть выделены. Перемещайте теперь курсор при нажатой клавише мышки к последней поверхности, которая должна быть выделена. Для выделения только одной строки двигайте мышкой вверх или вниз для выделения нескольких строк, а затем возвратитесь назад к желаемой поверхности. С помощью клавиатуры: Установите курсор на любой элемент таблицы нужной поверхности. Затем нажмите клавишу "Shift" и перемещайте курсор по таблице вверх или вниз с помощью курсорных клавиш, выделяя нужную область строк, которые будут высвечиваться в обратном цвете. Для : • выделения только одной поверхности переместите курсор на одну - две строки от нужной поверхности» а затем вернитесь к этой поверхности. Copy Surface: с помощью этой опции копируются данные одной или нескольких строк таблицы в Windows Clipboard. Для выделения одной или нескольких строк используйте один из описанных выше способов. Paste Surfaces: импортируются данные одной или нескольких строк из Windows те Clipboard в таблицу LDE на место текущей установки курсора. Эти строки зг должны были быть, конечно. • прежде скопированы в буфер Clipboard посредством опций "Cut Surface" или "Copy Surface", описанных выше. Сору Cell: Копирует данные одной ячейки таблицы в Clipboard. Paste Cell: Импортирует из Clipboard данные одной ячейки в текущую ячейку. Эти данные должны были быть прежде скопированы из таблицы в Clipboard. Edit Cell: Используется для редактирования данных в текущей ячейке. in Copy Spreadsheet: Копирует в Clipboard данные либо высвеченной области поверхностей, либо всю таблицу (если нет высвеченных поверхностей) в текстовом формате, подходящем для помещения данных в другие приложения Windows, такие как Word. Формат текста - табличный. Solves Функции "Solve" ть В редакторе LDE на многие параметры схемы могут быть наложены какие-либо функциональные условия типа solve и/или этим параметрам может быть придан статус переменной величины: Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5-13
Radius: Установка solve на радиус кривизны поверхности. Thickness: Установка solve на толщину поверхности. Glass: Установка solve на стекло. Semi-Diameter: Установка solve на величину полудиаметра. Conic: Установка solve на величину конической постоянной. Parameter: Установка solve на параметрические данные. Variable Toggle: Установка статуса переменной величины на высвеченный в таблице параметр. Эта операция может быть проще выполнена с помощью комбинации клавиш Ctrl-Z. Options Опции Show Comments (показать комментарий): Если эта опция включена, то в таблице LDE появится дополнительная колонка для записи каких-либо комментариев к данной поверхности. Если эта опция не выбрана, то колонка с комментариями будет отсутствовать в таблице. Оба этих состояния могут быть использованы только при текущей работе с программой. Для автоматической установки какого-либо из этих состояний при запуске ZEMAX используйте команды, описанные в разделе "Environment" в главе "File Menu". Help Помощь Using the LDE (использование редактора LDE): вызывает оперативную помощь по использованию редактора LDE. Merit Function Редактор оценочной функции Редактор оценочной функции (Merit Function Editor) используется для задания, модификации и просмотра оценочной функции оптической системы. Оценочная функция системы используется для оптимизации характеристик системы, - как описано в главе "Optimization" (оптимизация). Edit Редактирование Insert Operand: Вводит в таблицу редактора новую строку на место текущей (высвеченной). Эта же операция может быть выполнена с помощью клавиатурнойклавиши "Insert". Insert After: Вводит в таблицу редактора новую строку после текущей. Эта же операция может быть выполнена с помощью комбинации клавиш "Ctrl-Insert4. Delete Operand: Удаляет из таблицы высвеченную строку. Эту же операцию можно выполнить с помощью клавиши "Delete". 5-14 Chapters EDITORS MENU
Delete All: Удаляет все операторы в таблице оценочной функции. Cut Operands: Сначала копируются все данные одного или нескольких операторов в Windows Clipboard, а затем эти операторы удаляются из таблицы . редактора. Операторы, подлежащие этой операции, должны быть сначала ( выделены с помощью одной из следующих процедур: С помощью мышки: Кликните мышкой первый оператор, который должен J быть удален с предварительной записью в Clipboard. Удерживая левую \ клавишу мышки, передвигайте курсор до покрытия нужной области с операторов. Выбранные операторы будут высвечены в обратном контрасте. q Для селекции только одного оператора передвигайте курсор вверх или вниз до того, как будут высвечены хотя бы два оператора, а затем возвратитесь < назад к желаемому оператору. i i С_помощью клавиатуры: Переместите курсор на строку с нужным операто- оператором. Затем, нажав клавишу "Shift", перемещайте курсор вверх или вниз до покрытия нужной Вам области операторов. Выбранная область операторов будет высвечена в обратном контрасте. Для селекции только одного оператора передвигайте курсор вверх или вниз до тех пор, пока не будут высвечены хотя бы два оператора, а затем возвратитесь назад к желаемому оператору. Copy Operands: Копирует данные одного или нескольких операторов в Windows Clipboard. Процедура выделения операторов описана выше в разделе «Cut Operands». Paste Operands: Импортирует данные одного или нескольких операторов из Windows Clipboard в редактор Merit Function Editor на место текущего положения курсора. Вводимые операторы должны быть ранее скопированы в Windows Clipboard либо командой «Cut Operands», либо командой «Copy Operands» как описано выше. Copy Cell: Копирует данные только одной ячейки (таблицы) в Windows Clipboard. Paste Cell: Импортирует данные одной ячейки из Windows Clipboard в текущую ячейку таблицы. Данные должны были быть ранее скопированы в Windows Clipboard с помощью команды "Copy Cell", описанной выше. Edit Cell: Используется для редактирования данных в текущей ячейке * Copy Spreadsheet: Копирует в Windows Clipboard либо высвеченный ряд операторов, либо данные всей таблицы (если область операторов не выделена); копирование производится в формате, подходящем для импортирования данных в другие приложения Windows такие, как редакторы таблиц или текстов. Формат - с табличным разграничением текста. Tools Инструментарий Update: Эта опция производит новое вычисление Merit Function. Все операторы пересчитываются и их новые значения выводятся на экран. Default Merit Function: Выводит на экран диалоговое окно, используемое для ввода одной из заложенных в программу оценочных функций. Смотри главу «Optimization» (Оптимизация). Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5-15
Save Записывает текущую оценочную функцию (всю таблицу!) в файл с расширением VMF Эта операция требуется только в том случае, если Вы хотите данную оценочную функцию в будущем загрузить в какую-либо другую схему Этого не требуется при работе с данной схемой, так как ZEMAX автомати- автоматически запишет Вашу оценочную функцию вместе с записью самой схемы. Load Загружает оценочную функцию, ранее записанную в файл \ MF или в файл " ZMX Тип загружаемого файла может быть выбран; из файла VZMX будет загружена только оценочная функция. При этом текущая оценочная функция будет уничтожена! Help Помощь Вызывает систему оперативной помощи по выбору операторов. Multi-Configuration Редактор мультиконфигурационных данных Редактор "Multi-Configuration" очень похож на редактор "Lens Data Editor". Для редактирования ячейки таблицы просто установите курсор на эту ячейку и напечатайте в ней новые данные. Для установки функции solve дважды кликните левой клавишей мышки на нужную ячейку или выберите нужную функцию solve из меню редактора. Edit Редактирование Operand Type: Эта опция позволяет выбрать и внести в таблицу редактора нужный оператор мультиконфигурации. Описание операторов мультиконфи- гурации дано в главе "Multi-Configurations'. Insert Operand: Добавление в таблицу редактора "Multi-Configuration" новой строки на место текущей строки. В новой строке устанавливается оператор "OFF", что означает, что эта строка будет игнорироваться до тех пор, пока в нее не будет введен какой-либо из действующих операторов. Эта опция может быть быстрее выполнена нажатием клавиши "Insert". Insert After: Добавление в таблицу редактора "Multi-Configuration" новой строки на место после текущей строки. В новой строке устанавливается оператор "OFF", что означает, что эта строка будет игнорироваться до тех пор, пока в нее не будет введен какой-либо из действующих операторов. Эта опция может быть быстрее выполнена нажатием комбинации клавиш "Ctrl-Insert". Delete Operand: Стирает текущую строку из таблицы редактора. Эта опция может быть быстрее выполнена нажатием клавиши "Delete". Cut Operands: Сначала копируются все данные одного или нескольких операторов в Windows Clipboard, а затем эти операторы удаляются из таблицы редактора. Операторы, подлежащие этой операции, должны быть сначала выделены с помощью одной из следующих процедур: 5 -16 Chapter 5: EDITORS MENU
С помощью мышки: Кликните мышкой первый оператор, который должен быть удален с предварительной записью в Clipboard. Удерживая левую с клавишу мышки, передвигайте курсор до покрытия нужной области операторов. Выбранные операторы будут высвечены в обратном контрасте. ■ Для селекции только одного оператора передвигайте курсор вверх или вниз *■ до того, как будут высвечены хотя бы два оператора, а затем возвратитесь назад к желаемому оператору. С ( С помощью клавиатуры: Переместите курсор на строку с нужным операто- ' ром. Затем, нажав клавишу "Shift11, перемещайте курсор вверх или вниз до q покрытия нужной Вам области операторов. Выбранная область операторов с будет высвечена в обратном контрасте. Для селекции только одного < оператора передвигайте курсор вверх или вниз до тех пор, пока не будут < высвечены хотя бы два оператора, а затем возвратитесь назад к ' желаемому оператору. Copy Operands: Копирует данные одного или нескольких операторов в Windows Clipboard. Процедура выделения операторов описана выше в разделе «Cut Operands». Paste Operands: Импортирует данные одного или нескольких операторов из Windows Clipboard в редактор Multi-Configuration Editor на место текущего положения курсора. Вводимые операторы должны быть ранее скопированы в Windows Clipboard либо командой «Cut Operands», либо командой «Сору Operands», как описано выше. Copy Cell: Копирует данные только одной ячейки (таблицы) в Windows Clipboard. Paste Cell: Импортирует данные рдной ячейки из Windows Clipboard в текущую ячейку таблицы. Данные должны были быть ранее скопированы в Windows Clipboard с помощью команды Хору Cell", описанной выше. Edit Cell: Используется для редактирования данных в текущей ячейке Insert Configuration: Добавляет в таблицу редактора новую колонку, предназначенную для новой конфигурации. Delete Configuration: Стирает конфигурацию, на которой установлен курсор. Из таблицы редактора убирается вся колонка и все содержащиеся в ней данные! Solves Функции solve е бе Solve Type: Вызывает диалоговое окно, с помощью которого определяется тип функции solve для ячейки, на которой установлен курсор. , Variable Toggle: Установка и снятие статуса переменной величины с текущей ячейки. Tools Инструментарий Auto Thermal: Этот "инструмент" используется для облегчения в выполнении утомительной работы по подготовке к проведению теплового анализа в режиме Глава 5: МЕНЮ'EDITORS" 5-17 г
мультиконфигурации. Появляется диалоговое окно, которое позволяет установить число требуемых для анализа конфигураций, а также рассматри- рассматриваемый диапазон температур. Имеется также опция для удаления или сохранения существующих данных мультиконфигурации и для сортировки данных по номерам поверхностей, а не по типу операторов, как Это производится по умолчанию. Если установить опцию "Delete existing configuration data", то автоматически создается номинальная конфигурация (под номером 1), соответствующая текущим (номинальным) значениям температуры и давления. Затем определяются дополнительные конфигурации для покрытия заданной области температур. Если, например, задано три конфигурации, то будут созданы одна номинальная конфигурация и три дополнительных конфигурации, покрывающих заданный диапазон температур через равные температурные интервалы, так что всего будет создано четыре конфигурации. Давление воздуха для всех конфигураций принимается таким же, как для номинальной конфигурации. Если установить опцию "Use existing n configurations as nominal", то существу- существующие в MCE редакторе данные будут использованы для создании номинальной конфигурации. Программа автоматически добавит новые операторы для других данных, которые обычно требуются для термооптического моделирования, таких как кривизна стеклянных поверхностей, величины полудиаметров, числовые значения параметров и внешних данных из редактора "Extra Data Editor". В этом режиме полное число конфигураций будет определяться произведением количества номинальных конфигураций на количество новых конфигураций плюс оригинальная (исходная) номинальная конфигурация. Для всех радиусов, толщин, стекол, полудиаметров, параметров и внешних данных, подверженных температурному воздействию, будут введены соответствующие операторы с функциями ТСЕ pickup solves". Проверка результатов этой автоматической установки является хорошей инженерной практикой; необходимо удостовериться в том, что не был упущен ни один важный параметр. Внимательно проверяйте результаты автоматической установки данных для термооптического анализа! Make Single Confiq: Этот команда стирает все мультиконфигурационные данные, оставляя только одну единственную конфигурацию - ту, которая была активизирована в момент подачи этой команды. Add All Data: По этой команде в МСЕ редактор будут введены все данные, определенные в текущей схеме. Это освобождает от необходимости вводить в таблицу редактора многочисленные данные вручную. Для некоторых схем, однако, проще стереть нежелательные данные, чем вводить новые. Help Помощь Вызывает систему оперативной помощи. 5-18 Chapter 5: EDITORS MENU
Tolerance Data Редактор данных для расчета допусков Редактор Tolerance Data Editor используется для задания, изменения или просмотра ^ значений допусков на систему. Смотри главу «Tolerancing» для более детального ознакомления. С Edit [ Редактирование Insert Operand: Вводит новую строку в таблицу редактора TDE на место текущей строки. Эту же операцию можно быстрее выполнить с помощью клавиши ( «Insert». \ Insert After: Вводит новую строку в таблицу редактора на место после текущей строки. Эту же операцию можно быстрее выполнить с помощью комбинации клавиш «Ctrl-Insert». Delete Operand: Стирает строку, на которой установлен курсор. Эту же операцию можно быстрее выполнить с помощью клавиши клавиатуры «Delete». Cut Operands: Копирует все данные одной или нескольких строк из таблицы редактора в буфер Windows Clipboard, затем стирает эти строчки. Для выполнения этой операции одна или несколько строк (операторов) должны быть прежде выделены путем использования одной из следующих процедур: С помощью мышки: Кликните мышкой первый из выбранных Вами операторов для его высвечивания. Нажмите на левую клавишу мышки и передвигайте курсор до покрытия желаемой области операторов. Выбранные Вами операторы будут высвечены в обратном контрасте. Для выбора только одного оператора двигайте мышкой вверх и вниз около нужного Вам оператора до тех пор. пока только он один будет высвечен. С помощью клавиатуры: Установите курсор на любой ячейке выбранного Вами оператора (строки). Затем нажмите клавишу «Shift» и с помощью курсорных клавиш перемещайте курсор вверх и вниз до высвечивания нужной Вам области операторов. Выбранные Вами операторы будут высвечены в обратном контрасте. Для выбора только одного оператора переместите курсор вверх или вниз от него и вернитесь к нему назад. Copy Operands: Копирует все данные одного или нескольких операторов в Windows Clipboard. Для выбора одного или нескольких операторов для копирования используйте туже процедуру, как это описано выше в разделе «Cut Operands». Paste Operands: Копирует данные одного или нескольких операторов из Clipboard в таблицу редактора Tolerance Data Editor на место текущей установки курсора. Данные операторов должны быть прежде скопированы в Clipboard путем использования либо опции «Cut Operands», либо опции «Copy Operands» как это описано выше. Copy Cell: Копирует данные одной ячейки таблицы в Clipboard Paste Cell: Копирует данные из Clipboard в текущую ячейку. Эти данные должны Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5 -19
должны были быть прежде скопированы в Clipboard с помощью команды Хору Cell" Edit Cell: Используется для редактирования данных в текущей ячейке. Copy Spreadsheet Копирует либо высвеченную область операторов, либо всю таблицу (если нет высвеченной области) в Clipboard в виде текста в табличном формате. Tools Инструментарий Default Tolerances: Выводит на экран диалоговое окно, позволяющее установить необходимые допуски на положение и параметры элементов схемы. Смотри главу «Tolerancing» для более детального ознакомления. Loosen 2X: Увеличивает все области допусков в два раза. Это быстрый путь увеличения допусков, если все они были заданы слишком небольшими. Tighten 2X: Уменьшает все области допусков в два раза. Это быстрый путь для ужесточения допусков, если все они оказались слишком большими. Sort by Surface: Сортирует все операторы в возрастающем порядке по номерам поверхностей, начиная от первой поверхности, и печатает их. Операторы СОМР и CPAR всегда располагаются в начале списка. Оператор SAVE объединяется с предыдущим оператором списка. Оператор STAT, если он присутствует, располагается в начале списка, и он должен быть вручную перемещен или вставлен заново. Так как оператор STAT воздействует на все другие операторы, которые имеются в списке, сортировка списка будет повреждать оператор STAT. Всякий раз, когда оператор STAT используется в поле списка допусков (для изменения статистик "на лету1*), необходимо редактировать список после каждой его сортировки для установки оператора STAT в правильном месте. Заметьте, что может потребоваться много операторов STAT, если операторы, которые следовали в списке за оператором STAT, были рассредоточены по списку в результате операции сортировки. Sort by Type: Сортирует операторы в возрастающем порядке по их типу, а уж затем по номеру поверхности. Смотри опцию "Sort by Surface". Save: Записывает текущие данные допусков в файл с расширением *.TOL. Эта операция требуется только в том случае, если Вы хотите использовать эти данные в будущем для загрузки в какую-либо другую схему. Этого не требуется при работе с данной схемой, так как ZEMAX автоматически запишет данные допусков вместе с записью самой схемы. Load: Загружает данные допусков, ранее записанные в файлы типа *.TOL или *.ZMX; тип файла может быть выбран. Из файла типа \ZMX будут загружены только данные допусков. Help Помощь Вызывает систему оперативной помощи.. 5 -20 Chapter 5: EDITORS MENU
Extra data Редактор внешних (дополнительных) данных Этот редактор доступен только для редакции 2ЕМАХ-ЕЕ С Редактор Extra data editor (дополнительных данных) используется только для специфических форм оптических поверхностей, поддерживаемых пакетом ZEMAX- v ЕЕ. Редактор Extra data editor подобен редактору Lens Data Editor, но предназначен ( только для введения и визуализации внешних данных. Смотри главу «Surface Types» (Типы поверхностей) для более детального ознакомления. Поверхности в таблице ' редактора Extra data editor не могут быть введены или стерты. < Edit < Редактирование ] Copy Cell: Копирует данные текущей ячейки таблицы в Clipboard. Paste Cell: Импортирует данные из Clipboard в текущую ячейку таблицы. Данные должны были быть прежде скопированы в Clipboard с помощью команды "Сору Cell". Edit Cell: Используется для редактирования данных в текущей ячейке. Solves Функции solve Solve Type: Вызывает диалоговое окно, с помощью которого определяется тип функции solve для ячейки, на которой установлен курсор. Variable Toggle: Установка и снятие статуса переменной величины. ь Tools Инструментарий ч import: Используется для загрузки дополнительных данных (для поверхностей, требующих их введения) из заранее созданного ASCII файла. Эта опция вызывает з диалоговое окно, которое показывает список ASCII файлов, названия которых имеют расширение .DAT. Диалоговое окно позволяет также установить номер поверхности, для которой должны быть загружены новые данные. Вид числовой таблицы в ASCII файле должен быть точно таким же, какой имеет таблица редактора внешних данных. Формат ASCII файла - это одна колонка с числами в свободном формате; имя файла должно иметь расширение .DAT. ZEMAX будет искать эти файлы в директории, указанном в таблице Directories tab (File, Preferences, Directories). Help Помощь Вызывает систему оперативной помощи. Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5 -21
Non-Sequential Components Редактор "непоследовательных" компонентов Этот редактор доступен только для редакции ZEMAX-EE. Редактор "NSC Editor" используется только для редактирования поверхностей типа Non-Sequential Components", поддерживаемых ZEMAX-EE. Этот редактор очень похож на редактор LDE. Описание "непоследовательных" компонентов дано в rnaee'Non-Sequential Components". Редактор NSC может быть активизирован только тогда, когда в редактор LDE введена NSC-поверхность или когда установлен режим работы "Non-Sequential Design". Об изменении режима работы смотри в главе "File menu" раздел Program Mode". Menu options Меню опций Меню опций в редакторе NSC используется для введения и стирания объектов, выбора и установки типа объекта и его свойств, установки на параметры условий solve и статуса переменной величины. Edit Редактирование Object Properties: Открывает диалоговое окно, в котором можно выбрать и задать тип объекта и свойства его поверхностей и его объема. Смотри в главе "Non-Sequential Components" раздел "The object properties dialog". Next Group: Если в редакторе Lens Data Editor задано более одной поверхности NSC. то эта опция может быть использована для перехода от текущей NSC поверхности (и связанных с ней объектов) к следующей NSC поверхности (к следующей группе объектов). Edit Object: Эта опция используется для редактирования ASCII-файлов с внешними данными, в которых определены объекты типа Polygon Object (РОВ). После редактирования и записи файла подайте команду "Reload Object" для обновления данных в ZEMAX. Reload Object: Эта команда используется для перезагрузки файла с описанием объекта (см. описание предыдущей опции) и. воссоздания объекта в соответствии с новыми данными этого файла. Обычно эта опция используется после обновления файлов с данными о РОВ- или STL- объектах. Reload All Objects: Эта команда используется для перезагрузки и воссоздания всех объектов, перечисленных в списке редактора. См. описание предыдущей опции. Insert Object: Введение нового объекта в редакционную таблицу. По этой команде в текущую строку таблицы вводится объект типа "Null Object". Эта же команда может быть подана путем нажатия на клавиатурную клавишу "Insert". Insert After: Введение нового объекта в редакционную таблицу. По этой команде объект типа "Null Object" вводится в следующую (за текущей) строку редакционной таблицы. Эта же команда может быть подана путем нажатия на клавиатурные клавиши "Ctrl-Insert". 5 -22 Chapter 5: EDITORS MENU
Delete Object: Эта команда используется для удаления объекта из текущей строки редакционной таблицы. Эта же команда может быть подана с помощью нажатия на £ клавиатурную клавишу "Delete". Cut Objects: С помощью этой команды все данные для одного или нескольких ( выделенных объектов копируются в Windows Clipboard, а затем эти объекты удаляются из редакционной таблицы. Выделение группы объектов может быть { произведено следующим образом: ( С помощью мышки: Кликните мышкой на первый из выбранных Вами q объектов. Нажмите на левую клавишу мышки и передвигайте курсор до \ покрытия желаемой области объектов. Выбранные объекты будут ( высвечены в обратном цвете. Для выбора только одного объекта двигайте < мышкой вверх или вниз от строки с нужным объектом до тех пор, пока ' только два объекта будут высвечены, а затем верните мышку к строке с ' выбранным объектом. С помощью клавиатурных клавиш: Установите курсор на любой ячейке строки с выбранным объектом. Затем нажмите клавишу «Shift» и с ломощью курсорных клавиш перемещайте курсор вверх и вниз до высвечивания нужной Вам области объектов. Строки с выбранными объектами будут высвечены в обратном контрасте. Для выбора только одного объекта перемещайте курсор вверх или вниз от строки с нужным объектом до тех пор. пока только две строки будут высвечены, а затем верните курсор к строке и выбранным объектом. Copy Objects: По этой команде все данные для одного или нескольких выбранных объектов будут скопированы в Windows Clipboard. См. выше опцию "Cut Objects", где дано описание способов выбора одного или нескольких объектов. Paste Objects: Копирует в текущую строку редакционной таблицы из Windows Clipboard все данные для одного или нескольких объектов. Эти данные должны были быть ранее скопированы в Windows Clipboard с помощью команды "Cut Object" или "Copy Objects", описание которых было дано выше. Сору Cell: Копирует данные одной ячейки таблицы Windows Clipboard. Paste Cell: Копирует в текущую ячейку таблицы данные из Windows Clipboard. Эти данные должны были быть ранее скопированы в Windows Clipboard с помощью команды "Copy Cell", описание которой-было дано выше. Edit Cell: Переводит ячейку в редакционный режим. Copy Spreadsheet: Копирует либо высвеченную область объектов, либо всю таблицу (если область объектов не выделена) в Windows Clipboard в текстовом формате, подходящем для записи данных в какую-либо другую программу Windows, такую как Таблица или Word. Формат записи данных - табличный. Paste Objects: Копирует данные одного или нескольких объектов из Windows Clipboard в редактор NSC на место текущего положения курсора. Эти данные должны были быть прежде скопированы в Windows Clipboard командами 'Cut Objects* или "Copy Objects". Copy Cell: Копирует данные одной ячейки в Windows Clipboard. Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" '- 5-23
Paste Cell: Копирует данные одной ячейки из Windows Clipboard в текущую ячейку. Данные должны были быть прежде скопированы из таблицы в Windows Clipboard. Edit Cell: Редактирование данных ячейки. Solves Функции solve Статус переменной величины и условия Solve могут быть установлены на положения X, Y и Z, на наклоны относительно осей X. Y и Z и на все другие параметры объекта: X Position: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на положение объекта по оси X. Y Position: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на положение объекта по оси Y. Z Position: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на положение объекта по оси Z Tilt about X: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на наклон объекта относительно оси X. Tilt about Y: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на наклон объекта относительно оси Y. Tilt about Z; Установка условий 'fixed", Variable" или "pickup" на наклон объекта относительно оси Z. Parameter: Установка условий "fixed", "variable" или "pickup" на какой-либо параметр объекта. Variable Toggle: Установка или снятие статуса леременной величины с выделенной (текущей) ячейки. Для этой же операции можно использовать комбинацию клавиш 'Ctrl-Z" Errors Ошибки Show Error Messages: Если активизировать эту опцию, то на экран будет автоматически вызываться сообщение о допущенных ошибках типа 961 и 962. Эти ошибки могут происходить из-за некорректного расположения объектов в NSC-группе. Однако, у некоторых систем долустимо некорректное расположение объектов в группе; в таком случае эту опцию лучше отключить, чтобы сообщение об этих ошибках больше не вызывалось на экран. Detectors Детекторы Ray Trace/Detector Control: Эта команда используется для открытия диалогового окна, с помощью которого осуществляется контроль за очисткой (обнулением) детекторов и обновлением трасс лучей, исходящих от NSC-источников. Более детальная информация об этой опции дана в главе "Non-Sequential Components". 5 -24 Chapter 5: EDITORS MENU
Detector Viewer Эта команда открывает окно 'Detector Viewer", на котором представлены данные, записанные каким-либо определенным детектором. [ Help Помощь Вызывает систему оперативной помощи по использованию редактора NSC. Undo, Redo, and Recover Функции Undo, Redo и Recover < ZEMAX предоставляет три разных функции *отката" выполненных действий (Undo): , None. Memory 1 Step и Disk Mutti Step. Выбор какой-либо из этих функций производится в редакторе Environment Editors, который описан в главе «File Menu». Undo: None He производить "отката" назад Если для функции Undo установлена функция None, то операция отмены выполненных действий (откат к предыдущему состоянию) Undo, просто не поддерчивается. Эта опция может быть использована при работе на компьютере, имеющем недостаточное для поддержания Undo количество оперативной или дисчогсй памяти. Undo: Memory 1 Step Откат на один шаг (памяти) назад Если для функции Undo установлено состояние Memory 1 Step ZEMAX копирует в память компьютера течущую схему перед и после ка>адого ее редактирования или оптимизации По команде Undo текущая схема заменяется на предьщущую схему, которая, например, была до оптимизации (откат к предыдущему состоянию). По команде Reoc поенсхедит обратная замена схем. Состояние Memory I Step попезно для восстановления схемы после ее неудачного редактирования или для возврата к исходной схеме после ее оптимизации. Однако в этсй опции поддерживается топьчо один шаг запоминания Преимущество этой операции в ее сь-стрсдействии: запись предыдущей схемы в память компьютера происходит так бь'стро. что это практичесчи незаметно. Undo. Disk Multi Step Откат на много шагов tc записью на диск) назад Если для функции Undo чстановлено состояние DisV Multi Step, ZEMAX копирует на дисч чсмпьютера (в виде файлов ZMX) все текущие схех<ы посте какого их редачтиссБання или оптимизации. Записанные файлы с этими схемами затем могут быть использованы для последовательного возвращения к схемам, существовавшим до каччсго шага их редактирования или оптимизации Для ЕссстаьсБпен.'я схем престо дайте кемзндч Unoe из меню Editors Menu Любое число чомзнд Urdo мочет быть Еыполпечо вплоть до БС35ра^ем«'в к само первой Глава 5: МЕНЮ "EDITORS" 5-25
загруженной схеме Команда Redo восстанавливает схему, которая была на экране перед последней командой Undo. ZEMAX создает поддиректорий, в котором размещаются Undo-файлы; по умолчанию этот поддиректорий создается под названием \UNDO и размещается в главном директории ZEMAX. Undo-файлы автоматически стираются всякий раз, когда записывается (или открывается) основной файл со схемой или когда прекращается работа с ZEMAX. Если работа с ZEMAX прекращена необычным образом, например, из-за сбоя в работе оперативной системы компьютера, из-за отключения питания компьютера или по каким-либо другим причинам, и текущие данные схемы теряются, то ZEMAX способен восстановить утерянные данные посредством воспроизведения последнего Undo-файла. При запуске ZEMAX проверяет, есть ли в памяти компьютера какой-нибудь Undo-файл. Так как при нормальном прекращении работы с ZEMAX эти файлы стираются, то присутствие такого файла указывает на ненормальное прекращение работы с предыдущей программой. В таком случае ZEMAX выводит на экран сообщение об ошибке с предложением восстановить последний Undo-файл. Если Вы дадитв команду на восстановление этого файла, то ZEMAX немедленно запишет его под новым именем, так как старое имя не быпо записано вместе со схемой. Работа с функцией Undo немного ограничивает скорость работы с редакторами данных, так как каждая редакция данных будет сопровождаться записью Undo-файла. Эта запись не уменьшает скорость трассирования лучей или выполне-ния операции оптимизации, а сказывается только на скорости редактирования данных. Если с ZEMAX одновременно проводится более одного сеанса работы, то для каждого сеанса создаются свои собственные undo-файлы. Однако, для восстановления всех файлов неправильно прерванной работы программы необходимо вторично запустить все прерванные сеансы. Например, если одновременно проводилось два сеанса работы, и питание компьютера быпо внезапно выключено, то в первом новом сеансе работы можно восстановить только файлы старого первого сеанса. Для восстановления файлов второго старого сеанса необходимо снова запустить второй сеанс. 5 -26 Chapter 5. EDITORS MENU
SYSTEM MENU ( МЕНЮ "SYSTEM" [ Update Обновить Эта команда производит обновление данных только в редакторах Lens Data Editor и Extra Data Editor. Обновление редакторов используется для пересчета свойств первого порядка, положения зрачков, величин полудиаметров, показателей преломления и функций solve. Затрагиваются только данные, представленные в редакторах Lens Data Editor и Extra Data Editor. Смотри раздел "Update АН". Update All Обновить все Эта команда обновляет все окна для приведения их в соответствие с последними внесенными в данные изменениями. ZEMAX не обновляет автоматически графические и текстовые окна сразу после внесения изменений в данные. Это сделано потому, что программа работала бы слишком медпенно, если бы 2ЕМАХ после каждого изменения производил пересчет МПФ. многочисленных диаграмм и других данных. Вместо этого, сделав необходимые изменения в данных, дайте команду Update All для обновления всех окон. Каждое графическое или текстовое окно может быть в отдельности также обновлено, если дважды кликнуть мышкой где-либо в пределах окна. General Главные параметры Эта команда вызывает диалоговое окно "General System Data", с помощью которого определяются характеристики и параметры, являющиеся общими для оптической системы как целого, а не параметры отдельных поверхностей. Главные параметры разделены на следующие группы. Aperture Апертура В эту группу включены следующие установки. Aperture Type Тип апертуры Апертура системы определяет размер пучка, идущего через систему вдоль оси! Для установки апертуры системы Вы должны определить тип апертуры и ее величину Используйте курсорные клавиши для выбора нужного типа апертуры системы из выпадающего списка. Типы апертуры могут быть следующие Глава 6: МЕНЮ "SYSTEM" 6 -1
Entrance Pupil Diameter. Диаметр входного зрачка в линейных единицах как он видится из пространства объектов. Image Space F/#. Сопряженное с бесконечностью параксиальное F/# в пространстве изображений Obieci Space Numerical Aperture: Числовая апертура (п sinOn) крайнего луча в пространстве объектов Float by Stop Size' Определяется величиной полудиаметра поверхности, на которую помещена апертурная диафрагма системы. Paraxial Working F/#; Параксиальное F/# в пространстве изображений при работе с конечного расстояния. Object Cone Angle: Половина угла (в градусах) крайнего луча в пространстве объектов; может превышать 90 градусов! Эти термины были ранее определены в главе "Conventions and Definitions. Если Вы выберите тип "Object Space N.A." или тип "Object cone angle", то "толщина" объекта должна быть конечной величиной. Для данной схемы можно определить только один тип апертуры системы; например, если выбран тип "Entrance Pupil Diameter", то все другие типы апертур определяются самой схемой Aperture Value Размерность и величина апертуры системы Размерность величины апертуры зависит от типа апертуры. Например, дпя апертуры "Entrance Pupi! Diameter" ее величина выражается в установленных линейных единицах. 2ЕМАХ совместно использует установленный тип апертуры системы и ее величину, определенную в соответствующих единицах, для вычисления таких фундаментальных величин, как размер входного зрачка и величина чистой апертуры для всех компонентов системы. Исключение из этого правила составляет только апертура типа "Float by Stop Size": Если выбран этот тип апертуры, то величина апертуры системы определяется величиной полудиаметра диафрагмы, установленной на апертурной поверхности в редакторе Lens Data Editor. Apodization Type Тип аподизаиии По умолчанию входной зрачок всегда освещен однородно. Однако иногда требуется, чтобы зрачок освещался неоднородно. Для этой цели ZEMAX позволяет произвести аподизацию зрачка, так чтобы амплитуда излучения варьировалась по его поверхности. Доступны три типа аподизации: однородное, гауссово и тангенциальное. Термин "однородное*1 означает, что трассируемые лучи распределяются равномерно (однородно) по поверхности входного зрачка, моделируя тем самым его однородное освещение. При гауссовой аподизации амплитуда излучения изменяется по поверхности зрачка в соответствии с распределением Гаусса. Величина коэффициента аподизации определяет темп уменьшения амплитуды излучения с изменением радиальной координаты зрачка. Амплитуда пучка лучей в центре зрачка принимается равной единице. Амплитуда в других точках входного зрачка нормируется к единице и определяется выражением; в -2 Chapter 6: SYSTEM MENU
= е-0"' ; С = где G - коэффициент аподизации и р - нормированная радиальная координата зрачка. Если коэффициент алодизации равен нулю, то зрачок будет освещен равномерно. Если коэффициент аподизации равен 1.0 , то амплитуда пучка падает в е раз на краю входного зрачка (что означает падение интенсивности в е2 раз, то есть на краю зрачка ее величина составляет около 13% от пикового значения). Коэффициент аподизации может быть любым числом, равным или большим 0.0. Значения больше 4.0 не рекомендуются. Это связано с тем, что для вычислений будет использоваться слишком мало" лучей для получения значимых результатов, если амплитуда будет уменьшаться слишком быстро с удалением от оси. Аподизация типа "Tangential" (тангенциальная) подходит для моделирования осве- щенности плоской поверхности (такой как входной зрачок, который почти всегда бывает плоским) точечным источником. Для точечного источника интенсивность лучей, освещающих различные области плоскости, удаленной от источника на расстояние 2, определяется выражением: /(/■)= 3/2 где г - расстояние от вершины плоскости, а интенсивность нормирована к единице на оси. Подставляя вместо г нормированные координаты зрачка и извлекая из выражения корень квадратный, получаем выражение для амплитудной аподизации: А(р) = (l+p2tan20K/4 ' где tanO - тангенс угла между линией, соединяющей точечный источник с верхней точкой входного зрачка, и осью 2. 2ЕМАХ использует положение и размер входного зрачка дня автоматического вычисления величины tanO при вычислении аподизации; коэффициент аподизации игнорируется. 2ЕМАХ также поддерживает аподизацию, определямую пользователем для любой поверхности, а не только для входного зрачка. Задание аподизации поверхностей осуществляется с помощью поверхностей типа "User defined surface", описание которых дано в главе "Surface Types". Apodization Factor Коэффициент аподизаиии Величина коэффициента аподизации определяет быстроту затухания амплитуды излучения с ростом радиальной координаты зрачка. Смотри предыдущий раздел "Apodization Type". Глава 6: МЕНЮ "SYSTEM" 6 -3
Units Единицы измерения Lens Units Линейные единицы измерения Линейные единицы измерения используются в большинстве редакционных таблиц ZEMAX. Эти единицы устанавливают размерность таких величин как радиусы кривизны, толщины, диаметр входного зрачка, координаты (места расположения в трехмерном пространстве) непоследовательных компонентов и многих других параметров схемы. Имеется возможность выбора следующих линейных единиц измерения: миллиметры, сантиметры, дюймы и метры. В большинстве программ анализа характеристик схемы и при построении различных диаграмм на экран выводятся данные, выраженные в микронах. Длины волн также всегда выражаются в микронах, независимо от того, какие единицы измерения установлены пользователем для данной схемы. Source Flux Units Энергетичесие единицы измерения Энергетические единицы измерения используются для установки размерности заданных величин мощности источников излучения. Эти установки действуют только для источников, определенных в редакторе NSC-комлонентов. Мощность источника можно задать либо в Ваттах, либо в люменах с дополнением приставок микро (micro), милли (milli), кило (kilo) или мега (mega). Ватты используются при радиометрическом анализе, а люмены - при фотометрическом анализе. Дополнительная информация об энергетических единицах измерения дана в следующем разделе. Irradiance/llluminance Units Единицы измерения потока излучения и освещенности Единицы измерения потока излучения и освещенности используются при радиометрическом и фотометрическом анализе схемы. Эти установки действуют только для детекторов, принимающих излучение от источников, определенных в NSC-редакторе. Единицы потока могут быть выражены в Вт/м2, Вт/см2 , Вт/мм2, Вт/фут2 или Вт/дюйм2. Единицы освещенности могут быть выражены в фут-кандела, люксах или фотах. Если мощность источника выражена (установлена) в Ваттах (смотри предыдущий раздел), то поток будет измеряться в радиометрических единицах - Вт/площадь. Если мощность источника выражена (установлена) в люменах, то освещенность будет измеряться в фотометрических единицах - фут- кандела, люкс или фот. Ключевым отличием радиометрических и фотометрических единиц яваляется то» что фотометрические единицы соответствуют взвешенной по длинам волн чувствительности человеческого глаза. В следующей ниже таблице приведены используемые в ZEMAX радиометрические и фотометрические единицы измерения. 6 -4 Chapter 6: SYSTEM MENU
RADIOMETRIC AND PHOTOMETRIC UNITS Радиометрические единицы Flux - Мошность Ватт Интенсивность излучения Ватт/стерадиан Поток излучения Вт/м'. Вт/см*, Вт/мм^. Вт/фут2 или Вт/дюйм2. Плотность потока Вт/стерадиан/м2 Фотометрические единицы Мощность Люмен Интенсивность Люмен./стерадиан = Кандепа (Свеча) Освещенность Люмен/м2 = люкс = метр-кандела ^юмен/см2 = и>от Люмен/фут2 = сЬут-кандела Яркость Люмен/стеоадиан/м2 Неудачно, в оптической промышленности (и в ZEMAX) один и тот же термин - 'Интенсивность" - используется для определения двух совершенно разных понятий. Этот термин используется в программах трассировки лучей для определения потока, переносимого одним единственным лучом и измеряемого в Ваттах или в люменах. Этот термин используется также в радиометрии и в фотометрии для определения пространственной ллотности потока, измеряемой в Ваттах/стерадиан или в люменах/стерадиан. ZEMAX учитывает энергию, ассоциируемую с величиной потока для каждого луча, которая равна квадрату вектора электрического поля, также ассоциируемого с лучом. Когда этот луч попадает на детектор. ZEMAX вычисляет площадь пиксела детектора для вычисления величины потока (мощность/площадь) и величину телесного угла для вычисления радиометрической интенсивности (мощность/телесный угол). Различие этих двух лонятий. определяемых одним и тем же словом "интенсивность", всегда может быть выяснено путем рассмотрения природы выполняемого с помощью ZEMAX анализа. Более детальную информацию о радиометрических и фотометрических единицах можно найти в книге "Handbook of Optics", ссылка на которую дана в первой главе в разделе "What doesn't ZEMAX do?". Title/Notes Наименование схемы/Заметки Lens Title Наименование схемы Наименование схемы будет появляться на всех выходных графиках и текстах Наиме- Наименование схемы нужно просто напечатать в требуемом месте. Дополнительная текстовая информация может быть введена в большинство графических окон; смотри раздел "Preferences" в главе "File Menu". Notes Заметки Это поле позволяет ввести несколько строк текста, который будет записан в файл текущей схемы Глава 6: МЕНЮ "SYSTEM' 6-5
Glass Catalogs Каталоги стекол --га редакционная строка и группа электронных флажков используется для указания ■/•иен файлов (без расширения), в которых записаны используемые в данное время каталоги стекол По умолчанию установлен флажок каталога Schott", что означает, чго в cxev.c могут быть использованы стекла из этого каталога. Если требуются другие каталоги, то установите соответствующие этим каталогам другие флажки. Если требуются каталоги, для которых не предусмотрены флажки, то просто напечатайте в редакционной строке имена файлов (без расширения), в которых они записаны. В этой строке можно записать (через пробел) большое число различных каталогов Смотри главу Using Glass Catalogs". Ray Aiming Алгоритм "нацеливания" луча Эта группа параметров, используется для следующих установок. Ray Aiming Type Тип алгоритма "нацеливания" луча Меню выбора режима "нацеливания" лучей (Ray Aiming) имеет три установки: "No Ray Aiming", "Aim to unaberrated (paraxial) stop height" и "Aim to aberrated (real) stop height". Если выбрана установка "No Ray Aiming", ZEMAX будет использовать параксиальные величины размера и положения входного зрачка, определенные при установке величины алертуры и вычисленные на оси по запущенным от поверхности объекта лучам для главной длины волны; это означает, что ZEMAX будет игнорировать аберрации входного Зрачка! Для слабых систем с умеренными угловыми полями это вполне приемлемо; однако некоторые системы, такие как системы с небольшими F/# или системы с большими угловыми полями зрения, могут иметь значительные аберрации входного зрачка. Аберрации зрачка производят два главных эффекта: изменение положения зрачка для разных углов поля и изменение формы зрачка. ZEMAX может учитывать аберрации входного зрачка, если выбрать одну из установок "Ray Aiming". При использовании режима "Ray Aiming" каждый луч трассируется итеративным методом с помощью программы, которая "нацеливает" луч так, чтобы он пересекал поверхность апертурной диафрагмы в правильном месте. "Правильные" координаты точки пересечения луча с ловерхностью апертурной диафрагмы вычисляются путем линейного масштабирования координат зрачка. Например, краевой луч имеет координату Ру = 1.0. "Правильная" координата на поверхности диафрагмы рассчитывается путем умножения радиуса диафрагмы на Ру. Величина радиуса апертурной диафрагмы может быть вычислена по трекам либо реальных, либо параксиальных лучей. Если выбрана установка "Aim to aberrated (real) stop height", то крайний луч для главной длины волны трассируется через систему от центральной точки объекта к поверхности апертурной диафрагмы. Высота этого луча на поверхности апертурной диафрагмы приравнивается величине ее радиуса. Если же выбрана установка "Aim to unaberrated (paraxial) slop height", то вместо этого луча трассируется параксиальный луч. Когда используется (реальная) высота апертурной диафрагмы, все реальные лучи нацеливаются к их "правильным" 6 -6 ' Chapter 6: SYSTEM MENU
положениям на поверхности апертурной диафрагмы, определяемым ее реальным радиусом, в то время как параксальные лучи всегда относятся к ее параксиальному радиусу. При использовании "Ray Aiming* апертурная диафрагма, а не входной зрачок ( является однородно освещенной поверхностью! Это может приводить к неожиданным результатам. Например, когда в качестве величины, определяющей апертуру системы, используется "Object Space NA", ZEMAX трассирует лучи с | правильной величиной NA к положению и размеру параксиального входного зрачка. < Если затем производится установка типа "Aim to unaberrated (paraxial) stop height", то < трек реального луча будет отнесен к параксиальному размеру диафрагмы. Это может \ привести к получению другой величины числовой апертуры, чем была установлена ( для системы. Это происходит из-за того, что угол луча был определен (нацелен) с учетом какой-либо аберрации зрачка. В таком случае для устранения этого i несоответствия следует использовать установку "Aim to aberrated (real) stop height". * В общем, если требуется "нацеливание луча", то предпочтительной установкой является "Aim to unaberrated (paraxial) stop4. Хотя "Ray Aiming" является более точной процедурой, чем "entrance paraxial pupil aiming", большая часть треков лучей при этом будут вычисляться от двух до восьми раз дольше. Поэтому установка "Ray Aiming" должна использоваться только в тех случаях, когда это действительно требуется. Для определения величины аберраций входного зрачка в Вашей системе снимите установку "Ray Aiming" и просмотрите график аберраций зрачка (см. главу "Analysis Menu", в которой обсуждается эта подпрограмма). Величина аберраций зрачка в пределах нескольких процентов в основном является незначительной. .Если же Ваша система имеет значительные аберрации зрачка, то произведите установку "Ray Aiming" и повторите вычисление аберраций. Аберрации уменьшатся до нуля или до очень близко к тому. Use Ray Aiming Cache Использование буферной памяти для Ray Aiming Если установить этот флажок, то ZEMAX поместит в буферную память (кэш) координаты луча, вычисленные алгоритмом "Ray Aiming", которые будут использованы при трассировке нового луча. Использование кэш позволяет в огромное число раз увеличить скорость трассировки лучей при работе с алгоритмом "Ray Aiming". Однако для использования кэша требуется, чтобы через систему мог быть трассирован главный луч. Для некоторых систем трассировка главного луча невозможна и кэш должен быть отключен. Robust Ray Aiming (slow) Надежный "Ray Aiming" (медленный алгоритм) Если выбрать эту опцию, то ZEMAX будет использовать более надежный, но более медленный, алгоритм "Ray Aiming". Эта опция должна использоваться только в том случае, если алгоритм "Ray Aiming" является недостаточным даже с включенным кэш Алгоритм JRobust Ray Aiming" не работает без кэш Этот алгоритм обеспечивает дополнительный контроль за ходом лучей для уверенности в том. что при наличии многих оптических путей к одному положению апертурной диафрагмы, выбран только е правильный из них. Это типичная проблема для светосильных широкоугольных 1 систем, в которые внеосевые лучи могут найти виртуальные пути к диафрагме, что сбивает алгоритм Ray Aiming*. Глава 6: МЕНЮ SYSTEM" 6 -7
Pupil Shift: X. Y. and 2 Смещение зрачка по осям X, Y и Z Для большинства систем простое использование апгоритма ray aiming будет /странять эффекты воздействия аберрации входного зрачка по меньшей мере - для обеспечения правильной трассировки лучей через систему. Это не приводит, конечно, к фактическому устранению аберраций, а только к их учету. Для некоторых широкоугольных или сильно наклоненных и децентрированных систем алгоритм "Ray Aiming' не сможет работать без помощи разработчика. Проблема заключается в том, что при трассировке лучей в качестве первого приближения используется параксиальный входной зрачок. Если аберрации зрачка очень большие, то существует возможность, что даже это первое приближение не может быть использовано для трассировки лучей, а необходимо предоставить алгоритму второе, более точное приближение. Решение этой проблемы может быть достигнуто приближенной установкой величины смещения реапьного зрачка относительно его параксиального положения. Эта операция называется "Pupil shift" (Смещение зрачка) и состоит из трех составляющих: х. у и z. Все эти три величины (по умолчанию равные нулю) должны быть испопьзованы для оказания помощи алгоритму в нахождении более подходящего первого приближения для операции ray aiming. Попожительная величина смещения Z указывает на то, что реальный зрачок находится за (то есть правее в принятой оптической координатной системе) параксиальным зрачком, а отрицательная величина этого смещения указывает на смещение аберрированного зрачка вперед. Большинство широкоугольных систем имеют зрачки.смещенные вперед. Величина смещения зрачка по оси Z линейно масштабируется по углу поля трассируемых лучей, так что эта величина должна относиться к смещению зрачка для максимального поля. Величины смещения зрачка по осям X и Y используются для изменения положения зрачка в случаях, когда плоскость объекта сильно наклонена или когда апертурная диафрагма сипьно децентрирована. Если выбрана опция "Scale pupil shift factors by fields", то величины смещения X и Y также будут масштабироваться по полю; в противном спучае будет использоваться одна и та же величина смещения для всех полей. Все смещения выражаются в установленных линейных единицах. Важно понимать, что точные значения величин смещения не так важны. Если обеспечена возможность трассировки лучей в первом приближении, то этого достаточно, чтобы алгоритм ray aiming надежно определил точное положение зрачка. Величины смещения зрачка необходимы только для обеспечения стартовых условий для алгоритма ray aiming. В общем, путем подбора величин смещений зрачка можно определить подходящие значения. Environment Окружающая среда Use Temperature, Pressure Использовать/нет данные о температуре и давлении Если установить этот флаг, то при вычислениях будут учитываться отклонения температуры и давления от их номинальных значений: 20С и 1атм. Если этот флаг снять, то все эффекты, обусловленные изменениями температуры и давления, будут 6 -8 Chapter 6: SYSTEM MENU
игнорироваться. При этом возрастает скорость вычисления показателей преломления , стекол; поэтому при анализе схемы для номинальных значений температуры и с давления этот флаг лучше снять. В Обратите внимание на то, что заданные дпя схемы длины волн относятся к текущим ^ значениям температуры и давления. Длины волн всегда измеряются в микронах и относятся к воздушной среде ("air") при текущих значениях температуры и давления (окружающей среды). Если Вы изменили температуру и/или давление, проявите внимание к тому, чтобы , заданные Вами длины волн соответствовали новым окружающим условиям. Смотри в ( главе 3 раздел "Wavelength data", а также главу "Thermal Analysis" дпя получения более детальных сведений по этому вопросу. Термооптический анализ доступен только для редакции ZEMAX-EE Temperature in degrees С г Температура в градусах Цельсия Окружающая температура выражается в градусах Цельсия. Pressure in ATM Давление в Атм Давление воздуха выражается в атмосферах. Величина 0.0 соответствует вакууму. 1.0-давлению на уровне моря Polarization а Поляризация Это установочное окно служит дпя задания исходного состояния поляризации луча, которое в дальнейшем будет использоваться для анализа схемы с учетом г поляризационных эффектов. В частности, заданное в этом окне начальное состояние поляризации лучей будет использоваться (при внутренних установках опции "Use Polarization") для учета поляризационных эффектов и аподизации в таких программах, как расчет диаграммы пятна рассеяния (Spot diagrams) или расчет зависимости среднеквадратической величины радиуса пятна рассеяния от поля (RMS " vs. Field). В этих программах трассировка поляризованного луча используется только для определения интенсивности пропущенного луча с учетом эффектов Френеля, тонкопленочных покрытий и поглощения в массе стекла. Векторная природа электрического поля игнорируется, но скалярная теория еще принимается во внимание. Учитывается просто ослабление интенсивности лучей и выполняются взвешенные вычисления. ТРАССИРОВКА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЛУЧЕЙ ДОСТУПНА ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ ZEMAX- ЕЕ ф Глава 6: МЕНЮ SYSTEM" 6-9 N
Unpolarized Установка "Unpolarized" Если эта опция активизирована, то установленные исходные значения Ех, Еу. X-Phase и Y-Phase игнорируются; производится трассировка двух лучей с ортогональной поляризацией и для них вычисляется средняя величина пропускания. Заметьте, что "unpolarized" вычисления занимают больше времени, чем "polarized" вычисления, которые в свою очередь занимают больше времени, чем вычисления с игнорированием поляризации вообще. Ея. Еу, X-Phase, Y-Phase Задание значений Е^ Еу. X-Phase, Y-Phase Поляризация определяется четырьмя числами: Ех и Еу, которые являются величинами электрического поля ло осям X и Y, и X-Phase и Y-Phase. которые являются фазовыми углами, выраженными в градусах. ZEMAX нормирует векторы электрического поля к единице. Files Файлы Coating File Файл с данными о покрытии Ввод имени файла с данными о материалах и слоях покрытия, который должен использоваться с данной схемой (файл размещается в директории \ZEMAX\COATINGS). По умолчанию файлу присваивается имя "COATING.DAT". Для каждой схемы может быть использован свой собственный файл с данными о покрытии, если это желательно. Scatter Profile Профиль диаграммы рассеивания Ввод имени файла с данными о профиле диаграммы рассеивания лучей на оптических поверхностях, который должен использоваться с данной схемой (файл размещается в директории \ZEMAX\PROFILES). Можно добавить новые или стереть старые файлы с помощью таблицы "Scattering tab", доступ к которой осуществляется через диалоговое окно "NSC Objects property11. Смотри в главе "Non-Sequential Components" раздел "The objects properties dialog box", подраздел "Surface Scattering tab". По умолчанию файлу присваивается имя "SCATTER_PROFILE.DAT. Для каждой схемы может быть использован свой собственный файл, если это желательно. ABg Data File Файл с данными для ABq-модели рассеивания Ввод имени файла с данными о параметрах модели рассеивания типа ABg, который должен использоваться с данной схемой (файл размещается в директории \ZEMAX\ABG_DATA.DAT). По умолчанию файлу присваивается имя ABG_DATA.DAT1. Для каждой схемы может быть использован свой собственный файл, если это желательно. 6-10 Chapter 6: SYSTEM MENU
Miscellaneous Другие установки < Reference OPD < Опорная поверхность для вычисления OPD Разность хода лучей (Optical Path Difference, или OPD) - величина, которая $ представляет фазовые ошибки волнового фронта, формирующего изображение. \ Любые отклонения OPD от нуля приводят к деградации изображения, образованного < оптической системой. < j Так как выходной зрачок является изображением апертурной диафрагмы системы в пространстве изображений, он определяет область в пространстве изображений, в которой пучок лучей имеет четко определенные границы. Освещенность в области , ' выходного зрачка в основном плавно меняется по амплитуде и фазе, и существуют четко определенная граница между областями с нулевой и ненулевой амплитудой. Говоря другими словами, разумно предположить, что волновой фронт, идущий от выходного зрачка, не испытывает больше дифракционных эффектов. Это асимптотически правильно, если все апертуры в системе имеют большие размеры. чем размеры падающего на каждую из них пучка, ограниченного диафрагмой системы. Даже если выходной зрачок является действительным, что бывает довольно часто, он еще определяет область в пространстве изображений, в которой пучок свободен от дифракционных эффектов. Большую информацию об образовании дифракционного изображения и важности выходного зрачка можно найти в книгах, ссылки на которые даны в первой главе. По мере того, как волновой фронт распространяется от выходного зрачка к плоскости ш изображения профиль пучка усложняется по амплитуде и фазе и волновой фронт расширяется из-за эффектов дифракции. С этой точки зрения ошибка фазы. измеренная в плоскости выходного зрачка, однозначно и критически важна для описания волнового фронта и качества изображения. По умолчанию ZEMAX использует выходной зрачок в качестве опорной плоскости для - вычисления OPD. Поэтому, когда производится вычисление OPD для данного луча, луч трассируется через оптическую систему вплоть до плоскости изображения, а затем трассируется назад - к "опорной сфере4, которая лежит в выходном зрачке. Оптическая разность хода, измеренная 'назад" до этой поверхности, представляет собой физически значимую фазовую ошибку, величина которой важна для е" дифракционных вычислений, таких как МПФ. ФРТ и функции распределения энергии е Дополнительная длина оптического пути, возникающая в результате трассирования *■ луча назад к выходному зрачку, вычитается из радиуса опорной сферы, что дает небольшую корректировку OPD. называемую коррекционным членом ("correction term"). Эти вычисления являются корректными и представляют собой хороший метод для всех практически важных случаев. Однако ZEMAX позволяет использовать для вычисления OPD две другие опорные , поверхности Использование в качестве опорной бесконечно удаленной поверхности ("Infinity*) является приближением к случаю, когда выходной зрачок удален очень далеко (если даже этого не может быть), и когда величина коо^е^ци^чного члена строго задается угповой ошибкой пуча Существует только один возмо - ый смысл для и пользования этой установки в маловероятной случае когда ZEMAX не » >-*»т правильно Глава 6: МЕНЮ 'SYSTEM' 6 -11
вычислить положение выходного зрачка. Это может произойти с какой-нибудь необычной оптической системой которая не образует изображения апертурной диафрагмы (действительного или мнимого). ZEMAX снабжен специальным кодом для определения всех известных случаев, когда это может произойти, и поэтому эта установка не должна использоваться без специальных рекомендаций группы технической поддержки фирмы Focus Software. В настоящее время не известны случаи, для которых можно было бы рекомендовать эту установку. Установка опорной поверхности типа "Absolute" означает, что ZEMAX не будет учитывать коррекционный член при вычислениях OPD. а просто подсчитает полную длину оптического пути луча и вычтет ее из длины оптического пути главного луча. Этот метод не может быть физически значимым и может использоваться только с целью отладки или тестирования алгоритма вычисления OPD, разработанного Focus Software. Итак, всегда используйте установку "exit pupil", а другие установки используйте только после получения соответствующих инструкций от Focus Software Engineer. В противном случае Вы можете просто получить ошибочные данные. Paraxial Rays Параксиальные лучи Обычно свойства параксиальных лучей могут быть определены для систем, не обладающих вращательной симметрией. Поэтому ZEMAX при трассировке паракси- параксиальных лучей игнорирует все наклоны и децентрировки в системе, заданные поверхностями типа coordinate break. Игнорируя наклоны и децентрировки, ZEMAX может вычислить параксиальные свойства эквивалентной центрированной системы, которая обычно соответствует даже системам, не обладающим вращательной симметрией. Поэтому очень рекомендуется установка "Ignore Coordinate Breaks", которая задана по умолчанию. При выборе других установок ZEMAX может дать ошибочные результаты при вычислении параксиальных данных, Ray Aiming и OPD. Известен только один случай, когда может потребоваться установка "Consider Coordinate Breaks". При трассировании лучей через сильно наклоненную дифракционную решетку учет наклонов и децентрировок может потребоваться даже для параксиальных лучей, в противном случае траектории лучей могут не удовлетворять уравнению решетки; это обусловлено тем, что угол отклонения лучей дифракционной решеткой существенно зависит от угла падения лучей. Fast Asphere Trace Быстрая трассировка лучей через асферические поверхности При трассировке лучей через некоторые типы асферических поверхностей требуется итеративный процесс, - если не существует замкнутой формы решения для уравне- уравнений пересечения лучей с поверхностью. Если эта опция установлена (она устанавливается по умолчанию), то ZEMAX производит первое приближение для решения уравнения пересечения лучей с поверхностью, пытаясь ускорить сходимость итерационного процесса. Однако итерационный процесс может не сходиться, если этот режим 'быстрого приближения" будет применен к некоторым типам очень сильно искривленных асферических поверхностей- Для систем, в которых используются такие поверхности, может потребоваться отключение опции 6-12 Chapter 6: SYSTEM MENU
h "Fast Asphere Trace"; в таком случае ZEMAX будет использовать более медленный, но более надежный алгоритм для нахождения решения. Независимо от того, [ используете ли Вы эту опцию или нет. ZEMAX либо найдет точное решение Е уравнения пересечения лучей с поверхностью, либо даст сообщение об ошибке. ', Fast Semi-Diameters Быстрое вычисление полудиаметров с ZEMAX "автоматически" вычисляет для всех поверхностей величины полудиаметров таким образом, чтобы через поверхности могли пройти все лучи от всех \ установленных полей и для всех определенных длин волн. Для точки на оси эти < вычисления могут быть выполнены точно путем трассировки двух краевых (верхнего < и нижнего) лучей для каждого поля и для каждой длины волны. i Для внеосевых систем нет другого пути для точного вычисления полудиаметров, как ' трассировка большого числа лучей по периметру виньетирующего зрачка. Это дает точный результат, но может замедлить вычисления, так как ZEMAX должен будет часто пересчитывать величины полудиаметров, особенно во время оптимизации. Существует компромисс между скоростью вычислений и точностью. Для внеосевых систем по умолчанию ZEMAX будет трассировать в истинной меридиональной плоскости виньетирующего зрачка только по два луча для каждого поля и каждой длины волны и использовать полученные координаты каждого луча на каждой поверхности для оценки требуемых величин полудиаметров. Для некоторых систем полученные таким образом оценки оказываются недостаточно точными. Если для опции "Fast Semi-Diameters" произвести установку "off', то для внеосевых систем ZEMAX будет итеративно трассировать столько лучей, сколько это необходимо для определения величин лолудиаметров с точностью не хуже 0.01% E значимых цифр). Скорость оптимизации при этом будет сильно замедлена, но для систем с очень сложной оценочной функцией это может быть и не так существенно. Check GRIN Apertures Контроль GRIN-апертур Эта установка инструктирует ZEMAX о том. что необходимо производить контроль за J прохождением лучей через поверхности с градиентом показателя преломления (GRJN-поверхности). Каждый трек луча в пределах среды с градиентом показателя преломления будет контролироваться: не прошел ли луч вне границ, определенных * фронтальной поверхностью, и если это так. то он будет виньетирован. Если эту установку снять, то луч может пройти вне границ, определенных фронтальной поверхностью, если на ней не установлена апертурная диафрагма. Semi Diameter Margin (lens units) Запа^размера полудиаметра (в линейных единицах) , Обычно полудиаметры поверхностей вычисляются 2ЕМАХ автоматически таким 1 образом, чтобы через поверхности проходили все лучи без задержки Для систем с близко расположенными друг к другу элементами или когда края соседних элементов находятся в близком контакте, такие вычисления дают значения чистых апертур и не оставляют запаса на полировку и монтировку линз Часто оптическая полировка осуществляется качественно только в пределах части от полной радиальной * I апертуры, обычно составляющей от 90% до 98% - в зависимости от размера ■> Глава 6: МЕНЮ SYSTEM 6 -13
Опция Semi Diameter Margin in lens units" позволяет увеличить расчетную величину полудиаметра на установленную величину. По умолчанию устанавливается значение 0. при котором никакого запаса не остается; в то же время, если установить число 2.0, то есе величины полудиаметров будут автоматически увеличены на 2.0 линейные единицы (только для тех поверхностей, для которых величины полудиаметров вычисляются автоматически - режим 'automatic"). Смотри описание следующей опции - Semi Diameter Margin in %". Если обе эти опции имеют ненулевые значения, то сначала величина полудиаметра увеличивается на заданный процент, а затем учитывается добавка в линейных единицах. Semi Diameter Margin in % Запас размера полудиаметра в процентах Обычно полудиаметры поверхностей вычисляются ZEMAX автоматически таким образом, чтобы через поверхности проходили все лучи без задержки. Для систем с близко расположенными друг к другу элементами или когда края соседних элементов находятся в близком контакте, такие вычисления дают значения чистых апертур и не оставляют запаса на полировку и монтировку линз. Часто оптическая полировка осуществляется качественно только в пределах части От полной радиальной апертуры, обычно составляющей от 90% до 98% - в зависимости от размера. Опция "Semi Diameter Margin in %" позволяет увеличить расчетную величину полудиаметра на установленную величину. По умолчанию устанавливается значение 0, при котором никакого запаса не остается; в то же время, если установить запас 5%, то все величины полудиаметров будут автоматически увеличены на 5%. Этот контроль сильно упрощает проектирование систем с близко расположенными элементами с крутыми поверхностями и краевыми контактами. Допускается максимальный запас в 50%. Global Coordinate Reference Surface Опорная поверхность для глобальной системы координат Глобальные координаты определяются путем поворота и смещения локальных координат на каждой поверхности. Преобразование координат может быть записано следующим образом: , V Л + /?2| /?22 /?„ Л| Л« лзз. *| >*| V где подстрочный индекс ид" используется для обозначения глобальных координат, индекс " - для обозначения сдвига координатных систем и индекс и|" - для обозначения локальных координат. Матрица поворота R и вектор сдвига могут быть вычислены для любой поверхности, используя любую другую поверхность в качестве опорной для глобальной системы координат. Матрица поворота позволяет понять ориентацию координатной системы поверхности по отношению к глобальной опорной поверхности. На локальной поверхности единичный вектор, ориентированный вдоль оси х, есть просто A, 0, 0). Этот вектор 6-14 Chapter 6: SYSTEM MENU
можно повернуть, используя матрицу R, для ориентации оси х в глобальной системе координат. Умножение матрицы на каждый из трех единичных векторов дает: ■*„" «2. Л, , 2,= "Л,,' Заметьте, что единичные вектора, ориентированные вдоль осей локальной координатной системы, это просто столбцы в матрице R. Приводимые в списке "Prescription Data" величины "Global vertex coordinates" (координаты вершин поверхностей в глобальной системе координат), а также величины компонент матрицы поворота R и вектора сдвига - все относятся к глобальной опорной поверхности. Если поверхность является поверхностью типа "coordinate break", то в R-матрицу включаются эффекты сдвига и поворота координат. Если поверхность типа "coordinate break" выбрана в качестве опорной глобальной поверхности, то опорная координатная система определяется после децентрировки и поворота локальной координатной системы. Если матрица R вычисляется для поверхности типа "coordinate break" и эта поверхность предшествует опорной поверхности, то R матрица относится к системе, предшествующей трансформации координат. Если у Вас возникает на этот счет сомнение, просто введите пустую поверхность, не являющуюся поверхностью "coordinate break", в интересующее Вас место для проверки глобальной ориентации. Положение опорной поверхности в схеме будет автоматически изменяться при введении в схему или удалении из нее каких-либо поверхностей, расположенных перед опорной поверхностью. Любая поверхность может быть выбрана в качестве опорной, кроме поверхности объекта, если объект расположен на бесконечности! Опорная поверхность используется также для определения точки совмещения zoom - позиций на трехмерных изображениях схемы. Non-Sequential Установки для NSC-объектов Это установочное окно используется для определения способа трассировки лучей в пределах группы NSC-компонентов. Maximum Ray-Object Intersections Per Ray Максимальное число пересечений луча с объектами В этом контрольном окне устанавливается максимальное число пересечений одного луча с NSC-объектами вдоль какого-либо одного пути от источника до точки последнего пересечения. Когда используется программа расщепления лучей, этот параметр позволяет контролировать максимальное количество генерируемых вторичных лучей, "отщепленных" от исходного пума. В некоторых системах таких как абсолютно отражающая сфера с расположенным внутри нее источником, лучи будут отражаться от стенок сферы до тех пор. пока не будет достигнут установленный предел на количество пересечений. Глава 6: МЕНЮ "SYSTEM" 6 15
Maximum Ray Segments Per Ray Максимальное число лучевых сегментов на один луч В этори контрольном окошке задается максимальное число лучевых отрезков (сегментов), на которые делится путь луча в пределах NSC-группы. Лучевой отрезок определяется как часть пути луча от одного пересечения (с поверхностями объектов) до следующего. Когда луч запускается от источника, он идет к первому объекту. Образуется 1-ый отрезок пути. Если луч затем расщепляется на два луча, то каждый из них образует свой следующий отрезок пути (всего получается три отрезка). Если каждый из этих лучей снова расщепляется, то образуется уже 7 отрезков пути. В общем, если лучи расщепляются, то число лучевых отрезков (сегментов) возрастает очень быстро, и нужно число сегментов должно значительно превышать число пересечений луча. Maximum Nested Objects Максимальное число вложений объектов друг в друга В этом окошке задается верхний предел на число объектов, расположенных внутри каждого другого. Например, если максимальное число вложенных объектов равно 3, то третий объект может быть помещен внутрь второго, который, в свою очередь, помещен внутрь первого объекта. В этом случае может быть любое число таких групп, каждая из которых имеет по три вложенных друг в друга объектов. Задаваемый предел определяет максимальное число вложений для отдельной группы, но число таких групп (8 пределах NSC-группы) может быть любым. Minimum Relative Ray Intensity Минимальная относительная интенсивность луча Так как каждый луч расщепляется, его энергия быстро уменьшается. Минимальная относительная интенсивность луча - это нижний предел на энергию луча, которую он может нести и при которой он еще должен быть трассирован. Этот параметр задается как некоторая часть по отношению к интенсивности луча, исходящего от источника, например, как 0.001. Когда интенсивность луча уменьшается ниже этого установленного предела, дальнейшая трассировка луча прекращается. Minimum Absolute Ray Intensity Минимальная абсолютная интенсивность луча Этот параметр подобен параметру, определяющему минимальную относительную интенсивность трассируемого луча, за исключением того, что он определяет предел интенсивности в абсолютных единицах - в ваттах, а не по отношению к интенсивности стартового луча. Если этот параметр равен нулю, то порог абсолютной интенсивности игнорируется. Glue Distance In Lens Units Расстояние между "склеиваемыми" элементами схемы Когда два NSC-объекта располагаются в тесном контакте друг с другом, например, когда соприкасаются грани "склеенных" призм, может произойти ошибка в трассировании лучей из-за того, что между соприкасающимися гранями может быть обнаружено очень небольшое расстояние. Ошибка может произойти и в тех случаях, когда соприкасающиеся объекты поворачиваются в трехмерном пространстве и не 6 -16 Chapter 6: SYSTEM MENU
хватает точности в опрелении их положения из-за конечного числа знаков, введенных в таблицу редактора схемы. "Glue distance" - это предельное минимальное расстояние между элементами схемы - при расстояниях меньше этого установленного значения принимается, что элементы находятся в контакте. По умолчание величина "glue distance" принимается равной 1Е-06 от установленной для схемы единицы измерения (то есть равна 0,001 микрон, если расстояния измеряются в миллиметрах). Эту величину приходится изменять только в очень редких случаях. 1 "Glue distance" также определяет минимальную длину распространения лучей при их трассировании через схему. Если расстояние от точки пересечения луча с одним объектом до точки пересечения этого же луча с последующим объектом меньше "glue distance", то пересечение игнорируется. Это может быть произойти, когда луч трассируется от граненого рефлектора и луч попадает в пределах "glue distance" на край между двумя соседними гранями. ZEMAX автоматически увеличивает "glue distance" (отчасти произвольно) в 50 раз при трассировке луча вблизи граненых объектов, таких как тороидальные линзы и асферические поверхности, для получения точного итерационного решения. Это 50- ти кратное увеличение помогает программе обнаруживать множество пересечений, которое бывает, когда две асферические поверхности располагаются в контакте, как. например, у двух находящихся в контакте тороидальных линз. Коэффициент 50 снижает необходимость в использовании огромного числа треугольников, для создания точной модели объектов такого типа. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в коррекции величины этого параметра. Fields Поля ^ ^ Установочное окно "Fields" позволяет задать определенные направления в лоле зрения оптической системы (точки поля или просто "поля"). Поля могут быть заданы углами, высотами объекта (для систем с конечным сопряжением), параксиальными высотами изображения или реальными высотами изображения. Электронные клавиши могут быть использованы для активации и деактивации отдельных точек поля, а также для упорядочения полей в списке по их возрастанию, записи данных в отдельные файлы и загрузки этих файлов в другие схемы. Смотри главу "Conventions and Definitions", в которой описаны принятые соглашения относительно полей. Vignetting factors Коэффициенты виньетирования ZEMAX предоставляет также возможность ввода коэффициентов виньетирования для каждого поля. Четыре коэффициента виньетирования имеют обозначения VDX. VDY. VCX и VCY. Величины этих коэффициентов должны быть равны нулю, если в системе нет виньетирования. Коэффициенты виньетирования описаны в главе "Conventions and Definitions" в разделе Vignetting Factors". В установочном окне имеется также электронная клавиша под названием "Set Vig". Если нажать эту клавишу, то коэффициенты виньетирования для каждого поля будут Глава 6: МЕНЮ SYSTEM*1 6-17
вычислены заново на основе данных текущей схемы. Алгоритм вычисления факторов эиньетирования рассчитывает "виньетирующие4 коэффициенты децентрировки и сжатия зрачка таким образом что четыре краевых луча, идущих через верхний, нижний левый и правый края зрачка, пропускаются в пределах всех определенных пользователем полудиаметров каждой поверхности; испол&зуется только главная длина волны. Комада Clr Vig" служит для обнуления коэффициентов винье- виньетирования Алгоритм стартует с запуска "сетки" лучей через зрачок. На каждой поверхности, для которой самим пользователем были установлены величины полудиаметров, производится проверка: проходит луч через эту апертуру или нет. Все лучи, прошедшие через все поверхности, затем используются для вычисления центроида невиньетирующего зрачка. Заметьте, что используются только установленные пользователем (а не вычисленные автоматически) величины полудиаметров, а поверхностные апертуры (такие как круглые и прямоугольные) игнорируются. Точный контур невиньетирующего зрачка затем вычисляется итеративным методом с точностью около 0.001%. Алгоритм может не работать в некоторых случаях. Для таких систем факторы виньетирования должны подбираться и устанавливаться вручную. Точность алгоритма расчета факторов виньетирования можно проверить путем трассировки нескольких краевых лучей. Для полей с идентичными или близкими к идентичным координатами не могут быть заданы различные коэффициенты виньетирования! Смотри главу "Conventions and Definitions". Saving and loading field data Запись и загрузка данных о точках поля Электронные клавиши "Save" и "Load" (имеющиеся в окне "Field dialog box") используются для запоминания и восстановления полевых данных независимо от данных схемы. Запись данных в файл производится в формате ASCII, что позволяет их редактировать (и создавать новые файлы) вне ZEMAX. Wavelengths Длины волн Это диалоговое окно используется для определения длин волн, их весовых коэффициентов и назначения главной длины волны. Электронные клавиши могут быть использованы для активизации и деактивизации отдельных длин волн, а также для их сортировки в порядке возрастания. В этом же окне Вы найдете обширный список наиболее употребляемых длин волн. Для введения длин волн из этого списка просто выберите нужную длину волны и нажмите электронную клавишу "Select". Дополнительную информацию по длинам волн можно найти в главе "Conventions and Definitions". 6 -18 Chapter 6: SYSTEM MENU
Saving and loading wavelength data Запись и загрузка данных о длинах волн Электронные клавиши "Save" и "Load" (изображенные в диалоговом окне "Wavelength dielog box") используются для запоминания и восстановления данных с длинами волн независимо от данных схемы. Запись данных в файл производится в формате ASCII, что позволяет их редактировать (и создавать новые файлы) вне ZEMAX. Next Configuration Следующая конфигурация Эта опция обеспечивает быстрое изменение всех графиков для отображения данных следующей конфигурации (или zoom-позиции). По этой команде обновляются все таблицы, текстовые и графические данные. Last Configuration Последняя конфигурация Эта опция обеспечивает быстрое изменение всех графиков для отображения данных последней конфигурации (или zoom-позиции). По этой команде обновляются все таблицы, текстовые и графические данные. Глава 6: МЕНЮ SYSTEM" 6 19
ANALYSIS MENU МЕНЮ "ANALYSIS" Introduction Введение В этой главе дано детальное описание каждого вида анализа, выполняемого ZEMAX.( Слово "анализ" в этом контексте означает различные текстовые и графические! данные, вычисленные на основе параметров схемы. Это включает различные виды аберраций, МПФ, ФРТ, диаграмму пятна рассеяния и многие, многие другие вычисления. Подпрограммы, которые используются для модификации и оптимизации оптической схемы или которые манипулируют какими-либо другими данными (такимиj как каталоги оптических стекол), описаны в главе Tools Menu". Выбрав из меню "Analysis" какой-либо вид анализа, Вы немедленно получите результат вычислений. После того, как на экране появится текстовое или графическое окно с вычисленными данными, Вы можете использовать команду MSettings"(ycTaHOBKH) из меню этого окна для представления данных в более удобном для Вас виде, чем это дается по умолчанию. После того, как Вы провели новые установки, нажмите электронную клавишу ЫОК", и программа произведет новые вычисления и представит графические данные в новом виде. Если Вы предпочитаете производить установки до того, как на экран будут выведены данные вычислений, используйте опцию "Show Options First1, которую можно установить в диалоговом окне "Graphics dialog box" (File; Environment; Graphics dialog box). Описание команд OK, Cancel. Save, Load, Reset и Help, присутствующих в большинстве диалоговых окон "Settings", дано в главе "User Interface". Каждое окно с данными анализа имеет в своем меню команду "Update". По этой команде ZEMAX заново вычисляет данные, представленные в окне. Это полезно. когда в схеме были произведены какие-либо изменения, а в окне показаны "устарелые" данные. Обновление данных окна можно также произвести, дважды кликнув мышкой в поле окна. Если в поле окна кликнуть правой клавишей мышки, то вызывается диалоговое окно "Settings". Все эти приемы более детально описаны в главе "User Interface". Layout Схема 2D Layout Двумерное изображение схемы Назначение: Изображение оптической схемы в двумерном виде. Это просто сечение схемы в плоскости YZ. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 1
Установки Позиция First Surface Last Surface Wavelength Frefd Number of Rays Scale Factor Upper Pupil Limit Lower Pupil Limit Marginal and Chief Only Square Edges DXF File Export As DXF File Color Rays By Suppress Frame Delete Vignetted Fletch Rays Описание Номер поверхности, с которой должно начинаться изображение схемы. Номер поверхности, которой должно заканчиваться изображение схемы. Все или какая-либо одна из установленных длин волн должны быть изображены на схеме. Все или какое-либо одно из установленных полей должны быть изображены на схеме. Количество лучей, изображаемых на схеме (в меридиональном сечении) для каждого поля. Лучи будут равномерно распределены по сечению зрачка, если не была задана аподизация зрачка. Этот параметр может быть равен нулю. Если масштабный коэффициент будет равен нулю, то заданная область оптических поверхностей будет занимать всё поле графического окна. Если будет введено какое-либо число, то схема будет изображена в "реальном" масштабе с учетом масштабного коэффициента. Например, если масштабный коэффициент равен 1.0, то схема будет отпечатана на принтере (а не изображена на экране) в масштабе 1:1; если коэффициент равен 0.5, то схема будет отпечатана в масштабе 0.5. Максимальная координата зрачка, ограничивающая изображаемые лучи. Минимальная координата зрачка, ограничивающая изображаемые лучи. Изобразить на схеме только краевой и главный лучи. Подавляет другие установки! Изобразить прямоугольные края линзы. Без этой установки края линзы рисуются с использованием величин полудиаметров для каждой поверхности. В этом поле указывается имя DXF-файла, в который записывается изображение схемы. Предварительно нужно нажать электронную клавишу "Export As DXF File". Файл будет записан в директорий, установленный для выходных документов. Если нажать эту клавишу, то все данные, показанные в графическом окне, будут записаны в файл в формате DXF. Имя файла указывается в поле "DXF File". DXF-файл может затем быть импортирован в какую-либо программу CAD. См. данное ниже обсуждение. Если выбрать опцию "Fields", то цвета будут использованы для выделения лучей различных полей. Если выбрать опцию "Waves", то цвета будут использованы для выделения различных длин волн. Скрывает нижнее поле на графике, в котором печатаются наименование схемы, адрес и Другие данные. Скрывает лучи, виньетируемые какой-либо поверхностью. При этой установке на каждом луче рисуются стрелки, указывающие направление распространения луча. 7-2 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Обсуждение: Двумерная схема не может быть изображена, если в схеме используются поверхности типа "coordinate breaks", экранирующие растяжки, децентрированные экраны, поля по оси X. голограммы или какие-либо другие элементы, нарушающие вращательную симметрию схемы. В таких случаях используйте изображение в трехмерном виде (D layout"). С помощью клавиши Export DXF File1 изображение схемы можно записать в 2D DXF файл с именем, указанным в поле "DXF File". DXF файл будет содержать дуги и линии Дуги используются для изображения контура оптических поверхностей линз. Только сферические и плоские поверхности линз изображаются достаточно хорошо. Для асферических поверхностей их контур аппроксимируется дугой окружности. Если прогиб поверхности имеет асферическую форму, то дуга окружности будет проведена через вершину, верхнюю и нижнюю точки. ZEMAX использует точные значения стрелки прогиба для подгонки дуги к этим трем точкам. Смотри также раздел "Export IGES/SAT/STEP Solid" в главе 'Tools Menu". Если лучи идут мимо поверхности, то они не будут проведены к этой поверхности Если луч испытывает на какой-либо поверхности полное внутреннее отражение, то он будут проведен к этой поверхности, но не пройдет ее. Неправильный ход лучей можно проанализировать, вычислив их треки с помощью подпрограммы "Ray Trace", описание которой дано в этой главе ниже. 3D Layout Трехмерное изображение схемы Назначение: 3-х мерное изображение оптической схемы. Settings: Установки: Позиция First Surface Last Surface Wavelength Field Number of Rays Описание Номер поверхности, с которой должно начинаться изображение схемы. Номер поверхности, которой должно заканчиваться изображение схемы. Все или какая-либо одна из установленных длин волн должны быть изображены на схеме. Все или какое-либо одно из установленных полей должны быть изображены на схеме. Определение числа лучей, которые должны быть изображены на схеме для каждого установленного поля и для каждой установленной длины волны. Лучи будут равномерно распределены по сечению зрачка или, в случае выбора опции "Ring" в меню "Ray Pattern", no его периметру (если, конечно, не задана аподизация зрачка). Величина этого параметра может быть установлена равной нулю. Этот параметр игнорируется, если в меню "Ray Pattern" выбрана опция "List". Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-3
Позиция i Ray Pattern Scale Factor Hide Lens Faces Hide Lens Edges Hide X Bars Rotation About X Rotation About Y Rotation About Z Color Rays By Suppress Frame Delete Vignetted Configuration Описание Выбор диаграммы распределения трассируемых лучей по поверхности входного зрачка: вдоль XY- сечений вдоль Х-сечения, вдоль Y-сечения, по периметру зрачка или по заданному списку (List). Опция "List используется для изображения на схеме лучей, указанных пользователем в файле под именем "RAYLIST.TXT" Этот файл должен быть помещен в главный директорий ZEMAX. Файл должен быть написан в формате ASCII и содержать две колонки чисел одна для координаты рх и вторая - для ру Нормализованные координаты зрачка определяют, какие лучи должны быть трассированы и изображены на схеме для каждого поля и для каждой длины волны. Если выбрана опция List, то установка числа лучей игнорируется Если масштабный коэффициент будет равен нулю то заданная область оптических поверхностей будет занимать всё поле графического окна. Если будет введено какое-либо число, то схема будет изображена в "реальном" масштабе с учетом масштабного коэффициента. Например, если масштабный коэффициент равен 1.0, то схема будет отпечатана на принтере (а не изображена на экране) в масштабе 1:1. Если коэффициент равен 0.5, то схема будет отпечатана в масштабе 0.5. Скрывает изображение лицевых (и тыльных) поверхностей линз, рисуются только края линз. Эта опция полезна, так как изображение сложных систем может быть трудно воспринимаемым при изображении лицевых поверхностей. Скрывает изображение торцевых поверхностей линз. Эта опция полезна, так как позволяет придать трехмерной "картинке" вид двумерного изображения Скрывает Х-часть в изображении лицевых поверхностей. Эта опция полезна, когда установлена опция 'Hide Lens Edges" и не установлена опция "Hide Lens Faces". Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси X. Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси Y. Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси Z. Если выбрать опцию "Fields", то цвета будут использованы для выделения лучей различных полей. Если выбрать опцию "Waves", то цвета будут использованы для выделения различных длин волн. Если выбрать опцию "Config", то цвета будут использованы для выделения разных конфигураций схемы. Удаляет нижнее попе на графике, в котором печатаются наименование схемы, адрес и другая информация. Скрывает лучи, виньетируемые какой-либо поверхностью. По выбору изображаются: всё конфигурации схемы одновременно или какая-либо одна из них, или текущая (активизированная) конфигурация. 7-4 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Offset X, Y. 2 Fletch Rays Split NSC Rays Scatter NSC Rays Square Edges Описание Задаются величины смещения на графике (по осям X, Y и Z) изображений разных конфигураций схемы относительно друг друга. Работает только при \становке опции "АН" в меню "Configuration". При этой установке на каждом изображаемом луче рисуются небольшие стрелки, указывающие направление распространения луча. При этой установке лучи, идущие от NSC-источников статистически расщепляются при пересечениях с поверхностями NSC-объектов. Отрезки лучей от входного порта до первой поверхности не расщепляются. При этой установке лучи, идущие от NSC-источников статистически рассеиваются на поверхностях NSC-объектов. На поверхности входного порта лучи не рассеиваются. При этой установке на линзах изображаются плоские лицевые фаски и цилиндрические края; в противном случае при изображении линз используются величины полудиаметров. Обсуждение: Курсорные клавиши клавиатуры, а также клавиши "Page Up" и "Page Down" могут быть использованы для поворота изображения схемы относительно всех трех осей. Для лучей, идущих от последовательного входного порта: Если лучи идут мимо поверхности, то они не будут проведены к этой поверхности. Если луч испытывает на какой-либо поверхности полное внутреннее отражение, то он будут проведен к этой поверхности, но не пройдет ее. Неправильный ход лучей можно проанализировать, вычислив их треки с помощью программы MRay Trace", описание которой дано в этой главе ниже. Когда изображаются все конфигурации одновременно, можно установить величины смещения их изображений относительно друг друга по всем трем осям. Смещения могут быть равны нулю, если это желательно. Если смещения равны нулю, то изображения всех конфигураций накладываются друг на друга; в других случаях они изображаются отдельно в соответствии с установленными величинами смещений Заметьте, что все смещения отсчитываются от положения опорной поверхности в глобальной системе координат; опорная поверхность задается через меню "System" в диалоговом окне "General" (установки "Misc."). Еспи все смещения равны нулю, то опорные поверхности всех конфигураций совмещаются друг с другом. Raylist file format Формат Файла "RAYLIST.TXT1 Если при задании диаграммы распределения трассируемых лучей по поверхности входного зрачка (Ray Pattern) выбрана установка "List", то через оптическую систему будут трассироваться лучи, список которых задан пользователем в созданном им специальном текстовом файле. Этот файл должен иметь имя RAYLIST TXT и должен быть помещен в главный директорий ZEMAX Файл должен быть записан в формате ASCII При создании файла можно использовать две формы записи данных' Implicit (неявная) и Explicit (явная). При неявной форме записи (Imphsit) файл должен содержать по два числа (нормированные координаты зрачка) в каждой строке, одно число для указания Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-5
значения Рх и второе - для указания значения Ру. Указанные лучи будут трассироваться от каждой заданной точки лоля для каждой из заданных длин волн Пример: Четыре крайних луча задаются следующим образом: 00-1.0 0.0 1.0 -1 0 0.0 1 0 0.0 При явной форме записи (Exphsit) файл должен содержать заголовок EXPLICIT и значения: начальных координат луча - х. у. 2 , направляющих косинусов • I, m, п и номера используемых длин волн. Все координаты относятся к пространству объекта. Если объект расположен на бесконечности, то координаты относятся к поверхности №1. Если объект расположен на конечном расстоянии, то координаты относятся к поверхности №0. В обоих случаях сам луч распологается в среде пространства объекта: до преломления на поверхности №1. При использовании этой формы записи заданные в схеме установки для полей и длин волн игнорируются и через оптическую схему трассируются только указанные в файле лучи. Пример: 0.0-5.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1 0.0+0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 2 0.0+5.0 0.0 0.0 0.0 1.0 3 Solid Model Твердотельная модель Назначение: Изображение элементов схемы в твердотельном виде. Установки: Эти опции аналогичны тем, которые используются в 3D схеме. Нет только опций "Hide Lens Edges" и "Hide X Bars". Описание нескольких новых установок дано ниже. Позиция DXF File Export As DXF File Draw Section Radial Segments Angular Segments Описание В этом поле указывается имя DXF-файла, в который экспортируется изображение схемы. Предварительно нужно нажать электронную клавишу "Export As DXF File". Файл будет записан в директорий, установленный для выходных документов. Если нажать эту клавишу, то все данные, показанные в графическом окне, будут записаны в файл в формате DXF. Имя файла указы-вается в поле UDXF File". DXF-файл с записью трехмерной схемы можно затем импортировать в какую-либо программу CAD. Если выбрана опция "Full", то все элементы изображаются в полном виде. Если устанавливается одна из опций 2А, *а или ЛА% то рисуется указанная часть элемента, а оставшаяся часть вырезается. Установка количества радиальных сегментов, используемых для аппроксимации формы элемента. Чем больше число сегментов, тем больше времени требуется для вычислений. Число угловых сегментов, используемых для аппроксимации формы элемента. Чем больше количество сегментов, тем больше времени требуется для вычислений. 7-6 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Алгоритм твердотельной модели рисует элементы схемы в виде многогранных призм. Невидимые линии и грани не изображаются, что придает рисунку элемента вид твердого тела Этот алгоритм работает медленнее, чем другие алгоритмы рисования схем, но он обеспечивает наилучший вид схемы. Число граней, используемых для изображения элемента, можно изменять с помощью опций "Radial Segs" и "Angular Segs". Клавиша "Export As DXF File" служит для записи рисунка в 3D DXF файл; название файла указывается в поле "DXF File'. DXF файл будет содержать мелко граненые поверхности в полной 3D ориентации. Грани используются, чтобы показать искривленную форму поверхности линзы. Однако грани представляют собой плоские сегменты, которые только приблизительно очерчивают контур поверхности. Углы каждой грани всегда лежат точно на реальной оптической поверхности, но другие точки грани не лежат на ней. ZEMAX использует точные величины стрелок прогиба поверхности при углах каждой грани для определения формы граненой поверхности. Смотри также раздел "Export IGES/SAT/STEP Solid" в главе "Tools Menu". Курсорные клавиши клавиатуры - [eft, right, up, down, а также клавиши "Page Up" и "Page Down" могут быть использованы для поворота изображения схемы относительно всех трех осей для наблюдения ее с разных направлений. Если лучи идут мимо поверхности, то они не будут проведены к этой поверхности. Если луч испытывает на какой-либо поверхности полное внутреннее отражение, то он будут проведен к этой поверхности, но не пройдет ее. Неправильный ход лучей можно проанализировать, вычислив их треки с помощью подпрограммы Ray Trace", описание которой дано в этой главе ниже. Wireframe "Проволочная" модель Назначение: Изображение элементов схемы в виде "проволочного скелета". Settings: Установки: Все установки аналогичны тем, которые используются в твердотельной модели. Обсуждение: Проволочная модель идентична твердотельной модели, за исключением того, что невидимые линии не убираются. Это представпение схемы может выглядеть запутанным. Опция "Hide Lens Faces" может быть использована для некоторого прояснения вида схемы. Преимущество изображения проволочной модели - быстрота вычислений, - этот алгоритм работает значительно быстрее, чем для твердотепьного изображения. Если лучи идут мимо поверхности, то они не будут проведены к этой поверхности. Если луч испытывает на какой-либо поверхности полное внутреннее отражение, то он будут проведен к этой поверхности, но не пройдет ее Неправильный ход лучей можно проанализировать, вычислив их треки с помощью подпрограммы "Ray Trace", описание которой дано в этой главе ниже. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -7
Shaded Model Оттененная модель Назначение Представление схемы в виде оттененной твердотельной модели. Установки Все установки идентичны установкам в твердотельной модели, за исключением нескольких дополнительных установок для регулировки уровней яркости изображения и цвета фона. ZEMAX Element Drawing Чертеж элемента в формате ZEMAX Назначение: Создание чертежей оптических поверхностей, одиночных линз или дублетов для производственных целей. Установки: Позиция Surface Show As Note File Name Edit Note File Rad n Tol Pow/lrr n Clear Ар п Thick n To! Scale Factor Title Drawing Name Approved Revision Drawn By Project Описание Номер поверхности, которая должна быть первой на чертеже. Вычерчивание поверхности ("Surface"), одиночной линзы ("Singlet") или дублета ("Doublet"). Указывается имя файла с записью технических требований, которые должны быть внесены в чертеж элемента. Технические требования всегда должны записываться, начиная со строки №2. так как первая строка зарезервирована для определения единиц измерения. Вызывает редактор Windows Notepad, в котором можно редакти-ровать файл с записью технических требований. Величина допуска на радиус 1, 2 или 3 поверхности; вносится на чертеже в таблицу допусков. Величины допуска на оптическую силу/нерегупярность (для поверхностей 1, 2 или 3); записывется из таблицы допусков. Размер чистой апертуры на поверхности 1, 2 или 3. По умолчанию чистая апертура равна удвоенной величине полудиаметра. Допуск на центральную толщину поверхности 1или 2. По умолчанию записывается 1% допуск. Если масштабный коэффициент будет равен нулю, то заданная область оптических поверхностей будет изображена на полном поле графического окна. Еспи будет введено какое-либо число, то схема будет изображена в "реальном" масштабе с учетом масштабного коэффициента. Например, если масштабный коэффициент равен 1.0, то схема будет отпечатана на принтере (а не изображена на экране) в масштабе 1:1; если коэффициент равен 0.5, то схема будет отпечатана в масштабе 0.5. Это поле предназначено для записи какого-либо текста. По умолчанию записывается наименование схемы. Все эти поля используются для записи любого текста. По умолчанию эти поля остаются свободными. 7-8 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Описание Note Font Size Размер шрифта: Standard (стандартный), Medium (средний), Small (мелкий) или Fine (тонкий). Зта установка оказывает действие только на размер файла с записью технических требований, которые должны быть внесены в чертеж. Чем меньше размер шрифта, тем больший объем текста может быть внесен в чертеж. _^_____ Reset all but titles При нажатии на эту клавишу произойдет восстановление (если они были изменены) всех заданных (по умолчанию) допусков и размеров апертур для изображаемых поверхностей; но текстовые записи сохранятся. Обсуждение: Сделанные установки могут быть записаны вместе с файлом оптической схемы путем нажатия на клавишу "Save". В отличие от других программ анализа все установки для чертежа элемента могут быть записаны для каждой поверхности отдельно. Например, технические требования и допуски для поверхности 1, а затем технические требования и допуски для поверхности 3 могут быть введены и записаны отдельно. Для вызова установок, сделанных для определенной поверхности, измените номер поверхности на желаемый и нажмите клавишу "Load". Если установки для этой поверхности были ранее записаны, то они появятся на экране. Зта опция позволяет быстро просматривать и редактировать чертежи для многоэлементных систем. Важной особенностью программы создания чертежей является возможность загрузки разных файлов с техническими требованиями и помещение их на чертеж. По умолчанию файл с записью технических требований под названием "DEFAULT.NOT" генерирует ряд технических требований, которые вряд ли могут быть Вам полезны. Но Вы можете отредактировать эти файлы (это ASCII файлы, которые можно редактировать в любом текстовом редакторе) и записать их под другими именами. Например, Вы можете создать файлы с расширением .NOT для всех Ваших типичных схем, а затем выбирать из них и загружать в чертеж наиболее подходящие для рассматриваемых элементов. Запись технических требований всегда должна начинаться со строки под номером 2. Запомните, что строка под номером 1 зарезервирована 2ЕМАХ дпя записи строки М1) All dimensions in millimeters" ("Все размерности в миллиметрах"), или в каких-либо других установленных для текущей схемы единицах измерения. Пустые линии и пробелы, оставленные при записи файла, будут в точности воспроизводиться на чертеже. При создании чертежа нового элемента или при нажатии на клавишу "Reset* будут восстановлены все установки, которые вводятся по умолчанию. Величины допусков, вводимых по умолчанию, берутся из редактора допусков "Tolerance Data Editor^. По умолчанию для допуска выбирается максимальная величина из заданных значений rnin/rnax. Например, если допуск на толщину равен -0.03, +0.05, то устанавливается допуск 0.05. Рассматриваются только допуски TTHI, TRAD и TIRR. Если величина допуска дпя установки по умолчанию не может быть определена» то устанавливается нулевая величина допуска. Обратите внимание на то. что все поля для записи допусков являются текстовыми и могут быть отредактированы в соответствии с Вашими требованиями. Удобное преобразование допуска на радиус в допуск в интерференционных полосах, образующихся при контроле кривизны поверхности с помощью пробных стекол, дается выражением: Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -9
"fringes7 где \R - ошибка радиуса л - контрольная длина волны, р - радиальная апертура и R - радиус кривизны Эта формула является хорошим приближением для поверхностей с малой кривизной Более детальную информацию по этому вопросу можно найти в книге Malacara. Optical Shop Testing. J. Wiley & Sons, Inc. ISO Element Drawing Чертеж элемента в формате ISO Эта программа создает чертеж поверхности, одиночной линзы или дублета в формате ISO 101110. который подходит для использования в оптическом производстве. Settings: Установки: Позиция Surface Show As Other settings Описание Номер первой поверхности элемента, для которого создается чертеж Показать как: поверхность, синглет или дублет. Имеется возможность выбора многих других установок, относящихся к допускам, определенным стандартом ISO 10110. Смотри ниже обсуждение этих установок. Обсуждение: Стандарт ISO 101110 Element Drawing является интерпретацией документа "ISO 101110 Optics and Optical Instruments - Preparation of drawings for optical elements and systems: A User's Guide", под редакцией Ronald К. Kimmel and Robert E. Parks опубликованного Optical Society of America. Смотри информацию на WEB сайте американского Оптического общества: WWW.Osa.orQ. При нажатии на электронную клавишу "Reset from TDE" в чертеж вводятся допуски на величины радиуса, толщины и показателя преломления прямо из редакционной таблицы Tolerance data editor (TDE). При изменении номера поверхности величины допусков также автоматически изменяются. Рассматриваются только допуски TRAD, TCUR, TFRN, TIND и ТАВВ. Если допуск не задан, то его величина указывается равной нулю. Величина допуска TFRN для указанной поверхности задается в окошке "Form 3/А". Заметьте, что допуски на поля могут быть отредактированы в соответствии с текущими требованиями. NSC 3D Layout Трехмерное изображение NSC-группы Назначение: Изображение трехмерной схемы источников и объектов одной NSC-группы. Установки: Позиция Описание Fletch Rays При этой установке на каждом изображаемом луче рисуются неболь- небольшие стрелки, указывающие направление распространения луча. 7 -10 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Split Rays Scatter Rays Use Polarization Suppress Frame Configuration Color Rays By Scale Factor Rotation About X Rotation About Y Rotation About Z Offset X. Y. 2 Filter Ray Database Описание При этой установке лучи, идущие от NSC-источников статистически расщепляются при пересечениях с поверхностями NSC-объектов. Отрезки лучей от входного порта до первой поверхности не расщепляются. При этой установке лучи, идущие от NSC-источников статистически рассеиваются на поверхностях NSC-объектов. На поверхности входного порта лучи не рассеиваются. При этой установке будут трассироваться поляризованные лучи и будет произведен подсчет пропускания системы по интенсивности. Смотри в главе "System Menu" раздел "Polarization", в котором дано определение состояния поляризации и рассмотрены другие детали поляризационного анализа. Удаляет нижнее поле на графике, в котором печатаются наименование схемы, адрес и другая информация. При этом больше места остается для изображения самой схемы. По выбору изображаются: все конфигурации схемы одновременно (АН), какая-либо одна из них или текущая (current) конфигурация. Если выбрать опцию "Sources", то цвета будут использованы для выделения лучей, идущих от различных источников. Если выбрать опцию "Waves", то цвета будут использованы для выделения различных длин волн. Если выбрать опцию "Config", то цвета будут использованы для выделения разных конфигураций схемы. Если масштабный коэффициент будет равен нулю, то заданная область оптических поверхностей будет занимать всё поле графического окна (реализуется установка "Fill Frame"). Если будет введено какое-либо число, то схема будет изображена в "реальном" масштабе с учетом масштабного коэффициента. Например, если масштабный коэффициент равен 1.0, то схема будет отпечатана на принтере (а не изображена на экране) в масштабе 1:1. Если коэффициент равен 0.5. то схема будет отпечатана в масштабе 0.5. Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси X. Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси Y. Задаётся угол (в градусах), на который должно быть повернуто изображение схемы вокруг оси Z. Задаются величины смещения на графике (по осям X. Y и 2) изображений разных конфигураций схемы относительно друг друга. Работает только при установке опции "АН" в меню "Configuration*. Если запись в этой строке отсутствует, то на схеме изображаются все лучи. В противном случае изображаются только те лучи, которые удовлетворяют установленному в этой строке критерию. Описание синтаксиса записи фильтра дано в следующем разделе (см. раздел "The filter string"). Если установить "None", то новые лучи будут трассироваться и изображаться на схеме. Если указать имя ZRD-файла. то на схеме будут изображаться только те лучи, которые указаны в этом файле В любом случае применяется фильтр (см. описание предыдущей опции), если он определен В общем, считывание лучей из большой Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS 7-11
базы данных быстрее, чем их перетрассировка. Другое преимущество использования базы данных для лучей состоит в том что выбранные из нее лучи - это всегда одни и те же лучи, пока база не обновлялась. ZEMAX не может определить относятся ли лучи из указанной базы к текущей оптической схеме: поэтому нужно следить за тем, чтобы указанный ZRD-файл соответствовал текущей схеме. См. в главе Non-Sequential Components" раздел "Ray database files". _ Обсуждение Эти установки в общем подобны установкам для программы D Layout11. Однако эта программа позволяет изображать объекты только одной NSC-группы. Через схему трассируются и изображаются лучи, идущие только от источников, заданных в пределах данной NSC-группы! The filter string Строка "Filter" Часто требуется, чтобы на схеме изображались только те лучи, которые обладают определенными свойствами. Например, когда имеет место рассеивание и расщепление лучей, изображение лучей на схеме становится очень запутанным, если трассируется много лучей. Строка "Filter" позволяет установить для лучей некоторый 'тест", через который они должны пройти, чтобы их изображение появилось на схеме. Синтаксис строки "Filter" состоит из логических операций между "флажками", которые указывают на поведение луча в пределах NSC-группы: падает он на (какой-либо) объект или проходит мимо него, отражается от него или преломляется на нем. Нп: На схеме изображаются только лучи, попавшие на объект п. Для тестирования, падает ли какой-либо луч на указанный объект, устанавливается флаг вида Нп. Например, тест, проверяющий падает ли луч на объект 5, записывается в виде флага Н5. Мп: На схеме изображаются только лучи, прошедшие мимо объекта п. Для тестирования, проходит ли какой-либо луч мимо указанного объекта, используется флаг вида Нп. Например, тест, проверяющий, проходит ли луч мимо объекта 15, записывается в виде флага М15. Rn: На схеме изображаются только лучи, отраженные от объекта п. Флаг R7 служит тестом для проверки, отражается ли луч от объекта 7. л Тп: На схеме изображаются только лучи, прошедшие/преломленные через объект п (проходит внутрь объекта или выходит из него). Флаг Т4 служит тестом для проверки, проходит ли луч внутрь объекта 4 (выходит из него). Sn: На схеме изображаются только лучи, рассеиваемые при попадании на объект п. См. ниже Fn. Dn: На схеме изображаются только лучи, испытавшие дифракцию на поверхностях объекта п. См. ниже En. Gn: На схеме изображаются только паразитные лучи (духи), порожденные лучами, отраженными от объекта п. Этот флаг имеет силу только при расщеплении лучей на поверхностях преломляющего объекта. Для п = 0, изображаются паразитные лучи, порожденные отраженными лучами всех объектов. 7 -12 Chapter 7: ANALYSIS MENU
En: На схеме изображаются только лучи, дифрагировавшие на поверхностях объвктз п. Этот флаг имеет силу только при расщеплении лучей на дифракционных элементах (для ненулевых порядков дифракции). ( Fn: На схеме изображаются только лучи, рассеяннные на поверхностях объекта п. Этот флаг имеет силу только при расщеплении лучей на рассеивающих поверхностях * и относится только рассеиваемым лучам. Для п = 0, изображаются лучи, рассеянные поверхностями всех объектов. t On: На схеме изображаются только лучи, исходящие от источника п Если л = 0, то* изображаются лучи, исходящие от всех источников. < Все флаги, за исключением О, G, Е и F, показывают, что происходит с лучом в конце - лучевого отрезка - в точке, в которой лучевой отрезок пересекает объект п. G, Е и F ■ флаги показывают, что родительский отрезок луча падает на объект п, и из точки падения запускаются паразитный луч, дифрагировавший луч или рассеянный луч, | соответственно. Флаг О показывает, что луч исходит от источника л. Каждый флаг используется для контроля каждого трассируемого луча, и флагу присваивается либо статус "TRUE", либо статус "FALSE". Флаги могут использоваться либо по одному, либо объединяться в группы с помощью логических операторов. Логические операторы в основном имеют действие на оба связываемых флага (за исключением оператора NOT, который воздействует только на флаг, находящийся справа от него). Поддерживаются следующие логические операторы: &: логическое "И" (AND). Оба флага (условия) с каждой стороны оператора & должны быть выполнены, чтобы вся операция 'Ип получила статус "TRUE". |: логическое "ИЛИ" (OR). Хотя бы одно из двух условий должно быть выполнено, чтобы операция "ИЛИ" получила статус "TRUE". л: исключающее "ИЛИ" (XOR). Если выполняется ТОЛЬКО одно из двух условий, но не оба, операция "XOR" получает статус "TRUE". !: логическое "НЕТ" (NOT). Операция принимает статус "TRUE", если правое условие не выполняется, и наоборот. Символы круглых скобок также могут быть использованы для указания старшинства операторов. Примеры Если, например, должны быть изображены только те лучи, которые падают на 7-ой объект, строка "Filter" должна быть записана следующим образом: Н7 Если должны быть изображены только те лучи, которые падают как на 7-ой, так и на 9- ый объекты (на оба объекта), строка "Filter" должна быть записана следующим образом: Н7&Н9 Если должны быть изображены только те лучи, которые а) падают как на 7-ой, так и на 9-ый объекты, но не отражаются от объекта 6 или о) проходят мимо объекта 15, строка "Filter" должна быть записана следующим образом: Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-13
(H7&H9& >R6)|M15 Если должны быть изображены паразитные лучи (духи), возникающие при попадании луча на объекты 3. 4 или 7. фильтровая строка должна быть записана как: G3 | G4 | G7 Синтаксис строки -Filter контролируется 2ЕМАХ, но не для всех возможных ошибок, а только для основных Число лучей, которые проходят фильтр и затем изображаются на схеме, может быть очень небольшим, а возможно, и равным нулю. ZEMAX трассирует через схему заданное для схемы общее число лучей, но на схеме изображаются только те лучи, которые проходят через фильтр. Фильтровая строка может быть также применена к файлу с заданной базой лучей, если такая база была записана. Смотри в главе "NON-SEQUENTIAL COMPONENTS" раздел "Performing a Monte Carlo ray trace" NSC Shaded Model Затененная модель NSC объектов Назначение: Изображение затенной твердотельной модели NSC объектов с использованием графического представления OpenGL Установки: Установки подобны тем, которые используются в программе Shaded Model, за исключением того, что эта программа изображает объекты и лучи от источников, находящихся только в пределах одной группы NSC объектов. В этой программе используется одна дополнительная опция. Можно установить окраску детектирующего объекта либо в зависимости от падающей на него энергии излучения (зарегистрированной при выполнении последнего анализа схемы), либо в зависимости от номера источника, лучи от которого падают на детектор. Смотри в главе "Non-Sequential Components" раздел "Detector". Fans Диаграммы Ray Aberration Аберрации луча Назначение: Показывают лучевые аберрации в зависимости от координаты зрачка. Установки: Позиция Описание Plot Scale Установка верхнего предела для вертикальной шкалы графика. Выражается в микронах для лучевых диаграмм, в волнах для графиков OPD ипи в процентах для аберраций входного зрачка. Эта установка подавляет автоматическое масштабирование графиков. Для автоматического масштабирования нужно ввести нулевое значение. _^^___ 7 -14 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Number of Rays Wavelength Field Tangential Sagittal Use Dashes Check Apertures Vignetted Pupil Описание Число лучей, трассируемых по обе стороны от начала координат графика. Число длин волн, для которых должны быть выполнены аычисления. Число полей, для которых должны быть выполнены вычисления. Установка, позволяющая выбрать, какая из компонент (X или Y) аберрации должна быть показана на графике в меридиональном сечении. Так как аберрации в меридиональном сечении являются функциями Y координаты зрачка, то по умолчанию на графике изображается Y компонента аберраций. Установка, позволяющая выбрать, какая из компонент (X или Y) аберрации должна быть показана на графике в сагиттальном сечении. Так как аберрации в сагиттальном сечении являются функциями X координаты зрачка, то по умолчанию на графике изображается X компонента аберрации Эта установка позволяет заменить цветовое выделение графи- графических линий на штриховое (как на экране, так и при печати на принтере). Проводить или нет контроль прохождения лучей через установ- установленные на поверхностях апертуры. Если выбрать эту опцию, то лучи, которые не проходят через апертуры поверхностей, не будут изображаться на графике. Размеры апертур поверхностей отлича- отличаются от величин полудиаметров; смотри главу "Conventions and Definitions". Если выбрать эту опцию, то размеры зрачка по осям X и Y будут масштабированы к размерам невиньетируемого зрачка; в таком случае данные на графике будут отражать виньетирование в системе. Если снять эту опцию, то размеры зрачка будут восстановлены. Обсуждение: Графики, построенные для меридиональной плоскости, показывают либо х, либо у компоненты поперечной аберрации луча в зависимости от у координаты зрачка, через которую проходит луч. По умолчанию на графике изображается у компонента аберрации. Однако, так как поперечные аберрации являются векторами, то изображение только у компоненты не даст полного описания аберрации. Когда ZEMAX рисует у компоненту, то график отмечается буквами EY, а когда х-компоненту - буквами EX. Масштаб по вертикальной оси графика указывается в нижней части графического окна. Графические данные представляют собой разницу между координатой точки пересечения луча с поверхностью и координатой точки пересечения главного луча с поверхностью. Для меридионального сечения на графике изображаются разности х (или у) координаты луча и х (или у) координаты главного луча для главной длины волны в зависимости от у координаты зрачка. Для сагиттального сечения на графике изображаются разности х (или у) координаты луча и х (или у) координаты главного луча для главной длины волны в зависимости от х координаты зрачка. Масштаб горизонтальной оси графика нормализован к координатам входного зрачка РХ и PY. Если для длин волн выбрана опция "А1Г (показать все установленные длины волн), то в качестве опорных принимаются координаты главного луча для главной длины аолны Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-15
Если график строится для какой-либо одной длины волны (монохроматический), то в качестве опорных принимаются координаты главного луча для выбранной длины волны. Поэтому данные для неглавных длин волн будут обычно изменяться при переключении от монохроматического к полихроматическому графику Так как аберрации луча являются векторными величинами, имещими составляющие по х и по у координатным осям, то график аберраций для какой-либо одной компоненты не дает полного описания аберраций, особенно когда плоскость изображения поворачивается в оптической системе, не обладающей вращательной симметрией Кроме того, графики отображают аберрации только вдоль двух "срезов" зрачка а не по всему зрачку. Главное назначение этих графиков - определить, какие аберрации присутствуют в системе, а не описание исполнительных характеристик системы (особенно - для систем, не обладающих вращательной симметрией). Optical Path Оптическая разность хода Назначение: Показывает разность хода (волновые аберрации) в зависимости от координат зрачка. Settings: Все установки идентичны установкам, используемым в графиках лучевых аберраций, за исключением того, что опции Tan Fan" и "Sag Fan" не используются, так как величины оптической разности хода (OPD) являются скалярными. Обсуждение: Масштаб вертикальных осей указан в нижней части графического окна. Графические данные представляют собой разность хода (луча) (Optical Path Difference или OPD), которая определяется как разность оптических путей рассматриваемого и главного лучей. Обычно вычисления ведутся в обратную сторону, так что определяется разность длин путей лучей до опорной сферы в выходном зрачке. По горизонтальным осям графиков откладываются нормализованные координаты входного зрачка. Если для длин волн выбрана опция "АН" (показать все установленные длины волн), то используются опорная сфера и главный луч для главной длины волны. Если вычисления проводятся для какой-либо одной длины волны, то используются опорная сфера и главный луч для выбранной длины волны. Поэтому данные для неглавных длин волн обычно будут изменяться при переключении от монохроматического графика к полихроматическому графику. Pupil Aberration Искажение зрачка Назначение: Показывает искажение входного зрачка в зависимости от координат зрачка. Settings: Установки: Все установки идентичны установкам, используемым в графиках лучевых аберраций, за исключением того, что опции Tan Fan" и "Sag Fan" не используются так как величины аберраций зрачка являются скалярными 7 -16 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Обсуждение: Аберрации входного зрачка определяются как разность между точками пересечения апертурной диафрагмы системы реальным лучом и параксиальным лучом для главной длины аолны и выражаются в процентах от параксиального радиуса диафрагмы. Если из графика будет видно, что максимальная величина аберраций превышает несколько процентов, то это означает, что для получения в пространстве объектов координат лучей, правильно заполняющих апертурную диафрагму системы, следует использоаать алгоритм "ray aiming" (Смотри глаау "System Menu"). Если этот алгоритм будет задействован, то можно будет увидеть, что аберрации зрачка стали равными нулю (или очень близко к этому), так как искажения зрачка будут учитываться алгоритмом трассироаки лучей; это можно использовать для контроля того, что алгоритм "ray aiming" работает правильно. Используемое здесь определение искажения зрачка не претендует на полноту и согласованность с другими определе- определениями. Эта программа имеет особое назначение - обеспечить руководство, нужно или нет в каком-либо определенном случае использовать алгоритм "ray aiming". Spot Diagrams Диаграммы пятна рассеяния Standard Стандартная диаграмма Назначение: Показывает диаграммы пятна рассеяния. Установки: Позиция Pattern Refer To Show Scale Описание Структуру распределения лучей по площади зрачка можно выбрать либо гексаполярную (hexapolar), либо квадратную (square), либо со случайным распределением (dithered). Сильно дефокусируйте схему, чтобы яснее уаидеть структуру распределения лучей. Случайное распределение позволяет устранить из диаграммы артифакты симметрии, присущие гексаполярному и прямоугольному распределениям. Если задана аподизация зрачка, то установленное распределение лучей соответствующим образом искажается. Нельзя сказать, какое из распределений является "наилучшим"; каждое из них просто показывает разный характер диаграммы пятна рассеяния. Диаграммы пятна рассеяния по умолчанию строятся относительно реального главного луча. Величины RMS и GEO пятна, указанные в нижнем поле диаграммы (определение этих аеличин дано ниже), вычисляются в предположении, что след главного луча яаляется "безаберрационной точкой". Однако можно выбрать две другие опорные точки: центр тяжести (centroid) и среднюю точку (middle). Центр тяжести определяется по полученному распределению трассированных лучей. Средняя точка определяется таким образом, чтобы максимальные ошибки лучей по осям х и у были равны между собой. По умолчанию устанавливается опция "Scale Bar" (Единица масштаба). Если выбрать опцию "Airy disk", то на каждой диаграмме будет изображен диск Эйри. Радиус диска Эйри равен 1.22 >. (F/#). где /. - главная длина волны: эта величина зависит от позиции поля и Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-17
Wavelength Field Surface Number Plot Scale Delta Focus Ray Density Use Symbols Use Polarization Scatter Rays Direction Cosines ориентации зрачка. Если размер диска Эйри превышает размер пятна рассеяния то масштаб диаграммы будет установлен в соответствии с размером диска Эйри. в противном случае масштаб будет определяться размерами пятна. Если выбрать опцию "Square", то на всех диаграммах будет изображаться квадрат, центрированный относительно опорной точки, сторона квадрата равна удвоенной величине расстояния от центрапьной точки до самой удаленной точки. Если выбрать опцию Cross", то через опорную точку будет проведено перекрестие Если выбрать опцию Circle", то вокруг пятна будет проведена окружность Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля для которого выполняются вычисления. Номер поверхности, для которой должна быть построена диаграмма. Это полезно для оценки промежуточных изображений или виньетирования. Установка масштаба диаграммы в микронах. Если установить нулевое значение, то масштаб определяется автоматически. Эта опция используется только при работе с программой "Through Focus". Она позволяет установить желаемый шаг дефокусировки при анализе пятна рассеяния вне фокальной плоскости. В графическом окне будет изображено пять диаграмм пятна рассеяния для каждого поля. Для каждой из этих диаграмм величина дефокусировки будет равна произведению величины установленного шага на числа: -2, -1, 0, 1 и 2. Величина дефокусировки выражается в микронах. Для некоторых систем устанавливаемая по умолчанию величина шага дефокусировки может быть слишком мала. Плотность лучей определяет число гексалолярных кругов, через которые должны быть трассированы лучи в случае, если определено гексаполярное, или случайное распределение лучей по площади зрачка, или число квадратов, если определено прямоугольное распределение лучей. Чем больше лучей трассируется, тем выше точность величины RMS пятна рассеяния, но при этом возрастает время вычислений. Для первого гексаполярного круга трассируется 6 лучей, для второго - 12, для третьего - 18 и так далее. Если выбрать эту опцию, то точки для разных длин волн будут обозначены разными значками. Если выбрать эту опцию, то для каждого трассируемого луча будет учитываться его поляризация и приниматься в расчет пропускание системы. Смотри раздел "Polarization1* в главе "System Menu", в которой описаны детали. Только редакция ZEMAX-EE поддерживает эту опцию. Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих* определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Если выбрать эту опцию, то данные будут представлять собой направляющие косинусы лучей, а не их пространственные координаты. В колонке с заголовком X будут даны величины нэправлящих косинусов относительно оси X, а в колонке с заголовком 7-18 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Configuration Color Rays By Y - величины направляющих косинусов относительно оси Y. Вместо координат изображения будут даны направляющие косинусы заданной опорной точки Направляющие косинусы являются безразмерными величинами. По выбору изображаются: все конфигурации схемы одновременно (АН), какая-либо одна из них или текущая (Current) конфигурация. Если выбрать опцию "Fields", то цвета будут использованы для выделения лучей, идущих от различных точек поля. Если выбрать опцию "Waves", то цвета будут использованы для выделения различных длин волн. Если выбрать опцию "Config", то цвета будут использованы для выделения разных конфигураций схемы. Обсуждение: Максимальное количество трассируемых лучей зависит от числа изображаемых полей, числа длин аолн и доступной памяти компьютера. В диаграммах "Through-focus" (через фокус) трассируется только половина от максимально возможного числа лучей для стандартных диаграмм. Величина GEO, указываемая для каждого поля в нижнем поле графического окна, представляет собой расстояние от опорной точки (которая является либо главным лучом для главной длины волны, либо центром тяжести всех трассированных лучей, либо средней точкой пятна) до наиболее удаленного от опорной точки луча. Говоря другими словами, размер пятна GEO является радиусом круга с центром в опорной точке, в пределы которого попадают все лучи. Величина RMS представляет собой среднеквадратическую величину радиального размера пятна рассеяния. Расстояния между каждым лучом и опорной точкой возводятся в квадрат, квадраты усредняются по всем лучам и из полученной величины извлекается квадратный корень. Величина RMS (CK3) дает прибли- приблизительное представление о степени рассеяния лучей, так как она зависит от каждого луча. Величина GEO дает информацию только о наиболее удаленной от опорной точки луча. Данные о среднеквадратичных размерах пятна рассеяния представлены в отдельном текстовом файле, открывающемся по команде "Text" (см. меню, изображенное в верхней части диаграммы). Размер диска Эйри, равный 1.22 /. (F/#) для главной длины волны, зависит от позиции поля и ориентации зрачка. Эта величина равна радиусу первого темного кольца диска Эйри для круглого равномерно освещенного входного зрачка. Диск Эйри может быть изображен (по желанию) для того, чтобы получить представление о масштабе диаграммы. Например, если все лучи попадают в пределы диска Эйри, то такая систем часто называется "ограниченная дифракцией". Если RMS пятна значительно превышает размер диска Эйри, то такая система не считается дифракционно-огра- дифракционно-ограниченной. Порог, определяющий, какая система работает с дифракционным ограни- ограничением, зависит от используемого критерия. Нет абсолютной границы, переходя через которую система становилась бы дифракционно-ограниченной. Показываемая на диаграмме окружность диска Эйри не представляет в точности форму или размер дифракционного темного кольца, если система освещена неоднородно или если для устранения некоторых лучей используется виньетирование ZEMAX не изображает виньетируемые лучи на диаграмме пятна рассеяния, и они не используются при вычислении RMS или GEO размеров пятна рассеяния Глава 7: МЕНЮ 'ANALYSIS" 7-19
ZEMAX генерирует сетк7 лу^ей с учетом весовых коэффициентов длин волн и с учетом аподизации зрачкв. если, конечно, они введены. Для длин волн с максимальными весарии используется максимальный размер сетки, устанавливенный в опции Ray Density". Для длин волн с меньшими весами используются сетки с меньшим количеством лучей для правильного представления их в диаграмме. Сетка лучей также соответствующим образом искажается для создания правильного распределения лучей, когда определена аподизация зрачка. Величина RMS, указываемая на диаграмме, вычисляется с учетом весов длин волн и коэффициентов аподизации. Однако эта величина является только оценкой среднеквадратического размера пятна, основанная на действительных трассах лучей. Эта величина не является очень точной оценкой для некоторых систем. В нижней части диаграммы пятна рассеяния даны координаты опорной точки в плоскости изображения. Если рассматривается пятно рассеяния на какой-либо другой поверхности, то указываются координаты опорной точки на этой поверхности. Так как в качестве опорной точки может рассматриваться центр тяжести пятна, то это удобно для определения координат центра тяжести пятна. Through Focus Диаграммы внефокальных пятен рассеиванмя Назначение: Показывает изменения диаграммы пятна рассеивания при различной величине дефокусировки системы. Settings: Установки: Все установки идентичны установкам для стандартной диаграммы Обсуждение: Эти диаграммы полезны для оценки астигматизма системы или для анализа плоскости наилучшей фокусировки или глубины фокуса. Full Field По всему полю зрения * Назначение: Показывает диаграммы пятна рассеяния для всех позиций полей в одном масштабе. Settings: Все установки идентичны установкам для стандартной диаграммы. Обсуждение: Диаграммы "Full Field" подобны диаграммам стандартного типа ("Standard"), за исключением того, что для всех позиций поля диаграммы изображаются относитепьно одной и той же опорной точки. Зто сделано для того, чтобы можно было видеть, как пятно рассеяния изменяется от одного поля к другому. Например, это может быть использовано для оценки разрешения двух близко расположенных точек в плоскости изображения. Диаграммы "Full Field" бесполезны, если размер пятна рассеяния мал в сравнении с полным размером поля, так как в таком случае для каждого поля будет изображаться просто "точки". 7 -20 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Matrix Матрица диаграмм для разных полей и длин волн Назначение: Показывает отдельные диаграммы пятна рассеяния для всех точек поля и всех длин волн, располагая их в графическом окне в виде матрицы: вдоль столбцов располагаются диаграммы для разных полей, а вдоль строк - для разных длин волн Settings: Установки: Все установки идентичны установкам для стандартной диаграммы, за исключением добавления следующей опции: Позиция Описание Ignore Lateral. Color Если установить эту опцию, то каждая диаграмма будет строиться относительно опорной точки для ка>кдого поля и ка>кдой длины волны независимо. При этом, в сущности, игнорируется воздей- воздействие хроматизма увеличения, который может смещать опорные точки для каждой длины волны. Обсуждение: Матричное представление диаграмм пятна рассеяния является удобным способом выявления компонент аберраций на разных длинах волн. Configuration Matrix Матрица диаграмм для разных конфигураций Назначение: Показывает отдельные диаграммы пятна рассеяния для всех точек поля и для каждой конфигурации оптической схемы, располагая их в графическом окне в виде матрицы: вдоль столбцов располагаются диаграммы для разных конфигураций, а вдоль строк - для разных точек поля. Settings: Установки: Все установки идентичны установкам для стандартной диаграммы. Обсуждение: Матричное представление диаграмм пятна рассеяния является удобным способом выявления компонент аберраций для разных конфигураций оптической схемы. С левой стороны графика указаны значения точек поля: если показано более одной конфигурации и точки поля заданы как изменяющиеся параметры для разных конфигураций, то позиции поля указываются только для последней конфигурации. MTF МПФ Modulation Transfer Function (FFT MTF) Модуляционная передаточная функция (БПФ МПФ) Назначение: Вычисляет (с использованием алгоритма Быстрого Преобразования Фурье, БПФ) дифракционную Модуляционную Передаточную Функцию (МПФ) для заданной позиции поля. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS 7 -21
Settings- Установки. Позиция Sampling Show Diffraction Limit Max Frequency Wavelength Field Type Use Polarization Use Dashes Описание Формат сетки пучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее Хотя при бопьшем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Показать/нет на графике дифракционный предел. Определение максимальной пространственном частоты (в линиях на миллиметр) для графического изображения. Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Номер поля, для которого должны быть выполнены вычисления. Выбор типа функции: модуль, реальная часть, мнимая часть, фаза, отклик на решетку прямоугольной формы. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Мели", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Использовать сплошные или штриховые линии для изображения разных кривых. Обсуждение: Смотри также разделы, в которых обсуждаются программы FFT и Huygens Point Spread Function. Комментарии, данные в этих разделах, применимы и к этой программе. Вычиспение дифракционной МПФ производится на основе БПФ данных в зрачке. Результирующая МПФ - модуль оптической лередаточной функции системы в зависимости от пространственной частоты волны синусоидальной формы; достулны также действительная и мнимая части МПФ "и фазовая характеристика системы, а также отклик системы на прямоугольную пространственную волну. Square wave MTF - модуляционный отклик системы на волну лрямоугольной формы (в отличие от других функций, которые являются откликом на синусоидальную волну). Отклик на прямоугольную волну вычисляется с использованием данных MTF по следующей формуле: 4 л M(v) 1 3 MEv) 5 M{lv 7 где S(v) - отклик на прямоугольную волну, M(v) - отклик на синусоидальную волну, и \ - пространственная частота. Частота среза равна обратной величине произведения длины волны на F/#. ZEMAX вычисляет рабочее F/# для каждой длины волны и для каодого поля для 7-22 Chapter 7: ANALYSIS MENU
меридионального и сагиттального сечений отдельно. Это позволяет получать точные значения МПФ даже для систем с анаморфотной и хроматической дисторсией, которые проявляются у цилиндрических поверхностей и дифракционных решеток. Дифракционные вычисления являются более точными, когда количество отсчетов увеличивается, а величина "peak-to-valley11 OPD уменьшается. Если величина "peak-to- valley" OPD в зрачке слишком велика, то отсчеты волнового фронта будут слишком грубые и получается "наложение" данных. "Наложение" данных является результатом их неточности. При обнаружении "наложения" ZEMAX даст сообщение об ошибке. Однако ZEMAX во всех случаях не может автоматически обнаружить, что отсчетов недостаточно, особенно при слишком большом наклоне кривой для фазы волнового фронта. Чтобы метод FFT MTF давал точные результаты, необходимо достаточно однородное распределение лучей по площади выходного зрачка в пространстве косинусов. Для некоторых систем, таких как светосильные внеосевые рефлекторы, обладающие очень большим растяжением выходного зрачка, результаты будут недостаточно точными. Для этих систем нужно использовать программу Huygens MTF; см. далее раздел "Huygens MTF". Когда величина OPD, выраженная в волнах, является слишком большой, например, больше 10 длин волн, лучше использовать геометрическую МПФ вместо дифракцион- дифракционной. При таких больших аберрациях в системе геометрическая МПФ очень точна, особенно на низких пространственных частотах. Так как ZEMAX не учитывает векторной теории дифракции, данные МПФ могут быть не точными для светосильных систем, с F/# порядка F/1.5 (ухудшение точности происходит постепенно). Для таких систем данные графика OPD являются более фундаментальными и поэтому более надежными с точки зрения представления их характеристик. Если характеристики системы не очень близки к дифракционным, то может быть полезной геометрическая МПФ. Показанная на графике кривая дифракционного предела является МПФ для безаберрационной системы, вычисленной для опорной точки поля (смотри определение термина "Diffraction Limited" в главе "Conventions and Definitions"). Пространственная частота на графиках МПФ всегда выражается в линиях на милли- миллиметр в пространстве изображений; это правильная единица измерения для пространственной частоты синусоидальной волны. Пространственная частота также часто измеряется числом пар линий на миллиметр, что. вообще говоря, применяется только к линейной мире. ZEMAX использует обе эти взаимозаменямые единицы измерения, так как они обе используются в промышленности. МПФ всегда измеряется в пространстве изображений, так что для определения отклика для пространства объектов необходимо учесть увеличение системы. Природа FFT алгоритма такова, что вычисления производятся в координатной системе пространства объектов. Поэтому вращение поверхности изображения не влияет на ориентацию вычисленной MTF. Отклик в тангенциальной плоскости соответствует периодической структуре с линиями,' направленными вдоль оси Y в пространстве объектов. Это отличается от правила ориентации графиков в программах "Geometric MTF" и "Huygens MTF" Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -23
FFT Through Focus MTF БПФ МПФ при дефокусировке Назначение. Вычисляет методом БПФ дифракционную модуляционную передаточную функцию при разных величинах дефокусировки системы для всех полей для заданной пространственной частоты. Это включает:. дифракционную внефокальную МПФ (Diffraction Through Focus Modulation Transfer Function. DTFM); действительную часть дифракционной внефокальной МПФ (Diffraction Through Focus Real MTF, DTFR); мнимую часть дифракционной внефокальной МПФ (Diffraction Through Focus Imaginary MTF. DTFI), фазу дифракционной внефокальной МПФ {Diffraction Through Focus Phase MTF. DTFP) и дифракционную внефокальную МПФ для прямоугольной решетки (Diffraction Through Focus Square-Wave MTF. DTFS). Установки: Позиция Sampling Delta Focus Frequency # Steps Wavelength Field Type Use Polarization Use Dashes Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Рассматриваемая область дефокусировки. Рассматриваемая пространственная частота (число циклов на миллиметр). Число рассматриваемых внефокальных плоскостей. Сглаженная кривая проводится через указанные точки. Чем больше задано шагов, тем выше точность, но время вычислений увеличивается. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Выбор типа функции: модуляционная, реальная часть, мнимая часть, фаза, отклик на прямоугольную пространственную решетку. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Использовать сплошные или штриховые линии для изображения разных кривых. Обсуждение: Смотри выше описание программы "FFT MTF". FFT Surface MTF Поверхность МПФ (метод БПФ) Назначение: Показывает модуль МПФ в виде трехмерной поверхности CD surface), в виде контура, в сером цвете или в виде цветной карты Этот график полезен для вмзуализации МПФ при ориентациях объекта, отличающихся от чисто тангенциаль-ной или сагиттальной 7-24 Chapter Т ANALYSIS MENU
Settings: Позиция Sampling Rotation Scale Wavelength Field Show As Use Polarization Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Установка угла поворота огибающей поверхности МПФ на графике; 0. 90,180 или 270 градусов. Установка масштаба графика по вертикали, отличающегося от масштаба, устанавливаемого программой автоматически. Обычно это значение должно быть равно единице. Значение больше единицы приводит к растягиванию графика по вертикали, а значение меньше единицы - к сжатию вертикальной шкалы. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Выбор типа графика: (огибающая) поверхность (surface plot), контурная карта, градация шкалы в сером цвете, градация шкалы в условных цветах. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддержи- поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Обсуждение: Обычные графики МПФ представляют собой два ортогональных сечения (огибающей) поверхности МПФ. График (огибающей) поверхности имеет в основном качественный, а не количественный характер. FFT MTF vs. Field МПФ в зависимости от позиции поля Назначение: Вычисляет (методом БПФ) график зависимости МПФ от позиции поля. Установки: Позиция Sampling Frequency 1, 2, 3 Wavelength Use Polarization Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получа-ются более точными, но увеличивается и время вычислений. Три пространственные частоты (в линиях на миллиметр), для которых вычисляется график. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе 'System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-25
Позиция Use Dashes Remove Vignetting Factors Field Density 1 Описание Использовать сплошные или штриховые линии для изображения разных кризых. При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются Смотри данный ниже комментарий относительно факторов виньетирования. Это количество точек в поле зрения между точкой на оси и максимально заданной величиной поля, котрые будут использо- использоваться при вычислении МПФ; промежуточные значения интерполируются. Допускается использовать до 100 промежуточ- промежуточных точек. Обсуждение: Смотри описание программы "FFT MTF". Эта Программа вычисляет и изображает график МПФ в зависимости от радиальных координат поля зрения (до максимально заданного поля). Comment about vignetting factors Комментарий относительно коэффициентов виньетирования Факторы (коэффициенты) виньетирования определяют размер и форму зрачка, как он видится из разных точек поля (см. в главе "System Menu" раздел "Vignetting factors"). Так как для вычисления графика зависимости МПФ от радиальных координат точек поля необходимо использовать промежуточные точки лоля (относительно заданных), для которых коэффициенты виньетирования не заданы, то использовать коэффициенты виньетирования в этой программе не рекомендуется. Если сделать установку "Remove Vignetting Factors" (которая устанавливается по умолчанию), то при выполнении этой программы все факторы виньетирования будут устранены, а вместо них в схему будут введены поверхностные апертуры. Метод "поверхностных апертур", в общем, является более точным, чем метод с использованием коэффициентов виньетирования, когда зрачок полностью заполнен светом. Результаты этих двух методов могут различаться. В некоторых случаях, особенно когда коэффициенты виньетирования используются для определения формы пучка света от источника, а не для определения апертуры, может лотребоваться использование коэффициентов виньетирования. В таком случае снимите установку "Remove Vignetting Factors1*. Тогда ZEMAX будет использовать для промежуточных точек поля величины коэффициентов виньетирования для ближайших к ним заданных точек поля. FFT MTF Map Карта МПФ Назначение; Вычисляет (методом БПФ) МПФ как функцию координат поля и изображает полученную зависимость для заданной прямоугольной области поля. Settings: Позиция Sampling Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32 х 32, 64 х 64 и так далее. Хотя при большем формате сетки данные получаются более точными, время вычислений увеличивается 7 -26 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция XorY Field Width Frequency Use Polarization Wavelength X or Y Pixels MTF Data Reference Field Show As Remove Vignetting Factors Описание Ширина поля по осям X или Y, выраженная в единицах измерения поля. Это полная ширина или высота поля, а не его половина. Единицами измерения поля являются градусы в пространстве объектов, если в схеме используются угловые единицы измерения; в других случаях единицами измерения поля являются те же линейные единицы, которые установлены для схемы. Пространственная частота, для которой вычисляется МПФ. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization11 в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и Другие детали Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. При установке "АН" выполняются вычисления полихроматической МПФ. Количество пикселов, для которых вычисляется МПФ в каждом отдельном направлении. Заметьте, что размер пикселов определяется количеством пикселов и заданной шириной поля; пикселы не обязательно должны быть квадратными. МПФ вычисляется для центра пиксела и при изображении карты МПФ принимается, что МПФ имеет одно и то же значение по всей площади пиксела. Можно посмотреть распределение МПФ в тангенциальном или сагиттальном сечениях, или средние значения для этих плоскостей. Установка номера поля, которое принимается за центр карты. Если установлен 0, то центром поля будет точка с координатами @. 0). Выбор цветного или серого изображения карты. При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри данный выше комментарий относительно факторов виньетирования. Обсуждение: Смотри описание программы "FFT MTF". Эта программа вычисляет МПФ для точек поля, заданных на двумерной сетке. Если число точек велико, то время вычислений становится очень длительным. Смотри также далее раздел "Geometric MTF Map". Huygens MTF Вычислении МПФ "по Гюйгенсу" Назначение: Вычисление дифракционной модуляционной передаточной функции с помощью алгоритма прямого интегрирования (на основе представлений Гюйгенса о вторичных волнах). Settings: Позиция Описание Pupil Sampling Выбор формата сетки трассируемых лучей для вычислений Чем больше формат, тем точнее результаты вычисления но время вычисления увеличивается Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-27
Позиция Image Sampling Image Delta Zero Padding Wavelength Field Type Max Frequency Show As Use Polarization Use Dashes Описание Выбор формата сетки точек, для которых вычисляется интенсивность дифракционного изображения Формат сетки отсчетов вместе с шагом сетки (Image Delta) определяют размер показываемой области. Расстояние между точками (шаг) сетки изображения в микронах. Заполнение пробелов между вычисленными течками на графике ФРТ нулевыми отсчетами перед выполнением преобразования Фурье. Номер длины волны, для которой производятся вычисления. Номер поля, для которого производятся вычисления. Выбор данных, которые должны быть отображены на графике. Максимальная пространственная частота (количество циклов на мм), до которой строится график. Выбор способа показа данных: график поверхности, контурная карта, серая шкала, шкала в условных цветах. При этой установе через систему будут трассироваться поляризован- поляризованные лучи и в результатах вычисления будет учитываться пропускание системы. См. в главе "System Menu" раздел "Polarization", в котором дано описание способа установки состояния поляризации лучей. Эта опция поддерживается только программой ZEMAX-EE. Выбор способа изображения разных кривых на графике для их различения: либо сплошные линии, либо пунктирные линии. Смотри обсуждение, данное в разделе "Huygens Point Spread Functions". Все приведенные там комментарии применимы и к данной программе. Обсуждение: Эта программа вычисляет TFT of the Huygens Point Spread Function" (БПФ ФРТ). Начальные установки "Image Sampling" и "Image Delta" - те же, что и для программы "Huygens PSF"; поэтому обратитесь сначала к программе "Huygens PSF". Установка "Zero Padding' прибавляет нулевые значения интенсивности в точках пробелов в сетке отсчетов ФРТ, в результате чего достигается визуальный эффект в увеличении плотности пикселов после Фурье-трансформации. Так как Фурье-преобразование производится в системе координат пространства изображения, тангенциальный отклик соответствует пространственным частотам в Y направлении в локальной системе координат поверхности изображения, а сагиттальный отклик - пространственным частотам в X направлении. "Huygens MTF" также не зависит от положения лучей на параксиальном зрачке. Поэтому МПФ может быть вычислена для любой системы, для которой может быть вычислена "Huygens PSF", что включает многие "непоследова- "непоследовательные" системы с портами (для которых при использовании других дифракционных алгоритмов требуются опорные лучи) и системы, у которых зрачки или изображения образуются многими перекрывающимися "непоследовательными" субапертурами. Эта программа также дает корректные результаты для систем с большой дисторсией выходного зрачка, таких как светосильные внес-севые рефлекторы. Пространственные частоты всегда выражаются в циклах на миллиметр и относится к пространству изображений. Природа алгоритма "Huygens" такова, что вычисления производятся в координатной системе пространства изображений. В связи с этим вращение плоскости изображения приводит к изменению ориентации графика вычисленной МПФ. Периодическая структура в тангенциальной плоскости соответствует ориентации линий вдоль оси X в 7-28 Chapter 7: ANALYSIS MENU
пространстве изображений, а периодическая структура в сагиттальной плоскости — ориентации линий вдоль оси Y Это отличается от соответствующего правила ориентации графика для программы "FFT MTF" i t Huygens Through Focus MTF Внефокальные Huyqens MTF Назначение: ' ' Вычисляет дифракционную модуляционную передаточную функцию (MTF) методом прямого интегрирования вторичных волн Гюйгенса для различных величин ■ дефокусировки. Установки: Позиция Delta Focus Frequency # Steps Описание Диапазон дефокусировки Пространственная частота (в циклах на мм), для которой печатаются данные. Количество внефокальных плоскостей, для которых производятся вычисления. Сглаженная кривая проводится через вычисленные точки. Чем больше шагов, тем выше точность результатов, но время вычислений увеличивается. Другие установки аналогичны тем, которые используются в программе "Huygens MTF". ■ Обсуждение: Эта программа подобна программе "Huygens MTF". Huygens Surface MTF Поверхность МПФ "по Гюйгенсу" Назначение: Вычисление дифракционной модуляционной передаточной функции (MTF) с помощью алгоритма прямого интегрирования Гюйгенса и изображение результирующих данных в виде поверхности с использованием серой или цветовой шкалы или в виде контурной карты. Обсуждение: Эта программа подобна программе "Huygens MTF". описание которой было дано выше Geometric MTF Геометрическая МПФ. Назначение: Вычисляет график геометрической передаточной функции, которая является близким приближением к дифракционной МПФ, основанной на данных об аберрациях лучей. Settings: Позиция Описание Sampling Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32 х 32, 64 х 64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. _____ Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -29
Позиция Описание Max Freq I Wavetengtn Field Максимал&ная пространственная частота (в линиях ка миллиметр), дпя которой строится график. 1 Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля для которого проводятся вычисления. Multiply by Diffraction Limit Шкала геометрической МПФ масштабируется безаберрационной МПФ; это дает более реалистичный результат для систем с небольшими аберрациями Рекомендуется использовать всегда. Use Polarization Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел Polarization" в главе 'System Menu" где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. __ Scatter Rays Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Обсуждение: Геометрическая МПФ является полезным приближением к дифракцион- дифракционной МПФ для систем с характеристиками, далекими от дифракционного предела. Геометрическая МПФ полезна для анализа систем с большими волновыми аберрациями (порядка длины волны), для которых дифракционная МПФ не может быть вычислена точно. Геометрическая МПФ является очень точной на низких пространственных частотах для систем с большими аберрациями. Природа "геометрического" алгоритма такова, что вычисления производятся в координатной системе пространства изображений. В связи с этим вращение плоскости изображения приводит к изменению ориентации графика вычисленной МПФ. Периодическая структура в тангенциальной плоскости соответствует ориентации линий вдоль оси X в пространстве изображений, а периодическая структура в сагиттальной плоскости - ориентации линий вдоль оси Y. Это отличается от соответствующего правила ориентации графика для программы "FFT MTF". Geometric Through Focus GMTF ВнеФокальная геометрическая МПФ Назначение: Вычисляет график геометрической передаточной функции для внефокальных поверхностей для заданной пространственной частоты. Settings: Позиция Sampling Delta Focus Frequency # Steps Олисание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получа- получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Область дефокусировки. Пространственная частота (в линиях на миллиметр), для которой должны быть выполнены вычисления. Количество (вне)фокальных плоскостей, для которых должны быть выполнены вычисления. Сглаженная кривая проводится через вычисленные точки. Чем больше шагов, тем выше точность, но время вычислений увеличивается 7-30 ChBpter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Wavelength Field Multiply by Diffraction Limit Use Polarization Scatter Rays Use Dashes Описание Номер длины волны для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Шкала геометрической МПФ нормируется безаберрационнои МПФ; это дает более реалистичный результат для систем с небольшими аберрациями. Рекомендуется использовать всегда. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Выбор способа изображения разных кривых на графике для их различения: либо сплошные линии, либо пунктирные линии. 'Diffraction MTF vs. Field", с Обсуждение: Смотри выше раздел "Geometric Transfer Function". Geometric MTF vs. Field Геометрическая МПФ в зависимости от поля Назначение: Вычисление зависимости МПФ от позиции поля. Установки: Идентичны установкам, используемым в программе добавлением возможности учета рассеивания лучей. Geometric MTF MAP Карта геометрической МПФ Назначение: Вычисляет геометрическую МПФ как функцию позиции поля и изображает эту зависимость в виде прямоугольной карты, покрывающей заданную область поля зрения. Установки: Позиция Описание Sampling Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32. 64x64 и так далее. Хотя при большом формате сетки отсчетов данные получаются более точными, увеличивается время вычислений. X or Y Field Width Ширина поля по X или Y направлениям в единицах измерения поля. Заметьте, что это полная ширина или высота поля, а не полуширина и не полувысота. Единицы измерения поля - градусы в пространстве объекта, если поле задается углами; в других случаях единцами изме- рения поля, являются те же единицы, которые используются в схеме Глава 7: МЕНЮ -ANALYSIS" 7-31
1 ПОЗИЦИЯ Frequency Use Polarization Wavelength X or Y Pixels MTF Data Reference Field Show As Scatter Rays Remove Vignetting Factors Описание Пространственная частота (в линиях на миллиметр), для которой вычисляется GTMF. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы Смотри раздел Polarization в главе System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали Эта опция поддерживается только редакцией 2ЕГ-ИАХ-ЕЕ. Номер длины волны, для которой производятся вычисления. Количество пикселов для которых вычисляется МПФ в каждом направлении. Заметьте, что размер пикселов определяется на основе данных об их количестве и о ширине поля; пикселы не обязательно должны быть квадратными- Геометрическая МПФ вычисляется для центральных точек пикселов и считается, что ее величина одинакова по всей площади пиксела (только для цели изображения). Выбор данных, которые должны быть показаны на карте: тангенциальная, сагиттальная или усредненная GMTF. Установка номера поля, которое должно служить центром карты. Если ввести нулевое значение, то в центр карты будет помещен центр объекта (hx = 0, hy = 0), если даже эта точка поля не задана в схеме. Выбор используемой шкалы при изображении данных: в оттенках серого цвета или в цветовой шкале. Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Удаление из данных схемы коэффициентов виньетирования перед вычислением геометрической МПФ. Смотри в даннм выше разделе MFFT MTF vs. Field" комментарий относительно факторов виньетирования ("Comment about vignetting factors"). Обсуждение: Смотри данный выше раздел "Geometric Transfer Function1. Эта программа вычисляет GMTF для каждой точки заданной двумерной сетки поля. Если количество пикселов велико, то время вычислений может быть очень большим. Смотри также описание программы "Diffraction) MTF Map". PSF ФРТ FFT Point Spread Function Функция рассеяния точки, вычисленная методом БПФ Назначение: Вычисляет дифракционную функцию рассеяния точки с использованием метода Быстрого Преобразования Фурье (БПФ). Установки: Позиция Описание Sampling Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой дпя вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32 х 32, 64 х 64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. _ 7-32 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Display Rotation Wavelength Field Type Show As Use Polarization Image Delta Normalize Описание Установка величины части графика, которая должна быть показана Показываемая в графическом окне часть графика может быть задана сеткой от 32 х 32 до удвоенной величины числа заданных отсчетов (sampling). Чем меньше показываемая часть графика, тем меньше будет показано данных, но они будут показаны с большим увеличением. Поворот графика: поворот может быть произведен на 0, 90, 180 и 270 градусов. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Выбор типа графического изображения: отсчет интенсивности в линейном масштабе (Linear), в логарифмическом масштабе (Logarithmic) или график распределения фазы. Выбор способа показа данных: (огибающая) поверхность, контурная карта, серая градация шкалы, градация шкалы в условных цветах. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Величина шага между точками в пространстве изображения; измеряется в микронах. Если установить нулевое значение, то величина шаг будет установлена по умолчанию. См. Обсуждение. Если установить эту опцию, то максимум интенсивности будет нормирован к единице. В противном случае максимум интенсивности будет нормирован к максимуму функции для безаберрационной системы. Обсуждение: Метод вычисления функции рассеяния точки (ФРТ) на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) очень быстр, однако он использует некоторые прибли- приближения, которые не всегда выполняются. Более медленный, но и более общий метод Гюйгенса свободен от таких приближений и будет описан в следующем разделе. Assumptions used in the FFT PSF calculation Приближения, используемые при вычислении БПФ ФРТ Программа FFT PSF вычисляет интенсивность формируемого оптической системой дифракционного изображения одного точечного источника в поле. Интенсивность вычисляется для воображаемой плоскости, расположенной перпендикулярно к падающему на нее главному лучу для опорной длины волны. Опорной длиной волны является главная длина волны при вычислениях полихроматической ФРТ и любая другая длина волны, для которой вычисляется монохроматическая ФРТ. Так как воображаемая плоскость расположена нормально по отношению к главному лучу и не является поверхностью изображения, программа FFT PSF дает чрезмерно оптимистические результаты (меньшие размеры ФРТ) в случаях, когда угол падения главного луча не равен нулю. Это часто случается в системах с наклоненной плоскостью изображения, в широкоугольных системах в системах с аберрациями выходного зрачка или в системах, далеких от телецентричности в простанстве изображений. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-33
Другое главное приближение, которое используется в методе БПФ состоит в том, что поверхность изображения якобы лежит в дальнем поле оптического пучка. Это означает, что вычисление ОРТ будет точным только в том случае если поверхность изображения находится довольно близко к геометрическому фокусу всех лучей; или, иначе говоря, когда поперечные аберрации не слишком велики Нет определенного жесткого предела для величины поперечных аберраций, но если они достигают нескольких сот длин волн, вычисления, скорее всего, не будут точными. Заметьте, что даже системы с очень малыми аберрациями волнового фронта могут иметь большие поперечные аберрации (например, - цилиндрические линзы, фокусирующие лучи только вдоль одного направления). В этом случае поперечные аберрации вдоль другого (несфокусированного) направления будут порядка диаметра пучка. В таких случаях метод Huygens PSF может дать более точные результаты. Для большинства схем менее критичное приближение состоит в том. что используется скалярная теория дифракции. Векторная природа света в расчет не принимается. Это существенно для светосильных систем (около F/1.5 в воздухе или ещё более светосильных). Скалярная теория дает слишком оптимистические результаты (меньшие размеры ОРТ для сверхсветосильных систем). Для систем, у которых главный луч близок к нормали (примерно менее 20 градусов) и у которых аберрации выходного зрачка пренебрежимо малы, метод FFT PSF является точным и, обычно, значительно более быстрым, чем метод Гюйгенса (Huygens PSF). Когда есть сомнение, можно использовать оба этих метода для сравнения. Твердое понимание пользователем этих приближений и метода вычислений существенно для поиска компромисса в выборе метода вычислений. Discussion of the FFT method and sampling issues Обсуждение метода БПФ и проблема отсчетов Алгоритм FFT PSF основан на том факте, что дифракционная ФРТ связана преобразованием Фурье с комплексной амплитудой волнового фронта в выходном зрачке оптической системы. Сначала для сетки лучей в выходном зрачке вычисляются амплитуды и фазы электрического поля, а затем выполняется быстрое преобразова- преобразование Фурье и вычисляется интенсивность дифракционного изображения. Существует компромисс между форматом сетки отсчетов в зрачке и величиной периода отсчетов в дифракционном изображении. Например, для уменьшения периода отсчетов в дифракционном изображении период отсчетов в зрачке должен быть увеличен. Это делается путем "растяжения" сетки отсчетов в зрачке, так что она начинает переполнять зрачок. Этот процесс означает, что только несколько точек отсчетов будут действительно находиться в пределах зрачка. Когда формат сетки отсчетов увеличивается, ZEMAX (по умолчанию) масштабирует сетку в зрачке таким образом, чтобы увеличить число точек отсчетов в пределах зрачка; одновременно происходит сближение отсчетов в дифракционном изображе- изображении. С каждым удвоением формата сетки период отсчетов в зрачке (расстояние между точками в зрачке) уменьшается в v2 раз в каждом направлении, также в ■* 2 раз уменьшается период в каждом направлении в плоскости изображения, а ширина сетки I— дифракционного изображения увеличивается в 2 (так как число точек в каждом направлении удваивается). Все соотношения являются приблизительными и асимптотически правильны для больших сеток 7 -34 • Chapter 7. ANALYSIS MENU
Рассмотрим, как производится растяжение сетки применительно к формату сетки 16x16. Сетка из 16x16 точек помещается в плоскости зрачка и точки которые попадают в пределы зрачка, трассируются. Для этого формата сетки расстояние между точками в плоскости дифракционного изображения определяется выражением: где F — рабочее F/# (отличное от F/# в пространстве изображений), X - самая короткая из определенных длин волн и п - число точек в ряду сетки (в данном случае - 16, т. к. сетка отсчетов имеет размер 16x16). Число 2 вычитается из п, поскольку центр зрачка находится не на узле сетки (так как п - четное число), а смещен относительно него на п/2+1. Число 2п в знаменателе обусловлено подгонкой к нулю, которая будет описана ниже. Для сеток с форматом больше 16x16 (a ZEMAX использует форматы сеток, начиная с 32x32) сетка растягивается по пространству зрачка с коэффициентом 2 каждый раз, когда плотность отсчетов удваивается. Общая формула для отсчетов в простра- пространстве изображений выглядит тогда следующим образом: &Х= а полная ширина сетки изображения: -2 2/1 п W = ДлB/1-1). Так как растяжение сетки зрачка уменьшает число точек отсчетов в зрачке, эффек- эффективный формат сетки (формат сетки, определяемый м действительно трассируемых лучей) будет меньше заданной плотности отсчетов. Эффективный формат сетки увеличивается с увеличением формата сетки отсчетов, но не быстро. В нижеследующей таблице суммированы приблизительные эффективные форматы сетки для различных значений плотности отсчетов. EFFECTIVE GRID SIZES FOR PSF CALCULATIONS ЭФФЕКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ СЕТКИ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЙ ОРТ Размер сетки отсчетов 32x32 64x64 128x128 256 х 256 512x512 1024х1024 2048 х 2048 Приблизительное число эффективных отсчетов в зрачке 23x23 32x32 45x45 64x64 90x90 128x128 181х181 Отсчеты зависят также от длины волны. Проведенное выше обсуждение действи- действительно только для самой короткой волны, используемой при вычислениях. Если вычисляется полихроматическая ФРТ. то более длинные волны будут масштаби- масштабированы таким образом, что для них -эффективный формат сетки будет меньше. В качестве масштабного коэффициента используется отношение длин волн. Это должно быть принято во внимание, когда выбирается формат сетки для систем, работающих в Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-35
широком диапазоне длин волн. Для полихроматической ФРТ полученные данные для коротких воли будут белее точными, чем для длинных волн. Шаг отсчетов. \х (Image Delta), может быть установлен вручную, если требуется какая- либо другая его величина Если величина шага установлена равной нулю, ZEMAX автоматически определяет его величину как это было описано выше. Если величина шага больше нуля. 2ЕМАХ масштабирует сетку отсчетов в зрачке таким образом, чтобы получилась установленная величина шага. Действительная величина растяжения сетки зависит от ее размера, величины шага, заданных длин волн, величин F/# для каждого поля и каждой длины волны и отношения сторон выходного зрачка. Если будет установлена очень небольшая величина Лх. то на зрачке останется недостаточное число точек отсчетов; если будет установлена слишком большая величина \х, то сетка отсчетов не покроет полностью выходной зрачок. В таких случаях 2ЕМАХ сообщает об ошибке. После того, как число отсчетов определено. ZEMAX удваивает формат матрицы в процессе, называемом "zero padding" (нулевая подгонка). Это означает, что для сетки 32 х 32 ZEMAX будет использовать центральную часть сетки 64 х 64. Поэтому дифракционная ФРТ будет распределена по сетке 64 х 64. Число отсчетов в пространстве изображений всегда в два раза превышает число отсчетов в зрачке Нулевая подгонка производится для снижения эффекта наложения данных. FFT PSF Cross Section Сечения ФРТ, вычисленной методом БПФ Назначение: Эта программа строит сечения дифракционной ФРТ. Settings: Позиция Sampling Row/Col Wavelength Field Type Use Polarization Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Строка или столбец, через которые допжно быть проведено сечение. Для сетки 32x32 имеется 64 строки и 64 столбца (смотри обсуждение, данное в разделе PSF). Сечение проводится вдоль ряда или вдоль колонки в зависимости от установки "Туре". Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Выбор: направления сечения (по оси X или по оси Y), линейного или логарифмического масштаба, или построение графика фазы. Сечения по оси X называются строками, а сечения по оси Y - столбцами, но это условно. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией 2ЕМАХ-ЕЕ. 7-36 Chapter 7- ANALYSIS MENU
Позиция Описание Normalize При этой установке максимум интенсивности нормируется к единице. В противном случае максимум интенсивности нормируется к пиковому значению безаберрационной ФРТ (отношение по Штрелю). _____ Обсуждение: Смотри обсуждение, данное в разделе Point Spread Function. Все приведенные там комментарии применимы и к данной программе. Сечения строятся непосредственно на основе данных вычисления ФРТ. Поскольку ФРТ вычисляются непосредственно по данным о фазе в выходном зрачке, то ориентация координатной системы может быть не во всех случаях правильной. Принятые за положительные направления по осям X и Y могут не согласовываться с координатами в пространстве изображений, представленными в других данных, таких как диаграмма пятна рассеяния. Huygens Point Spread Function Вычисление ФРТ методом прямого интегрирования ("по Гюйгенсу") Назначение: Вычисляет дифракционную функцию рассеяния точки с использованием метода прямого интегрирования вторичных волн Гюйгенса. Установки: Позиция Pupil Sampling Image Sampling Image Delta Rotation Wavelength Field Type Normalize Show As Описание Установка формата сетки трассируемых лучей. Чем выше" плотность отсчетов, тем выше будет точность вычислений, но время вычислений сильно увеличивается. Формат сетки изображения, для точек которой должна быть вычислена интенсивность. Это число вместе с установкой "Image Delta" определяет размер изображаемой области. Установка расстояния между точками в сетке изображения в микронах. Поворот графика: поворот может быть произведен на 0, 90. 180 и 270 градусов. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Выбор масштаба графического изображения: отсчет интенсивности в линейном масштабе (Linear), в логарифмическом масштабе (Logarithmic). При этой установке максимум интенсивности нормируется к единице. В противном случае максимум интенсивности нормируется к пиковому значению безаберрационной ФРТ (отношение по Штрелю). Выбор способа показа данных: (огибающая) поверхность, контур- контурная карта, серая градация шкалы, градация шкалы в условных цветах. Глава 7: МЕНЮ 'ANALYSIS' 7-37
Позиция Use Polarization Use Centroid Описание Если выбрать эту опцию. то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы Смотри раздел Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если сделать эту установку, то график будет центрирован относительно центра тяжести геометрического изображения. В противном случае изображение будет центрировано относительно главного луча. Обсуждение: Один из методов анализа эффектов дифракции заключается в том, что каадая точка волнового фронта рассматривается как действительный точечный источник вторичной световой волны. Каждый из этих источников излучает элементарную сферическую волну, иногда называемую "волной Гюйгенса" по имени Гюйгенса, впервые предложившего эту модель. Дифракция волнового фронта при его распространении в пространстве определяется интерференцией этих вторичных волн, или комплексной суммой всех излучаемых вторичных волн. Для вычисления ФРТ по модели Гюйгенса через оптическую систему запускается сетка лучей и каждому лучу приписываются индивидуальные величины амплитуды и фазы. Интенсивность дифракции е каждой точке поверхности изображения представляет собой просто комплексную сумму всех этих вторичных волн, возведенную в квадрат. В отличие от FFT PSF, ZEMAX вычисляет Huygens PSF на воображаемой плоскости, касающейся поверхности изображения в точке ее пересечения главным лучом. Заметьте, что воображаемая плоскость располагается перпендикулярно к нормали поверхности в точке касания, а не перпендикулярно к главному лучу. Поэтому программа Huygens PSF учитывает все локальные наклоны на поверхности изобра- изображения, вызванные либо наклоном самой плоскости изображения, либо косым падением главного луча, либо и тем, и другим. Далее, программа Huygens PSF принимает в расчет изменение формы дифракцион- дифракционного изображения с распространением пучка лучей вдоль поверхности изображения. Это важный эффект, когда поверхность изображения сильно наклонена по отношению к падающему лучку. Еще одно преимущество этого метода заключается в том, что пользователь может выбрать любой размер сетки лучей и любое расстояние между лучами в сетке. Это позволяет проводить непосредственное сравнение ФРТ для двух различных схем, если даже у них различны F/# и длины волн. * Единственный недостаток метода Huygens PSF - это низкая скорость вычислений. Прямое интегрирование не очень эффективно в сравнении с вычислениями методом БПФ (смотри предыдущий раздел), так что эти вычисления могут быть значительно более длительными. Время вычислений примерно пропорционально произведению формата сетки на зрачке в квадрате на формат сетки изображения в квадрате и на число длин волн. Для сокращения времени вычислений ZEMAX автоматически учитывает любую существующую симметрию оптической системы. 7 -38 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Wavefront Волновой фронт Wavefront Map Карта волнового фронта Назначение: Показывает искажение волнового фронта. * Settings: Позиция Sampling Rotation Scale Wavelength Reid Reference To Primary Use Exit Pupil Shape Show As Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений Поворот графика: поворот может быть произведен на 0, 90, 180 и 270 градусов. Установка масштаба графика по вертикали, отличающегося от масштаба, устанавливаемого программой автоматически. Обычно это значение должно быть равно единице. Значение больше единицы приводит к растягиванию графика по вертикали, а значение меньше единицы - к сжатию вертикальной шкалы. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. По умолчанию аберрации волнового фронта относятся к опорной сфере для используемой длины волны. Если выбрать эту опцию, то будет использована опорная сфера для главной длины волны. Говоря другими словами, установка этой опции позволит видеть воздействие хроматизма увеличения. По умолчанию форма зрачка искажена и имеет вид примерно такой, как он видится из точки изображения вдоль главного луча. Если не задействовать эту опцию, то график будет масштабирован к координа- координатам круглого входного зрачка, вне зависимости от того, насколько может быть искажена в действительности форма выходного зрачка. Выбор способа показа данных: поверхность, контурная карта, серая градация шкалы, градация шкалы в условных цветах. Обсуждение: Эта программа очень похожа на программу "Interferogram", описание которой дано ниже. Interferogram Интерферограмма Назначение: Генерирует и показывает интерферограммы. Settings: Позиция Описание Sampling Установка формата сетки отсчетов OPD в зрачке. Формат может быть 32x32, 64x64 и так далее. Чем больше отсчетов, тем выше точность, но время вычислений увеличивается. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-39
Позиция Scale Factor Show As Wavelength Field X-Tilt Y-Titt Beam 1 Beam 2 Описание Задание числа полос на одну волну OPD Полезно для моделирования двойного прохождения интерферометра (то есть использование мас- масштабного коэффициента 2). Выбор типа графического изображения: в псевдосерых цветах, контурная карта, серая шкала или в условных цветах. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Установка числа волн наклона, добавляемых в направлении оси X после применения масштабного коэффициента (Scale Factor). Установка числа волн наклона, добавляемых в направлении оси Y после применения масштабного коэффициента (Scale Factor). Выбор первого интерферирующего пучка. См. Обсуждение. Выбор второго интерферирующего пучка. См. Обсуждение. Обсуждение: Эта программа вычисляет искажение волнового фронта в зрачке для двух пучков лучей. Затем вычисляется разность фаз (или OPD) в этих двух пучках и к этой разности прибавляется (выборочно) некоторая линейная функция фазы от зрачковых координат X и Y для имитирования наклона полос. Каждый пучок может иметь искажения (OPD), соответствующие данной конфигурации; может быть использован также "опорный" пучок с нулевыми значениями OPD. Моделирование интерферометров может быть осуществлено путем задания с помощью двух конфигураций схемы двух различных путей прохождения лучей через систему и вычисления интерферограммы для полученных двух выходящих пучков. Точность такого моделирования ограничена следующими (упрощающими) приближе- приближениями: - Различие в величинах каких-либо поперечных смещений или увеличения для двух пучков игнорируются; предполагается, что выходные зрачки двух систем идеально совмещены. - Какие-либо различия в пропускании двух систем игнорируются; принимается, что интенсивности двух пучков в любой точке зрачка равны и интерферограмма может быть расчитана путем простого вычитания фаз. Foucault analysis Анализ теневым методом Фуко Назначение: Генерирует и показывает теневую диаграмму, получаемую методом ножа Фуко. Settings: Позиция Sampling Туре Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Выбор либо линейной, либо логарифмической шкалы. 7-40 ChBpter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Show As Wavelength Field Row/Col Knife Position Data Use Polarization Reference Decenter X/Y Scale X/Y Описание Выбор способа показа данных: поверхность, контурная карта, градация шкалы в серых или в условных цветвх, сечения диаграммы по осям X и Y. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Указание номера колонки или строки, вдоль которых проводится сечение диаграммы. См. опцию "Show As". Установка положения ножа. При установке "Vertical Left" нож блокирует весь свет (вблизи форкуса), идущий слева от него, а при установке "Vertical Right" - справа от него. При установке Horizontal Above" нож блокирует весь свет, идущий выше ножа, а при установке "Horizontal Below" - ниже ножа. Термины "слева", "справа", "выше" и "ниже" относятся к направлениям -х, +х, +у и -у в локальной системе координат поверхности изображения. Смещение ножа по осям X и Y (относительно главного луча). Смещение производится либо по оси X, либо по оси Y в зависимости от заданного положения ножа (вертикальное или горизонтальное). Вычисляются по выбору: теневая диаграмма, опорная теневая диаграмма или разница между двумя диаграммами. См. "Обсуждение". Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Имя двоичного файла с записью изображения опорной диаграммы. Децентрировка опорной диаграммы по осям X и Y относительно положения вычисленной теневой диаграммы. Единицы измерения децентрировок относятся к полной ширине или высоте опорной диаграммы. Например, децентрировка 0.25 по оси (X Decenter) сместит опорную диаграмму относительно вычисленной на 25% от полной ширины опорной диаграммы. Масштабный коэффициент (по осям X и Y) размера пикселов опорной диаграммы относительно размера пикселов вычисленной диаграммы. Обсуждение: Эта программа моделирует положение ножа Фуко вблизи фокуса и вычисляет теневую диаграмму, получающуюся после распространения виньетированного пучка назад к ближнему полю. Метод вычисления включает в себя вычисление дифракции, основанное на данных (полученных методом БПФ) о комплексной амплитуде ФРТ в фокусе; затем часть комплексной амплитуды виньетируется путем моделирования лезвия ножа, а оставшаяся часть комплексной амплитуды распространяется назад к ближнему полю. Вычисляемая таким образом теневая диаграмма называется в этой программе "вычисленной". Эта программа позволяет также импортировать либо BMP, либо JPG двоичные файлы с записью изображений опорных или измеренных теневых диаграмм. Опорная диаграмма может быть использована для контроля за ориентацией. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-41
Альтернативная возможность - это вычисление разницы между вычисленной и опорной диаграммами, среднеквадратическое значение этой разности может быть оптимизировано с применением оператора FOLJC, описание которого дано в главе 'Optimization . Оптимизация среднеквадратической величины вычисленной разности позволяет количественно определить аберрации в пучке, который произвел измеренную теневую диаграмму. При вычислении разностей отсчетов для вычисленной и опорной диаграмм оба изображения должны быть правильно совмещены и масштабированы. Установки децентров-ки х/у и масштабирования х/у используются для корректного совмещения двух изображений Surface Поверхность Surface Sag Прогиб поверхности Назначение: Показывает величины прогиба поверхности б виде двумерных цветных или контурных карт или строит трехмерный график Settings: Позиция Sampling Contours Surface Show As Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. На самом деле ZEMAX увеличивает число отсчетов на единицу, так что используется нечетное число отсчетов. Это позволяет показать данные в более симметричном виде. Установка величины шага между контурами. Используется только для контурных карт и не действует на другие виды изображения данных. Определяется в единицах, установленных для оптической схемы. Номер поверхности, для которой вычисляются прогибы. Выбор способа показа данных: график поверхности, контурная карта, серая градация шкалы, градация шкалы в условных цветах. Обсуждение: В этой программе принимается во внимание размер и форма любой апертуры, установленной на поверхность, если даже апертура децентрирована. Прогибы вычисляются для равномерной сетки точек в XY плоскости. Вычисленные данные представляют собой величины стрелок прогибов вдоль оси Z. Смотри также следующий ниже раздел "Surface Phase". Surface Phase Изменение Фазы, вносимое поверхностью Назначение: Показывает величины изменения фазы луча, вносимые поверхностью, в виде двумерных цветных или контурных карт или строит трехмерный график 7 -42 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Установки: Позиция Sampling Contours Surface Show As Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32 х 32, 64 х 64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. На самом деле ZEMAX увеличивает число отсчетов на единицу, так что используется нечетное число отсчетов. Это позволяет показать данные в более симметричном виде. Установка величины шага между контурами. Используется только для контурных карт и не действует на другие виды изображения данных. Измеряется е периодах; период представляет изменение фазы на 2л. Номер поверхности, для которой вычисляются фазы. Выбор способа показа данных: график поверхности, контурная карта, серая градация шкалы, градация шкалы в условных цветах. Обсуждение: В этой программе принимается во внимание размер и форма любой апертуры, установленной на поверхность, если даже апертура децентрирована. Фазы вычисляются для равномерной сетки точек в XY плоскости. В этой программе фазы измеряются в периодах; период представляет изменение фазы на 2л. Поверхности, которые не вносят изменения фазы, такие как поверхности типа Standard, будут показаны с нулевой фазой по всей поверхности. Смотри также данный выше раздел "Surface Sag1. RMS скз RMS vs. Field Изменение СКЗ по полю Назначение: Строит графики {монохроматические или полихроматические) зависимости от угла поля: СКЗ радиуса пятна рассеяния или размера пятна по осям X и Y , СКЗ ошибок волнового фронта, числа Штреля. Settings: Установки: Позиция Описание Ray Density Если используется метод гауссовской квадратуры, то плотность трассируемых лучей определяется количеством лучей, расположен- расположенных вдоль радиуса. Чем больше количество трассируемых лучей тем выше точность, хотя время вычислений увеличивается Максимальное количество (которое равно 20) является достаточным для аберраций зрачка вплоть до 40 порядка. Если используется прямоугольная матрица, плотность лучей определяется размером сетки. Лучи, проходящие вне круглого входного зрачка игнорируются Смотри данное ниже 'Обсуждение". ____ Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS 7-43
Позиция Описание Field Density Плотность полей - это число позиций поля ме*-кду нулем градусов и максимальным углом поля для которых вычисляются RMS и числа Штреля, промежуточные значения получаются интерполяцией. Допускается использовать до 100 точек поля. 1 Plot Scale Method Установка максимума для вертикальной шкалы графика. При устзно- вке нулевого значения масштабирование производится автоматически. Выбор метода заполнения входного зрачка: либо гауссова квадратура, либо прямоугольная матрица. Метод гауссовой квадратуры очень быстр и точен, но работает только при отсутствии виньетирования. Если какие-либо лучи виньетируются, то прямоугольная матрица дает более точные результаты. __^___^__^^_____^^_^___ Data Выбор типа графика: ошибки волнового фронта, радиус пятна рассеяния, его размер по осям X и Y или число Штреля. Refer To Выбор опорной точки: либо главный луч, либо центр тяжести. При монохроматических вычислениях опорная точка определяется для рассматриваемой длины волны. При полихроматических вычислениях опорная точка определяется для главной длины волны. И в том, и в другом случае производится вычитание средней величины OPD. При выборе в качестве опорной точки центра тяжести вычитается также эаклон волнового фронта, что дает меньшие величины СКЗ. Orientation Выбор направления поля: по осям +у, -у, +х или -х. Заметьте, что данные вычисляются только до определенной для данного направления максимальной величины поля. ____ Use Dashes Выбор способа различения графических линий для разных длин волн: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров). Wavelength Установите "АН" для одновременного вывода данных по всем определенным длинам волн и для выполнения полихроматических вычислений; установите номер нужной длины волны для получения монохроматических данных или установите "Poly Only" для вывода только полихроматических данных. Show Diffraction Limit Если установить эту опцию, то на графике будет проведена горизонтальная линия, соответствующая дифракционному пределу. Для графиков RMS радиуса, х-размера и у-размера принимается, что дифракционный предел равен 1.22 к F/# , где F/# - рабочее F-число на оси и А, - длина волны (главная длина волны при полихроматических вычислениях). Изменение дифракционного предела с изменением по полю F/# игнорируется; только одно значение используется для всей области графика. Для числа Штреля используется величина 0.8, а для RMS ошибок волнового фронта - 0.072 волны. Все эти величины являются только условными; действительные значения "дифракцион- ного предела" открыты для интерпретации. _ __ Use Polarization Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздеп "Polarization1 в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Поддерживается только ZEMAX-EE. Remove Vignetting Factors При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. __^_ __ 7-44 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Обсуждение: Эта программа вычисляет СКЗ ошибок волнового фронта. СКЗ размера пятна рассеяния и число Штреля в зависимости от позиции поля для каждой длины волны, а также дает "взвешенные" по длинам волн полихроматические величины. Используются два разных метода вычислений: с гауссовской квадратурой и с прямо- угольной матрицей лучей. При использовании гауссовской квадратуры трассируемые лучи располагаются вдоль радиуса зрачка с оптимальными весами с целью получения оценки RMS при минимальном числе лучей. Этот метод описан в статье G. W. Forbes (JOSA A 5 Р1Э43). Хотя этот метод очень эффективен, алгоритм не является точным в случае, если некоторые лучи зарезаются апертурами поверхностей. Виньетирование. введенное в систему с помощью факторов виньетирования, не вызывает зарезания лучей, но апертуры отдельных поверхностей могут задерживать некоторые лучи. При вычислении СКЗ ошибок волнового фронта ZEMAX автоматически вычитает среднюю величину OPD; при этом получается скорее оценка стандартного откло- нения, чем истиное СКЗ. Однако ZEMAX использует термин СКЗ и в этом случае, подчиняясь общему соглашению в оптической промышленности. При вычислениях СКЗ ошибок волнового фронта для систем с установленными на поверхностях апертурами нужно использовать метод прямоугольной матрицы и большое количество лучей для получения достаточной точности. j RMS vs. Wavelength Величина СКЗ в зависимости от длины волны Назначение: Строит графики зависимости от длины волны: СКЗ радиуса пятна рассеяния размера пятна по осям X и Y, СКЗ ошибок волнового фронта, числа Штреля. Settings: или Позиция Ray Density Wave Density Plot Scale Method Описание Если используется мбтод Гауссовской квадратуры, то плотность трассируемых лучей определяется числом лучей, расположенных вдоль радиуса. Чем больше количество трассируемых лучей, тем выше точность, хотя время вычислений увеличивается. Максимальное число равно 18; оно является достаточным для аберраций зрачка вплоть до 36 порядка. Если используется прямоугольная матрица, плотность лучей определяется размером сетки. Лучи, проходящие вне круглого входного зрачка, игнорируются. Смотри данное ниже "Обсуждение". Плотность длин волн - это число точек между заданными минимальной и максимальной длинами волн, для которых вычисля- вычисляются RMS и число Штреля; промежуточные значения получаются интерполяцией. Допускается не больше 100 точек. Установка максимума для вертикальной шкалы графика. При установ- установке нулевого значения масштабирование производится автоматически. Выбор метода заполнения входного зрачка: либо гауссовская квадратура, либо прямоугольная матрица. Метод гауссовской квадратуры очень быстр и точен, но работает только при отсутствии виньетирования. Если какие-либо лучи виньетируется, то прямоуголь- прямоугольная матрица дает более точные результаты Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-45
Позиций Oata Refer To Use Dashes Field Show Diffraction Limit Use Polarization Описание Выбор типа графика ошибки волнового фронта, радиус пятна рассеяния размер по осям X и Y или число Штреля. Выбор спорной точки либо главный луч либо центр тяжести. И в том, и в другом случае производится вычитание средней величины OPD. При аыборе в качестве опорной точки центра тяжести вычитается также за клон волнового фронта, что дает меньшие величины СКЗ. Выбор способа различения графических линий для разных полей: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров) Установите 'АН для одновременного вывода данных для всех заданных позиций поля; установите номер нужно поля для получения графика только для одного поля. Если установить эту опцию, то на графике будет проведена горизонтальная линия, соответствующая дифракционному пределу. Для графиков RMS радиуса, х-размера и у-размера принимается, что дифракционный предел равен 1.22 ). F/# . где F/# - рабочее F- число на оси и/.- длина волны (главная длина волны при полихроматических вычислениях). Изменение дифракционного предела с изменением по полю F/# игнорируется; только одно значение используется для всей области графика. Для числа Штреля используется величина 0.8, а для RMS ошибок волнового фронта - 0.072 волны. Все эти величины явля- являются условными; на самом деле понятие "дифракционного предела" открыто для интерпретации. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Поддерживается только ZEMAX-EE. Обсуждение: Эта программа вычисляет СКЗ ошибок волнового фронта, СКЗ размеров пятна рассеяния и число Штреля в зависимости от длины волны для каждой позиции попя. Смотри раздел "RMS vs. Field". RMS vs. Focus Величина СКЗ в зависимости от величины дефокусировки Назначение: Строит графики зависимости от величины дефокусировки числа Штреля, СКЗ ошибок волнового фронта, СКЗ радиуса пятна рассеяния или размера пятна по осям X и Y. Установки: Позиция Описание Ray Density Если используется метод гауссовской квадратуры, то плотность трассируемых лучей определяется количеством лучей, распопо- женных вдоль радиуса. Чем больше количество трассируемых лучей, тем выше точность, хотя время вычислений увеличивается. Максимальное число (которое является достаточным для вычисления аберраций вплоть до 40 порядка) равно 20. Если используется прямоугольная матрица, плотность лучей определяется размером Chapter 7: ANALYSIS MENU
Focus Density Max Scale Method Data Use Dashes Refer To Wavelength Min Focus Max Focus Show Diffraction Limit Use Polarization сетки; лучи, проходящие вне круглого входного зрачка, игнорируются. Смотри данное ниже "Обсуждение". Плотность смещений фокуса - это число точек между заданными минимальной и максимальной величинами фокальных смещений, для которых вычисляются RMS и число Штреля; промежуточные значения получаются интерполяцией. Допускается не больше 100 точек. Установка максимума для вертикальной шкалы графика. При установке нулевого значения масштабирование производится автоматически. Выбор метода заполнения входного зрачка: либо гауссовская квадратура, либо прямоугольная матрица. Метод гауссовской квадратуры очень быстр и точен, но работает только при отсутствии виньетирования. Если какой-либо луч виньетируется, то прямоугольная матрица дает более точные результаты. Выбор типа графика: ошибки волнового фронта, радиус пятна рассеяния, размер по осям X и Y или число Штреля. Выбор способа различения графических линий для разных полей: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров). Выбор опорной точки: либо главный луч, либо центр тяжести. При монохроматических вычислениях опорная точка определяется для рассматриваемой длины волны. При полихроматических вычислениях опорная точка определяется для главной длины волны, И в том, и в другом случае производится вычитание средней величины OPD. При выборе в качестве опорной точки центра тяжести вычитается также заклон волнового фронта, что дает меньшие величины СКЗ. Установите "АН" для вычисления полихроматических величин; установите номер нужной волны для вычисления монохроматических величин. Минимальная величина дефокусировки. Максимальная величина дефокусировки. Если установить эту. опцию, то на графике будет проведена горизонтальная линия, соответствующая дифракционному пределу. Для графиков RMS радиуса, х-размера и у-размера принимается, что дифракционный предел равен 1.22 A. F/# . где F/# - рабочее F-число на оси и л - длина волны (главная длина волны при полихроматических вычислениях). Изменение дифракционного предела с изменением по полю F/# игнорируется; только одно значение используется для всей области графика. Для числа Штреля используется величина 0.8, а для RMS ошибок волнового фронта - 0.072 волны. Все эти величины являются условными; на самом деле понятие "дифракционного предела" открыто для интерпретации. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-47
Обсуждение: Эта програгима вычисляет СКЗ ошибок волнового фронта, СКЗ размеров пятна рассеяния и число Штреля в зависимости от величины дефокусировки для каждой позиции лоля. Метод вычисления идентичен методу, описание которого дано в разделе RMS vs Field". ZEMAX просто прибавляет разные величины смещения фокуса к толщине поверхности, предшествующей поверхности изображения. Если оптическая система имеет нечетное количество зеркал, эта поверхность в обычном случае должна иметь отрицательную толщину, и поэтому отрицательные величины смещения фокуса удаляют плоскость изображения от последнего элемента. Для систем с четным количеством зеркал отрицательные величины смещения фокуса приближают плоскость изображения к последнему элементу оптической схемы. Encircled energy Концентрация энергии в заданной области ^ Diffraction Дифракционное распределение Назначение: Вычисляет и строит диаграммы концентрации энергии в заданной области. Концентрация энергии выражается в процентах от полной энергии. Область концентрации задается величиной радиуса окружности, центр которой располагается либо в точке пересечения поверхности изображения с главным лучом, либо в центре тяжести изображения точечного объекта. Settings: Установки: Позиция Sampling Туре Maximum Distance Use Dashes Refer To Wavelength Field Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Определение типа выделенной области, внутри которой вычисляется концентрация энергии: кружок, щель (X-only, Y-only) или квадрат. Выбор максимального размера выделенной области; единицы измерений - микроны. При введении нуля шкала устанавливается автоматически. Выбор способа различения графических линий: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров). Выбор опорной точки: либо относительно главного луча, либо относительно центра тяжести изображения. Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Номер поля, для которого должны быть выполнены вычисления 7-48 Chapter 7 ANALYSIS MENU
Позиция Show Diffraction Limit Use Huygens PSF Use Polarization Описание Если установить этот флаг, то будет вычислен и показан график дифракционного предела. Учитываются апертуры и используется поле на оси. Если выбрать эту опцию, то будет использоваться более точный, но более медленный метод вычисления ФРТ - метод "Huygens PSF". Эта опция всегда должна использоваться, если поверхность изображения имеет наклон или главный луч падает под большим углом к поверхности изображения Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Смотри обсуждение программ FFT и Huygens Point Spread Function. Приведенные там комментарии применимы и к данной программе. Обсуждение: Точность вычисления дифракционного распределения энергии ограничена величиной (и наклоном) OPD и используемой плотностью отсчетов. Если плотность отсчетов недостаточна, ZEMAX выдаст сообщение об ошибке, указывающее, что данные не точны. Для повышения точности увеличьте плотность отсчетов (или уменьшите ошибку OPD). Кривая дифракционного предела (если она показана на графике) вычислена для осевой точки поля без учета аберраций (см. определение термина "Diffraction Limited" в главе "Conventions and Definitions". Geometric Геометрическое распределение Назначение: Вычисляет концентрацию энергии, используя точки пересечения лучей с плоскостью изображения. Settings: Позиция Sampling Туре Maximum Distance Use Dashes Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Определение типа выделенной области, внутри которой вычисляется концентрация энергии: кружок, щель (X-only, Y-only) или квадрат. Установка максимального размера рассматриваемой области: единица измерений — микроны. При введении нуля шкала устанавливается автоматически. Выбор способа различения графических линий: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров) Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-49
Позиция RefTo Wavelength Field Multiply by Diffraction Limit Use Polarization Scatter Rays Описание Выбор опорной точки либо относительно главного луча, либо относительно центра тяжести изображения. Номер длины волны для которой должны быть выполнены вычисления. Номер поля, для которого должны быть выполнены вычисления. Если установить этот флаг то ZEMAX будет строить приближение к дифракционным данным путем масштабирования геометрических данных на основе теоретической кривой дифракционного предела; используемая кривая дифракционного предела вычисляется для круглого неэкранированного зрачка (для экранированного зрачка вместо геометрических вычислений должны проводиться дифракционные вычисления) Эта опция полезна для систем с неэкранированными зрачками и средними углами поля, так как зто приближение не учитывает изменений F/# no полю. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и будет приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали Эта опция поддерживается только редакцией 2ЕМАХ-ЕЕ. Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Обсуждение: При выборе опций "X-only" и "Y-only" вычисления будут проводиться для части лучей, которые попадают в пределы щели определенной ширины, центрированной относительно главного луча или центра тяжести изображения. Если показана шкала 10 микрон, то ширина щели будет равна 20 микрон (а длина щели равна бесконечности). Геометрическая концентрация энергии не является хорошим индикатором характеристик системы, если они близки к дифракционному пределу. Line/Edge Response Функция рассеяния линии и края Назначение: Вычисляет геометрический отклик на объект в виде (очень тонкой) линии и на край полубесконечной плоскости. Установки: Позиция Sampling Maximum Radius Wavelength Field Описание Формат сетки лучей на поверхности зрачка, используемой для вычислений. Формат сетки отсчетов может быть 32x32, 64x64 и так далее. Хотя при большем формате сетки отсчетов данные получаются более точными, но увеличивается и время вычислений. Установка максимального радиуса рассматриваемой области; единица измерений - микроны. При установке нуля шкала определяется автоматически. Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Номер поля для которого должны быть выполнены вычисления 7-50 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Type Use Polarization Описание Выбор типа изображаемых графических данных: функция рассеяния линии и края, только линии, только края. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Обсуждение: Функция рассеяния линии (ФРЛ) - это сечение двумерной диаграммы распределения интенсивности в изображении линейного объекта. Функция рассеяния края - это сечение двумерной диаграммы распределения интенсивности в изображении края полубесконечной плоскости. Данные для меридиональной и сагиттальной плоскостей относятся к ориентации линии или края. Это геометрические вычисления. Extended Source Протяженный источник Назначение: Вычисляет концентрацию энергии подобно геометрическому анализу но для протяженного источника. Установки: Позиция Field Size # Rays x 1000 Type Refer To Use Polarization Multiply by Diffraction Limit Описание Эта величина определяет полную ширину (файла) квадратного изображения в полевых координатах, которые могут быть выражены либо в линейных единицах, либо в градусах в зависимости от текущей установки типа определения поля (высоты или углы соответственно). Этой установкой задается примерное количество трассируемых лучей. Количество трассируемых лучей примерно в 1000 раз больше заданного числа. Причина того, что количество лучей не может быть задано точно заключается только в том. что в любом случае должно быть обеспечено однородное распределение лучей по пикселам в плоскости изображения. Например, если файл изображения содержит 1500 пикселов, то по меньше мере должно быть трассировано 1500 лучей, если даже Вы ввели число 1. Распределение лучей по длинам волн пропорционально заданным весовым коэффициентам длин волн. Определение типа выделенной области, внутри которой вычисляется концентрация энергии: кружок, щель (X-only. Y-only) или квадрат. Выбор опорной точки! либо относительно главного луча, либо относительно центра тяжести изображения. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано определение состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если установить этот флаг, то ZEMAX будет строить приближение к дифракционным данным путем масштабирования геометрических данных на основе теоретической кривой дифракционного предела: Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-51
Wavelength Field File Max Distance Use Dashes Remove Vignetting Factors используемая кривая дифракционного предела вычисляется для круглого неэкранированного зрачка (для экранированного зрачка вместо геометрических вычислений должны производиться дифракционные вычисления). Эта опция полезна для систем с неэкраиированными зрачками и средними углами поля, так как это приближение не учитывает изменений F/# по полю. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления Файл изображения может быть центрирован относительно любой точки поля. Это позволяет перемещать какую-либо небольшую цель по всему полю зрения. Указание имени файла изображения (" IMA) Этот файл должен находиться в директории MmaFiles. Описание формата 1МА-файла дано в подразделе "Geometric Image Analysis" в разделе "Image Analysis". Установка максимального размера рассматриваемой области; единица измерений - микроны. При введении нуля шкала устанавли- устанавливается автоматически. Выбор способа различения графических линий: либо цветом (для цветных дисплеев и принтеров), либо штриховыми линиями (для чернобелых дисплеев и принтеров). При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициенты виньетирования. Обсуждение: При выборе опций "X-only" и "Y-only" вычисления будут проводиться для части лучей, которые попадают в пределы щели определенной ширины, центрированной относительно главного луча или центра тяжести изображения. Если показана шкала 10 микрон, то ширина щели будет равна 20 микрон (а длина щели равна беско- бесконечности). Геометрическая концентрация энергии не является хорошим индикатором характеристик системы, если они близки к дифракционному пределу. См. подраздел "Geometric Image Analysis" в раздепе "Image Analysis". Illumination Освещенность Relative illumination Относительное распределение освещенности Назначение: Вычиспение относительного распредепения освещенности в зависимости от радиальных координат поля для равнояркой поверхности Ламберта. Установки: Позиция Описание Ray Density Число лучей вдоль одной стороны квадратной матрицы, используемое для определения интегральной освещенности выходного зрачка. При установке числа 10 будет трассироваться около 10 х 10 х я/4 (или 78) пучей. Чем больше количество лучей, тем выше точность, но значительно увеличивается время вычислений. 7-52 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Field Density Use Polarization Log Scale Remove Vignetting Factors Описание Число точек вдоль радиальной координаты поля, которое будет использовано для вычисления относительной освещенности. Чем больше точек, тем более сглаженной будет кривая. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization11 в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Эта опция позволяет выбрать логарифмический или линейный масштаб. При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. Обсуждение: Эта программа вычисляет относительную освещенность (RI) в зависимости от радиальной координаты поля. Относительная освещенность определяется как интенсивность освещения небольшого участка поверхности изображения, нормированная к освещенности в точке поля, для которой освещенность имеет максимальную величину (эта точка может не располагаться на оси). При вычислениях принимаются во внимание аподизация зрачка, виньетирование, апертуры, аберрации как изображения, так и зрачков, вариации F/#. хроматические аберрации, форма поверхности изображения, угол падения, и, по желанию, поляризационные эффекты в предположении освещения зрачка неполяризованным светом. Метод вычислений описан в статье "Relative illumination calculations", M. Rimmer, SPIE Vol. 655, pp. 99 A986); описанный в этой статье метод был дополнен для учета эффектов аподизации, пропускания и поляризации, а также искривления поверхности изображения. Используются следующие предположения: 1. Объект является ламбертовской поверхностью. 2. Поверхность изображения хорошо сопряжена с поверхностью объекта, так что небольшие световые участки на поверхности объекта изображаются небольшими световыми участками на поверхности изображения. Аберрации имеют конечную величину, но лучи достаточно хорошо локализуются на поверхности изображения. 3. Выходной зрачок расположен на достаточно большом расстоянии от поверхности изображения. Это условие выполняется, если F/# больше примерно 0.1. Относительная освещенность вычисляется путем численного интегрирования эффективной площади выходного зрачка, как он видится из данной точки изобра- изображения. Интегрирование проводится по пространству направляющих косинусов с использованием однородной сетки в пространстве косинусов изображения. Заметьте, что вычисления относительной освещенности обычно не дают кривую, соответствующую закону косинуса в четвертой степени, так как этот закон фактически является только грубым приближением, в основу которого положена тонкая безабер- безаберрационная линза с диафрагмой, освещающей плоскость поверхности изображения. Для обычных систем, включая телецентрические системы, системы с аберрациями изображения или зрачка или с виньетированием, относительная освещенность Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -53
вычисляется путем интегрирования телесного угла или эффективной площади выходного зрачка как он видится из места изображения. Для систем с очень большим виньетированием или для систем с нелинейным пространством направляющих косинусов, аберрации которых не отвечают указанным выше приближениям, относительная освещенность не может быть вычислена; в таких случаях на экране появляется сообщение об ошибке. Аберрации в пространстве направляющих косинусов можно проанализировать с помощью программы "Spot diagram . Vignetting Plot График виньетирования Назначение: Вычисляет зависимость коэффициента виньетирования от угла поля. Установки: Позиция Ray Density Field Density Remove Vignetting Factors Описание Опредепение числа трассируемых лучей. Чем больше лучей, тем выше точность, но время вычислений увеличивается. При установке плотности лучей, равной n, ZEMAX будет трассировать сетку лучей размером Bn+1) x Bп+1) для кавдой точки поля. Плотность точек поля — это число точек между нулем градусов и максимальным определенным углом, для которых вычиспяется величина виньетирования; величина виньетирования для промежуточных точек определяется интерполяцией. При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. Обсуждение: Число невиньетируемых лучей — это процент лучей от числа падающих на входной зрачок, которые прошли через все экраны и апертуры в системе и дошли до плоскости изображения; нормируется к относительной площади зрачка, если быпи заданы факторы виньетирования. График этой функции показывает виньетирование в зависимости от позиции поля. Если трассируется слишком мало лучей, то результат может быть не точным. Это особенно относится к системам, в которых много апертур, и которые работают с большими углами поля. Для вычислений используется только главная длина волны. Это геометрические вычисления. Используется только положительное Y направление поля, поэтому эта программа подходит только для систем, обладающих вращательной симметрией и работающих с симметричными полями. Учитываемые в этих вычислениях факторы виньетирования используются для определения относительной площади зрачка. Лучи, которые проходят мимо поверхностей или испытывают полное внутренне отражение, считаются виньетированными. 4 Смотри также описание программы ' Relative Illumination". 7 -54 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Illumination XY scan Освещенность вдоль XY-направлений Назначение: Вычисление относительной освещенности от протяженного источника вдоль линии, проходящей через поверхность изображения. Settings: Позиция Описание Sampling Выбор размера сетки лучей, используемой для суммирования освещенности в плоскости изображения. Эта опция определяет количество пикселов, используемых для собирания лучей. Rays х 1000 Приближенное задание общего количества лучей, которые должны быть трассированы через систему для вычисления освещенности от протяженного источника. _^_^_ File Имя IMA-файла, в котором содержатся данные, определяющие форму протяженного источника. Смотри раздел "Geometric Image Analysis". Source Size Размер протяженного источника в единицах измерения поля. Rotation Угол поворота протяженного источника в пространстве объектов относительно нормали к поверхности протяженного источника. Show As Выбор направления сканирования: либо вдоль оси X, либо вдоль оси Y. Smoothing Помогает сгладить неровности, обусловленные малым числом лучеаых отсчетов, с помощью оператора, усредняющего данные по соседним пикселам. Wavelength Номер длины волны, для которй выполняются вычисления. Field Номер поля, в котором помещается центр протяженного источника. Surface Сканирование может быть сделано на любой поверхности, но относительная освещенность вычисляется точно только для поаерхности изображения. Detector Size Полная ширина детектора в линейных единицах. Размер детектора делится на пикселы в соотвествии с установкой "Sampling". Use Relative Illumination Если выбрать эту опцию, то относительная освещенность (описание которой дано в разделе "Relative Illumination") будет использоваться для взвешивания лучей, идущих от различных точек в поле зрения, - для точного учета эффектов освещенности выходного зрачка и его телесного угла. Use Polarization Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризо-ванные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. _^_^___^_^__ Remove Vignetting Factors При этой установке коэффициенты виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. Обсуздение: Программа расчета освещенности вдоль XY подобна программе "Relative Illumination", за исключением того, что эта программа позволяет производить оценку относительной освещенности от неоднородного протяженного источника. Для равнояркого (ламбертовского) протяженного источника относительная освещенность вычисляется быстрее и точнее. Однако для систем со сложными свойствами источника освещен- Глава 7: МЕНЮ 'ANALYSIS* 7-55
ность вдоль XY можно оценить, трассируя лучи методом Монте Карло в комбинации с обычными вычислениями относительной освещенности. Форма протяженного источника определяется тем же способом, который олисан в разделе "Image Analysis". Illumination 2D surface Освещенность двумерной поверхности Назначение: Вычисление относительной освещенности двумерной поверхности от протяженного источника. Установки: Эта программа идентична программе "Illumination XY scan", за исключением того, что двумерная поверхность изображается либо е изометрической проекции, либо строится контурная карта, либо строится карта в серой шкале или в условных цветах. Смотри описание программы "Illumination XY scan". Image Analysis Анализ изображения Geometric Image Analysis Геометрический анализ изображения Назначение: Эта программа имеет много применений. Если назвать только некоторые из них, она может быть использована для: моделирования протяженных источников; анализа разрешающей способности системы; анализа искажений изображения; получения общего представления о виде изображаемого объекта и для проверки интуитивного представления о поворотах изображения относительно объекта; для вычисления эффективности передачи излучения от точечного или протяженного источника через оптическое волокно; для изображения "foot prints" ("отпечатка" пучка лучей на поверхности) или построения двумерного графика освещенности какой-либо поверхности. Эта программа основана исключительно на геометрическом расчете путей лучей через оптическую систему; смотри программу "Diffraction Image Analysis", в которой эти же функции выполняются на основе дифракционного расчета. Способность этой программы анализировать цветные изображения ограничена; см. следующий раздел с описанием программы "Geometric BitMap Image Analysis", которая позволяет анализировать цветные двоичные карты изображения. В программе анализа изображения используются специальные IMA- или BIM- файлы, в которых содержатся данные о форме объекта, изображение которого должно быть получено. Описание форматов IMA- и BIM- файлов дано ниже в разделе "Обсуждение". 7 -56 Chapter 7. ANALYSIS MENU
Settings: Установки: Позиция Field Size Image Size Parity Rotation # Rays x 1000 Show Source Use Polarization Scatter Rays Описание Это значение определяет полную ширину квадрата изображения объекта в координатах поля: либо в градусах, либо в линейных единицах в зависимости от выбранного для схемы способа задания поля (углы или высоты соответственно) Установка размера шкалы, в пределах которой должно быть показано изображение объекта. Это не имеет отношения к действительному размеру изображения объекта. Размер изображения объекта определяется масштабом объекта, увеличением и аберрациями системы. Шкала, устанавливаемая по умолчанию, может не подходить для выделения желаемой части изображения объекта. Установка "Even" (четный) оставляет объект в такой ориентации, как он видится, если смотреть на него в отрицательном направлении оси Z в простанстве объектов. Установка "Odd" (нечетный) переворачивает объект "вверх ногами". Поворот объекта относительно оси может быть произведен на любой угол. Алгоритм в действительности поворачивает объект перед трассировкой лучей, так что эта опция может быть использована, например, для перехода от меридионального к сагиттальному сечению. С помощью этой опции задается количество трассируемых лучей. Количество трассируемых лучей примерно в 1000 раз больше установленного числа. Количество лучей определяется приблизи- приблизительно потому, что распределение лучей по пикселам в изображении должно быть однородным. Например, если в изображении имеется 1500 пикселов, то, как минимум, будет трассировано 1500 лучей, если даже установлено число 1. Распределение лучей по длинам волнам пропорционально их весам. Выбор типа представления данных: "Image Diagram", "Surface Plot", D Histogram". При выборе "Image Diagram" строится диаграмма рассеяния лучей и на ней указывается процент эффективности (смотри данное ниже обсуждение этой опции). При выборе "Surface Plot" или D Histogfam" строится трехмерная диаграмма для распределения интенсивности по пикселам; интенсивность определя- определяется количеством лучей, попавших на каждый пиксел детектора. Можно выбрать либо ламбертовский, либо однородный источник. Для однородного источника веса всех лучей устанавливаются равными. Для ламбертовского источника веса лучей устанавливаются равными косинусу угла, образуемого лучом с осью поверхности объекта. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если выбрать эту опцию, то лучи будут статистически рассеиваться на поверхностях, обладающих определенными рассеивающими свойствами. Эта опция доступна только для редакции ZEMAX-EE. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-57
Позиция Wavelength Field File Edit IMA File Surface # Pixels NA Total Watts Use Symbols Configuration Remove Vignetting Factors Save As BIM File Описание Длина волны, для которой производятся вычисления. Изображение можно центрировать относительно любой определенной позиции поля. Это означает, что небольшая цель может быть сдвинута в любое место в поле зрения. Результирующее изображение в таком случае центрируется относительно главного луча для этой позиции поля. Вводится имя IMA- или BIM- файла, содержащего данные о форме объекта (изображения). Этот файл должен находиться в поддиректории \lmaFiles. Смотри данное ниже обсуждение, в котором дано описание формата IMA- и BIM- файлов. Нажатие этой электронной клавиши вызывает редактор Windows Notepad, с помощью которого можно модифицировать выбранный IMA- или BIM- файл. Номер поверхности, для которой производится оценка лучей. По умолчанию - это поверхность изображения. Но можно выбрать другие ловерхности; например, для визуализации следов лучей ("отпечатка пучка") на какой-либо оптической поверхности. Задание количества пикселов на установленную ширину изображения ("Image Size"). Эта величина не используется при построении диаграммы пятна рассеяния ("Spot diagram"). Ограничение числовой апертуры (NA). Если установлено нулевое значение, то эта опция игнорируется, Если установлено значение больше 0, то все лучи, имеющие числовую апертуру больше установленного значения, будут игнорироваться. Полная мощность (в Ваттах) излучения, падающего от источника на входной зрачок оптической системы. Этот поток затем используется для нормирования детектируемой мощности в соответствии с относительной освещенностью пикселов и полной эффективностью. Нормировка не является точной, если используется аподизация зрачка, такая как гауссова аподизация. Если выбрать эту опцию, то при изображении следов лучей вместо точек будут использоваться различные символы для разных длин волн. Это помогает различать разные длины волн. При выборе опции "АИ" анализ будет произведен сразу для всех конфигураций. Можно произвести анализ для какой-либо одной конфигурации. При установке опции 'Current" анализ будет произво- производиться для текущей (активизированной) конфигурации. При этой установке коэффициенты виньетирования автоматически удаляются. Смотри на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. Если имя файла будет иметь расширение BIM и если в установке "Show" не будет выбрана опция "Spot Diagram", то выходное изображение будет записано в указанный файл; файл будет помещен в поддиректорий \l ma files. Обсуждение* ZEMAX поддерживает три разных формата файлов изображения объекта. Два из них имеют расширение IMA и один - расширение BIM. 7-58 Chapter 7: ANALYSIS MENU
The IMA format Формат IMA-файлов ZEMAX поддерживает два разных формата IMA-файлов: ASCII и бинарный (двоичный). Какой бы формат не использовался, имя файла должно иметь расширение .IMA. ZEMAX различает эти два вида формата автоматически. ASCII файл - это текстовый файл. В верхней части текста указывается одно число, определяющее размер файла в пикселах. Остальные ряды и колонки содержат данные для всех пикселов - по одному знаку для каждого пиксела. Во всех IMA- файлах данные должны быть записаны в виде квадратной матрицы n x n пикселов. Например, объект (изображение) в виде буквы "F" может быть представлен 7x7 матрицей данных следующим образом: 7 0111110 0100000 0100000 0111100 0100000 0100000 0100000 Заметьте, что файл начинается введением одного числа *7И, а последующие записи отделяются от него "возвратом каретки". Затем следуют семь рядов по семь колонок в каждом, и каждый ряд отделяется от следующего "возвратом каретки". Между колонками нет пробелов или каких-либо других знаков. Формат файла должен быть квадратным. ZEMAX выделяет в памяти компьютера необходимое пространство для помещения в него файла и при недостатке памяти выдает об этом сообщение. "Интенсивность" каждого пиксела можно задать любым числом от 0 до 9. Число лучей, генерируемых каждым пикселом, будет пропорционально этому числу. Пикселы, для которых установлено значение 0, не "испускают11 лучи. Бинарный (двоичный) формат IMA-файлов является более сложным, чем ASCII формат, и его нельзя редактировать с помощью текстового редактора. Однако двоичный IMA-файл имеет огромное преимущество. Каждый пиксел в двоичном IMA- файле представляется байтом без знака, который задает уровень интенсивности 8 интервале от 0 до 256 (серая шкала). Далее, для каждой длины волны может быть создана отдельная карта распределения интенсивности по пикселам. Поэтому можно смоделировать более реалистичное изображение протяженного источника. Двоичный IMA-файл начинается с "заголовка", состоящего из трех 16-битных чисел (слов). Первое 16-битное число всегда должно равняться нулю. Второе 16-битное число определяет ширину карты в пикселах и может равняться любому числу от 1 до 4000. Третье 16-битное число определяет число карт, которое соответствует числу представленных в файле цветов (или длин волн). Например, файл для 3-х цветной двоичной карты размером 50 х 50 пикселов будет иметь заголовок из 6 байт @. 50 и 3). за которым будет следовать массив данных из 2500 байт для цвета 1. 2500 байт для цвета 2 и 2500 байт для цвета 3. то есть всего 7506 байт. Данные записываются в последовательности, соответствующей построчной развертке карты (строка за строкой). Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -59
The BIM format Формат BIM-Файлов Недостатком IMA-файлов является то. что они позволяют использовать только 256 градаций серого цвета. BIM-файл содержит данные, записанные в аиде двоичных чисел с двойной точностью с плавающей запятой что позволяет расширить градацию серой шкалы до многих триллионов. Формат BIM-файла содержит следующие двоичные значения. Одно 32-разрядное целое число, представляющее число пикселов по оси X. пх. Одно 32-разрядное целое число, представляющее число пикселов по оси Y. пу. Последующие (пх'пу) 64-разрядные двоичные числа с плавающей запятой представляют значения относительной интенсивности. В настоящее время должно соблюдаться равенство чисел пх и пу; в противном случае будет появляться сообщение об ошибке. How rays are chosen for analysis Как выбираются лучи для анализа Координаты лучей, генерируемых каждым пикселом, в пределах площади пиксела определяются случайной выборкой; координаты входного зрачка, через которые проходят лучи, также определяются случайной выборкой. Распределение лучей по площади пиксела и по круглому параксиальному входному зрачку однородно (если используется опция "ray aiming", то может иметь место некоторая дисторсия зрачка). Для ASCII IMA-файлов количество лучей, генерируемых каждым пикселом, равно произведению интенсивности на число длин волн и на плотность лучей; номер длины волны для каждого луча определяется случайной выборкой пропорционально заданным весам длин волн. Для двоичного IMA-файла количество лучей, генери- генерируемых каждым пикселом, пропорционально произведению плотности лучей на интенсивность пиксела (относительно максимального значения, равного 256). Размер поля определяет физический размер изображения (записанного в файл) как оно видится оптической системой. Например, если задан размер 30 х 30 пикселов и размер поля равен 2.0 мм (в предположении, что поля заданы высотами), то сторона каждого пиксела будет равна 66.67 микрон. Если этот же файл затем будет исполь- использоваться для системы, имеющей 40 градусное поле зрения, то размер поля можно установить равным 40 для покрытия всего поля. Сторона каждого пиксела будет в этом случае иметь угловой размер 1.33 градуса. Измененяя масштаб, можно один и тот же IMA-файл использовать для многих применений. Например, образец IMA- файла "letter.ima11, содержащий матрицу из 7x7 пикселов, определяет заглавную букву "F". Масштаб объекта можно установить равным 1 мм, затем 0.1 мм, затем 0.01 мм, - чтобы почувствовать способность оптической системы разрешать мелкие знаки, не изменяя при этом сам IMA-файл. Заметьте, что если поля заданы высотами изображения, то размеры поля будут определять размеры объекта в пространстве изображений, а не в пространстве объектов. Размер поля всегда задается в тех же единицах измерения, которые установлены для полей, так что если поля задаются высотами изображения, то размер поля определяет высоту изображения. Размер объекта в таком случае будет равен частному от деления размера поля на увеличение системы. 7 -60 Chapter 7; ANALYSIS MENU
Смена различных позиций поля также обеспечивает большую гибкость в анализе качества изображения. Например, можно получить изображение буквы F для разных позиций поля, чтобы посмотреть, как влияют на качество изображения аберрации на краях поля. Масштаб объекта устанавливается для высоты буквы, но ее изображение центрируется относительно главного луча, исходящего из точки выбранной позиции поля. По умолчанию источник однородно испускает лучи; однородность в данном случае относится к равномерности освещенности входного зрачка. Все генерируемые луни попадают в пределы входного зрачка и все они имеют одинаковый вес Так как длина волны для каждого луча выбирается случайным образом пропорционально их весам, не требуется явного взвешивания длин волн. Однородное распределение обычно является предпочтительным для систем с небольшими полями зрения при больших расстояниях до объекта. Источник может быть также ламбертовским; для него веса всех лучей пропорциональны косинусу-угла, под которым луч испускается. Процент эффективности вычисляется по формуле: %Е = щ где по i суммируются все невиньетированные лучи, а по j - все запущенные луни. При вычислении эффективности учитываются: виньетирование лучей, диаграмма излучения источника, веса длин волн и потери (если установлен флаг "Use Polarization") на отражение и пропускание в оптической системе Если для опции "Show" эыбрана установка "Spot diagram" то при вычислении процента эффективности в расчет принимаются все невиньетированные лучи. При других установках лучи, выходящие за пределы размера детектора, виньетируются. Поэтому процент эффективности будет разным при установке "Spot diagram" и при других установках, если часть лучей попадает за пределы детектора. Calculation efficiency of multi-mode fibers Эффективность связи с многомодовым световодом ZEMAX имеет алгоритм для точного вычисления эффективности связи с одномодовым световодом. Смотри в этой главе раздел "Fiber Coupling Efficiency". Смотри также в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" раздел "Computing Fiber Coupling". Для оценки эффективности связи с многомодовым световодом можно использовать геометрический подход. Расположите круглую апертуру с подходящим размером радиальной апертуры (представляющей апертуру световода) на поверхность изображения или непосредственно перед ней. Затем установите размер числовой апертуры NA (см. данную выше таблицу), равный максимальной принимаемой величине NA ядра световода. В таком случае процент эффективности связи будет вычислен путем суммирования всех лучей, которые пройдут через апертуру световода при заданной величине NA. Величина числовой апертуры для типичного многомодового световода, ядро которого имеет показатель преломления п, . а внешняя оболочка имеет показателем преломления по. равна: NA = Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -61
Text output Запись в текстовый файл результатованализа В меню графического окна "Image Analysis" есть команда "Text", вызывающая на экран ASCII файл с записью выходных графических данных. При установке "Spot Diagram" для опции "Show" этот файл содержит девять колонок. В первой колонке указан последовательный номер луча; во второй и в третьей колоках- хну координаты поля (либо в градусах, либо в высотах объекта); в четвертой и пятой колонках - нормированные координаты зрачка. Рх и Ру; в шестой колонке - номер длины волны; в седьмой - вес луча, зависящий от свойств источника; в восьмой и девятой колонках- координаты в плоскости изображения относительно опорного луча. Если в меню "Show" выбрана какая-либо другая опция, то в выходном файле будет показан список взвешенного количества лучей, попавших в каждый пиксел. Для ограничения чрезмерно длительных вычислений используйте клавишу "Escape". Geometric BitMap Image Analysis Геометрический анализ BitMap-изображений Назначение: Эта программа создает изображение в RGB-цветах путем трассирования лучей с использованием RGB bitmap-файла в качестве источника. Эта программа имеет много различных применений: моделирование работы оптической системы по лротя-женным источникам, анализ полезного разрешения, визуализация дисторсионных искажений, получение представления о виде изображаемых объектов, проверка интуитивных представлений о повороте изображения оптической системой, визуа-лизация "отпечатков" пучка лучей на какой-либо поверхности, анализ освещенности на любой поверхности и многие другие. Эта программа основана исключительно на-геометрической трассировке лучей. В качестве источника изображения используется двоичная карта объекта, записанная в виде стандартного Windows BMP-файла; см. ниже "Обсуждение". Settings: Позиция Field Y Size Parity Rotation # Rays x 1000 Описание Эта величина задает полную высоту двоичной карты источника в полевых координатах, которые могут быть выражены в линейных единицах или в градусах в зависимости от текущего определения способа задания поля (высоты или градусы). Установка "Even" (четный) оставляет объект в такой ориентации, как он видится, если смотреть на него в отрицательном направлении оси Z в простанстве объектов. Установка "Odd" (нечетный) переворачивает объект "вверх ногами'. Поворот объекта относительно оси может быть произведен на любой угол. Алгоритм в действительности поворачивает объект перед трассировкой лучей, так что 'эта опция может быть использована, например, для перехода от меридионального к сагиттальному сечению. С помощью этой опции задается количество трассируемых лучей. Распределение лучей по длинам волнам пропорционально относи- относительным RGB-интенсивностям каждого пикселв. 7-62 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция X-Pixels Y-Pixels Use Polarization Grey Scale Wavelength Field Input Surface X-pixel size Y-pixel size Show Output Remove Vignetting Factors Описание Задание количества пикселов детектора по оси X. Задание количества пикселов „етектора по оси Y. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и будет учитываться пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если выбрать эту установку, то RGB-интенсивности будут усредняться по каждому пикселу с целью получения изображения в серой шкале. Лучи по-прежнему будут трассироваться в соответствии с RGB- интенсивностями карты источника, но при визуализации изображения информация о цветах будет утеряна. Если выбрать опцию "RGB", то будут использованы три длины волны: 0.656, 0.587 и 0.486 мкм - для красного, зеленого и синего цветов соответственно (независимо от заданных текущих длин волн). Если выбрать опцию н1+2+3", то будут использоваться заданные текущие длины волн под номерами 1, 2 и 3: для красного канала карты источника будет использоваться длина волны под номером 3, для зеленого канала - под номером 2 и для синего канала - под номером 1. Независимо от этих установок визуализация изображения будет производиться в RGB-формате. При выборе какой-либо одной длины волны, такой как 1, 2, 3 и т.д. будут использоваться каналы В, G или R; для длин волн с номером более 3 всегда используется В-канал! Изображение источника может быть центрировано относительно любой позиции поля. Это позволяет перемещать источник неболь- небольшого размера по всему полю зрения. Получаемое изображение источника центрируется относительно координат главного луча для данной позиции поля. Ввод имени BMP- или JPG- файла с записью изображения источника. Этот файл должен быть размещен в директории \1maFiles. Номер поверхности, для которой производится анализ. Размер пиксела по оси X; в текущих линейных единицах измерения. Размер пиксела по оси Y; в текущих линейных единицах измерения. Если выбрать опцию "object", то будет произведена визуализация карты источника. Если выбрать опцию "image", то будут произведены трассировка лучей и визуализация изображения. Заметьте, что при визуализации карты объекта игнорируются такие установки, как количество лучей, количество и размеры пикселов. В этой строке указывается имя BMP- или JPG-файла, в который должны быть записаны выходные данные. Размер выходного файла определяется заданными числами пикселов по осям х и у; но размеры пикселов по осям х и у должны быть одинаковыми для правильного соблюдения соотношения сторон в выходной двоичной карте. Этот файл будет создан {или записан поверх уже существующего без предупреждения) и помещен в директорий \lmaFiles. При этой установке факторы виньетирования автоматически удаляются. Смотри . на стр. 7-26 комментарий относительно коэффициентов виньетирования. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-63
Обсуждение: Смотри также описание программы Geometric Image Analysis", которая очень похожа на эту программу BMP-файлы, используемые в качестве двоичных карт источника, должны иметь стандартный формат Windows: двоичную RGB-карту с 24-битными цветами без сжатия. Не все файлы с расширением .BMP удовлетворяют этому требованию. Обратитесь в группу технической поддержки фирмы FSI. если Вы имеете ВМР-файл, который не работает правильно, для его преобразования в требуемый формат. Любой правильно отформатированный JPG-файл будет работать. Координаты лучей, генерируемых каждым пикселом, в пределах площади пиксела определяются случайной выборкой; координаты входного зрачка также определяются случайной выборкой для каждого луча. Распределение лучей по площади пиксела и по площади входного зрачка однородно (пока не задана аподизация зрачка!). С помощью установки "Field Y Size" определяется физический размер источника (записанного в файл) как он видится оптической системой. Например, если исполь- используется источник с форматом 50Н х 100W пикселов и если высота поля по оси Y задана равной 2.0 мм (полагая, что поля задаются высотами объекта или изображения), то каждый пиксел будет иметь размер 0.04 мм х 0.04 мм, а карта источника покроет область размером 2.0 мм х 4.0 мм. Заметьте, что если поля заданы высотами изображения, то величиной "Field Y Height" задается размер объекта в пространстве изображений, а не в пространстве объектов! Величина "Field Y Height" всегда задается в тех же единицах измерения, которые установлены для полей, так что если поля задаются высотами изображения, то величина "Field Y Height" определяет высоту (карты) источника в пространстве изображений. Размер источника в пространстве объектов определяется в таком случае как результат деления заданной величины "Field Y Height" на увеличение системы. Пикселы, от которых трассируются лучи, выбираются случайным образом в соответ- соответствии с RGB-интенсивностью каждого пиксела в каждом цветовом канале. Лучи гене- генерируются случайным образом из различных мест карты источника до тех лор, пока не будет запущено заданное количество лучей, хотя и не все из них будут пропущены оптической системой. После того, как луч запущен, он трассируется через заданные поверхности. Если луч виньетируется или происходит ошибка в его пути, то этот луч игнорируется. Во всех других случаях определяется номер пиксела детектора, на который попадает луч, и производится подсчет количества лучей попавших на каждый пиксел в соответствую- соответствующем цветовом канале. После окончания трассировки всех лучей создается RGB-карта изображения на основе нормированных отсчетов для каждою пиксела детектора. Процент эффективности вычисляется по формуле: I o где по i суммируются все невиньетированные лучи, а ло j - все запущенные лучи При оценке эффективности учитываются ошибки в лутях лучей, а если установлена опция 7 -64 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Use Polarization", - то и потери на отражение и пропускание в оптической системе Лучи попадающие за пределы детектора, считаются виньетированными. При выборе из оконного меню команды "Text" будет генерирован и выведен на экран ASCII-файл со списком детектированных данных. Используйте клавишу 'Escape" для прерывания чрезмерно длительных вычислений. Diffraction Image Analysis Дифракционный анализ изображения Назначение; Программа дифракционного анализа изображения подобна программе геометри- геометрического анализа изображения, за исключение того, что для вычисления видимого изображения используется комплексная Оптическая Передаточная Функция (ОПФ) системы (Optical Transfer Function, OTF). Эта программа учитывает конечную полосу пропускания и другие дифракционные эффекты, влияющие на формирование изображения. Программа анализа изображения (Image Analysis) использует специальные IMA/BIM- файлы для описания изображаемого 'объекта. Описание IMA-файла дано в разделе "Geometric Image Analysis"; формат IMA-файла один и тот же для этих двух программ.Смотри данные выше разделы "The IMA format" и "The BIM format". Settings: Позиция Image Size Overs ampling Zero Padding OTF Sampling Show As Data Type Описание Полная ширина области, определенной в IMA-файле; в установлен- установленных для схемы линейных единицах измерения. Заметьте, что изобра- изображение, определенное 1МА-файлом, всегда имеет форму квадрата. Определение коэффициента переформатирования пикселов IMA- файла. Это позволяет увеличить разрешение IMA-файла без необхо- необходимости создания нового файла с более высоким разрешением. Определение действительного размера области для вычисления дифракционного изображения с добавлением новых пикселов с нулевой интенсивностью к пикселам IMA-файла (с расположением их вокруг пикселов IMA-файла). Это позволяет увеличить размер показываемого дифракционного изображения без изменения размера безаберрационной части изображения; это позволяет изучать дифракционные потери энергии вдали от области совершенного изображения. Определение формата сетки отсчетов в зрачке; чем больше размер сетки, тем с большей точностью вычисляется ОПФ системы. Это не влияет на размер дифракционного изображения, а только на точность ожидаемого частотного отклика системы. Выбор типа визуализации данных: график (огибающей) поверхности, контурная карта, в серой шкале или в условных цветах. Выбор типа отображаемых данных: некогерентное изображение, когерентное изображение. необработанное изображение, некогерентная передаточная функция, когерентная передаточная функция, преобразованное необработанное изображение Смотри ниже обсуждение когерентной передаточной функции и ограничений на эти вычисления. Глава 7; МЕНЮ "ANALYSIS" 7-65
Позиция Diffraction Limited Wavelength Field File Edit IMA File Contours Use Polarization Описание Если выбрать эту опцию, то аберрации системы будут игнорированы. Апертуры еще будут приниматься во внимание. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля, для которого вычисляется оптическая передаточная функция. Имя IMA-файла изображения. Этот файл должен находиться в поддиректории \lma Files. Смотри раздел "Обсуждение", в котором описан формат IMA-файла. Вызывает редактор Windows Notepad, с помощью которого можно модифицировать выбранный 1МА-файл. Эта опция используется только для контурного графика. Если оставить это поле пустым, то шаг между контурами будет установлен автоматически (по умолчанию). Если в это поле ввести какое-либо одно число от 0.0 до 1.0, то шаг между контурами будет равен этому числовому значению. Например, если ввести число 0.05, то на графике будет изображено 20 контурных линий с шагом между ними 0.05. Если ввести в это поле несколько чисел, то на графике будет изображено только несколько конурных линии с соответствующими интервалами между ними. Например, если ввести числа .8 0.5 0.2", то будут изображены только эти три конурных линии. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и приниматься во внимание пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Мели", где дано описание состояния поляризации и другие детали. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Обсуждение: Эта программа вычисляет свойства комплексного дифракционного изображения протяженного источника. Метод вычислений детально олисан в книге Joseph Goodman "Introduction lo Fourier Optics", McGraw-Hill 1968 (Есть русский перевод: Гудмен Дж., "Введение в Фурье-оптику". М., "Мир". 1970). В этом методе имеется несколько важных приближений, о которых пользователь должен помнить при исполь- использовании этой программы. !МА-файл определяет относительную интенсивность каждого пиксела в квадратной сетке. Например, буква "F" может быть описана сеткой размером 7x7 как: 0111110 0100000 0100000 0111100 0100000 0100000 0100000 Параметр "Image size" определяет величину каждого пиксела в пространстве изобра- изображений оптической системы. Заметьте, что это отличается от программы геометри- геометрического анализа изображения, когда !МА-файл определяет размер и форму изобра- изображения в пространстве "поля", которым могло быть либо пространство объекта, либо пространство изображений. При дифракционном анализе изображения IMA-файл определяет идеальную форму изображения в пространстве изображений. Если 7-66 Chapter 7: ANALYSIS MENU
размер изображения равен 0.1 мм, то ширина каждого пиксела будет равна 14 286 мкм для матрицы изображения 7x7. Хотя IMA-файл удобен для определения простой формы изображения, пространственное разрешение в файле, созданном ручным набором, в основном является слишком низким, чтобы можно было увидеть существенные детали в дифракционном изображении. Опция "Overs ampling" устраняет эту проблему, увеличивая разрешение; количество пикселов увеличивается и данные каждого пиксела дублируются в соседних пикселах таким образом, чтобы сохранить ту же форму изображения, но при более высоком разрешении. Если установить увеличение 2Х, размер сетки изображения для буквы "F" становится равным 14x14: 00111111111100 00111111111100 00110000000000 00110000000000 00110000000000 00110000000000 00111111110000 00111111110000 00110000000000 00110000000000 00110000000000 00110000000000 00110000000000 00110000000000 Заметьте, что форма изображения осталась той же самой но число осчетов в каждом направлении удвоилось. Ширина изображения не изменилась; просто вдвое стала меньше ширина пикселов, а их количество в каждом направлении увеличилось вдвое. Так как дифракция размывает и расширяет идеальное изображение, желательно расширить размер области визуализации за пределы, определяемые изображением IMA-файла. Это можно сделать с помощью опции "Zero Padding". Эта опция позволяет увеличить размер изображения IMA-файла путем добавления вокруг этого изображения некоторого числа пикселов с нулевой интенсивностью. Если установить расширение изображения 2Х, то файл с изображением буквы Т" будет выглядеть следующим образом: 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000111110000 00000100000000 00000100000000 00000111100000 00000100000000 00000100000000 00000100000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7 -67
Размер и форма изображения остались теми же, но была определена дополни- дополнительная область, в которую может попасть энергия, испытавшая дифракцию. Заметьте, что ширина нового изображения увеличилась пропорционально введен- введенному коэффициенту "zero padding", но ширина изображения буквы "F" осталась той же самой. Эта опция ("zero padding") не работает при использовании двоичного формата IMA-файла. Опции "oversampllng" и 'zero padding" могут быть использованы вместе, однако размеры матрицы очень быстро возрастают. Для oversampling = 8Х и zero padding X и исходного размера 12x12 пиксела результирующая матрица становится 384x384, которую ZEMAX далее увеличивает до 512x512 для целей преобразования. После того, как входное изображение определено, изображение трансформируется в область пространственных частот, умножается на ОПФ и трансформируется обратное пространство изображений; таким образом, результирующее изображение фильтру- фильтруется комплексной ОПФ для получения дифракционного изображения. Главное приближение, которое используется в этой программе при применении преобразования Фурье, - это предположение, что ОПФ не изменяется по поверхности протяженного источника. Это означает, что поле зрения, определенное размером изображения, достаточно мало, чтобы ОПФ оставалась постоянной для всех точек данного изображения. Пользователь должен быть уверен, что определенный им размер изображения достаточно мал по отношению к изменениям аберраций по полю. ZEMAX вычисляет ОПФ для выбранной точки поля и принимает это значение ОПФ постоянным для всей области, покрываемой данным изображением. В связи с этим прибпижением дисторсия не будет видна на прогнозируемом изображении, так как только вариации ОГ1Ф по полю вносят дисторсию. Чтобы увидеть эффект дисторсии ипи другие эффекты "большого поля", испопьзуйте программу геометрического анапиза изображения. Заметьте, что программа дифракционного анапиза изображения хорошо работает при вычислении детапьных данных небопьших изображений, в то время как программа геометрического анализа изображения хорошо работает при вычислении данных для больших изображений. Comment about the coherent optical transfer function Комментарий относительно оптической передаточной функции при когерентном освещении Другое используемое прибпижение - это то, что вычиспения оптической передаточной функции производятся для когерентного освещения. Предполагается, что оптическая передаточная функция в таком случае просто является комплексной функцией зрачка: где Н - комплексная ОПФ, d| - расстояние от зрачка до изображения, fK и fy - пространственные частоты, Р - функция зрачка (которая определяет относительное пропускание по зрачку и равна нупю вне зрачка) и W — функция аберраций волнового фронта. Это приближение является точным только в одном специальном случае, когда алертурная диафрагма системы расположена в плоскости изображения, для которой осуществляется преобразование Фурье. Это условие выполняется, в основном, для 7 -68 Chapter 7: ANALYSIS MENU
систем, которые являются телецентрическими в пространстве объектов. Для других систем это только приближение к когерентной передаточной функции. Для получения более детальной информации по этому вопросу смотри данную выше ссылку на книгу Гудмена. В этой программе принимается в расчет виньетирование на поверхности изображения, обусловленное установленной на ней поверхностной апертуры (апертуры на других поверхностяю учитываются через влияние этих апертур на оптическую передаточную функцию). После вычисления дифракционного изображения энергия, попадающая за пределы апертуры, установленной на поверхности изображения, отбрасывается. Количество энергии, прошедшей через апертуру поверхности изображения, записывается в выходном текстовом файле, если, конечно, на поверхности изображения была установлена апертура. Extended Diffraction Image Analysis Расширенный дифракционный анализ изображения. Эта программа в настоящее время еще только разрабатывается. Поэтому используйте ее с осторожностью. Назначение: Эта программа подобна программе дифракционного анализа изображения, за исключением того, что оптическая передаточная функция (OTF) может варьироваться по поверхности изображения (по полю зрения). В этой программе используются 1МАУВ1М- файлы для описания изображаемого объекта. Смотри выше разделы "The IMA format" и The BIM format". Settings: Позиция File Size Oversampling Image Size OTF Sampling Описание Полная ширина области (в установленных для схемы единицах измерения), определенной в IMA-файле. Заметьте, что !МА-файл всегда имеет квадратный формат. Этот параметр не устанавливает размера результирующего изображения; размер изображения устанавливается параметрами "Image Size" и "OTF Sampling" (см. дискуссию ниже). Определение коэффициента переформатирования пикселов IMA- файла. Это позволяет увеличить разрешение IMA-файла без необходимости создания нового файла с более высоким разрешением. Если оригинальный файл имеет нечетное количество пикселов, то после переформатирования количество пикселов будет четным, так как значения этого параметра - все четные. Если величина этого параметра будет меньше максимального размера изображения (см. дискуссию ниже), то этот параметр будет определять ширину . (в установленных для схемы единицах измерения) выводимого на экран изображения. Определение формата сетки отсчетов в зрачке; чем больше размер сетки, тем с большей точностью вычисляется ОПФ системы. Чем больше размер сетки, тем будет больше максимальный размер изображения (см. дискуссию ниже) Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-69
Позиция OTF Grid Resolution Show As Data Type Diffraction Limited Use Delta Function File Edit IMA File Wavelength Field Contours Use Polarization Consider Distortion Описание Размер сетки для точек которой вычисляются ОПФ. Чем плотнее сетка, тем более точные будут получены результаты о варьировании ОПФ по полю зрения (поверхности изображения); при этом, однако, требуется больший объем используемой оперативной памяти, а также увеличивается время вычислений. Этот множитель позволяет увеличить количество точек в финальном изображении при фиксированном размере изображения. Требуется больший объем используемой оперативной памяти. Выбор типа визуализации данных: график (огибающей) поверхности, контурная карта, в серой шкале или в условных цветах. Выбор типа отображаемых данных: для некогерентной освещенности или для когерентной освещенности. Смотри выше раздел "Comment about the coherent optical transfer function", в котором обсуждаются когерентная передаточная функция и ограничения на эти вычисления. Если выбрать эту опцию, то аберрации системы игнорируются. Апертуры еще принимаются во внимание. Если выбрать эту опцию, то каждый пиксел IMA-файла будет представлен дельта-функцией. Это полезно для контроля изображения точечных источников, таких как звезды. Если эта опция не активизирована, то принимается, что все пикселы имеют квадратную освещенную область. Имя файла изображения. Этот файл должен находиться в поддиректории \lma Files. Смотри выше разделы "The IMA format" и "The BIM format", в которых дано описание форматов IMA- и BIM- файлов. Вызывает редактор Windows Notepad, с помощью которого можно модифицировать выбранный IMA-файл. В1М-файл нельзя редактировать таким путем. Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Номер поля, для которого должна вычисляться оптическая передаточная функция. Эта опция используется только для контурного графика. Если оставить это поле пустым, то шаг между контурами будет установлен автоматически (по умолчанию). Если в это поле ввести какое-либо одно число от 0.0 до 1.0, то шаг между контурами будет равен этому числовому значению. Например, если ввести число 0,05, то на графике будет изображено 20 контурных пиний с шагом между ними 0.05. Если ввести в это поле несколько чисел, то на графике будет изображено только несколько конурных линии с соответствующими интервалами между ними. Например, если ввести числа .8 0.5 0.2", то будут изображены только эти три конурных линии. Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться поляризованные лучи и учитываться пропускание системы. Смотри раздел "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации. Эта опция поддерживается только редакцией ZEMAX-EE. Если активизировать эту опцию, то при формировании видимого изображения будет учитываться дисторсия реальных лучей (вместо параксиальных). 7-70 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Описание Output File Если указать какое-либо имя, то под этим именем будет записан выходной ZBF-файл с данными о комплексных амплитудах результирующего изображения. Файл будет помещен в поддиректорий /POPyBeamFiles. Смотри описание формата ZBF-файла в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" в разделе ЕМАХ Beam File BBF) format". Обсуждение: Эта программа позволяет вычислить свойства комплексного дифракци- дифракционного изображения протяженного источника с учетом вариаций оптической передаточной функции по полю зрения. Большая часть обсуждения программы "Diffraction Image Analysis" относится и к этой программе; см. выше раздел 'Diffraction Image Analysis". Различие между этими двумя программами рассмотрено ниже. Образование дифракционного изображения можно рассматривать как процесс фильтрации или как процесс свертки. Представим себе идеальное, безаберрационное, недифракционное изображение, описываемое функцией "А", выражающей зависимость амплитуды изображения от пространственных координат в пространстве изображений оптической системы. Свертка этой функции с ФРТ системы (см. раздел "FFT Point Spread Function1*), обозначаемой здесь как "Р11, производит финальное изображение "I": , у) = A(xty)®P(xty)t где условный значок ® означает операцию свертки функции А с функцией Р. Фурье- преобразование этого уравнения производит пространственную фильтрацию изображения: где i, а, и о - трансформации I, A, and P в область пространственных частот. Функция о, называемая оптической передаточной функцией(ОТР), действует как фильтр, масштабирующий амплитуду и фазу пространственных компонент изображения. В программе "Extended Diffraction Image Analysis" устранено одно главное приближение, которое было принято в программе "Diffraction Image Analysis", а именно, что OTF оставалась постоянной по всему полю зрения, представленному функцией А. Это может быть достигнуто следующим образом. Поочередно рассматривается каждый отдельный пиксел IMA-файла источника и для каждого из них производится Фурье преобразование. Результат преобразования умножается на OTF, соответсвующую данному пикселу. Затем вычисляется сумма по всем пикселам в обпасти пространственных частот. После этого производится обратное Фурье преобразование полученной суммы для получения финального изображения. Однако вычисление OTF для каждого отдельного пиксела IMA-файла представляет собой очень медленный процесс и очень не практично, поскольку в разумно небольшой области поля зрения OTF изменяется не очень быстро. Как альтернатива этому вычислительному процессу, в данной программе OTF вычисляется для отдельных точек сетки, покрывающей поле зрения. Затем интерполяция используется для вычисления эффективной OTF для любого пиксела. Чем больше выбран формат сетки OTF. тем более точнвит будут результаты, но время вычислений увеличивается; при большом формате сетки требуется также большой объем оперативной памяти. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -71
Для этой программы может потребоваться очень большой объем оперативной памяти. Для сетки с форматом n x n ZEMAX выислит и запомнит пх(п +1) значений OTF: n x n значений OTF для точек сетки плюс одно значение для суммирования частотных компонент изображения. Сами OTF представляют собой матрицу комплексных чисел с двойной точностью. ZEMAX автоматически создает сетку отсчетов для записи OTF. Если OTF представлена сеткой отсчетов 64 х 64, то для записи одной OTF потребуется матрица 128 х 128. Для запоминания такой матрицы потребуется 256 к ОЗУ A28 х 128 х 2 х 8 байт). Если OTF вычисляются для сетки (поля зрения) 5 х 5. то требуемый полный объем оперативной памяти будет равен 26*256 к = 6.5 Mb. Для сетки отсчетов OTF 128 х 128 и сетки поля 9x9 потребуется уже 32 Mb. Параметр "File Size" определяет величину пиксела в IMA-файле - в пространстве изображений оптической системы. Заметьте, что это отличается от программы геометрического анализа изображения, для которой IMA-файл определяет размер и форму пространства "поля", которое может быть либо пространством объектов, либо пространством изображений. При дифракционном анализе изображения IMA-файл определяет идеальную форму изображений в пространстве изображений. Если величина параметра Tile Size" равна 0.1 мм, то каждый пиксел будет иметь ширину 14,256 мкм для сетки изображения 7x7. Так как интегрирование по всем пикселам производится в пространстве частот, максимальный размер изображения определяется наименьшей величиной прироста пространственной частоты в сетке OTF. Так как OTF варьируется по полю зрения, ZEMAX вычисляет все OTF, а затем масштабирует и интерполирует их, приводя к общему масштабу. Максимальный размер изображения можно увеличить путем увеличения количества отсчетов OTF. Максимальный размер изображения примерно равен XFn, где X - длина волны, F — наименьшее в поле зрения F-число и п - число точек отсчетов OTF. Для заданной оптической системы максимальный размер изображения увеличивается только с возрастанием количества отсчетов OTF. IMA/BIM File Viewer Просмотр IMA/BIM файлов Назначение: Эта программа позволяет просмотреть IMA/BIM файлы, не производя вычислений. Смотри выше раздел "Geometric Image Analysis". Settings: Позиция File Show Color Edit IMA File Описание Имя IMA- или BIM- файла изображения. Файл должен быть расположен в директории \lmaFiles. См. ниже раздел "Обсуждение". Выбор формы представления файла: в виде графика поверхности, контурной карты, цветовой карты в серой или в цветной шкале. Если выбранный файл является двоичным IMA-файлом, то активизация этой опции выводит на экран цветное изображение. При нажатии на эту электронную клавишу на экран выводится редактор ' Windows Notepad editor \ позволяющий редактировать выбранный IMA-файл. BIM-файлы редактировать таким путем нельзя. Обсуждение: Смотри в этой главе выше раздел "Geometric Image Analysis", в котором обсуждаются IMA/BIM файлы. 7 -72 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Biocular Analysis Бинокулярный анализ Field of View Поле зрения Назначение: Показывает границы "полей зрения" нескольких конфигураций (до 4-х конфигураций) Смотри раздел "Обсуждение" перед использованием этой программы. Settings: Позиция Config 1,2,3.4 X Points, Y Points Left/Right X Top/Bottom Y Use Angles Wavelength Описание Выбор конфигурации. Выбор количества точек для каждого направления. Установка границ поля зрения по направлению X. Установка границ поля зрения по направлению Y. Выбор единиц измерения углов поля. Если активизировать эту опцию, то углы измеряются в градусах; в противном случае для измерения углов используются величины направляющих косинусов. Длина волны, для которой проводятся вычисления. Обсуждение: Эта программа в основном предназначена для анализа бинокулярных систем. Она позволяет видеть границы "полей зрения" нескольких конфигураций (до 4-х). Поля зрения в этом контексте означают величины углов, под которыми лучи идут от апертурной диафрагмы системы (не от поверхности объекта). В этой программе используются следующие приближения: - Направления полей зрения измеряются либо в градусах, либо величинами направляющих косинусов; в обоих случаях направления полей зрения определяются направлениями главного луча, идущего от апертурной диафрагмы системы (по отношению к направлению локальной оси 2 в месте расположения апертурной диафрагмы). Все поверхности, расположенные перед апертурной диафрагмой, игнорируются. - Предполагается, что поверхность изображения расположена в плоскости изображения источника. Каждая отдельная конфигурация должна представлять одно единственное положение зрачка глаза (обычно децентрированное). - Децентровка глазного зрачка должна быть такой величины, чтобы X и Y координаты на поверхности изображения представляли одну и ту же точку изображаемого источника для всех конфигураций. Например, если изображаемый источник представляет собой комбинацию букв типа "CRT", то точка на поверхности изображения с координатами (х = 1. у = 2) должна соответствовать одной и той же физической точке на рисунке "CRT" для всех конфигураций. - Все поверхности должны иметь фиксированные апертуры для виньетирования лучей, идущих вне поля зрения. Поля зрения вычисляются путем трассирования главных лучей, идущих под разными углами для каждой конфигурации. Если луч проходит через все апертуры, то Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -73
соответствующая ему точка на графике будет расположена внутри замкнутой кривой, представляющей собой границу поля зрения для данной конфигурации. Для каждой конфигурации генерируется замкнутая кривая, представляющая собой границу поля зрения данной конфигурации. Лучи трассируются многократно для определения точного значения углов, при которых происходит виньетирование главного луча. При задании полей зрения величинами направляющих косинусов шкала графика будет линейной в пространстве направляющих косинусов; направляющий косинус относительно оси Z вычисляется по величинам направляющих косинусов относительно осей X и Y. При задании полей зрения величинами углов, величина направляющего косинуса главного луча вычисляется из величин его направляющих косинусов относительно осей X и Y по следующим формулам: tan@v) = -t л п п где I, m и п - направляющие косинусы относительно осей X, Y и Z, соответственно. Dipvergence/Convergence Наклонение/Сходимость Назначение: Показывает наклонение (в вертикальном направлении) и сходимость (в горизонтальном направлении) двух лучей зрения в бинокулярной системе. Settings: Позиция Left Eye Config Right Eye Config Do X Scan Use Angles Min/Max Angle/ Cosine X/Y Angle/Cosine 1-6 # Points Wavelength Описание Задание номера конфигурации, которая будет использоваться в качестве левосторонней. Задание номера конфигурации, которая будет использоваться в качестве правосторонней. Выбор направления скана поля зрения: по X или по Y направлению. Установка единиц измерения поля зрения: в градусах или в величинах направляющих косинусов. Выбор пределов сканирования поля зрения. Заметьте, что пределы сканирования могут быть несимметричными относительно центра поля. Если выбрать опцию "Do X Scan", то можно установить шесть различных значений смещений Х-сканов по Y направлению. Если выбрана другая опция, то можно установить шесть различных значений смещений Y-сканов по X направлению. Чтобы не вводить смещений сканов, введите число -99. Количество точек, используемых в скане. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Обсуждение: В этой программе используются те же приближения, как и в программе "Field of View". При наблюдении через бинокулярную систему обычно существует небольшой угол расхождения между направлениями лучей зрения двух глазных зрачков на одну и ту же точку изображения Угол расхождения по вертикали (вверх/вниз) называется 7-74 Chapter 7: ANALYSIS MENU
дипвергенцией. Угол расхождения по горизонтали (влево/вправо) называется конвергенцией, когда оба глаза наблюдателя смотрят прямо перед собой в одну точку, так что главные лучи для двух положений глаз сходятся. Если два главных луча расходятся, то угол расхождения называется дивергенцией. С вычислительной точки зрения нет никакой разницы между дивергенцией и конвергенцией. В ZEMAX используется соглашение о том, что углы конвергенции имеют положительные значения, а углы дивергенции - отрицательные значения; поэтому в дальнейшем мы будем использовать только один термин - конвергенция, имя в виду, что отрицательные значения конвергенции соответствуют дивергенции. Обычно конвергенция более терпима, чем дивергенция, так что к величинам этих двух аберраций могут предъявляться различные требования. Дипвергенция и конвергенция измеряются в миллирадианах; типичный предел для этих аберраций - порядка 1.0 миллирадиан для визуальных систем. Вычисления выполняются следующим образом. Сначала производится трассировка опорного луча от данной точки поля через "левостороннюю" конфигурацию. Затем под тем же углом трассируется главный луч через "правостороннюю" конфигурацию. В общем случае лучи для правосторонней и левосторонней конфигураций будут пересекать плоскость изображения в точках с несколько отличающимися X и Y координатами. Методом итерации 2ЕМАХ вычисляет такое направление главного луча для правосторонней конфигурации, при котором он будет пересекать плоскость изображения в той же точке, в которой ее пересекает опорный луч в левосторонней конфигурации. В результате такой подгонки главный луч в правосторонней конфигурации будет проходить под некоторыми углами (в вертикальном и в горизонтальном направлениях) по отношению к направлению опорного луча в левосторонней конфигурации. Величины этих углов и представляют собой значения дипвергенции и конвергенции. Обратите внимание на то. что главные лучи в обеих конфигурациях должны проходить через все поверхности оптической системы без ошибок и без виньетирования, чтобы результаты вычислений были правильными. Если лучи отданной точки поля зрения не проходят через оптическую систему, то в результате вычислений не будет получено никаких данных. Перекрытие полей зрения двух конфигураций обеспечивается установками величин параметров MMin/Max Scan"; см. выше раздел "Field of View". Возможно, что процесс итерации для правостороннней конфигурации окончится неудачей. Обычно это происходит, когда не существует решения задачи или когда величины дипвергенции и конвергенции настолько велики, что алгоритм становится неустойчивым. В таких случаях на графике изображается пустая полоса. * Miscellaneous Другие разные программы Field Curvature/Distortion Кривизна поля/дисторсия Назначение: Строит графики кривизны и дисторсии поля. Settings: __^^^__ _____ Позиция Описание Мах Curvature Установка максимальной шкалы для графика кривизны поля в линейных единицах; " для автоматического масштабирования Глава 7: МЕНЮ ANALYSIS" 7 -75
Позиция Max Distortion Wavelength Use Dashes Ignore Vignetting Factors Distortion Do X-Scan Описание Установка максимальной шкалы для графика дисторсии поля в процентах; *О"для автоматического масштабирования. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Выбор цветового или штрихового оформления графиков. Смотри ниже раздел "Обсуждение". Выбор типа графика дисторсии поля: Standard. F-Theta или Calbrated. Смотри ниже раздел "Обсуждение. Если установить этот флаг, то вычисляются данные для скана вдоль положительного направления Х-поля. Если снять этот флаг, то вычисляются данные вдоль положительного направления Y-поля. Обсуждение: График кривизны поля показывает изменение расстояния между текущей фокальной плоскостью (плоскостью изображения) и параксиальной фокальной плоскостью в зависимости от координат поля. Тангенциальные данные - это расстояния, измерен- измеренные в меридиональной (YZ) плоскости вдоль оси Z между текущей и параксиальной фокальными плоскостями. Сагиттальные данные - это расстояния, измеренные в ортогональной к меридиональной плоскости. График берет начало на оптической оси и идет вверх до максимальной величины поля (угла или высоты). Вертикальная шкала нормирована к максимальной радиальной величине поля. Кривизна поля для меридиональных и сагиттальных лучей определяется как расстоя- расстояние от заданной плоскости изображения до параксиального фокуса для этого луча. У систем, не обладающих вращательной симметрией, реальный луч и главный луч могут не пересекаться, и тогда представленная величина относится к точке ближай-шего приближения. По умолчанию изображается скан поля вдоль положительного направления оси Y. Если выбрать опцию "Do X-Scan", то будет изображен скан поля вдоль положитель- положительного направления оси X; в этом случае тангенциальная кривая будет представлять данные для XZ плоскости, а сагиттальная кривая-для YZ плоскости. Начинающие пользователи часто спрашивают, почему график кривизны поля не всегда берет начало от нуля для нулевой точки поля. Это происходит потому, что график показывает расстояние от определенной на данный момент плоскости изображения до параксиальной фокальной плоскости, а текущая плоскость изображе- изображения может не совпадать с параксиальной фокальной плоскостью. Если имеется дефокусировка, то эти две плоскости будут смещены относительно друг друга, и данные отображают этот факт. Стандартный ("Standard") график дисторсии определяется как разность высот реального главного луча и параксиального (опорного) главного луча, деленная на высоту параксиального главного луча и умноженная на 100: V — V г^ .... 1 f\f\ s гяеен s опори Distortion =100 х —, .* опоры где все высоты отсчитываются вдоль радиальной координаты в плоскости изображе- 7 -76 Chapter 7: ANALYSIS MENU
ния, где бы она ни была определена (данные не относятся к параксиальной плоскости изображения). Высота параксиального опорного луча вычисляется путем трассирования реального луча, исходящего от точки поля с очень небольшой высотой, а затем результаты масштабируются соответствующим образом. Это обобщение позволяет получать разумные величины дисторсии даже для систем, плохо описываемых трассировкой параксиального луча. Высота опорной точки для луча, не обладающего дисторсией, для систем с вращательной симметрией в параксиальном фокусе дается как У спор,, =/tan#, где /- фокальное расстояние и 0~угол в пространстве объектов. В действитель- действительности 2ЕМАХ использует описанное эыше обобщение, а не это уравнение; однако понятие "бездисторсионной' высоты опорной точки включает в себя тангенциальную зависимость высоты от угла поля. При построении графика дисторсии типа "F-Theta" тангенциальное соотношение не используется, а используется высота, получаемая перемножением фокальной длины схемы на угол главного луча в пространстве объектов. Эта так называемая "F-Theta11- высота имеет значение только для систем с бесконечно удаленным объектом, когда высоты поля измеряются в углах. Высота опорной точки для бездисторсионного луча определяется как У опор» J > где /- фокальное расстояние и 0-угол в пространстве объектов. В основном "F- Theta" дисторсия используется для сканирующих систем, у которых высоты изображения должны быть прямо пропорциональны углу поля. График дисторсии типа "Calibrated" подобен графику "F-Theta", за исключением того, что вместо фокальной длины системы используется фокальная длина "best fit" (наилучшая подгонка). Калиброванная дисторсия дает величину отклонения от линейной зависимости между высотой изображения и углом поля без ограничения на то, что линейность будет определена условием F-Theta. Вместо истиной фокальной длины системы используется величина фокальной длины, определенной методом наилучшей подгонки данных (хотя эти две величины близки друг другу)- Величина калиброванной фокальной длины приводится в текстовых данных для этого графика. Высота опорной точки для бездисторсионного луча определяется как V = Гв s опори J » где /'- калиброванное фокальное расстояние и 0-угол в пространстве объектов. До некоторой степени неожиданным результатом этого определения калиброванной дисторсии является конечная величина дисторсии в нулевой точке поля. Смысл этого наилучшим образом объясняется, если посмотреть на предельное поведение формулы, определяющей калиброванную дисторсию. Калиброванная дисторсия определяется как гл • - - • 1 г\ г\ Углом Уопорц Distortion = 100 х - - . Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -77
Для небольших углов у-координата главного луча в любой корректной оптической системе хорошо описывается уравнением }\ -,, = /0 , а у-координата опорного луча - уранением у^ г„ = /'0; так что величина дисторсии равна v -г' Л, ГО- ГО f-Г |~.- . ■ лл - слал» * опор» 1 гчл . J ^ ./ v \ t\i\ J J Distortion =100 х ЭЕ. = 100 х - = 100 х = -, v jV f что не равно нулю, пока не выполняется равенство /" = /'. Поэтому калиброванная дисторсия, в общем, не равна нулю на оси. Это не означает, что высота изображения не равна нулю: это просто артефакт, происходящий от различного выбора фокальных расстояний для вычисления координат опорного и действительного лучей вблизи оптической оси. Заметьте, что в процентном выражении величина дисторсии вблизи оси незначительна, так как величина самого поля приближается к нулю при нулевом угле лоля. Для систем, не обладающих вращательной симметрией, или систем с сильно искрив- искривленной плоскостью изображения дисторсия плохо определяется, и представленные на графике данные могут быть бессмысленными. Это связано с тем, что дисторсию нельзя описать единственным числом для одной точки поля, если система не обладает вращательной симметрией. В таких случаях пользуйтесь программой "Grid Distortion", описание которой дано ниже. Кратко говоря, графики кривизны поля и дисторсии пригодны только для систем с вращательной симметрией и плоской поверхностью изображения. Однако ZEMAX, используя обобщенную концепцию кривизны лоля и дисторсии, позволяет получить достаточно разумные данные для некоторых (но не всех) систем, не обладающих вращательной симметрией. Следует проявлять осторожность при интерпретации этих графиков для таких систем. По умолчанию ZEMAX игнорирует факторы виньетирования при вычислении графиков кривизны поля и дисторсии. Факторы виньетирования могут изменить положение главного луча на апертурной диафрагме системы, так что он может больше не проходить через ее центр. Grid Distortion Сетка дисторсии Назначение: Показывает сетку точек пересечения главного луча с поверхностью изображения для выявления дисторсии. Settings: Позиция Display Grid Size Wavetenqth Field Описание Точки пересечения главного луча с поверхностью изображения могут быть маркированы либо крестиком ("Cross"), либо вектором ( Vector*), направленным от точки идеального изображений к точке реального изображения. Задание размера сетки. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Опорная точка поля. Смотри "Обсуждение". 7 8 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Scale H/W Aspect Symmetric Magnification Field Width Описание Определение масштаба дисторсионного смещения точек на сетке Величины смещений будут преувеличены на установленный масштабный коэффициент. Если установить 1, то будет выбрано квадратное поле. Изображение может не иметь квадратной формы у систем, не обладающих вращательной симметрией, но поле объекта будет выбрано квадратным. Если установить число больше 1, то поле будет сжато по оси "Y". Если установить число меньше 1, то поле будет сжато по оси "Xя. Указываемое число (Aspect ratio) определяет отношение МХ* размера поля к WY" размеру поля. Это отношение сторон относится только к полю на входе в систему; отношение сторон изображения определяется свойствами оптической системы. Если установить этот флаг, то X увеличение будет равно Y увеличению. В таком случае дисторсия будет рассматриваться по отношению к симметричной расчетной сетке, а не к анаморфированной расчетной сетке. Ширина поля зрения по оси У в установленных единицах измерения поля. Обсуждение: Эта программа вычисляет координатную сетку главных лучей. У системы без дисторсии координаты главных лучей в плоскости изображения линейно связаны с координатами поля: Х A С В D fs где хр и ур - прогнозируемые координаты на поверхности изображения относитель- относительно опорной точки изображения и /х и fy - линейные координаты на поверхности объекта относительно опорной точки. Для оптических систем, у которых поле определяется углами, fx и fy - тангенсы углов поля (координаты поля должны быть линейными, поэтому используются тангенсы углов, а не сами углы). Для вычисления матрицы ABCD ZEMAX трассирует лучи от очень небольшой области, центри- центрированной относительно опорной позиции поля. Обычно это центр поля зрения. ZEMAX позволяет выбрать точку поля, которая должна рассматриваться как опорная ZEMAX устанавливает угол сетки поля в точку с максимальной радиальной координа- координатой поля в пространстве объектов. Когда поле определяется углами, полная ширина поля равна: вш*™* = 2 1аП tan0_ где Gf- максимальный (радиальный!) угол поля для угла сетки поля. Координаты луча в пространстве изображений для очень небольшого поля зрения используются для определения компонент матрицы ABCD Использование этой матрицы позволяет поворачивать координатную систему. Если плоскость изображе- изображения поворачивается так, что у координата объекта в плоскости объекта будет иметь в Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-79
плоскости изображения проекции как на ось х. так и на ось у, матрица ABCD будет автоматически учитывать этот поворот. На графике дисторсии изображается линейная сетка, а затем действительные точки пересечений главных лучей (с теми же самыми линейными координатами) с плоскостью изображения маркируются крестиками. В выходном текстовом файле указываются табулированные значения прогнози- прогнозируемых координат изображения, действительные координаты изображения и величина дисторсии в процентах ( percent distortion"), вычислямая по формуле: n I jwtii distorted . Р ~ ПКГот .where predicted где / 2 2 "real = лДл"г) + О",-) • ■"predicted "distorted * где нижние индексы г и р относятся, соответственно, к координатам реального и прогнозируемого лучей в плоскости изображения, отсчитываемым от опорной точки поля в плоскости изображения. Это определение может быть непригодным в некоторых случаях, так что результаты .вычислений должны восприниматься критически. ZEMAX не может вычислить сетку дисторсии точно в такой же манере. как это описано здесь, если позиции поля определены в системе реальных высот изображения. Это связано с тем, что при использовании реальных высот изображения для задания точек поля ZEMAX методом итерации трассирует каждый луч для нахождения точных координат поля, соответствующих желаемым координатам изображения устраняя косвенным образом дисторсию. С целью максимального устранения несоответствия ZEMAX для таких вычислений автоматически изменяет способ задания координат поля от реальных высот изображения в параксиальные высоты изображения, и это может сказаться на точности результатов вычислений для некоторых систем. В основном результаты будут точными, если дисторсия мала. Footprint Diagram Диаграмма "отпечатка следов" лучей Назначение: Показывает карту пересечения лучей с указанной поверхностью. Используется для визуализации эффектов виньетирования и для контроля апертур поверхностей. 7 -80 Chapter 7; ANALYSIS MENU
Settings' Позиция Ray Density Surface Wavelength Field Delete Vignetted Use Symbols Configuration Описание Задание количества лучей, трассируемых через половину зрачка; при установке числа 10 будет трассирована сетка лучей разменом 21x21. Номер поверхности, для которой строится диаграмма. Длина волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля, для которого выполняются вычисления. Если этот флаг установлен, то на диаграмме не будут изображены лучи, которые виньетируются последующими поверхностями. Лучи, которые виньетируются предыдущими поверхностями, никогда не изображаются. Эта опция позволяет выбрать либо штриховое, либо символьное выделение графиков для разных длин волн. При выборе опции "АН" анализ будет произведен сразу для всех конфигураций. Можно произвести анализ для какой-либо одной конфигурации. При установке опции "Current" анализ будет произведен для текущей (активизированной) конфигурации. Обсуждение: Эта программа изображает на диаграмме форму поверхности, а затем накладывает на эту поверхность сетку пучей. Если на поверхности не установлена апертура, то изображается окружность с радиусом, равным полудиаметру чистой апертуры. В других случаях изображается форма апертуры поверхности. Апертура поверхности всегда центрируется в кадре; даже в случаях, когда апертура децентрована на действительной поверхности! Если на поверхности есть экран, то он будет изобра- изображен вместе с круглой апертурой, величина которой определена полудиаметром. Размер сетки лучей определяется параметром плотности лучей, и лучи могут исходить из какой-либо одной или от всех точек поля для какой-либо одной или для всех длин волн. Лучи, которые виньетируются предыдущими поверхностями (по отношению к рассматриваемой), не изображаются. Лучи, которые виньетируются последующими поверхностями, изображаются или нет в зависимости от установки "Delete Vignetted". Longitudinal Aberration Продольные аберрации Назначение: Построение графика зависимости продольных аберраций от высоты (луча) на зрачке для каждой длины волны. Settings: Позиция Scale Wavelength Use Dashes Описание Установка для графика максимальной шкалы в линейных единицах Для автоматической установки шкалы введите м0". Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Эта опция позволяет выбрать либо цветовое, либо штриховое выделение графиков для разных длин волн. Обсуждение: Эта программа вычисляет расстояние от поверхности изображения до точки, в которой зональный краевой луч "фокусируется", или пересекает оптическую ось. Вычисления выполняются только для осевой точки поля и только для зональных краевых Глава 7: МЕНЮ ^ANALYSIS' 7-81
меридиональных лучей с построением зависимости от зоны зрачка. Вертикальная шкала графика начинается от точки на оптической оси и заканчивается точкой, соответствующей максимальной величине радиуса входного зрачка; вертикальная ось не имеет единиц измерения так как график всегда нормируется к максимальной величине радиуса входного зрачка. Для горизонтальной шкалы используются установленные для схемы линейные единицы; точки на горизонтальной оси представляют собой расстояния от поверхности изображения до точки пересече-ния луча с оптической осью. Так как продольные аберрации определяются в терминах расстояния до точки пересечения луча с оптической осью, эта программа может давать бессмысленные результаты для систем, не обладающих вращательной симметрией. Lateral Color Хроматизм увеличения Назначение: Построение графика зависимости величины хроматизма увеличения от высоты поля. Установки: Позиция Scale Use Real Rays All Wavelengths Show Airy Disk Описание Установка максимальной шкалы для графика (в линейных единицах). Для автоматической установки шкалы введите ". Могут быть использованы либо реальные, либо параксиальные лучи; по умолчанию вычисления выполняются для параксиаль-ных лучей. Для использования реальных лучей установите этот флаг. Если сделать эту установку, то будут показаны данные для всех длин волн. Для каждой длины волны опорной будет главная длина волны. Если не делать этой установки, то будет использована разность между наименьшей и наибольшей длинами волн. См. ниже дисскусию по этому вопросу. ' При этой установке на графике будет изображен радиус диска Эйри (для справки). Обсуждение: Эта программа вычисляет хроматизм увеличения. Если активизирована опция "All Wavelengths": Вычисленные данные представляют собой расстояние на поверхности изображения от точек лересечения главного луча для каждой длины волн до точки пересечения главного луча для главной длины волны. Если опция "All Wavelengths" не активизирована: Вычисленные данные представляют собой расстояние на поверхности изображения между точками пересечения главного луча для самой короткой и самой длинной волн. Используются только положительные углы или высоты поля в Y направлении. Вертикальный масштаб графика всегда нормируется к величине максимального угла или высоты поля. Основание графика находится на оптической оси, а верхняя линия находится от основания на рсстоянии максимального радиуса поля. 7-82 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Если активизирована опция "Show Airy Disk", то на графике будет показан примерный размер радиуса диска Эйри, равный корню квадратному из суммы квадратов радиусов диска Эйри по X и Y направлениям. Эта программа может давать бессмысленные результаты для систем, не обладающих вращательной симметрией. Для таких систем интерпретировать графики следует с большой осторожностью. Y-Ybar Diagram Y-Y диаграмма Назначение: Построение Y-Y диаграммы. Установки: Позиция Start Surface Stop Surface Wavelength Plot Scale Описание Номер первой поверхности, для которой будет построена диаграмма. Номер последней поверхности, для которой будет построена диаграмма. Номер длины волны, для которой б>дут выполнены вычисления. Установка максимальной шкалы графика. График всегда строится в квадратном поле; по умолчанию шкала равна максимальной попереч- поперечной координате луча. При введении м шкала устанавливается авто- автоматически. Обсуждение: Y-Y диаграмма представляет собой график зависимости высоты краевого луча от высоты главного луча для параксиального наклонного луча на каждой поверхности в схеме. Chromatic Focal Shift Хроматическое смещение фокуса Назначение: Построение графика хроматического смещения фокуса. Установки: Позиция Maximum Shift Pupil Zone Описание Установка максимума для горизонтальной шкалы в линейных единицах измерения.. Шкала по вертикальной оси устанавливается в соответствии с определенной областью длин волн. " - для автоматической установки шкалы. Установка радиальной зоны зрачка, для которой вычисляется заднее фокусное расстояние. По умолчанию установлено значение ", что означает, что будет использоваться параксиальный луч. Значения между "О" и " означают, что будут использоваться краевые лучи для соответствующей зоны входного зрачка. * соответствует краю зрачка, или полной апертуре Обсуждение: Эта программа строит график смещения заднего фокуса относительно заднего фокуса для главной длины волны. Для каждой длины волны вычисляется требуемая величина смещения фокальной плоскости для получения параксиального фокуса для краевого Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-83
луча данного цвета. Этот график может быть бессмысленным для непараксиальных систем. Введенная величина максимального смещения подавляет шкалу, устанавливаемую по умолчанию. Используемые единицы измерения - линейные единицы, выбранные для оптической схемы. Весь график всегда строится относительно параксиального фокуса для главной длины волны. Указанная на графике глубина фокуса для дифракционного предела (Diffraction Limited Range) вычисляется по формуле 4>S2, где F - рабочее F/# ил- главная длина волны. Dispersion Diagram Дисперсионная диаграмма Назначение: Построение графика зависимости величины показателя преломления от длины волны для какого-либо материала из каталога стекол. Settings: Позиция Min Wavelength Max Wavelength Minimum Index Maximum Index Glass Use Temp, Pres Описание Определение начальной точки шкалы по оси X. Определение конечной точки шкалы по оси X. Определение начальной точки шкалы ло оси Y. м -для автоматической установки начальной точки шкалы. Определение конечной точки шкалы по оси Y. " -для автоматической установки конечной точки шкалы. Имя материала. Если установить этот флаг, то будут учитываться эффекты изменения температуры и давления. Обсуждение: Эта программа полезна для проверки, что при занесении стекла в каталог все данные были введены правильно. Glass Map Диаграмма Аббе Назначение: Эта программа печатает имена стекол на карте стекол в соответствии с величиной показателя преломления и V-числом Аббе. Величины показателей преломления и числа Аббе берутся прямо из каталогов стекол, а не вычисляются по данным для длин волн или по дисперсионным коэффициентам. Все загруженные каталоги стекол исследуются в пределах введенных ограничений. Установки: Позиция Min Abbe Max Abbe Min Index Описание Определение начальной точки шкалы по оси X: минимальное значение числа Аббе. Определение конечной точки шкалы по оси X: максимальное значение числа Аббе. Определение начальной точки шкалы по оси Y: минимальная величина показателя преломления. я -для автоматической установки шкалы. 7-84 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Позиция Описание Max Index Определение конечной точки шкалы по оси Y: максимальная величина показателя преломления. "О" -для автоматической установки шкалы. Обсуждение: Эта программа полезна для определения положения конкретного стекла на карте. В соответствии с принятым соглашением на карте стекол величины числа Аббе уменьшаются слева направо; поэтому устанавливаемые по умолчанию минимальное и максимальное значения чисел Аббе выглядят обращенными. Internal Transmittance vs. Wavelength Спектральное пропускание оптических материалов Назначение: Построение графиков спектрального пропускания оптических материалов (для задан- заданной толщины), содержащихся в каталогах стекол. Settings: Позиция Min Wavelength Max Wavelength Minimum Transmission Maximum Transmission Glass Thickness Описание Минимальная длина волны. Максимальная длина волны. Минимальная величина пропускания. Максимальная величина пропускания. Наименование оптического материала. Толщина оптического материала в миллиметрах. Обсуждение: Эти графики полезны для проверки пропускания отдельных оптических материалов. Смотри главу "Polarization Analysis". System Summary Graphic Сводка основных параметров системы Назначение: Сводка основных данных оптической системы, представленная в графическом окне. Установки: Нет установок. Обсуждение: Эта программа в основном предназначена для впечатывания основных данных оптической системы в Отчеты типа "Report Graphic 4" и "Report Graphic 6я; описание этих опций дано в главе "Reports Menu". Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 85
Aberration coefficients Коэффициенты аберраций _ Seidei Coefficients Коэффициенты Зейделя Назначение: Вычисление зейделевых (непреобразованных, поперечных и продольных), а также волновых аберрационных коэффициентов. Settings: J Позиция j Wavelength Номер длины волны. ДЛЯ Описание которой выполняются вычисления. Обсуждение: Величины коэффициентов Зейделя вычисляются для каждой отдельной поверхности и для системы в целом. Коэффициенты даны для: сферической аберрации (SPHA, S1), комы (СОМА, S2), астигматизма (ASTI, S3), кривизны поля (FCUR, S4), дисторсии (DIST, S5). продольного хроматизма (CLA, CL) и хроматизма увеличения (CTR, СТ). Единицы измерения всегда те же. которые установлены для оптической системы, за исключением, конечно, коэффициентов, измеряемых в волнах. Эти вычисления справедливы и верны только для систем, которые полностью состоят из стандартных поверхностей. Любые системы, содержащие поверхности типа "coordinate breack", дифрационные решетки, модели параксиальных линз и другие нестандартные поверхности, неадекватно описываются параксиальными лучами, которые используются для вычисления коэффициентов. Вычисления коэффициентов "Seidef/Wavefront" справедливы и точны только для систем, полностью состоящих из поверхностей стандартного типа ("Standard). Также вычисляются коэффициенты поперечных аберраций для отдельных поверхностей и для системы в целом. Даны следующие коэффициенты: поперечной сферической аберрации (TSPH), поперечной комы для сагиттального сечения (TSCO), поперечной меридиональной комы (ТТСО), поперечной кривизны поля для сагиттального сечения (TSFC), поперечной кривизны поля для меридионального сечения (TTFC), поперечной дисторсии (TD1S) и поперечного хроматизма увеличения (TLAC). Величины поперечных аберрации выражены в линейных единицах, установленных для оптической системы. Коэффициенты поперечных аберраций могут быть очень большими в той части оптической системы, где пучок лучей близок к параллельному; для таких частей систем они не имеют смысла. INTERRELATIONSHIP OF ABERRATION COEFFICIENTS ВЗАИМОСВЯЗЬ КОЭФФИЦИЕНТОВ АБЕРРАЦИЙ Name Spherica Coma Seidei Si s2 Wave $ S s2 2 Description Sagittal Tangential Transverse s2 2itV _ ^ 2л1 и1 Longitudinal Sx 2»Vl — — 7-86 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Name Astigmatism Field Curvature Distortion Axial Color Lateral Color Seidel S3 s« s5 CL Ct Wave ~2 4 SJ 2 cL 2 CT Description From tangential to sagittal foci Gaussian to Petzval Gaussian to sagittal Gaussian to tangential * — Transverse — — 2л1 и1 /^ О1 л О1 \ 2л1 w1 2л'м' Longitudinal 54 2«V2 2л'w'2 353 + S4 2и'и'2 — n'w'2 — Вычисляются следующие коэффициенты продольных аберраций: продольной сферической аберрации (LSPH), продольного астигматизма (LAST), продольной кривизны поля Петцваля (LFCP), продольной кривизны поля для сагиттального сечения (LFCS), продольной кривизны поля для меридионального сечения (LFCT), продольного хроматизма (LAXС). Величины продольных аберраций выражены в линейных единицах, установленных для оптической системы. Коэффициенты продольных аберраций могут быть очень большими в той части оптической системы, где пучок лучей близок к параллельному, и имеют мало смысла для этих областей. Даны следующие коэффициенты волновой аберрации: сферическая аберрация (W040), кома (W131). астигматизм (W222), кривизна поля Петцваля (W220P). дисторсия (W311), член (осевой) хроматической дефокусировки (W020), член (остаточного) хроматического наклона (W111), кривизна поля для сагиттального сечения (W220S), средняя кривизна поля (W220M), кривизна поля для меридионального сечения (W220T). Все волновые коэффициенты аберраций выражены в единицах длин волн для краевой зоны выходного зрачка. Различные аберрационные коэффициенты связаны между собой соотношениями, приведенными в следующей ниже таблице. Символы п и и относятся к показателю преломления и углу параксиального краевого луча, соответственно, и рассматриваются со стороны пространства объектов для каждой поверхности. Верхние штрихи при символах п и и означают, что эти величины рассматриваются со стороны пространства изображений для каждой поверхности. Смысл коэффициентов аберраций Зейделя и их вывод описаны во многих книгах; смотри, например, Welford. Aberrations of Optical Systems; Smith, Modern Lens Design; O'Shea, Elements of Modern Optical Design. Полные ссылки можно найти в главе "Introduction". В выводимых на экран данных величина радиуса кривизны Петцваля выражается в установленных для схемы единицах измерения, поскольку существует инвариант Лагранжа. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-87
Zernike Fringe Coefficients Коэффициенты Мернике для ряда Fringe Назначение: Вычисление коэффициентов Цернике для ряда Fringe (ряда Аризонского университета). Settings: Позиция Sampling Max Term Wavelength Field Описание Определение плотности отсчетов в зрачке, при которой будет производиться подгонка коэффициентов. Чем больше размер сетки» тем выше точность, но время вычислений увеличивается. Определение максимального числа членов ряда. Может быть введено любое число до 36. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля, для которого выполняются вычисления. Обсуждение: Эта программа вычисляет: коэффициенты Цернике, полную (peak to valley) и среднеквадрзтическую (СКЗ, RMS) ошибки волнового фронта, дисперсию, число Штреля, СКЗ остаточных ошибок аппроксимации (residual RMS fit error) и максималь- максимальную ошибку аппроксимации. RMS ошибки волнового фронта (а) относительно среднего значения определяется как где W - ошибка волнового фронта, W" - среднее квадрата ошибки \л W - средняя величина ошибки волнового фронта. В действительности RMS может быть вычислено несколькими различными путями. Если среднее значение волнового фронта игнорируется, то в результате получим RMS "относительно нуля". Такое вычисление дает величину, равную корню квадратному из W~, и используется редко. Если среднее значение волнового фронта учитывается и вычитается из всех всех значений фазы волнового фронта (отсчет абсолютной фазы не имеет физического смысла), то величина RMS относится "к среднему". Далее, обычно RMS относится к наклоненной и смещенной опорной сфере, которая минимизирует RMS. Это эквивалентно вычитанию не только среднего значения, но и среднего наклона по осям х и у. Это обоснованно, так как наклон просто смещает положение центра тяжести дифракционного изображения и не оказывает другого влияния на качество изображения. Для краткости ZEMAX квалифицирует эту опорную точку как "центр тяжести" (centroid), хотя она не точно совпадает с центром тяжести дифракционного изображения. По большей части RMS относится к центру тяжести и является наименьшим значением из трех указанных выше. Число Штреля вычисляется на основе RMS (относительно центра тяжести) по следующей приближенной формуле: Это приближение справедливо только для чисел Штреля, превосходящих 0.1 7 -88 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Эта программа вычисляет максимум 37 коэффициентов Цернике. Отобранные члены ряда не являются ортонормированными, а все нормированы к единице на краю зрачка! Некоторые члены высокого порядка были опущены в разложении, чтобы ограничить общее число членов ряда, а оставшиеся члены были отобраны таким образом, чтобы с наивысшей точностью аппроксимировать сферичесжую аберрацию высокого порядка. Этот особый ряд полиномов Цернике иногда называется рядом Fringe или рядом Аризонского университета. Более формальный и более общий ряд полиномов Цернике называется рядом "Born & Wolf или рядом "Noll"; этот ряд описан в следующем ниже разделе "Zernike Standard Coefficients'. Полиномы Цернике для ряда Fringe приведены в нижеследующей таблице. ENUMERATION OF ZERNIKE POLINOMIALS ПОЛИНОМОВ ЦЕРНИКЕ ДЛЯ РЯДА "FRINGE" TERM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Z(P.<P) 1 pcQsq> psxncp 2рг-\ p" cos 2<p /?2sin20> Cp2 -2)pcos<p Cp2 -2)ps\n<p врА - 6/r +1 p* cos3<p />3sin3?? Dp2 ~3)p2cos2<p {4p2-3)p2s\n2<p (\0p4 -\2рг +3)pcos<p (\0pA -Yip1 +3)ps\n<p 20p*-30pa + \2p2-\ pA cos 4@ p4 sin 4^? E/7* -4)^>Jcos30> {5p2 -4)p3s\n3<p (\5р* -20р"+б)р:со52р (\5p* -20p- +6)p2sm2<p C5p* -6Qp* +30p: -4)pcosv C5p*-60pA +30p2 -4)psin^. 70p% - 140/>fr + 90p4 - 20p; +1 p5 cos 5^? ps sin 5<p Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 89
TERM 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 {dp7 -5)p~cos4# F/r -5)p* s\n4p B1/>4 -30/Г -40)p3cos3^ B1/>"-30/7-+10)p5 sin 3^? E6p -lO5p4+60/7--10)p:cos2^ E6p* - 105p' + fiOp2 - 10)p2 sin 2^? A26/э* -280p6 + 210// -60/v -b5)pcosf? A26ps-280p6 + 2\0р*-60р2 T5)/>sinp 252p10 - 630ря + 560p6 - 21 Op1 + 30p: -1 924р12 - 2772p10 + 3150ps - 1680pu + 420ps - 42pr + 1 Zernike Standard Coefficients Стандартные коэффициенты Цернике Назначение: Эта программа вычисляет ортонормированные коэффициенты Цернике на основе схемы ряда, определенной в статье "Zernike polynomials and atmospheric turbulence", R. Noll, J. Opt. Soc. Am., Vol. 66, No. 3, March 1976. В этой системе члены полиномы могут быть последовательно определены вплоть до любого порядка, а не с ограниче-нием до 37 членов, как в системе Fringe. Установки: Позиция Sampling Max Term Wavelength Field Описание Определение плотности отсчетов в зрачке, при которой будет производиться подгонка коэффициентов. Чем больше размер сетки, тем выше точность, но время вычислений увеличивается. Определение максимального числа полиномов Цернике. Может быть введено любое чиспо до 231. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля, для которого выполняются вычисления. Обсуждение: Эта программа почти идентична программе "Zernike Fringe Coefficients", за исключением того, что в ней используется обычная, общая схема ряда попиномов со значительно большим числом членов, члены полинома являются ортогональными и нормированными, и нет "выброшенных" из ряда членов. Наиболее общий способ выражения полиномов Цернике следующий: Радиальные члены ряда определяются двумя индесами. пит. Индекс п определяет степень радиальных членов; так, п = 5 указывает на все полиномы с максимальной степенью радиальной координаты р5 При заданном п индесы пл могут принимать только некоторые значения; сумма (п+пл) должна быть четной и должно удовлетво- удовлетворяться неравенство 0 £ пл £ п. Более детальную информацию о полиномах Цернике 7-90 Chapter 7: ANALYSIS MENU
можно найти в книге Борна и Вольфа "Основы оптики". Члены полинома ортонормированы, так что величины коэффициентов каадого члена ряда представ- представляют собой вклад данного члена в вепичину RMS. 6 следующей ниже таблице при6едены формулы полиномов Цернике для соответствующих коэффициентов стандартного ряда; введение в таблицу 231 коэффициентов заняло бы слишком много места; поэтому даны формулы коэффициентов только для первых 28 членов ряда. ПОЛИНОМЫ ЦЕРНИКЕ ДЛЯ СТАНДАРТНОГО РЯДА TERM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2(p.<p) 1 . 4p cos <p 4ps\ng> jBp -1) 6(p" sin Ър) .6(p:cos2p) 8Cp5-2p)sin</> 8Cp — 2p)cos$p op sinJ^? 8p3cos39> 5Fp4-6p2+l) I0DpJ-3p2)cos2^ 10Dp4-3p2)sin29, 10p4 cos 4g> I Op4 sin 4^? !2A0pJ-I2p3 + 3p)cos^ 12A0p5-!2^+3p)sin^ 12 Eps -4p3) cos 3<p 12Ep" —4p )sin3$? I2p cosl>^ I2p sin 5<p 7B0p' — 30p + 12p" —\) 14(I5p6-20p4+6p:)sin2^ 14A5p6-2Op4+6p2)cos20> 14Fpu-5p4)sin4^ !4Fp6-5p4)cos4^ 14p°sin6^ 14p cos 6^? - Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-91
Zernike Annular Coefficients Коэффициенты Цернике для кольцевой апертуры Назначение: Вычисляет ортогональные коэффициенты Цернике в соответствии с представлением, данным в работе "Zernike polynomials and atmospheric turbulence". R. Noli, J. Opt. Soc. Am.. Vol. 66. No. 3, March 1976, с расширением для кольцевой апертуры, приведенным в работе "Zernike annular polynomials for imaging systems with annular pupils". V. N. Mahajan. J. Opt. Soc. Am, Vol. 71. No. 1, 1S81. Мы благодарим Brett Patterson, сотрудника "UK Astronomy Technology Centre", который оказал нам помощь в разработке этой программы. установки: Позиция Sampling Max Term Wavelength Field Obscuration Описание Опредепение плотности отсчетов в зрачке, при которой будет производиться подгонка коэффициентов. Чем больше размер сетки, тем выше точность, но время вычислений увеличивается. Определение максимального числа полиномов Цернике. Может быть введено любое число до 231. Номер длины волны, для которой выполняются вычисления. Номер поля, для которого выполняются вычисления. Коэффициент экранирования кольцевого зрачка, е. Обсуждение: Эта программа подобна программе "Zernike Standard Coefficients", за исключением того, что зрачок может иметь форму кольца, а не круга. Смотри раздел "Обсуждение", данный в предыдущем разделе, и указанную выше литературу. Кольцевая форма зрачка задается единственным параметром 6, определяемым как * _ inner где Rinner и Router - внутренний и внешний радиусы кольцевого зрачка, соответственно. Если е = 0, то кольцо переходит в круг и кольцевые полиномы Цернике будут идентичны полиномам для круглого зрачка. Когда г больше нуля, кольцевые полиномы Цернике отличаются от стандартных полиномов Цернике. При подгонке кольцевых полиномов ZEMAX трассирует лучи в пределах заданной кольцевой области, а волновой фронт, остающийся за пределами кольцевой области, игнорируется. Кольцевые полиномы имеют очень сложные выражения, чтобы их можно было привести в выходном текстовом файле. Поэтому математические выражения 22 первых полиномов мы приводим здесь. Угол <р отсчитывается по часовой стрелке от локальной оси +Х. Радиальные координаты нормированы и выражены через безразмерный параметр р. 7 -92 Chapter 7: ANALYSIS MENU
ZERNiKE ANNULAR POLYNOMIALS КОЛЬЦЕВЫЕ ПОЛИНОМЫ ЦЕРНИКЕ TERM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Z(p, v. e) 1 2pcoscp Jl+E2 2psin<p Vl+e2 73(l+E2-2p2) e2-! J6p sin2(p Vl + e2 + e4 Лр2 cos2$ I "> 4 2^p(-2-2e44-3p2 J(e2-lJ(l+e 2^2p(-2-2£4 + 3p2 / 2 2 V(e - 1) (I+e гЛ^зтЗф Vl + £2 4- e4 4- e6 2^Др cos3<p VI 4-e24-e44-e6 V5(l 4-е -6р 4-бр (e"-D (e2-lHI+e2- !+4e2+1(^ + 41 (e2-lHl+€2- 2 4 * 2 2 4-e (-24-3p ))sin9 2)(i+4e2 + e4) 4-£ (-2 + 3p ))С0Бф 2 2 4 )(l+4e +e ) + e2D-6p2)) hE ' о2ГЗ + Згб >1п2н 7(e2-lK(l+e2, . n r*4 + Tc jJn" - £ +£ У(£2~П3{1-^ i- E2C - 4p2) + 64C - 4p2))cos2(p 4V -e ) *-£"{3-4p") + £ C-4p ))sin2q> 4V •e ) Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7-93
TERM 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Z(p,o) JltC t£ £ ~ A 0 - { 2 ЗтЗе (-2j3) (£2-D3( 2 4 (e -1) A £ = Q = 4+4E (-2jl)l (£2-l)V 2fi J\ + E2 + £ 2jb Jl+e2 + e cos4<{) :4 + £6 4 sin4(p •* ^6 t£ ~ £ ) 2 i )"A £* »£" + 9£ -г £Opsi l+4e2 Op cos + E2)A -5p rgp sir +e2)(i p^cosS + £ + -12р2н •*. . inrl , utlU и ~~ , where E and Q are aeftned as in term 1b above. Зф win- , wnere +e4) -lHl+e2)(l+e4) E "Ь 20c "J* IO£ *b 4£ ~b £ + £2D - 5p2) + £4D - 5p2) + £6D - 5p2). Г Lihfn^4^^ ^- >^rtr| f*S ihf А ЛГЛ1ГЧАЛ ^IC4 1Г~« 4 J4^r*n i Q ^"»1Н\/Ч.»*Г^ — , wnere t_ ana kj. are оетшеа as in term no auove. <P 8J 10 £ +£ P £S + £10 h30p -20p -3£ (-3 + 4p~)+3e C- 12p"+ I Op )) 2 .3 7-94 Chapter 7 ANALYSIS MENU
Calculations Вычисления Ray Trace Трассирование луча Назначение: Трассирование какого-либо одного параксиального или реального луча. Settings: Позиция Нх ну Field Wavelength Рх Ру Global Coordinates Type Описание Нормированная координата поля по оси X. Вводимые значения должны быть в пределах от —1 до +1. Нормированная координата поля по оси Y. Вводимые значения должны быть в пределах от -1 до +1. Выбор: либо вводится номер одной из введенных для схемы точек поля, либо вводятся координаты (Нх, Ну) произвольной точки поля ("Arbitrary"). Если выбрано заданное ранее поле, то окна Нх и Ну затушевываются серым цветом. Номер длины волны, для которой будет трассироваться луч. Нормированная координата зрачка по оси X. Вводимые значения должны быть в пределах от-1 до +1. Нормированная координата зрачка по оси Y. Вводимые значения должны быть в пределах от-1 до +1. Если выбрать эту опцию, то данные трассы луча будут представлены в глобальной, а не в локальной системе коорди-нат, - за исключением тангенсов углов. При выборе опции "Dir Cosines" на экран будут выведены величины направляющих косинусов луча при каждой поверхности; при выборе "Tangent Ang" будут выведены величины тангенсов углов луча на каждой поверхности; при выборе "Ym, Urn. Yc. lie" будут выведены координаты и тангенсы углов для параксиальных краевого и глав- главного лучей; тангенсы углов - это просто отношение х- (или у-) направляющего косинуса к z-направляющему косинусу. Обсуждение: Установка значений для Нх. Ну, Рх, Ру и установка опции "Global Coordinates" игнорируются, если выбрана опция MYm, Urn. Yc. lie". Описание нормированных координат дано в главе "Conventions and Definitions". Для всех других опций пользователь может определить нормированные координаты объекта и зрачка и номер длины волны и получить данные о координатах точек пересечения как параксиального, так и реального луча с каждой поверхностью. Первая группа выведенных на экран данных-относится к реальному лучу. Представленные числа - это координаты (в локальной или глобальной системе координат) точек пересечения луча с поверхностями. Величины направляющих косинусов (и тангенсов углов) относятся к лучу после преломления на поверхности. Направляющий косинус - это косинус угла, образуемого лучом с соответствующими осями координат (х- направляющий косинус - это косинус угла луча относительно оси X и так далее). Вторая группа выведенных на экран чисел относится к параксиальному лучу Тангенсы углов всегда вычисляются относительно локальной оси Z, - независимо от установки опции "Global Coordinates". Глава 7; МЕНЮ ANALYSIS" 7-95
Fiber Coupling Efficience Эффективность связи световодов ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЯМИ ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Эта программа вычисляет эффективность связи одномодовых световодов. Для вычисления эффективности связи многоходовых световодов используйте программу "Calculating efficiency of multi-mode fibers". См. также описание программы "Computing Fiber Coupling" в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION1. Settings: Позиция | Описание Source Fiber (Испускающий световод) NAx/y X Angle, Y Angle Field Wavelength Sampling Align Source to Chief Ray Ignore Source Fiber Числовая апертура световода-источника в пространстве объектов в xz- и в yz-ллоскостях. Это произведение величины показателя преломления на синус половинного угла. при котором интенсивность уменьшается в е2 раз. Углы поворота световода в пространстве объектов, измеряемые (в градусах) от номинальной ориентации световода. Х-угол измеряется в XZ-плоскости; Y-угол измеряется в YZ-плоскости. Номер поля. Номер длины волны. Размер сетки отсчетов, используемой при численном интегрировании. Если эта опция не активизирована, то световод ориентируется вдоль оси Z объекта и центрируется на заданную точку поля. Если активизировать эту опцию, то световод будет ориентирован вдоль главного луча, идущего от заданной точки поля. Если выбрать эту опцию, то освещённость зрачка будет такой, как установлено в System, General, Apodization. В этом случае все вычисления производятся для лолной энергии, падающей на входной зрачок. Received Fiber (Принимающий световод) NAx/y Tilt About X, Y Числовая апертура принимающего световода в пространстве изображений в XZ и в YZ плоскостях, соответственно. Это произведение величины показателя преломления на синус половинного угла, при котором интенсивность уменьшается в е2 раз. Углы наклона принимающего световода в простанстве изображе- изображений, измерямые относительно его номинальной ориентации (в градусах). Если заданы оба наклона (X и Y), то сначала производится наклон относительно оси X, а затем - относительно оси Y. Обратите внимание на то, что повороты производятся относительно установленных осей; так при наклоне относительно оси X поворот световода производится к оси Y или от нее. Повороты производятся после операции децентровки XYZ (см. следующую опцию). 7-96 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Decenter XYZ Линейные смещения принимающего световода по x/y/z - направлениям от его номинального положения (в линейных единицах измерения, установаленных для схемы). Смещения производятся пород операцией XY-наклонов. Align Receiver to Chief Ray Если эта опция не активизирована, то световод позиционируется на поверхности изображения в точке с XY координатами @.0.0.0). Если выбрать эту опцию, то световод позиционируется на поверхности изображения в точке пересечения с ней главного луча. И в том, и в другом случаях световод ориентируется вдопь оси Z в пространстве изображений, если не заданы его наклоны. Use Polarization Если выбрать эту опцию, то будут трассироваться попяризованные лучи и учитываться пропускание системы. Смотри раздеп "Polarization" в главе "System Menu", где дано описание состояния поляризации. Эта опция поддерживается топько редакцией ZEMAX-EE. Обсуждение: Эта программа вычисляет эффективность связи одномодовых световодов с гауссовой формой моды. Для вычисления эффективности связи многомодовых световодов используйте программу "Calculating efficiency of multi-mode fibers". См. также описание программы Computing Fiber Coupling" в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION". Эффективность связи световодов вычисляется на основе моделирования одного или двух световодов. При моделировании двух световодов свет от световода-источника полностью или частично запопняет входной зрачок оптической системы. Энергия, которая не собирается входным зрачком, теряется, снижая тем самым эффективность связи. При желании можно игнорировать световод-источник и рассматривать модепь оптической системы топько с одним световодом: и в этом случае вычисления производятся по отношению к энергии, падающей на входной зрачок, которая, в свою очередь, является функцией аподизации системы (см. в главе "SYSTEM MENU" раздеп "Apodization Type". Эффективность системы (S) вычисляется как отношение суммарной энергии, собранной входным зрачком и прошедшей через оптическую систему с учётом как виньетирования, так и пропускания (если учитывается поляризовация света), к суммарной энергии, которая излучается световодом-источником: S - ^U". }')dxtiy где Fs - агиппитудная функция световода-источника, а интеграп в чиспитепе берется по ппошади входного зрачка оптической системы; t(x. у) - амплитудное пропускание оптической системы. Пропускание зависит от вепичины объемного погпощения в материале и от пропускания оптических покрытий (если учитывается поляризация света). Если световод-источник игнорируется, то интеграл в знаменателе берется по входному зрачку, а функция Fs опредепяется аподизацией системы, если она задана Аберрации в оптической системе приводят к фазовым ошибкам которые ухудшают связь со свтоводом Максимапьная эффективность связи достигается тогда, когда Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-97
мода сходящегося к световоду волнового фронта совпадает с собственной модой световода как по амплитуде так и по фазе во всех точках волнового фронта. Математически это выражается в виде нормированного интеграла перекрытия амплитудных функций световода и волнового фронта: Fr(x.v)ll"(x.v)dxdy 7" = Cv, r)^/(-V. y)dxd\jj И"(л\ v) П"u\ y)dxdy где F, (х. у) - функция, описывающая распределение амплитуды для принимающего световода; W(x, у) - функция, описывающая волновой фронт, покидающий выходной зрачок оптической системы; символ означает комплексно сопряженные величины. Обратите внимание на то, что все функции являются комплексными, так что это интеграл когерентного перекрытия. При больших фазовых ошибках волнового фронта возникают определенные трудности в выполнении точного численного интегрирования этого выражения. К счастью, лучи с очень большими аберрациями фазы все равно не дают вклада в эффективность связи, так как они проходят фазовый цикл в 2л радиан настолько быстро, что в среднем дают нулевой результат. Поэтому для улучшения точности вычисления эффективности связи со световодом для систем с большими аберрациями алгоритм интегрирования игнорирует лучи с ошибками OPD более, чем п/8 длин волн, где п - количество лучей, проходящих через зрачок (определяется установкой количества отсчетов). Максимально возможное значение Т равно 1.0 и снижается при плохом согласовании собственной моды световода с амплитудой и фазой волнового фронта. ZEMAX вычисляет величины S и Т. Произведение этих величин характеризует полную эффективности связи со свтоводом. Вычисляется также теоретически максимальная величина эффективности связи; при вычислении этой величины игнорируются аберрации в системе, а принимаются в расчет только виньетирование и пропускание системы и амплитудные несоответствия между модами. Для моделирования потерь на отражение от торца принимающего световода введите для пространства изображений материал, из которого состоит световод (оптоволокно), и аактивизируйте опцию "use polarization". При этом будут учитываться потери на отражение как у световода, так и у всех других поверхностей. YNI Contributions YNI вклады Назначение: Эта программа вычисляет параксиальные значения YNI, пропорциональные вкладу этих поверхностей в эффект 'нарцисса". Установки: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Wavelength Номер длины волны, для которой выполняются вычисления Обсуждение: Смотри журнал Applied Optics, Vol. 21. #18, рЗЗЭЗ A982). 7 -98 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Sag Table Таблица стрелок прогиба Назначение: Эта программа генерирует таблицу стрелок прогиба (по оси z) для разных зон заданной поверхности. Вычисляются также радиус ближайшей сферы, стрелки прогиба для этой сферы и разница стрелок пргиба для реальной поверхности и ближайшей сферы. Рассматриваются зоны только по оси Y. так что данные не могут быть полезными для поверхностей, не обладающих вращательной симметрией. Установки: ПОЗИЦИЯ Surface Step Size Negative Remove ОПИСАНИЕ Номер поверхности, для которой выполняются вычисления. Шаг между зонами, для которых вычисляются стрелки прогиба При установке " шаг устанавливается автоматически. Смотри ниже раздел "Обсуждение1*. 4 Обсуждение: Эта программа может быть использована для определения максимальной величины отклонения асферической поверхности от сферы. Таблица стрелок прогиба полезна также при изготовлении линз. Величины, представленные в колонках таблицы, следующие: Y-Coord: Координата "у" (зона) точки на поверхности, для которой приведена величина стрелки прогиба. Sag: Величина стрелки прогиба в зоне у. BFS Sag: Величина стрелки прогиба для ближайшей сферы. Deviation: Разница между стрелками прогиба ближайшей сферы и реальной поверхности. Remove: Толщина материала, которая должна быть оставлена для доводки поверхности, если при изготовлении первоначальная форма поверхности имела форму ближайшей сферы. По умолчанию принимается, что эта величина должна быть положительной. Если установить флаг "Negative Remove", то будут воспроизводиться отрицательные значения. Заметьте, что значения в колонке "remove" идентичны значениям в колонке "deviation", но к ним прибавлено некоторая дополнительная величина. Можно сделать выбор между положитель- положительными и отрицательными значениями в колонке "remove". Какое из этих значений будет правильным, зависит от того, является ли поверхность выпуклой или вогнутой. ZEMAX не всегда может определить это правильно, и поэтому это дол- должен определить пользователь с помощью данной опции. Во всех случаях рекомендуется перед изготовлением линзы внимательно проверить знак приведенных в таблице чисел. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7 -99
Cardinal Points Кардинальные точки Назначение: Эта программа вычисляет координаты кардинальных, узловых, антиузловых и фокальных плоскостей для указанной группы поверхностей для заданной длины волны. Вычисления производятся для X-Z или YZ ориентации ettinqs: ПОЗИЦИЯ First Surface Last Surface Wavelength Orientation ОПИСАНИЕ Номер первой поверхности в группе. Номер последней поверхности в группе Номер длины волны. Ориентация. Gradient Index Градиент показателя преломления Gradium™ Profile Профиль Gradium™ Назначение: Изображение графиков осевого профиля поверхностей типа Gradium. Установки: ПОЗИЦИЯ Profile Surface Wavelength ОПИСАНИЕ Наименование профиля. См. главу "Surface Types". Номер поверхности, для которой должен быть изображен график. Номер длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления. Обсуждение: Если установить тип поверхности "None", то будет использована эталонная длина волны для семейства профилей независимо от того, какая длина волны установлена. Если установить номер градиентной поверхности, то может быть установлена любая из заданных длин волн или эталонная длина волны (Ref.). Также, если установлен номер градиентной поверхности, то на графике будут обозначены значком V начапьная и конечная точки для заготовки стекла. Эти точки указываются с учетом прогиба поверхности при заданной величине ее полудиаметра. Universal Plot Унивесальный график ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE New Universal Plot... Новый универсальный график... Назначение: Показывает в графическом или в табличном виде как изменяется величина какого-либо из операторов оптимизации в зависимости от изменений других параметров схемы. 7 -100 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Settings: Позиция Описание Independent variable settings Установки независимой переменной Start/Stop value # of Steps Независимая переменная устанавливается либо для отдель- отдельной поверхности, либо для всей системы. Выбор параметра, который будет использоваться в качестве независимой переменной. Для поверхностей это включает: радиус, кривизну, толщину, коническую постоянную, параметр, значение внешних данных, если выбраны параметры поверхности. Для системы в целом это включает: апертуру системы, поля и длины волн, фактор аподизации, температуру и давление. Установка номера рассматриваемой поверхности, если незави- независимый переменный параметр ассоциируется с поверхностью. Определение начала и конца области изменения независимой переменной. Число значений независимой переменной в области ее измене- изменения, включая ее начальное и конечное значения» для которых будут вычисляться значения зависимой переменной. Dependent variable settings Установки зависимой переменной Operand Line Int1/lnt2 Hx/Hy/Px/Py Min/Max Plot Value Выбор оператора оптимизации, который будет рассматриваться как зависимая переменная. Оценочная функция для всей системы также включена в этот список и стоит в нем на первом месте. Если оценочная функция задана, то либо вся оценочная функция, либо значение какого-либо одного оператора может быть выбрано с помощью опции "Line" (см. ниже). Номер оператора оптимизации, который должен быть использован как переменная функция. Вся оценочная функция также включается в этот список и располагается в нем на первом месте. Значения Int1/lnt2 для выбранного оператора. В диалоговом окне указаны в сокращенном виде названия соответствующих этим параметрам величин для помощи в идентификации требуемых данных. Если контрольное окно заполнено сплошным серым цветом, то это означает, что для выбранного оператора эти данные не требуются. Введение значений Нх/Ну/Рх/Ру для выбранного оператора. В диалоговом окне указаны названия соответствующих контрольных окон; если они заполнены сплошным серым цветом, то это означает, что для выбранного оператора эти данные не требуются. Установка минимального и максимального значений для области изменения зависимой переменной (по оси Y). Если оба эти значения будут равны нулю, то шкала устанавливается автоматически. Если только одно значение не равно нулю, то график по оси Y будет продолжен от минимума к максимуму Если вычисленные данные не попадают в пределы указанной области, то они окажутся за предепами графического поля. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7-101
Позиция Plot Title Save As New Universal Plot Описание В эту строку может быть введен любой текст, который будет использоваться в качестве заголовка данного графика или соответствующей ему таблицы с числовыми данными. Эта опция позволяет записать в файл текущие установки этой программы. Необходимо только ввести имя файла, а 2ЕМАХсам присоединит к нему соответствующее расширение. Записанные установки могут потом загружаться в эту программу командой Обсуждение: Эта программа вычисляет и показывает в графическом или в табличном виде зависи- зависимость величины указанного оператора оптимизации от какого-либо другого параметра системы или от параметра отдельной поверхности. ZEMAX поддерживает около 300 различных операторов оптимизации, более 200 параметров поверхностей и 27 параметров системы; это, в принципе, означает, что данная программа может генерировать свыше 60000 различных графиков! Например, предположим, что необходим график зависимости сагиттальной величины MTF (МПФ) на пространственной частоте 30 пар линий/мм от величины децентрировки группы линз (такой график может быть полезен для анализа допусков). Так как оператор MTFS вычисляет величину сагиттальной МПФ, то такой график может быть генерирован этой программой. Смотри главу "Optimization*1, в которой перечислены все операторы оптимизации. Величина децентрировки группы линз определяется параметрами Parameter 1 или 2 на соответствующей поверхности "coordinate break", и оба этих параметра будут указаны в диалоговом окне для установки их в качестве независимых переменных для данной группы поверхностей. Так как эта программа может генерировать огромное число графиков, нет смысла для установок по умолчанию. Все необходимые значения должны быть тщательным образом введены через диалоговое окно. Если какой-либо оператор не может быть вычислен, то на экране появится сообщение об ошибке. Так как многие операторы оптимизации требуют введения значений Нх и Ну для опре- определения точки поля, эти операторы могут потребовать следующей процедуры: число полей нужно установить равным 1, затем сделать установки Нх=0 и Ну=1 и, наконец, выбрать Y-поле 1 в качестве независимой переменной для построения графика зави- зависимости величины оператора от поля. Подобный "трюк" работает также при построе- построении зависимостей от длины волны. Некоторые операторы, такие как DIFF и SUMM, не имеют никакого значения, если они будут выбраны из колонки "Operand", так как эти операторы определяются только тогда, когда они используются как часть большой оценочной функции. Если требуется вычислить оператор типа DIFF, то оценочная функция должна быть выбрана из списка "Operand" и отдельные операторы типа DIFF должны быть селектированы в пределах этой оценочной функции для "Line". Для прерывания чрезмерно длительных вычислений используйте клавишу "Escape". 7 -102 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Polarization Поляризация ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Более детальная информация о поляризованных лучах дана в главе "Polarization Analysis". * Polarization Ray Trace Трассирование поляризованного луча Назначение: Программа трассировки поляризованного луча генерирует текст, содержащий все данные о поляризации данного луча. Установки: ПОЗИЦИЯ Ех Еу X-Phase Y-Phase Нх ну Рх РУ Wavelength ОПИСАНИЕ Амплитуда электрического поля по оси X. Амплитуда электрического поля по оси Y. Фаза Х-компоненты электрического поля в градусах. Фаза Y-компоненты электрического поля в градусах. Нормированная координата х-поля. Значение должно быть от-1 до 1. Нормированная координата у-поля. Значение должно быть от-1 до 1. Нормированная координата х-зрачка. Значение должно быть от-1 до 1. Нормированная координата у-зрачка. Значение должно быть от-1 до 1. Номер длины волны, для которой трассируется луч. Обсуждение: Эта прграмма табулирует все данные, вычисленные при трассировке поляризован-ных лучей. Смотри главу "Polarization Analysis". Polarization Pupil Map Поляризационная карта зрачка Назначение: Программа создает карту изменения состояния поляризации лучей по площади зрачка. Установки: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Ех Амплитуда электрического поля по оси X. Амплитуда электрического поля по оси Y. X-Phase Фаза Х-компоненты электрического поля в градусах. Y-Phase Фаза Y-компоненты электрического поля в градусах. Wavelength Номер длины волны, для которой трассируется луч. Field Номер позиции поля, от которой трассируется луч. Surface Номер поверхности, для которой показываются преломления на указанной поверхности. данные; после Обсуждение: На карте изображены эллипсы поляризации луча в зависимости от координат зрачка. Размер эллипса поляризации определяется величиной пропускания луча, которая, в Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS4 7-103
свою очередь, является функцией координат зрачка. Смотри главу "Polarization Analysis". Transmission Пропускание Назначение: Вычисление интегрального пропускания через оптическую систему с учетом поляризационных эффектов. Установки: ПОЗИЦИЯ Ех Еу X-Phase Y-Phase Unpolarized ОПИСАНИЕ Амплитуда электрического поля по оси X. Амплитуда электрического поля по оси Y. Фаза Х-компоненты электрического поля в градусах. Фаза Y-компоненты электрического поля в градусах. Если установить этот флаг, то будут выполняться вычисления для неполяризованного луча. Обсуждение: Эта программа представляет в табличном виде величины интегрального пропускания оптической системы для заданного исходного состояния поляризации луча для каждого поля и каждой длины волны. Пропускание определяется с учетом потерь на поглощение, отражение и виньетирование. Учитываются факторы виньетирования, виньетирование на апертурах или экранах, обрезание лучей в результате их прохождения мимо поверхностей, потери на поверхностях Френеля или покрытиях и поглощение в материалах. Для каждого поля и каждой длины волны табулированы также величины относительного и полного пропускания для главного луча. Это позволяет установить, на каких поверхностях происходят значительные потери света. Смотри также описание программы "Relative illumination". Phase Aberration Фазовые искажения Назначение* Вычисляет поляризацию, вызванную искажениями фазы в оптической системе- Settings: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Ех Амплитуда электрического поля по оси X. Амплитуда электрического поля по оси Y. X-Phase Фаза Х-компоненты электрического поля в градусах. Y-Phase Фаза Y-компоненты электрического поля в градусах. Wavelength Номер длины волны, для которой трассируется луч. Field Номер поля, для которого трассируется луч. Обсуждение: Эта программа вычисляет для заданного поля и заданной длины волны искажения фазы волны для X и Y ориентации в пространстве изображений. Поляризационные 7-104 Chapter 7: ANALYSIS MENU
аберрации фазы обусловлены эффектами преломления через диэлектрическую среду и отражения от металлических или диэлектрических зеркал. Как и для обычных графиков OPD, график поляризационных искажений фазы относится к главной длине волны. Однако бывают случаи, когда фаза главного луча не может быть определена для обеих ориентации. Например, в осесимметричной системе при линейной поляризации луча по оси Y интенсивность главного луча по оси X равна нулю, и поэтому Х-фаза является неопределенной. Для других лучей в зрачке имеет место, в общем случае, небольшой поворот плоскости поляризации, и для этих лучей угол фазы для Х-компоненты имеет определенное значение. Во избежание этой разрывности (фазы) ZEMAX усредняет фазы двух лучей, распо-ложенных по обеим сторонам от главного луча, для получения интерполированного значения для фазы главного луча. При некоторых условиях эта проблема может еще оставаться даже при таком методе усреднения фаз. Однако, в любом случае данные о фазе являются вполне обоснованными, так как искажения фазы не влияют на качество изображения, если интенсивность равна нулю. Transmission Fan График пропускания Назначение: Генерирует график пропускания для каждого поля и каждой длины волны либо для меридионального, либо для сагиттального сечений зрачка. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Ех Еу X-Phase Y-Phase Wavelength Field Unpolarized ОПИСАНИЕ Амплитуда электрического поля по оси X. Амплитуда электрического поля по оси Y. Фаза Х-компоненты электрического поля в градусах. Фаза Y-компоненты электрического поля в градусах. Номер длины волны, для которой трассируется луч. Номер поля, для которого трассируется луч. Если установить этот флаг, то будут выполняться вычисления для неполяризованного луча. Обсуждение: График пропускания с учетом эффектов поляризации полезен для определения вариаций пропускания по зрачку в зависимости от поля и длины волны. Смотри главу "Polarization Analysis". Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -105
Coatings Покрытия ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Более детальная информация о покрытиях дана в главе "Polarization Analysis". Reflection vs. Angle Отражение в зависимости от угла падения луча Назначение: Построение графиков зависимости коэффициента отражения для S, Р и средней интенсивности луча от угла падения луча для заданной поверхности. Установки: ПОЗИЦИЯ Min Angle Max Angle MinY MaxY Surface Object Coat Group Wavelength Reverse Direction ОПИСАНИЕ Минимальный угол падения луча. Определяет левый край графика. Максимальный угол падения луча. Определяет правый край графика. Минимальная координата по оси Y. Определяет нижний край графика. Максимальная координата по оси Y. Определяет верхний край графика. Номер рассматриваемой поверхности. Номер рассматриваемого объекта, если поверхность является поверхностью типа "Non-Sequential Components". Номер CSG-группы покрытия/рассеивания, если поверхность является поверхностью типа "Non-Sequential Components". Номер длины волны, для которой производятся вычисления. Если указанная поверхность относится к NSC-компонентам, то эта опция позволяет поменять местами (обратить) среду падения луча и подложку. Обсуждение: Угол падения определяется в среде перед заданной поверхностью. Смотри главу "Polarization Analysis". Transmission vs. Angle Пропускание в зависимости от угла падения луча Назначение: Построение графиков зависимости коэффициента пропускания для S, Р и средней интенсивности луча от угла падения луча для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Angle". Обсуждение: Угол падения определяется в среде перед заданной поверхностью. Смотри главу "Polarization Analysis". 7-106 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Absorption vs. Angle Поглощение в зависимости от угла падения луча Назначение: Построение графиков зависимости коэффициента поглощения для S, Р и средней интенсивности луча от угла падения луча для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Angle". Обсуждение: Угол падения определяется в среде перед заданной поверхностью. Смотри главу "Polarization Analysis". Diattenuation vs. Angle Затухание в зависимости от угла падения луча Назначение: Построение графиков зависимости коэффициентов затухания для отраженного (R) и пропущенного (Т) лучей от угла падения луча для заданной поверхности Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Angle". Обсуждение: Угол падения определяется в среде перед заданной поверхностью. Смотри главу "Polarization Analysis". Phase vs. Angle Фаза в зависимости от угла падения луча Назначение: Вычисляет фазу лучей с S и Р поляризацией для отраженного (если поверхность зеркальная) и для пропущенного (если поверхность не зеркальная) лучей в зависимости от угла падения для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Angle". Обсуждение: Угол падения определяется в среде перед заданной поверхностью Смотри главу "Polarization Analysis". Retardance vs. Angle Запаздывание в зависимости от угла падения луча Назначение: Вычисляет запаздывание лучей в зависимости от угла падения для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Angle". Обсуждение: Угол падения определяется в среде- перед заданной поверхностью. Смотри главу "Polarization Analysis". Гпава 7: МЕНЮ -ANALYSIS'1 7 -107
Reflection vs. Wavelength Отражение в зависимости от длины волны Назначение: Построение графиков зависимости коэффициента отражения для интенсивности S. Р и средней поляризации луча от длины волны для заданной поверхности. Установки: ПОЗИЦИЯ Min Wave Max Wave MinY MaxY Surface Object Coat Group Angle Reverse Direction ОПИСАНИЕ Минимальная длина волны, Определяет левый кдай графика. Максимальная длина волны. Определяет правый край графика. Минимальная координата по оси Y. Определяет нижний край графика. Максимальная координата по оси Y. Определяет верхний край графика. Номер рассматриваемой поверхности. Номер объекта, если поверхность относится к NSC-компоненам. Номер группы покрытия/рассеивания (CSG). если поверхность относится к NSC-компонентам. Угол падения, для которого проводятся вычисления. Если указанная поверхность относится к NSC-компонентам, то эта опция позволяет поменять местами (обратить) среду падения луча и подложку. Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis". Transmission vs. Wavelength Пропускание в зависимости от длины волны Назначение: Построение графиков зависимости коэффициента пропускания для интенсивности S, Р и средней поляризации луча от длины волны для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Wavelength". Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis". Absorption vs. Wavelength Поглощение в зависимости от длины волны Назначение' Построение графиков зависимости коэффициента поглощения для интенсивности S, Р и средней поляризации луча от длины волны для заданной поверхности Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Wavelength". Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis", 7 -108 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Diattenuation vs. Wavelength Затухание в зависимости от угла падения луча Назначение: Построение графиков зависимости коэффициентов затухания для отраженного (R) и пропущенного (Т) лучей от длины волны для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Wavelength\ Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis'. Phase vs. Wavelength Фаза в зависимости от длины волны Назначение: Вычисляет фазу лучей с S и Р поляризацией для отраженного (если поверхность зеркальная) и для пропущенного (если поверхность не зеркальная) лучей в зависимости от длины волны для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Wavelength". Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis*. Retardance vs. Wavelength Запаздывание в зависимости от длины волны Назначение: Вычисляет запаздывание лучей в зависимости от длины волны для заданной поверхности. Settings: Смотри выше "Reflectivity vs. Wavelength*. Обсуждение: Смотри главу "Polarization Analysis*. Physical Optics Физическая оптика Paraxial Gaussian Beam Параксиальный гауссов пучок Назначение: Вычисляет параметры параксиального гауссова пучка. Эта программа используется только для анализа на оси вращательно-симметричных систем Смотри также разделы "Skew Gaussian Beam" и "Physical Optics Propagation" Settings: позиция Wavelength M* Factor Waist Size ОПИСАНИЕ Номер используемой для вычислений длины волны Коэффициент качества М~, используемый для моделирования пучков со смешанными модами. См. ниже раздел "Обсуждение'. Радиальный размер перетяжки встроенного (совершенная ТЕМОО мода) пучка в пространстве объектов; в единицах измерения установленных для схемы. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS* 7 -109
позиция ОПИСАНИЕ Surf 1 to Waist Расстояние от поверхности 1 (НЕ от поверхности объекта) до места расположения перетяжки пучка. Величина этого параметра будет отрицательной, если перетяжка располагается перед поверхностью 1. Смотри ниже. Update Orient Surface Обсуждение: Зта программа вычисляет для идеального Гауссового пучка и Гауссового пучка со смешанными модами такие данные, как размер пучка, расхождение пучка и положение перетяжки пучка при прохождении заданного входного пучка через оптическую систему. Этот раздел не предназначен для изложения теории распространения лазерного пучка. Более детальную информацию по этому вопросу можно найти в следующих статьях и книгах: "Lasers", A. E. Sjegman, University Science Books A986), "Gaussian beam ray-equivalent modeling and optical design", R. Herloski, S. Marshall, and R. Antos, Applied Optics Vol. 22, No. 8 pp. 1168 A983), Beam characterization and measurement of propagation attributes", M. W. Sasnett and T. F. Johnston, Jr., Proa SPIE Vol. 1414, pp 21 A991), and "New developments in laser resonators", A. E. Siegman, Proc. SPIE Vol. 1224. pp2A990). Limitations of the analysis Ограничения анализа Гауссовы пучки являются идеализированными, "совершенными" пучками, и это ограничивает круг оптических систем, для которых эта программа может быть полезной. Так как вычисление параметров Гауссова пучка основано на параксиальных данных, полученные результаты не могут быть достоверными для систем, имеющих большие аберрации, а также систем, которые плохо описываются параксиальной оптикой, например, систем, не обладающих вращательной симметрией. Для простых искривленных зеркал результаты будут ещё приемлемыми, а для децентрированных и наклоненных компонентов они будут недействительными. В этой программе игнорируются все поверхностные апертуры и предполагается, что Гауссов пучок не выходит за пределы апертур всех оптических элементов системы. Более общий анализ распространения Гауссова пучка выполняется с помощью программы "Physical Optics Propagation". Overview of Gaussian beams Обзор Гауссовых пучков Лазерные Гауссовы пучки описываются следующими параметрами: размером перетяжки, длиной волны и положением в пространстве объектов. Гауссов пучок является идеализацией, которая может быть использована в качестве приближения, но он никогда не реализуется на практике. Однако реальные лазерные пучки могут быть достаточно хорошо описаны с помощью "встроенного" пучка с идеальными характеристиками и коэффициента качества, называемого определяет относительный размер пучка и расхождение по отношению к встроенной Гауусовой моде. Для идеального гауссова пучка коэффициент М2 равен единице, но для реальных лазеров этот коэффициент всегда будет иметь значение больше единицы. Эта программа требует определения свойств входного встроенного пучка и задания величины коэффициента М . Входной встроенный пучок определяется положением его 7-110 Chapter 7: ANALYSIS MENU
перетяжки по отношению к поверхности 1 (заметьте, что не по отношению к объекту, а по отношению к первой следующей за ним поверхности) и радиальным размером перетяжки для этого положения. После этого ZEMAX распространяет этот встроенный пучок через оптическую систему и вычисляет его параметры для каждой поверхности; результаты вычислений выводятся на экран. ZEMAX вычисляет параметры Гауссова пучка как для X, так и для Y ориентации. Default beam parameters Параметры, устанавливаемые по умолчанию По умолчанию размер перетяжки устанавливается равным 0.05 независимо от установленной для схемы единицы измерения, а ее расстояние от поверхности 1 - равным нулю. Эти значения могут быть в любой момент восстановлены путем нажатия на электронную клавишу "Reset". После того, как будут выполнены вычисления для этих заданных по умолчанию установок и результаты этих вычислений будут выведены на экран, можно ввести любые другие значения для размера перетяжки и ее положения. Propagating the embedded beam Распространение втиснутого пучка После того, как были заданы величина и положение перетяжки для исходного пучка ZEMAX трассирует через систему встроенный пучок; для каждой поверхности в системе вычисляются следующие параметры: радиальный размер пучка, радиальный размер перетяжки в наиболее узком ее месте, координаты поверхности по отношению к положению перетяжки, фазовый радиус кривизны пучка, величину половины угла расхождения пучка и размер области Релея. В выходном текстовом окне эти параметры имеют следующие условные наименования: Size. Waist. Waist Z, Radius. Divergence и Rayleigh, соответственно/ Величины всех вычисленных параметров приводятся в единицах измерения, установленных для схемы, за исключением половинного угла расходимости пучка, который выражен в радианах. Параметры встроенного Гауссова пучка могут быть вычислены по следующим стандартным формулам. Размер области Релея. zr, определяется как = ^ Фазовый радиус кривизны вычисляется по формуле: 2 R(=) =r + "f. где z - расстояние от перетяжки пучка. Радиальный размер пучка на расстоянии z вычисляется по формуле: <о(г) = где cog - размер перетяжки пучка -">-M°Ht)T' Гпава 7: МЕНЮ "ANALYSIS 7 111
Угол расходимости пучка вычисляется по формуле: ~ч G = tan —. Наконец, смещение Guoy вычисляется по формуле: <р = tan — The quality factor Коэффициент качества Все предыдущие результаты правильны для идеального втиснутого гауссова пучка. Для аберрационного (многомодового) пучка Siegman разработал простое дополнение к фундаметальной модели гауссова пучка. В его методе используется коэффициент, называемый фактором качества, который обычно обозначается как М2. Коэффициент М2 (который всегда больше единицы) может быть интерпретирован как коэффициент увеличения "дифракционного предела". Коэффициент М определяет размер реального аберрированного гауссова пучка с увеличенными в М раз размером и расходимостью по отношению к втиснутой гауссовой моде- Общепринято для задания лазерного пучка использовать величину коэффициента М2, а не М, хотя именно коэффициент М используется для масштабирования размера пучка. Коэффициент М2 для его корректного задания должен быть измерен. Если М2 равен единицв (как установливается по умолчанию), ZEMAX просто вычисляет описанные выше данные для ТЕМоо моды. Если М2 больше единицы, ZEMAX вычисляет данные как для втиснутого гауссова пучка, так и масштабированные данные. Так как параметры втиснутого гауссова пучка основаны на данных для параксиальных лучей, результаты не могут быть корректными для систем, которые имеют большие аберрации или которые плохо описываются параксиальной оптикой (такие, как системы, не обладающие вращательной симметрией). В этой программе игнори- игнорируются все апертуры и принимается, что гауссов пучок свободно проходит в пределах апертур всех элементов в системе! Interactive Analysis Интерактивный анализ Диалоговое окно этой программы позволяет работать с ней в интерактивном режиме. После задания параметров входного пучка можно через диалоговое окно подать команду "Update", по которой заданный гауссов пучок будет немедленно трассирован через систему, а результаты вычислений будут показаны прямо в диалоговом окне. В диалоговом окне можно устанавливать любой номер поверхности и сразу же видеть значения параметров пучка для этой поверхности. Можно также устанавливать нужную ориентацию данных. В режиме интерактивного контроля нет возможности для изменения параметров схемы, - это просто своеобразный "калькулятор" для вычисления и визуализации данных гауссового пучка. 7-112 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Skew Gaussian Beam Ассиметричный Гауссов пучок Назначение: Эта программа вычисляет параметры ассиметричного гауссова пучка. Ассиметрия пучка может возникнуть либо при его прохождении через оптическую систему, либо из- за его наклона при внеосевом входе в систему. Параметры ассиметричного пучка вычисляются с использованием реальных лучей и с учетом астигматизма, но только для низких порядков аберрации. Смотри также выше раздел "Paraxial Gaussian Beam" и следующий ниже раздел "Physical Optics Propagation". Установки: ПОЗИЦИЯ X Waist Size Y Waist Size Surf to Waist Wavelength Field Start Surface End Surface ОПИСАНИЕ Размер перетяжки пучка в направлении X в пространстве перед стартовой поверхностью ("Start Surface"); в установленных для схемы единицах измерения. Размер перетяжки пучка в направлении Y в пространстве перед стартовой поверхностью ("Start Surface"); в установленных для схемы единицах измерения. Расстояние от стартовой поверхности до места расположения перетяжки пучка. Величина этого параметра будет отрицательной. если перетяжка расположена левее стартовой поверхности. Номер длины волны, для которой проводятся вычисления. Номер поля, для которого проводятся вычисления. Номер поверхности, от которой начинается распространение пучка. Номер поверхности, на которой заканчивается распространение пучка. Обсуждение: Смотри раздел "Paraxial Gaussian Beam", в котором дана общая информация о гауссовых пучках. Эта программа вычисляет данные для ассиметричного идеального гауссова пучка, такие как размер пучка, расходимость пучка и место расположения перетяжки пучка, при распространении заданного входного пучка через оптическую систему. Пучок может проходить вне оси через симметричную оптическую систему ипи может идти под наклоном к оси системы в какой-либо ее части. Сначала задаются размеры перетяжки пучка по осям X и Y в оптическом пространстве перед стартовой поверхностью. Задаются также номер поля и номер длины волны, которые будут использованы для определения трассируемого через систему главного луча. Это главный луч становится осью гауссова пучка распространяемого через систему. X и Y направления сначала определяются путем ориентации входного зрачка. +Y направление для главного луча определяется как вектор, направленный от точки пересечения главного пуча с входным зрачком к точке пересечения краевого луча с входным зрачком (рх = 0. ру = 1). Точка с координатами краевого пуча рх =1. ру =0 определяет направление +Х. Смотри в главе "CONVENTIONS AND DEFINITIONS' раздел "Normalized field and pupil coordinates', в котором дано описание правила нормирования координат зрачка. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS' 7 113
При трассировании главного луча через оптическую систему трассируются также два краевых луча, которые используются для определения направлений X и Y в каждом оптическом пространстве. Все вычисленные данные для X и Y направлений измеряются в этой подвижной координатной системе. Physical Optics Propagation Физическое распространение светового пучка ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Назначение: Эта программа моделирует распространение произвольного когерентного оптического пучка через оптическую систему. Смотри главу "PHYSICALOPTICS PROPAGATION11. Установки: Beam Definition Tab Таблица определения параметров пучка ПОЗИЦИЯ Х- Y- Sampling Х- Y- Width Auto Wavelength Field Start Surface End Surface Type Surf to Beam File Use Polarization Peak Irradiance Total Power Parameters ОПИСАНИЕ The number of points used to sample the beam. The initial width in lens units of the region represented by the array. See Auto below. Pressing this button will calculate the optimum X- and Y- Width values to maintain the approximately the same number of pixels across the beam both within and outside the Rayleigh range. See "Comments about point spacing and sampling" on page 435. The wavelength number to use for the beam. The field number of the chief ray used to align the initial beam. The starting surface for the initial beam. The beam will begin in the optical space just prior to the starting surface. The surface at which to terminate the propagation. The beam will stop just after entering the optical space of the end surface. See the discussion and "Defining the initial beam" on page 436. The distance from the starting surface to the starting beam position in lens units. This value is negative if the beam starts to the left of the surface. See the discussion and "Defining the initial beam" on page 436. If checked, 2 beam arrays will be propagated, one each for the X and Y polarizations of the beam. The initial beam peak irradiance in power per area. This is an alternative to Total Power. The initial beam total power. This is an alternative to Peak Irradiance. Different initial beam types require various parameters to define the distribution. These parameter names and values will change depending upon the beam type setting. 7-114 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Display ТшЬ Таблица определения формы представления данных ПОЗИЦИЯ Show As Row/Column Data Project Save Output Beam To Save Beam At All Surface Zero Phase For Relative Irradiance Below Normalize Cross Section To ОПИСАНИЕ Choose surface, contour, false color, grey scale, cross sections, encircled, ensquared, or enslitted displays. If cross section is chosen for Show As, this control selects the row or column to view. Choose irradiance (power per area) or phase. The Ex and Ey refer to the X and Y polarization components of the beam. The beam may be viewed form any one of these perspectives: along the beam (this is along the chief ray used by the pilot beam), along the surface normal, or along the local Z axis of the surface. Note ZBF beam file data is always "along the beam". See the comments about beam projection below. If checked and a file name is provided, the complex amplitude of the beam at the end surface will be written to a file. This file can be read back in as a starting beam using the Beam Type control. ZEMAX will add the extension "ZBF1 to the provided file name. ZBF files are stored in the directory \POP\BeamFiles. If checked, the beam file will be saved at every surface from the start surface to the end surface that uses the physical optics propagator. The "Save Output Beam To" option must also be checked and a file name provided. The individual surface beam files will be named according to the provided file name, with a suffix indicating the surface number. For example, if the output file name is "MyBeamData.ZBF, then the beam file name for surface 12 will be "MyBeamData_12.ZBP. ZBF files are stored in the directory \POP\BeamFiles. Phase values are meaningless if the irradiance is extremely low. Computing the phase angle of data points with nearly zero irradiance (relative to the peak irradiance in the beam) will result in noisy plots and text listing of meaningless data. This value sets the lower limit on the relative irradiance of data points for which the phase is computed. Data points with relative irradiance lower than this threshold will have a phase value of zero. If zero, the vertical scale on cross section plots will be set by the maximum data value. Otherwise, the maximum vertical scale is set by the normalization value or the maximum data value, whichever is larger. Phase plots always scale from -pi to pi. Fiber Data Tab Таблица определения параметров световода ПОЗИЦИЯ Compute Fiber Coupling Integral Decenter X/Y Tilt Aboul X/Y (deg) ОПИСАНИЕ If checked, the fiber data on this tab will be used and the fiber coupling computed: otherwise, no fiber coupling computations will be performed. See "Computing Fiber Coupling" on paqe 440. The decenter in lens units of the fiber mode with respect to the beam The tilt about each axis in degrees of the Fiber mode with respect to the beam. The phase of the fiber mode will be modified with a linear tilt proportional to the tilt angles. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS1 7-115
позиция Fiber Type File Parameters ОПИСАНИЕ Selects the mode for the fiber. See "Computing Fiber Coupling1 on page 440. Selects the name of the DLL or data file describing the fiber mode. See "Computing Fiber Coupling" on page 440. Different fiber mode types require various parameters to define the mode. These parameter names and values will change depending upon the fiber type setting. Обсуждение: Смотри главу "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION". Comment about beam projection The analysis computes the beam irradiance or phase on a plane tangent to the chief ray at the point where the chief ray intercepts the surface. The data is shown after the beam refracts into, or reflects from, the end surface. The chief ray representing the center of the beam will generally intercept the surface at some angle of incidence other than zero, and the surface normal will generally be at some angle to the local Z axis. Using the "project" option on the "display" tab, the beam data may be viewed along the beam, along the surface normal, or along the local Z axis. The latter two options are implemented by elongating the beam by the cosine of the angle between the beam and the desired projection. The beam itself is always represented by the data array in a coordinate system normal to the chief ray. For this reason, the beam projected onto a surface by this feature may be elongated compared to the same beam stored as a file and viewed with the Beam File Viewer, see "Beam File Viewer" on page 158. Beams in ZEMAX are always centered on the chief ray for the selected field and wavelength. Therefore, the data in the beam file is positioned relative to the chief ray. The center point in the beam file is at the coordinate (nx/2+1, ny/2+1). The analysis window may include some of the following data: Display X Width/ Y Height: The width and height of the beam array in lens units at the end surface. Peak Irradiance: The maximum irradiance in power per area. To set the power and area units see IlUnits"on page 60. Total Power: The total power in the beam. To set the power units see "Units" on page 60. Pilot Beam Data: The Pilot Beam data includes the radial beam size, beam waist, position, and Rayleigh range. For detailed information on the Pilot Beam see "The pilot beam" on page 432. Fiber Coupling and Transmission: If "Compute Fiber Coupling Integral" is checked, then the fiber coupling fraction and the transmission is computed and displayed. The transmission is the total beam power at the surface times the fiber coupling. The fiber coupling is the fraction of the beam power at the end surface that couples into the fiber mode at that surface. To compute the total system fiber coupling efficiency, divide the transmission by the input beam source power. For more information see "Computing Fiber Coupling' on page 440. 7-116 Chapter 7: ANALYSIS MENU
Beam File Viewer Просмотр ZBF-файлов Эта программа доступна только для редакции 2ЕМАХ-ЕЕ Purpose: This feature allows viewing and analysis on previously stored ZEMAX Beam Files (ZBF). These files may be user defined or may be generated by the Physical Optics Propagation feature, see the feature "Physical Optics Propagation" on page 155. See also the Chapter ■PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" on page 427. Settings: The available settings are a subset of what is available for the Physical Optics Propagation feature described above. Deschption: The primary advantage to using this feature is that the beam may be propagated once through the optical system, using the Physical Optics Propagation feature described above, and then the beam files may be analyzed and viewed without the need to re-propagate the beam. Beam files for every surface may be generated by choosing "Save Beam At All Surfaces" on the Physical Optics Propagation feature settings. For rapid viewing through a range of files that differ only by the surface number, use the left and right cursor keys. See the "Comment about beam projection" on page 157. ZBF files are stored in the directory \POP\BeamFiles. Глава 7: МЕНЮ "ANALYSIS" 7 -117
TOOLS MENU МЕНЮ "TOOLS1' Optimization Оптимизация Назначение: Оптимизация оптической схемы проводится с целью улучшения ее характеристик или ее модификации для удовлетворения заданным требованиям. Обсуждение: Смотри главу "Optimization*1, в которой дано описание программы оптимизации включая вопросы создания оценочной функции и задания переменных параметров. Global Search Глобальный поиск Эта программа поддерживается только редакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Эта программа осуществляет поиск глобального оптимума, который соответствует наилучшему из всех возможных решений оптической схемы для заданной оценочной функции и заданных переменных параметров. Обсуждение: Смотри главу "Global Optimization". Hammer Optimization Оптимизация методом "постукивания по схеме" Эта программа поддерживается только редакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Эта программа осуществляет автоматически повторяющийся (итерационный) процесс оптимизации с многократным переходом через локальный минимум оценочной функции. После каждого цикла оптимизации параметры схемы немного изменяются и производится реоптимизация схемы. Этот процесс продолжается до достижения оптимальных характеристик схемы. Обсуждение: Смотри главу "Global Optimization". Merit Function Listing Таблица оценочной функции Назначение: Эта команда генерирует таблицу оценочной функции, которая может быть отредактирована, записана в файл или распечатана. Settings: Нет установок. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8- 1
Remove All Variables Снять со всех параметров статус переменной величины Назначение: Эта команда позволяет моментально снять со всех переменных параметров текущей схемы статус переменной величины. Обсуждение: Для всех параметров текущей схемы устанавливается статус постоянной величины (fixed'). Glass Substitution Template Спецификатор стекол (для их подбора при оптимизации) Эта программа поддерживается только редакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Спецификатор используется для задания максимальных пределов на стоимость стекол и на их механические свойства (стойкости к воздействию окружающей среды); используется в программе глобальной оптимизации схемы при выборе оптимальней марки стекла. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Use Glass Substitution Template Maximum Relative Cost Maximum Climatic Resistance (CR) Maximum Stain Resistance (FR) Maximum Acid Resistance (SR) Maximum Alkali Resistance (AR) Maximum Phosphate Resistance (PR) OK Cancel Reset ОПИСАНИЕ Если установить эту опцию, то глобальный оптимизатор будет использовать заданные параметры стекол при их выборе. См. ниже раздел "Обсуждение". Максимальная величина относительной стоимости стекла. Стоимость стекла Sdiott ВК7 принимается за 1.0; все другие стекла являются более дорогими и имеют более высокую относительную стоимость. Максимально допустимое значение кода CR. Максимально допустимое значение кода FR. Максимально допустимое значение кода SR. Максимально допустимое значение мзда AR. Максимально допустимое значение кода PR. Утверждение текущих установок. Отмена текущих установок и возврат к предыдущим установкам. Восстановление установок, заданных по умолчанию. 8 2 Chapter 8: TOOLS MENU
Обсуждение: Если опция "Use Glass Substitution Template" не будет активизирована, то в процессе глобальной оптимизации любые подходящие для заданного диапазона длин волн * стекла будут рассматриваться как альтернативные (при условии, что на данное стекло в самом каталоге не установлено запрета для его использования в схеме - 'exclude substitution") ане зависимости от их стоимости и механических свойств). Для стекол, для которых в каталоге отсутствуют данные об их стоимости и механических характеристиках, в каталоге показан знак "?"; эти стекла также могут быть выбраны при глобальной оптимизации - автоматически они не исключаются из рассмотрения. Данные, внесенные в спецификатор стекол, записываются в файл вместе с самой схемой. Tolerancing Допуски Назначение: Расчет и анализ допусков. Обсуждение: Смотри главу ''Tolerancing". Tolerance Listing Таблица допусков Назначение: Эта программа генерирует таблицу допусков, которую можно отредактировать, записать в файл или распечатать. Установки: Нет установок. Tolerance Summary Суммарная таблица допусков Назначение: Эта программа генерирует таблицу допусков, которую можно записать в файл или распечатать. Формат этой таблицы несколько проще для чтения, чем в таблице "Tolerance Listing", так как в нем не используется символика ZEMAX: это делает данные более доступными для их понимания изготовителями оптики и другими людьми, не знающими терминологии ZEMAX. Установки: Нет установок. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8 - 3
Test Plate Fitting Подгонка под пробные стекла Эта лоогоамма поддеоживается только оедакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Эта программа автоматически подгоняет радиусы кривизны поверхностей элементов оптической схемы под пробные стекла из каталога производителя. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ File Name Method of Fit # Opt Cycles ОПИСАНИЕ Выбор различных файлов с записью каталогов пробных стекол. Выбор степени подгонки, определяющей точность подгонки. Выбор числа циклов оптимизации или режим "Automatic11. Обсуждение: Эта программа автоматически решает задачу подгонки радиусов кривизны поверхно- поверхностей элементов текущей оптической схемы под пробные стекла разных изготови- изготовителей. Подгонка осуществляется с использованием текущей оценочной функции в качестве критерия качества подгонки. Для подбора отдельных радиусов сделайте их величины переменным параметрами; одновременно можно осуществлять подбор любого числа радиусов. Теперь вызовите эту программу. Выберите файл с нужным каталогом пробных стекол (описание этих файлов дано в главе "ZEMAX Support Files"). Можно выбрать один из следующих методов подгонки: Try All Methods: Испытать все методы: Best To Worst: От наилучшего к наихудшему: Опробовать все методы и использовать тот из них, который производит наименьшую величину оценочной функции. Подогнать первыми радиусы, для которых в каталоге есть близкие пробные стекла (оценка производится в интерференционных полосах). Worst To Best: от наихудшего к наилучшему: Long To Short: От больших радиусов к малым: Short To Long: От малых радиусов к большим: Подогнать первыми радиусы, для которых в каталоге нет близких пробных стекол. Подогнать первыми наибольшие радиусы. Подогнать первыми наименьшие радиусы. 8-4 Chapter 8 . TOOLS MtNU
Теперь нажмите в диалоговом окне электронную клавишу 'ОК", и подгонка начнется. 2ЕМАХ начинает подгонку с поиска в каталоге ближайших (в кольцах) пробных стекол для асех радиусов. Пробные стекла должны иметь правильную форму (выпуклую или вогнутую или и ту, и другую, как требуется) и должны иметь диаметр, подходящий для тестирования чистой апертуры поверхности линзы (как она определена величиной полудиаметра в таблице главного редактора схемы). Считается, что пробное стекло имеет подходящий размер, если оно имеет диаметр не менее У* от чистой апертуры поверхности линзы. Затем радиус поверхности, для которой наилучшим образом подгоняется одно из пробных стекол, заменяется на радиус этого пробного стекла. С этого радиуса снимается статус переменной величины и схема реоптимизируется. Поэтому нужно придать компенсаторам, таким как "spacing", а также всем радиусам, под которые подгоняются пробные стекла, статус переменных величин (для их оптимизации). Переоптимизация будет затрагивать все оставшиеся переменные величины, включая все остальные радиусы (кроме того, для которого уже было подобрано пробное стекло). Заметьте, что при оптимизации будет использоваться текущая оценочная функция. После оптимизации эта процедура повторится, если в схеме остался радиус со статусом переменной величины. Заметим, что радиусы в общем случае подгоняются не в том порядке, в каком они расположены в таблице редактора схемы. В процессе подгонки на экран выводится информация о числе оставшихся для подгонки радиусов и о текущей величине оценочной функции. После того, как все радиусы будут подогнаны под пробные стекла, на экран будет выведен отчет о результатах подгонки. В отчете приводится информация обо всех измененных радиусах и идентификационных номерах соответствующих им пробных стекол. Не существует способа узнать, являются ли выбранные пробные стекла оптималь- оптимальными. Если в каталоге содержится большое число пробных стекол и они образуют достаточно разумный непрерывный ряд без больших пробелов, подгонка обычно бывает очень хорошей. Если в процессе подгонки величина оценочной функции возросла до неприемлемой величины, нужно либо использовать другой каталог пробных стекол (другого изготовителя), либо модифицировать схему, либо изготовить для некоторых линз дополнительные пробные стекла. Обычно самый последний из подгоняемых радиусов является наиболее вероятным кандидатом на изготовление для него нового пробного стекла. В отчете указывается порядок, в котором были подогнаны все радиусы. При использовании опции "Try All Methods" достигается наименьшая величина оценочной функции, так как при подгонке используются все 4 метода и из них выби- выбирается тот. который дает наименьшую величину оценочной функции. Однако может существовать и какой-либо другой, кроме этих четырех, алгоритм подгонки, который даст лучший результат. Бывают случаи, когда алгоритм подгонки не может найти в каталоге близкое пробное для данного радиуса. Это может случиться, когда в каталоге нет близкого по радиусу пробного стекла с достаточно большим для данной поверхности диаметром. В этих случаях в отчете дается сообщение "NO MATCH FOUND" и этот радиус в дальнейшем игнорируется. Обычно это означает, что для этой поверхности должно быть заказано новое пробное стекло. Все имеющиеся в ZEMAX каталоги пробных стекол взяты от соответствующих произодителей, и нет гарантии на их точность и полноту в данный момент; более Глава 8: МЕНЮ TOOLS" 8 - 5
детальные данные о пробных стекол следует получить у самих производителей. В ZEMAX могут быть добавлены новые каталоги пробных стекол; производители должны для этого связаться с фирмой Focus Software. Новый файл с записью нового каталога пробных стекол может быть добавлен в ZEMAX Файл должен иметь расширение .TPD и должен быть помещен в директорий \TESTPLAT. ASCII-файл с новым каталогом должен иметь следующий формат: ! Первая строка заголовка ! Вторая строка заголовка ! и так далее (поддерживается до 15 информационных строк) радиус диамэтр код parename радиус диаметр код parename радиус диаметр код partname радиус диаметр код partname радиус диаметр код ! и так далее, где "partname" - идентификационный номер (ID) или имя пробного стекла, "радиус'- радиус кривизны пробного стекла в миллиметрах, "диаметр" - действительный диаметр пробного стекла в миллиметрах и "код" - целое число, которое должно быть: -1, если имеется пробное стекло только с вогнутой поверхностью; 0, если имеется пара пробных стекол - с вогнутой и с выпуклой поверхностями; 1, если имеется пробное стекло только с выпуклой поверхностью. Все эти четыре параметр должны быть записаны в одной строке через пробел. В наименовании пробного стекла пробелов быть не должно! Каждое пробное стекло (или пара) должно быть записано в отдельной строке, а строки разделены командой "Enter" (возврат каретки). Числа могут быть записаны в любом формате, но они должны выражать величины в миллиметрах. Максимальное число пробных стекол, которое может быть записано в один файл, - 30000. Заглавные строки могут быть использованы для разных записей, например: указания изготовителя, его адреса. номера телефона и другой информации. При распечатке списка пробных стеклах или результатов подгонки схемы под пробные стекла ZEMAX вместо знака Т печатает пробел. Test Plate Lists Списки пробных стекол Эта программа поддерживается только редакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Эта программа выводит на экран текстовое окно, содержащее списки пробных стекол из каталогов разных производителей. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ File Name ОПИСАНИЕ Выбор различных файлов с записью разных каталогов пробных стекол. Файлы с каталогами пробных стекол должны быть помещены в директорий /TESTPLAT. 8 - 6 Chapter 8 : TOOLS MENU
Обсуждение: Все данные измеряются в миллиметрах. В колонках "СС" и ЫСХ" перечислены все имеющиеся в каталоге вогнутые (ConCave) и выпуклые (ConveX) пробные стекла. Glass Catalogs Каталоги оптического стекла Назначение: Обеспеч ивает доступ к каталогам стекол. Обсуждение: Смотри главу "Using Glass Catalogs", Lens Catalogs Каталоги линз и объективов Назначение: Используется для поиска подходящей одиночной линзы или (сложного) объектива в каталогах производителей. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Vendor Use Focal Length Focal Length Min/Max Use Diameter Diameter Min/Max Equi-, Bi. Piano-, Meniscus ОПИСАНИЕ Выбор файла с • нужным каталогом. Имя каждого файла соответствует названию фирмы-изготовителя. Файлы с записью каталогов линз должны находиться в директории, который указывается в диалоговом окне "Environment". Если установить этот флаг, то можно определить область фокальных расстояний, которая будет использована как один из критериев для поиска подходящей линзы. В противном случае все фокальные расстояния будут считаться приемлемыми. Определение области фокальных расстояний в миллиметрах. Если установить этот флаг, то можно определить область диаметров, которая будет использована как один из критериев для поиска подходящей линзы. В противном случае все величины диаметров будут считаться приемлемыми. Определение области величин диаметров в мм. Если выбрать любую из этих опций, то поиск будет ограничен линзами, которые удовлетворяют, по меньшей мере, одному из выбранных критериев. Например, если выбрать Equi- и Вк то в поиск будут включены как равновыпуклые/равновогнутые (equiconvex/ equiconcave), так и двояковыпуклые/двояковогнутые (biconvex/biconcave) линзы. Глава 8: МЕНЮ TOOLS* 8-7
позиция Spherical. GRIN. Aspheric, Toroidal Max elements Search Results Search Load Insert Prescription Layout Exit ОПИСАНИЕ Если выбрать любую из этих опций, то поиск будет ограничен линзами, которые удовлетворяют, по меньшей мере, одному из выбранных критериев. Категория '"Spherical11 используется не только для сферических линз, но и для всех "других линз, не являющихся линзами с. градиентом показателя преломления (GRIN"), с асферическими ("Aspheric") или тороидальными поверхностями ("Toroidal"). Определение максимального количества элементов в (сложном) объективе, которое будет использовано в качестве критерия поиска. При выборе опции "Any #" в поиск будут включены объективы с любым количеством элементов. В этом поле перечисляются все файлы с линзами, которые содержатся в загруженных каталогах и которые удовлетворяют критериям поиска (результат поиска). Команда на выполнение поиска. Команда на загрузку выбранной линзы в Lens Data Editor; при загрузке производится обновление всех открытых окон для отражения данных загруженной линзы. Команда на присоединение выбранной линзы к текущей схеме. После подачи этой команды на экране появляется диалоговое окно, служащее для указания номера поверхности в схеме, к которой должна быть присоединена новая линза. Команда на открытие текстового окна с данными для выбранной линзы. Команда на открытие графического окна с изображением схемы (или трехмерной проекцией для систем, не имеющих вращательной симметрии) выбранной линзы. Команда на закрытие диалогового окна. Обсуждение: На экранном поле "Search Results" (Результаты поиска) указаны условные названия, фокальные расстояния и диаметры линз, выбранных из указанного каталога в соответствии с заданными критериями поиска. После величины диаметра указан 3-х значный код типа линзы (Р, S, 1). Первый знак-это код формы линзы: Е-сравными радиусами, В - двояковыпуклая/двояковогнутая, Р - плосковыпуклая/плосковогнутая, М - мениск, "?" — другие. Знак "?" (другие) используется для обозначения много- многоэлементных объективов. Второй знак - это' код формы поверхностей: S - сфери- сферическая, G - с градиентом показателя преломления, А - асферическая, Т - тороидальная. Третий знак обозначает количество элементов в объективе. В процессе инсталляции ZEMAX создает поддиректорий под названием STOCKCAT. Хранящиеся в этом поддиректорий файлы имеют имена с расширением .ZMF. Каждый из этих файлов содержит большое число файлов с расширением .ZMX, в которых записаны данные отдельных линз. Например, файлы с линзами из каталога фирмы-изготовителя "Melles Griot" записаны в поддиректорий C:\ZEMAX\STOCKCAT\MGRIOT.ZMF. Чтобы быстро найти линзу (объектив), имеющую близкие к одной или нескольким поверхностям в текущей схеме характеристики, установите в редакторе lens Data Editor" курсор на первую поверхность из этой группы, а затем войдите червз Tools в 8-8 Chapter 8 : TOOLS MENU
диалоговое окно Lens Catalogs. В диалоговом окне уже будут установлены по умолчанию подходящие значения критериев поиска для области фокусных рассто- расстояний и диаметров. ZEMAX вычисляет требуемые фокусные расстояния и диаметры линз и прибавляет к их величинам плюс/минус 5% для ограничения области поиска. Программа Tens Search" обеспечивает возможность поиска и выбора нужной линзы из числа имеющихся в каталогах. После выбора нужной линзы ее схема может быть загружена или присоединена к текущей схеме. Список файлов с каталогами линз приведен в главе "Support Files" ABg Scatter Data Catalog Каталог данных ABg-рассеивания Назначение: Эта программа обеспечивает доступ к катапогам, содержащим ABg-данные о рассеивающих свойствах "последовательных" и "непоследовательных" поверхностей. Settings: позиция File Name Wave Use Angle A,B.g TIS Save Save As Exit Insert Delete ОПИСАНИЕ Имя файла с текущими Abg- данными. Этот файл должен находиться в директории \ABG_DATA; Файл под нужным именем можно вызвать из меню System. General, Files tab, как это описано Имя отредактированного блока Abg-данных. Длина волны, для которой заданы (или были измерены) Abg- данные. Если этот параметр равен нулю, то масштабирование данных в зависимости от длины волны не производится. В других случаях значения параметров А и В масштабируются в соответствии с используемой длиной волны, как это описано в следующей ниже дискуссии. Если установить этот флажок, то будет использоваться высвеченный ряд данных. До 10 рядов данных можно определить для каждого блока Abg- данных (под одним именем ). Угол падения в градусах. Значение этого параметра должно быть между 0.0 и 90.0, включительно. Промежуточные углы падения интерполируются в пространстве косинусов. Данные для наименьшего заданного угла используются для углов падения. которые меньше наименьшего. Данные для наибольшего заданного угла используются при углах падения, больших наибольшего. Величины параметров А, В и g для заданного угла падения. При нажатии на эту электронную клавишу вычисляется полный интеграл рассеивания (Total Integrated Scatter, TIS) для выведенных на экран данных. Вычисленная величина этого интеграла должна быть меньше 1.0. Смотри ниже раздел "Обсуждение". Запись отредактированных данных в каталог. Запись отредактированных данных в каталог под новым именем Закрытие диалогового окна. Вход в каталог для записи нового блока Abg-данных. Удаление из каталога высвеченного блока Abg-данных Глава 8: МЕНЮ "TOOLS' 8-9
позиция Reload Sort Report Rename ОПИСАНИЕ Загрузка Abg-данных из последнего записанного файла; все редакционные изменения в файле, произведенные после его последней записи, аннулируются. Упорядочение показанных данных по возрастанию угла падения. Данные будут автоматически сортироваться каждый раз при записи или загрузке каталога. Данные выводятся в текстовом окне, которое может быть распечатано. Присвоение данному блоку Abg-данных нового имени. Обсуждение: Abg-данные используются для определения рассеивающих свойств "последовательных" и "непоследовательных" поверхностей. Для каждой оптической схемы можно использовать отдельный каталог Abg-данных, если это требуется. Используемый со схемой файл с Abg-данными вызывается через меню System, General, Files tab, как это описано в главе "System Menu" в разделе "Abg Data File". Каталог Abg-данных можно редактировать только внутри ZEMAX, используя диалоговое окно "ABg Scatter Data Catalog". Теоретическое обсуждение модели Abg-рассеивания дано в главе "NON- "NONSEQUENTIAL COMPONENTS" в разделе "ABg model scattering". Характер рассеивания определяется функцией распределения рассеянных лучей по различным направлениям (диаграмма рассеивания). Долю рассеянной энергии можно вычислить путем интегрирования функции рассеивания по кругу единичного радиуса. ZEMAX автоматически вычисляется этот интеграл (TIS), когда это требуется. Результат вычислений TIS можно вывести на экран путем нажатия на электронную клавишу "TIS". Очевидно, что величина TIS должна быть меньше 1.0; в противном случае будет нарушен закон сохранения энергии, что свидетельствует о некорректности используемой модели рассеивания. Wavelength scaling of ABg data Масштабирование Abq данных по длинам волн Если опорная длина волны (длина волны, для которой были заданы Abg-данные) определена (не равна нулю), то коэффициенты А и В масштабируются по длинам волн в соответствии со следующим соотношением: .Г -i(Af" .and ^ rey где X - трассируемая длина волны и А, В и g - параметры, измеренные для опорной ДЛИНЫ ВОЛНЫ, Xref. 8 10 Chcipter 8 : TOOLS MENU
Edit Coating File P д ктмрованио файлов с данными о покрытиях I Эта программа поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Вызывает редактор Windows NOTEPAD, в котором можно редактировать файлы COAT1NG.DAT. В этих файлах записываются данные о материалах и покрытиях Обсуждение: Смотри главу ^Polarization Analysis". После редактирования файла COATING.DAT его нужно перезагрузить с помощью программы "Reload Coating File*!; в противном случае ZEMAX может сам закрыться и перезагрузитъся для выполнения этой операции (обновления данных). Reload Coating File Перезагрузка файла с данными о покрытиях ■ [ Эта программа поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Назначение: Перезагружает файл COATING.DAT. Этот файл содержит данные о материалах покрытиях. Обсуждение: Смотри выше. Add Coating to All Surfaces Добавить покрытия на все поверхности Эта программа поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Назначение: "Наносит" какое-либо покрытие на все поверхности текущей схемы, которые являются границей раздела воздух-стекло. Обсуждение: После запуска этой программы на экран выводится диалоговое окно, позволяющее выбрать нужный тип покрытия. По умолчанию установлено просветляющее покрытие типа -AR", которое представляет собой четвертьволновый слой MgF2. Может быть выбран любой другой тип покрытия. Выбранный тип покрытия будет нанесен на все поверхности раздела стекло-воздух: эта программа в основном используется для моделирования антиотражающих покрытий. Coating Listing Список покрытий Эта программа поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Назначение: Эта программа генерирует список материалов и покрытий, содержащихся в файле COATING.DAT. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8-11
Convert Semi-Diameters to Circular Apertures Преобразование полудиаметров в круглые апертуры Назначение: Эта программа преобразует все поверхности текущей схемы, на которых не были установлены круглые апертуры в поверхности с апертурами; полудиаметры круглых апертур (диафрагм) устанавливаются равными полудиаметрам соответствующих поверхностей. Обсуждение: Главная цель этой программы - упростить анализ эффектов виньетирования. Для большинства оптических схем это проще и быстрее, чем использование коэффи- коэффициентов виньетирования (см. главу "System Menu") в процессе оптимизации. Однако коэффициенты виньетирования - это только приближение. Эта программа преобразует все полудиаметры в апертуры поверхностей. Коэффициенты виньетирования могут быть затем стерты (в этой программе это не делается автоматически), так что зрачок может быть переполнен и можно будет увидеть, в каком месте системы лучи действительно делают это. Convert Semi-Diameters to Floating Apertures Преобразование полудиаметров в плавающие апертуры Назначение: Эта программа преобразует все поверхности текущей схемы, на которых не были установлены поверхностные апертуры, в поверхности с "плавающими" апертурами; полудиаметры плавающих апертур (диафрагм) устанавливаются равными полудиаметрам соответствующих поверхностей. Обсуждение: Эта программа подобна программе "Convert Semi-Diameters to Circular Apertures", за исключением того, что на поверхностях схемы вместо круглых апертур с фиксированными диаметрами устанавливаются плавающие апертуры. Величины полудиаметров плавающих апертур динамически изменяются в соответствии с изменениями полудиаметров поверхностей, величины которых определяются в режиме "automatic". Заметьте, что если величина какого-либо полудиаметра определена как фиксированная величина (режим "fixed"), то она не будет изменяться и виньетирование будет происходить на уровне заданных полудиаметров. Remove All Apertures Удалить все апертуры _^ Назначение: Эта программа убирает из схемы все поверхностные апертуры Обсуждение: С посощью этой программы для всех поверхностных апертур устанавливается статус "None". 8-12 Chapter 8 : TOOLS MENU
Replace Vignetting With Apertures Заменить факторы виньетирования на апертуры Назначение: Этот алгоритм позволяет устранить заданные для схемы коэффициенты виньетирования и взамен их ввести в схему поверхностные апертуры, ограничивающие пучок лучей. Обсуждение: Этот алгоритм используется во многих программах анализа ZEMAX. В некоторых программах анализа, а которых лучи трассируются не только от заданных позиций поля, но и от промежуточных точек поля, замена факторов виньетирования на поверхностные апертуры необходима, так как факторы виньетирования задаются только для дискретных заданных позиций поля. Этот инструмент позволяет контролировать, что такая замена производится правильно, а также может быть использован просто для устранения факторов виньетирования.. Reverse Elements Реверс элементов схемы Назначение: Эта программа позволяет осуществить переворот одного элемента или группы элементов в оптической системе. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ First Surface Last Surface ОПИСАНИЕ Первая поверхность в группе поверхностей, которые должны быть обращены. Последняя поверхность в группе поверхностей, которые должны быть обращены. Обсуждение: Эта программа может неправильно работать, если в числе обращаемых поверхностей есть зеркальные поверхности, поверхности типа "coordinate break" или другие нестандартные поверхности. Tilt/Decenter Elements Наклоны и децентрировка элементов Назначение: Этот инструмент позволяет произвести наклоны и децентрировку одной или нескольких поверхностей, образующих элемент. Settings: ПОЗИЦИЯ First Surface Last Surface ОПИСАНИЕ Первая поверхность в группе поверхностей, которая должна быть наклонена или децентрирована. Последняя поверхность в группе поверхностей, которая должна быть наклонена или децентрирована. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8-13
позиция Decenter X, Y Tilt X, Y. Z Order ОПИСАНИЕ Величины децентровки по X и Y в установленных для схемы единицах измерения. Величины наклонов относительно осей X, Y и Z в градусах. Последовательность выполнения операций: сначала наклон, а затем децентрировка, или сначала децентрировка, а затем наклон. Обсуждение: Эта программа вводит в схему поверхности типа "coordinate break" и пустую поверхность, как это требуется для осуществления заданных смещений одной поверхности или группы поверхностей. Смотри в главе "SURFACE TYPES" раздел "Coordinate Break". Scale Lens Масштабирование оптических схем Назначение: Эта программа масштабирует оптические системы в заданное число раз. Это полезно при заимствовании каких-либо известных прототипов для новой схемы, например, масштабирования к новой фокальной длине; длины волн не масштабируются. Эта программа может быть использована также для изменения единиц измерения, например, для перехода от миллиметров к дюймам. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Scale by factor Scale by units ОПИСАНИЕ Если выбрать эту опцию, то масштабный коэффициент может быть введен непосредственно. Если выбрать эту опцию, то параметры схемы будут выражены 8 новой единице измерения. Make Focal Масштабирование схемы к новой фокальной длине Назначение: Эта программа подобна программе "Scale Lens", за исключением того, что схема может быть прямо масштабирована к новой фокальной длине. Вся схема масштабируется в соответствии с заданным фокусным расстоянием. Quick Focus Быстрая подфокусировка Назначение: Быстрая фокусировка оптической системы путем изменения величины заднего фокального отрезка. 8 14 Chapter 8 : TOOLS MENU
Settings Установки. ПОЗИЦИЯ Spot Size Radial Spot Size X Only Spot Size Y Only ПОЗИЦИЯ Wavefront Error Use Centroid ОПИСАНИЕ Подфокусировка к наименьшей величине СКЗ пятна рассеяния в плоскости изображения. Подфокусировка к наименьшей величине СКЗ пятна рассеяния по оси X (в плоскости изображения). Подфокусировка к наименьшей величине СКЗ пятна рассеяния по оси Y (в плоскости изображения). ОПИСАНИЕ Подфокусировка к наименьшей величине ошибки волнового фронта в плоскости изображения. При выборе этой опции все вычисления будут произведены относительно центра тяжести изображения, а не относительно главного луча. Эта опция лучше подходит для систем, у которых преобладает кома; но вычисления проводятся несколько медленнее. Обсуждение: Эта программа подстраивает толщину поверхности, предшествующей поверхности изображения. Толщина подбирается такой, при которой минимизируется величина СКЗ аберраций. Величина СКЗ аберраций вычисляется несколькими различными способами, которые описаны в данной выше таблице. Положение "наилучшего фокуса" зависит от выбранных критериев. Величина СКЗ всегда вычисляется как полихроматическая величина, усредненная по полю, с учетом всех заданных точек поля, всех определенных длин волн и их весов. Add Fold Mirror Добавить наклонное зеркало Назначение: Введение в схему ломающей зеркальной поверхности, включая необходимые поверхности типа "coordinate break". Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Fold surface Reflect angle Tilt type ОПИСАНИЕ Указание номера поверхности, которая должна стать ломающим зеркалом. Указанная поверхность должна быть фиктивной поверхно- поверхностью, уже введенной в схему в нужном месте. Угол меаду падающим и отраженным пучками. Определение оси (х или у), относительно которой должна быть наклонена зеркальная поверхность. Обсуждение: Эта программа вводит две фиктивные поверхности, одну перед зеркальной поверхностью и вторую после нее. Указанная ломающая поверхность становится зеркальной, а две фиктивные поверхности становятся поверхностями типа 'coordinate break" с указанным углом наклона. Угол наклона второй поверхности "coordinate break1 устанавливается как "pickup" от первой поверхности "coordinate Глава 8: МЕНЮ "TOOLS1 8-15
break. Наконец, толщины и радиусы кривизны всех последующих поверхностей изменяют знак в связи с введением в схему нового зеркала. Эта программа может давать неправильный результат, если фиктивная поверхность, на место которой вводится зеркальная поверхность, не является плоской стандартной поверхностью, расположенной fe воздухе. Фиктивная поверхность, на место которой вводится зеркальная поверхность, должна быть заранее введена в схему. Например, для введения ломающего зеркала посередине между двумя линзами, удаленными друг от друга на 100 мм, фиктивная поверхность должна быть введена между линзами с толщинами до и после нее, равными 50 мм. На место этой фиктивной поверхности затем будет введена ломающая зеркальная поверхность. Limitations of reversing surfaces following the fold mirror Ограничения на преобразование поверхностей, следующих за введенным наклонным зеркалом. После введения в схему наклонного зеркала все последующие поверхности должны быть преобразованы в том смысле, что направление +z становится направлением -г для тех же трассируемых лучей. Для большинства поверхностей ZEMAX это означает изменение знака радиуса кривизны или знака других параметров, которые определяют знак прогиба поверхности. Для поверхностей, форма которых определена пользователем, ZEMAX не может автоматически сделать такое преобразование. Для поверхностей NSC это может быть также невозможно. ZEMAX пытается сделать такое преобразование NSC поверхностей путем изменения знака 2 координаты выходного порта и поворотом всех компонент относительно оси Уна 180 градусов. Однако, этот метод не работает, если объекты, расположенные внутри NSC группы, несимметричны относительно их локальных плоскостей XZ и YZ. Так как Z соотношение объектов должно быть изменено, нет общего пути для такого преобразования у всех NSC объектов. Эта программа может не работать также в мультиконфигурационных схемах, если в разных конфигурациях изменяются толщина или тип стекла для какой-либо поверхности, следующей за ломающей зеркальной поверхностью. Delete Fold Mirror Убрать наклонное зеркало Назначение: Убирает их схемы наклонное зеркало и соответствующие ему поверхности "coordinate breaks". Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Fold surface Номер наклонной зеркальной поверхности, которая должна быть удалена из схемы. ^____ __^_______ Обсуждение: Эта программа убирает (стирает) из схемы наклонное зеркало. Если за зеркальной поверхностью следует поверхность "coordinate breaks" с нулевой толщиной, то эта поверхность "coordinate breaks" будет стерта. Если поверхность "coordinate breaks' 8 -16 Chapter 8 : TOOLS MENU
следует 5а зеркальной поверхностью с нулевой толщиной, то эта no*epxHOCTb*coordinate breaks* также будет стерта. Тощины всех стертых поверхностей будут прибавлены к предшествующей поверхности. Все последующие поверхности и их толщины будут автоматически преобразованы таким образом, чтобы выполнялось правило знаков. См. в предыдущем разделе абзац "Limitations of reversing surfaces following the fold mirror*. Эта программа может не работать или неправильно работать, если указанная зеркальная поверхность не является плоской стандартной поверхностью, расположенной в воздушной среде. Convert to NSC Group Преобразование в NSC-группу Назначение: Преобразует указанную в редвкторе "Lens Data Editor" группу поверхностей в группу непоследовательных компонентов (NSC-rpynny) Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ First Surface Last Surface ОПИСАНИЕ Первая поверхность в группе, которая должна быть преобразована в NSC-rpynny. Последняя поверхность в группе, которая должна быть преобразована в NSC-rpynny. Обсуждение: Эта программа преобразует группу "последовательных" поверхностей в группу "непоследовательных4 компонентов. Эта программа не осуществляет в полной мере удовлетворительного преобразования последовательных поверхностей в группу NSC-компонентов: внимательно проверьте результат преобразования и внесите в него необходимые коррективы перед проведением какого-либо важного анализа. Есть некоторые ограничения на преобразование группы последовательных поверхностей в группу NSC-объектов: Все преобразуемые поверхности должны относиться к типу "Standard". В будущих версиях ZEMAX это ограничение будет постепенно смягчаться путем расширения поддерживаемых типов NSC-объектов и усовершенствования логики преобразо- преобразования. Поверхности, предшествующие первой и последней поверхностям в преобразуемой группе, должны быть сделаны состоящими из материала типа "air" с единичным показателем преломления. Апертурная диафрагма системы должна предшествовать первой поверхности в преобразуемой группе. Могут быть случаи, когда результат трассировки лучей после преобразования не будет точно таким же. как до преобразования. Возможные причины этого следующие: Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8 -17
Некоторые лучи не могут быть таким же образом трассированы внутри NSC- группы, если некоторые поверхности имеют центральное экранирование или кольцеобразные апертуры Это главным образом относится к телескопам, имеющим апертуру с центральным экранированием. В непоследовательной группе главный луч либо не пройдет через NSC-группу, либо пройдет радикально другим путем. Лучи, которые проходят точно через край последовательной поверхности, могут в преобразованной группе пройти мимо этой поверхности, или пройти сквозь внешнюю цилиндрическую поверхность, ограничивающую NSC-группу. Поэтому ZEMAX несколько увеличивает диаметры каждой преобразуемой поверхности. Для систем, содержащих вогнутые поверхности на концах преобразуемой группы, края поверхностей могут выходить за пределы входного и выходного портов, что приведет к ошибкам в трассировке лучей. Для устранения этого нужно вручную откорректировать расположение входного и выходного портов или ввести в схему (перед её преобразованием) дополнительные фиктивные поверхности перед и после преобразуемой группы. Эта программа работает по следующему алгоритму: Вводятся первая поверхность NSC-объекта и пустая поверхность выходного порта. Выходной порт позиционируется таким образом, чтобы его положение совпадало с положением последней поверхности в преобразуемой группе. Последовательные поверхности преобразуются либо в стандартные NSC- поверхности (для зеркал), либо в стандартные NSC-линзы (для пар поверхностей с промежутком из стекла). Исходные последовательные поверхности затем стираются. Не во всех случаях эта программа работает правильно. Поэтому не считайте, что преобразование было совершенно вполне корректно, и внимательно проверяйте результаты преобразования перед любым важным анализом схемы. Ghost Focus Generator Генератор фокуса "духов3 Назначение: Анализ идухов". Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ Bounces First Surface Last Surface Save Files ОПИСАНИЕ Выбор: отражение от одной поверхности или последовательное отражение от двух поверхностей. Номер первой отражающей поверхности. Номер последней отражающей поверхности. Запись файла, использованного для вычисления "духов", на диск 8-18 Chapter 8: TOOLS MENU
позиция Imago Plane Only Chost Reflector Coating ОПИСАНИЕ Если выбрать эту опцию, то после вычисления двойного отражения будут показаны данные только для поверхности изображения. Имя файла (если такой файл имеется), с данными о покрытии, которое должно быть использовано при замене преломляющей поверхности на отражающую для моделирования "духов". Например, для имитации на всех поверхностях 1%-го отражающего покрытия введите имя (файла) 199". В результате этого поверхности будут отражать 1% энергии, и это будет использовано (при желании) для точного вычисления полной энергии "духов" при поляризационном анализе пропускания системы. Это пример использования идеального покрытия; но и реальные покрытия могут быть использованы для моделирования "духов", если подложки должным образом определены в модели покрытия. Обсуждение: Эта программа может работать некорректно для систем, содержащих поверхности типа "coordinate breaks" и нестандартные поверхности, а также для мультиконфигурационных систем. Эта программа генерирует файлы с новыми схемами, которые производятся по данным текущей схемы. Генерированные файлы организованы таким образом, чтобы пучок лучей отражался от указанной поверхности и шел назад через систему. Часть оптической системы, которая предшествовала отражающей поверхности, дублируется в обратном порядке, так что лучи могут быть трассированы назад. Цель этого анализа - проверить, могут ли лучи, отраженные от какой-либо оптической поверхности, образовать "духи" на другом компоненте системы или вблизи фокальной плоскости. Эти эффекты существенны в мощных лазерных системах, у которых фокусировка отраженных от оптических поверхностей лучей может существенно повредить оптику. "Духи" также снижают контраст изображения. Программа поддерживает однократное и двойное отражения. Альтернативный анализ "духов" может быть выполнен путем использования NSC-компонентов. Смотри главу "Non-Sequential Components". Для каждой генерированной системы приводятся величины: высота краевого луча, параксиальное F/# луча и СКЗ размера пятна рассеяния на оси Также указаны стеклянные поверхности, которые могут иметь внутренний фокус При анализе двойного отражения (double-bounce) для поверхности изображения приводятся данные о расстоянии от нее до плоскости фокусировки "духов" и эффективное фокусное расстояние сгенерированной для анализа схемы. Сгенерированные для анализа файлы записываются под именами GHfffsss ZMX и эти файлы могут быть открыты обычным путем дпя дальнейшего анализа. На место букв fff записывается номер первой отражающей поверхности, а на место букв sss - номер второй отражающей поверхности. Например, имя (файла) GH007002 ZMX означает, что анализируется двойное отражение - от поверхности 7 и вторичное Глава 8: МЕНЮ "TOOLS* 8-19
отражение от поверхности 2 При анализе однократного отражения только fff-число будет отлично от нуля. Эта программа не работает правильно для систем, которые содержат нестандартнее поверхности или поверхности типа 'coordinate break", а также для мульти- конфигураций. Эту последнюю проблему можно обойти, если активизировать только одну из конфигураций и стереть все остальные данные мультиконфигурационного режима, а затем выполнить данную программу. Не для всех систем могут быть трассированы лучи для исследования "духов"; случаются проблемы с полным внутренним отражением или когда лучи полностью проходят мимо поверхности. Для более детального анализа следует открыть и модифицировать файл GHfffsss.ZMX. Если первая отражающая поверхность находится перед апертурной диафрагмой системы, то положение входного зрачка вычисляется неверно. Эта проблема легко преодолевается (только для целей анализа "духов") путем использования перед выполнением программы следующей процедуры: 1) запишите для памяти данные о положении1 и величине диаметра входного зрачка; 2) введите в схему пустую поверхность на место первой поверхности; 3) Задайте толщину этой новой пустой поверхности равной отрицательной величине записанного расстояния до положения входного зрачка; 4) сделайте эту пустую поверхность поверхностью алертурной диафрагмы системы ("Stop") и задайте величину диаметра входного зрачка равным записанной величине диаметра входного зрачка; 5) для систем, работающих с конечного расстояния (только для таких систем) добавьте к толщине объекта (расстояние до объекта) величину, равную толщине пустой поверхности. Эти шаги дадут Вам правильное положение входного зрачка в пространстве объектов, и лучи будут правильно трассированы при отражении от поверхности, расположенной перед апертурной диафрагмой системы. Анализ "духов" может быть очень запутанным для систем средней сложности, так что требуется большое внимание при интерпретации полученных результатов. Performance Test Тест на скорость вычислений Назначение: Тест на скорость трассировки лучей. Обсуждение: Зта программа позволяет проверить скорость трассировки лучей через Вашу схему (выраженную в числе лучей-поверхностей в секунду), зависящую как от быстродействия Вашего компьютера, так и от сложности Вашей схемы. Программа трассирует большое число случайных косых лучей через текущую оптическую схему. Затем число трассированных лучей делится на число поверхностей в схеме и на время трассировки. Скорость сильно зависит от типа процессора, наличия или отсутствия сопроцессора, тактовой частоты компьютера и сложности схемы. 8 - 20 Chapter 8 : TOOLS MENU
Create Polygon Object Создание объекта типа "Polygon" Назначение: Эта программа позволяет создавать РОВ-файлы для определения геометрической формы объектов, которые могут быть использованы в качестве NSC- детекторов. Обсуждение: Простые формы объектов можно создавать в виде РОВ-файлов просто с помощью текстового редактора. Однако часто требуется ввести в схему детекторные объекты с большим числом граней, такие, например, как куб с сотнями гранями на каждой стороне. Такие сложные объекты проще создавать с помощью этой программы. Для создания РОВ-файла, выберите подходящий тип объекта из списка, введите соответствующие вашей задаче параметры, присвойте файлу какое-либо имя и нажмите на клавишу "ОК". Заметьте, что в имени файла не нужно указывать путь к нему, но имя должно иметь расширение РОВ. ZEMAX автоматически поместит этот файл в директорий \OBJECTS, предназначенный для использования с NSC- редактором. При необходимости иметь дополнительные исходные РОВ-формы объектов, пожалуйста, обращайтесь в компанию FSI за технической поддержкой. Смотри в главе "NON-SEQUENTIAL COMPONENTS" раздел "Polygon Object", в котором дано описание детекторных объектов. Описание формата РОВ-файлов дано в той же главе в разделе "Defining Polygon Objects". Export IGES/SAT/STEP Solid Экспорт твердотельных объектов в форматах 1GES/SAT/STEP Назначение: Данные текущей схемы экспортируются (с различными опциями) в файл в форматах IGES, SAT или STEP . Смотри также ниже раздел "Export IGES Line Work". i Установки: ПОЗИЦИЯ First/Last Surface Wavelength Field Number of Rays Ray Pattern Lens/Ray Layer Delete Vignetted Surface as Solid ОПИСАНИЕ Область экспортируемых поверхностей. Номер длины волны. Номер поля. Количество трассируемых лучей; точное значение зависит от установки "Ray Pattern". Выбор типа ряда лучей для экспорта. Эта опция очень подобна опции, определенной для 30-схемы; смотри главу "Analysis Menu". Выбор иерархии расположения данных в выходном файле. При этой установке виньетированные лучи не будут включены в экспортируемые данные. При этой установке поверхности, ограничивающие стеклянный объем, будут объединены в один твердотельный объект, еспи это возможно. Не все типы поверхностей 2ЕМАХ могут быть объединены в единый твердотельный объект. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS11 8-21
позиция Export Dummy Surfaces Dummy Thickness Spline Segments ОПИСАНИЕ При этой установке будут экспортироваться и пустые поверхности. Толщина пустых (фиктивных) поверхностей в установленных для схемы единицах измерения при автоматическом преобразовании этих поверхностей в твердотельные модели. Работает только при активизированных опциях "Export Dummy Surfaces" и Surface as Solids". Число сегментов, которое должно быть использовано для аппроксимации формы объекта сплайнами при экспорте. Обсуждение; lGES-формат (Initial Graphics Exchange Specification, IGES) - это американский национальный стандарт (American National Standard), который принят для обмена данными между различными программами типа CAD. В настоящее время ZEMAX поддерживает версию 5.2 стандарта IGES. Более детальную информацию о формате IGES можно получить от U.S. Product Data Association, P. О. Box 3310, Gaithersburg, MD 20885-3310. Формат SAT, используемый для ACIS геометрического моделиро- моделирования механизмов, разработан компанией Spatial Technologies. STEP формат - стандарт АР203, определенный в ANS US PRO/IPO-200-203-1994, также доступен по этому адресу. ZEMAX экспортирует пять типов данных; Lines (Линии): Лучи, идущие через оптическую систему, экспортируются в виде линий. Лучи, проходящие через GRIN-среду. экспортируются в виде серии линий. Surfaces (Поверхности): Экспортируемые поверхности могут иметь произвольную форму, включая форму, заданную пользователем; ZEMAX поддерживает также любые формы поверхностных апертуры, включая апертуры, форма которых задана пользователем. Поверхности NSC объектов экспортируются либо в виде сглаженных (NURBS) поверхностей, либо в виде граненых поверхностей в зависимости от типа объекта. Точность экспортируемых данных для некоторых типов поверхностей (таких как асферические или тороидальные), экспортируемых в виде NURBS-поверхностей, зависит от количества используемых для их аппроксимации сплайнов; чем больше сплайнов1 тем выше точность, но время записи данных в файл увеличивается! Lens Solid (Твердотельные линзы): Эти объекты образуются путем экструзии ("выдавливания") поверхностей, ограничивающих линзовый элемент. В качестве твердотельных линз экспортируются большинство поверхностей, ограничивающих материальный объем и имеющих апертуры одинаковой формы (например, обе поверхности имеют прямоугольные апертуры). Faceted Solid (Граненые твердотельные объекты): Форма этих объектов образуется мозаикой из трегольников; к таким объектам, например, относятся призмы или линзы Френеля. В виде граненых твердотельных объектов экспортируются NSC STL- и РОВ- объекты и многие другие. Parametric Solid (Параметрические модели.): Некоторые NSC объекты, такие как "Torus Volume" ("Тороидальный объем"), экспортируются как твердотельные NURBS- объекты. 8 - 22 Chapter 8 : TOOLS MENU
ZEMAX позволяет экспортировать в виде поверхностей или твердотельных объектов tee типы "последовательных" поверхностей и все типы "непоследовательных объектов. ZEMAX экспортирует все поверхности и лучи в заданной (для данной схемы) глобальной трехмерной координатной системе; см. главу "System Menu". Если зеркальные или пустые поверхности экспортируются как твердотельные модели, то ZEMAX экспортирует их в виде тонкостенных объектов. Твкие объекты будут иметь одинаковую форму передней и задней сторон (форму экспортируемой поверхности), а толщина объекта будет равна толщине зеркальной или пустой поверхности (в установленных для схемы единицах измерения). Эта программа требует определения имени экспортируемого файла и пути к директорию, в который он должен быть записан. По умолчанию файлу присваивается имя EXPORT.IGS и он записывается в текущий директорий для выходных данных. Если имя файла будет иметь расширение -IGS, то выходной файл будет записан в формате IGES. Если имя файла будет иметь расширение .STP, то выходной файл будет записан в формате STEP. При любых других расширениях выходной файл будет записан в формате IGES. Export IGES Line Work Экспорт в формате "IGES Line Work" 4 Эта программа экспортирует текущую схему в файл в формате "IGES line work" с различными опциями. Смотри также выше раздел "Export IGES/STEP Solid". Установки: ПОЗИЦИЯ First/Last Surface Wavelength Field Number of Rays Ray Pattern Lens/Rav Layer Delete Vignetted Spline Segments ОПИСАНИЕ Область экспортируемых поверхностей. Номер длины волны. Номер поля. Число трассируемых лучей; точное значение зависит от установки "Ray Pattern". Выбор типа диаграммы распределения экспортируемых лучей. Эта опция подобна опции для Зй-схемы; см. главу "Analysis Menu". Выбор иерархии расположения данных в выходном файле. При этой установке лучи, виньетированные какой-либо поверх- поверхностью, не будут включены в экспортируемые данные. Количество сегментов, которое должно быть использовано для аппроксимации формы объекта сплайнами при экспорте. Обсуждение: IGES-формат (Initial Graphics Exchange Specification. IGES) - это американский национальный стандарт (American National Standard), который принят для обмена данными между различными программами типа CAD. В настоящее время ZEMAX поддерживает версию 5.2 стандарта IGES. Более детальную информацию о формате IGES можно получить от U.S. Product Data Association, P. О. Box 3310. Gaithersburg, MD 20885-3310. ZEMAX экспортирует линии, сферические дуги и сплайны для представления формы и положения каждой поверхности. ZEMAX не экспортирует "края" линз и не делает различия между пустыми поверхностями, стеклянными поверхностями и зеркалами. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS" 8 - 23
Тип и число каждого экспортируемого IGES-элемента для данной поверхности зависит от апертуры поверхности, если она установлена, и от симметрии поверхности, если она существует. В нижеследующей таблице показано, как ZEMAX определяет наилучшее представление поверхности. ZEMAX экспортирует все поверхности и лучи в 3D координатную систему, привязанную к глобальной координатной системе схемы, описание которой дано в главе "System Menu". Эта программа запрашивает, под каким именем должен быть записан экспортируемый файл и какой путь к директорию, в котором он должен быть записан. По умолчанию файл будет иметь имя "EXPORT.IGS" и будет записан в текущий директорий для выходных данных. Файл будет записан в формате IGES независимо от того, какое расширение будет иметь его имя. ZEMAX не экспортирует объекты, определенные как часть NSC поверхности. Если это требуется, смотри описание программы "Export IGES/STEP Solid". IGES ENTITIES EXPORTED BY SURFACE APERTURE AND SHAPE ЭКСПОРТИРУЕМЫЕ IGES ЭЛЕМЕНТЫ SURFACE APERTURE None, Circular Aperture or Obscuration Rectangular Aperture or Obscuration Elliptical Aperture or Obscuration User Defined Aperture or Obscuration SURFACE SHAPE Piano (Плоская) Spherical (Сферическая) Other (Другие) Piano (Ппоская) Other (Другие) Piano (Плоская) Other (Другие) Any (Любая) ENTITIES USED Одна линия вдоль оси X, одна линия вдоль оси Y. одна окружность в плоскости XY с радиусом, равным полудиаметру. Одна дуга в XZ плоскости, одна дуга в YZ плоскости, одна окружность в XY плоскости с радиусом, равным полудиаметру. Один сплайн в Х2 плоскости, один сплайн в YZ плоскости, одна окружность в XY плоскости с радиусом, равным полудиаметру. Три линии, параллельные оси X, и три линии, параллельные оси оси Y, расположенные по краям и центру поверхности в виде решетки. Три сплайна, параллельные оси X, и три сплайна, параллельные оси оси Y. расположенные по краям и центру поверх- поверхности в виде решетки в проекции на XY плоскость. Одна линия вдоль оси X, одна линия вдоль оси Y, один сплайн, определяющий края поверхности в XY плоскости. Один сплайн вдоль оси X, один сплайн вдоль оси Y, один сплайн, определяющий края поверхности. Одна линия для каждого заданного сегмента, 8-24 Chapter 8 : TOOLS MENU
Лин йный элемент - IGES элемент 110. Дуга окружности - IGES элемент 100. Элемент сплайна - IGES элемент 112. Лучи экспортируются как линейные элементы. В среде с градиентом показателя преломления (GRIN) лучи экспортируются как серия линейных элементов. На экране появляется предупреждение, если не все из указанных поверхностей были экспортированы. Для 'сложных" поверхностей, для которых нужно экспортировать как экраны, так и другие формы, используйте дополнительные пустые поверхности со вторыми апертурами, расположенные совместно с оптическими поверхностями. Например, для экспорта прямоугольной линзы с прямоугольным экраном на поверхности используйте две поверхности с нулевой толщиной между ними: одну с апертурой и вторую с экраном. Контролируйте, чтобы эти поверхности имели одинаковую форму, то есть для них был установлен один и тот же тип поверхности, и используйте, где это возможно, функцию "pick up". Slider Ползунок Назначение: Эта программа используется для юстировки параметров какой-либо поверхности или системы в целом в интерактивном режиме с визуализацией анализируемых данных в открытых окнах. Установки: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Данные, которые должны быть модифицированы, указываются следующими тремя установками: Window Start/Stop Value Animate В этом поле укажите объект модификации: поверхность, система в целом, конфигурация, NSC объект. В этом поле укажите тип данных, которые должны быть модифицированы. Для поверхности это относится к величинам: радиуса, кривизны, толщины, конической постоянной, параметра и дополнительных данных. Для системы это включает величины : апертуры системы, поля, длины волны, коэффициента аподизации. температуры, давления. Для конфигурации это относится ко всем операторам. Для NSC данных это относится к положению объекта и параметрам. В этом поле укажите номер поверхности, если модифицируются параметры поверхности. Укажите в этом поле номер конфигурации, если модифицируются данные конфигурации. Укажите номер NSC объекта, если модифицируются NSC данные. Выберите либо опцию "АН", при которой будут обновляться при юстировке все открытые окна, либо укажите определенное окно. Установка предельных значений юстируемого параметра (пределы перемещения движка). Автоматическое пошаговое изменение величины анализируемого параметра в заданной области его значений с одновременной мультипликационной визуализацией данных в открытых окнах. Электронная клавиша '"Stop" служит для остановки этого процесса. Глава 8: МЕНЮ "TOOLS' 8-25
позиция Save Exit ОПИСАНИЕ По этой команде осуществляется запись текущих данных; контрольное окно при этом остается открытым. По этой команде восстанавливаются исходные значения (или последней записи) анализируемого параметра и закрывается контрольное окно. Обсуждение: Эта программа может быть использована для юстировки параметров какой-либо поверхности или всей системы с мониторингом результатов юстировки в каком-либо одном или во всех открытых окнах. При выполнении этой программы производится копирование модифицируемых данных. При переходе от одного к какому-либо другому объекту модификации (например, при переходе к другой поверхности или к другому параметру поверхности/системы) автоматически восстанавливаются исходные данные, еспи не было команды "Save". Команда "Save" производит замену исходных записанных данных на новые, модифицированные данные. Если обновление (вычисление) данных в каком-либо одном или во всех открытых окнах требует длительного времени, то эта программа может работать неравномерно. В таких случаях рекомендуется ограничиться анализом данных только в одном окне и/или изменить установки в анализируемом окне для снижения времени вычислений. 8 26 Chapter 8 : TOOLS MENU
REPORTS MENU МЕНЮ "REPORTS" Introduction Введение В этой главе дано описание текстовых окон, содержащих числовые результаты выполнения различных программ, поддерживаемых ZEMAX. Содержание каждого текстового окна может быть распечатано на принтере с помощью команды Print", выбранной из меню данного окна. Используемый принтер определяется с помощью панели управления Windows - "printers". Текстовые окна содержат опцию "Settings", с помощью которой можно изменять установленные по умолчанию параметры вычислений. При выборе этой опции на экране появляется диалоговое окно, которое обычно содержит пять электронных клавиш: OK, Cancel, Save, Load и Reset. По команде OK выполняется новое вычисление - в соответствии с произведенными установками, и на экран выводятся новые данные. Команда Cancel отменяет сделанные установки и восстанавливает предыдущие установки, но не обновляет данные в окне. По команде Save произведенные установки записываются в файл для их последующего использования (уже по умолчанию), затем производятся новые вычисления и происходит обновление окна. По команде Load производится загрузка самого последнего записанного файла с установками (диалоговое окно остается открытым). По команде Reset восстанавливаются установки, которые 2ЕМАХ вводит по умолчанию (диалоговое окно остается открытым): Текстовое окно может быть обновлено путем двойного нажатия левой клавиши мышки в любом месте в пределах окна. Диалоговое окно с установками может быть вызвано на экран нажатием правой клавиши мышки. Surface Data Данные о поверхности Назначение: Выводит на экран текстовое окно с данными об отдельной поверхности схемы. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ ОПИСАНИЕ Surface Номер поверхности, для которой должны быть выведены данные. Обсуждение: Эта программа генерирует текстовое окно, содержащее данные об отдельной поверхности схемы. Эти данные включают оптические силы поверхности и элемента, фокальные длины поверхности и элемента, краевую толщину, показатель преломления и другие данные, относящиеся к поверхности. Если тип стекла для данной поверхности определен как "model", то приводится спецификацию показателей преломления (для каждой из определенных длин волн), вычисленных на основании параметров модели. Также перечисляются названия стекол из текущего загруженного каталога, показатели преломления которых имеют ближайшие (в смысле СКЗ) к модельным значения ("Best Fit Glass"). В частности. Глава 9: МЕНЮ "REPORTS" 9 -1
ZEMAX вычисляет ошибку показателя преломления как сумму квадратов разницы между модельной величиной и реальной для данной марки стекла величиной Показателей преломления; последняя вычисляется по дисперсионной формуле. Суммирование производится по всем заданным длинам волн. Ошибка показателя преломления вычисляется для каждого стекла из текущего загруженного каталога, и стекло с наименьшей величиной СКЗ отклонения определяется как наиближайшее стекло. Заметьте, что наиближайшее стекло может иметь отличное от модельного стекла V-число. однако это обусловлено приближением, принятым в модели для дисперсии стекла. Так как показатель преломления является физически значимым параметром, только его величина используется для подбора стекла. При замене модельного стекла на реальное стекло ("fixed"), последнее подбирается с использованием этого же алгоритма. Больше информации по использованию моделей стекол можно найш в главе 'Using Glass Catalogs". System Data Параметры системы Назначение: Выводит на экран текстовое окно с основными парамерами текущей оптической системы. Settings: Установки: Нет установок. Обсуждение: Эта программа генерирует текстовое окно, в котором приводятся величины многих основных параметров, относящихся к оптической системе в целом, таких как положение и размеры зрачков, увеличение, F/# и так далее. Prescription Data Спецификация схемы Назначение: Эта программа генерирует спецификацию данных обо всех поверхностях оптической системы и итоговые данные для всей системы. Эта программа предназначена для распечатки содержания таблицы редактора Lens Data Editor. Settings: Установки: ПОЗИЦИЯ General Data Surface Data Surface Detail Edge Thickness ОПИСАНИЕ Включить в спецификацию F/#, положения зрачков, увеличение и так далее. Включить в спецификацию'типы поверхностей, радиусы кривизны, толщины, марки стекол, величины полудиаметров, конические постоянные. Включить в спецификацию величины параметров поверхностей. Включить в спецификацию краевые толщины поверхностей по осям X и Y. 9 -2 Chapter 9: REPORTS MENU
пел ция Muto-Config Data $оК"е?Л/апаЫе$ InuexData Gtobai Vertex Element Volume F lumbers Cardinal Points POP Settings ОПИСАНИЕ В<п»оч*тъ в спецификацию таблицу операторов мультн- конфигурацин. Включить в спецификацию типы и данные функций sotve, список переменных параметров. Включить в спецификацию величины показателей преломления каждой поверхности для каждой длины волны Включить в спецификацию глобальные координаты вершин каждой поверхносл« и матрицу поворотов системы для каждой поверхности. Включить в спецификацию данные об объеме, плотное™ и массе сферических элементов системы. Включить в спецификацию список рабочих F/# для каждой комбинации точки поля и длины волны. Включить в спецификацию координаты кардинальных, узловых, фокальных и антмкардинальных точек. Включить в спецификзию список поверхностей, для которых используется программа "Physical Optics Propagation". Обсуждение: Этот отчет охватывает все данные оптической схемы. Созданный файл содер>кнт спецификацию многих данных схемы, таких как величины показателей преломления, глобальные координаты, объемы элементов и многие другие. Эта спецификация дает полное представление о схеме. При вычислении объемов элементов предполагается, что поверхности являются стандартными и имеют сферическую или плоскую форму с цилиндрическими краями при наибольшей величине полудиаметров. Плотности элементов берутся из каталога стекол и выражаются в граммах на кубический сангшетр. Для элементов с градиентом показателя преломления плотность принимается равной 3.6 г/куб, см. что может и не быть хорошим приближением. Report Graphics 4/6 Графики для отчета Назначение Эта программа генерирует графическое окно, на котором одновременно показаны 4 или 6 разных графиков. Главное преимущество этой программы состоит в том, что сразу несколько графиков может быть отпечатано на одной странице, что полезно оформления общего отчета, архивных док\ментов и статей. Settirgs. Остановки: Это графическое окно работает несколько другим образом, чем другие графические o<ha Опция "Setting* в меню этого окна позволяет выбрать тип графика для качдой позиции в пределах окна. Сделанный выбор может быть записан точно так же. как записываются установки в других окнах, выбранная комбинация графиков после загмеи будет в дальнейшем воспроизводиться по умолчанию. Для качлого окна также мочет быть сделан выбор опоеделенной конфигурации схемы; по > молчанию воспроизводится текущая конфигурация. В дополнение к этому текущие установки могут быть записаны с neu~jjbK> команды "Save As" в отдельный файл для их использован***» в б\д\и,ем hvc ;гайла вводится в Глава 9: МЕНЮ 'REPORTS' 9-3
строке, расположенной правее клавиши "Save As (ZEMAX сам добавит к этому имени подходящее расширение). Файл с записанными установками загружается командой "Load From". Имена записанных файлов .можно найти в выпадающем меню, расположенном правее клавиши "Load From"; это позволяет быстро найти и воспроизвести нужный график. При нажатии на клавишу "Load From" загружается последний файл из записанных по команде "Save As'. Для изменения установок для каждого отдельного графика нужно использовать правую клавишу мышки. Сначала уберите увеличение на экране, если оно было сделано, а затем кликните правой клавишей мышки на график, для которого Вы хотите изменить установки. 9 -4 Chapter 9: REPORTS MENU
MACROS, EXTENSIONS, AND WINDOWS MENUS МЕНЮ "MACROS", "EXTENSIONS" и "WINDOWS" Edit/Run ZPL Macros Редактирование/выполнение ZPL- программ Эта гюогоамма поддерживается только редакциями ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Назначение: Выполнение макросов ZEMAX Programming Language (программ, написанных на макроязыке ZEMAX) Эта команда вызывает на экран диалоговое окно, позволяющее редактировать, просматривать и выполнять макросы Обсуждение: Смотри главу "ZEMAX Programming Language", в которой дано описание макроязыка ZPL. Это диалоговое окно в основном используется для разработки и отладки новых ZPL-программ. Электронная клавиша "Terminate" позволяет прервать выполнение ZPL- программ. Refresh Macro List Обновление списка макросов Назначение: Обновление списка макросов. Обсуждение: Эта программа обновляет список макросов; это может потребоваться при добавлении в список нового макроса или после стирания ненужного макроса. Macro Names Список имен макросов Назначение: Показан список всех макросов, содержащихся в директории "Macros". Если кликнуть на имя какого-либо макроса в списке (выведенном на экран), то этот макрос немедленно выполняется. Обсуждение: Эта программа позволяет выбирать и выполнять нужный макрос, выбирая его прямо из списка (не прибегая к открытию диалогового окна "ZPL Macros"). Для прерывания выполнения макроса используйте клавиатурную клавишу "Escape". Extensions Приложения Эта программа поддерживается только редакцией ZEMAX-EE Назначение: Выполнение прикладных программ ZEMAX. Глава 10: МЕНЮ "MACROS". "EXTENSIONS" и "WINDOWS" 10 -1
Обсуждение: Смотри главу "Extensions and Dynamic Exchange", в которой дано описание методики создания прикладных программ *ZEMAX Extensions*. Краткое описание включенных в ZEMAX примеров "Extensions" дано в нижеследующей таблице. EXTENSIONS INCLUDED WITH ZEMAX ПРОГРАММЫ "EXTENSIONS", ВКЛЮЧЕННЫЕ В ZEMAX НАЗВАНИЕ ПРОГРАММЫ ArrayDEMO DDE_DEMO PhasePlot Pupil Map SagCalculation TransmissionPlot ОПИСАНИЕ Создание таблицы трассируемых лучей для текущей оптичес- оптической схемы. Этот пример включает в себя пример программиро- программирования источника и иллюстрирует метод использование команд по трассировке матрицы лучей. Создание текстового окна со списком лучей и данными систе- системы. Этот пример включает в себя пример программирования источника и иллюстрирует основы использования DDE- программ. Создание графика, показывающего наклон фазовой кривой для поверхности типа Binary 2. График показывает изменение фазы вдоль полудиаметра поверхности. Создание карт для X-Y сетки лучей, идущих от входного зрачка или от апертурной диафрагмы системы с использовании опции "ray-aiming" к другим поверхностям оптической системы. Создание расширенного списка стрелок прогиба для поверхности с отсутствием вращательной симметрии. Создание графика зависимости пропускания от длины вопны. Refresh Extensions List Обновление списка прикладных программ Назначение: Обновление списка прикладных программ. Обсуждение: Эта программа обновляет список программ "Extensions"; это может потребоваться, когда нужно добавить в список новую программу или удалить из него какую-либо программу. Новые программы должны быть помещены в поддиректорий \Extend главного директория ZEMAX. Extensions Names Список прикладных программ Назначение: Показан список программ, помещенных в директорий \ZEMAX\Exlend. Кликнув на имя нужной программы, можно немедленно ее выполнить. Обсуждение: Смотри главу "ZEMAX Extensions", в которой дано описание методики создания и выполнения программ "Extensions". 10-2 Chapter 10: MACROS, EXTENSIONS, AND WINDOWS MENUS
Listing of open windows Список открытых окон Назначение: Выводит на экран список названий всех открытых окон. Кликнув на имя какого-либо окна в этом списке, можно установить на экране это окно поверх всех других открытых окон и активизировать его. . Обсуждение: Кликнув на имя какого-либо окна в этом списке, можно установить это окно поверх всех других открытых окон и активизировать его. Глава Ю МЕНЮ MACROS EX't\S ?\S*
SURFACE TYPES ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ Introduction Введение ZEMAX моделирует многие типы оптических компонентов. Это включает элементы с обычными сферическими поверхностями, а также с асферическими, тороидальными, цилиндрическими и другими поверхностями; ZEMAX может моделировать такие элементы, как дифракционные решетки. ^тонкие" линзы, бинарную оптику» линзы Френеля, голографические поверхности и другие. Так как ZEMAX моделирует много различных типов поверхностей, то использование для них в качестве интерфейса "пользователь-компьютер" редакционной таблицы с функциональными колонками под одними и теми же названиями вызвало бы большие затруднения при ее использовании. Например, нет необходимости иметь колонку 'diffraction order" (порядок дифракции) для поверхности, которая не обладает дифракционной способностью. Чтобы сделать интерфейс как можно более упорядоченным, ZEMAX указывает разные названия редакционных колонок для поверхностей разного типа (в соответствии с теми данными, которые нужно задать для поверхности данного типа). Parameter data Параметрические данные Поверхности типа "Standard" (стандартная) могут быть плоскими, сферическими или асферическими второго порядка и "состоять" из однородного материала типа "air4 (воздух), "mirror" (зеркальная) или "glass" (стеклянная). Для поверхностей этого типа требуется определить только несколько величин, таких как радиус кривизны (величина которого может быть равна бесконечности для получения плоской поверхности), толщина (расстояние до следующей поверхности), коническая постоянная (по умолчанию ее величина устанавливается равной нулю (сфера) и наименование марки стекла. Для других типов поверхностей определяются эти же основные величины, а также некоторые дополнительные Например, для поверхностей типа "even asphere" (четная асферика) используются все колонки для введения данных, которые используются и для стандартных поверхностей, плюс восемь дополнительных колонок для введения коэффициентов полинома. Эти восемь дополнительных значений называются параметрами. Они называются "parameter Г (параметр 1). 'parameter 2" и так далее Важно усвоить, что эти параметры имеют различный смысл и разное обозначение в таблице для разных типов поверхностей. Например, для поверхности типа "even asphere" (четная асферика) параметр 1 используется для определения величины коэффициента параболического члена полинома Однако для поверхности типа "Рагах/аГ (параксиальная) параметр 1 используется для определения фокальной длины поверхности Оба этих типа поверхностей используют параметр 1. но для разных целей; это возможно, так как эти типы поверхностей никогда не используются одновременно для одной и той же оптической поверхности Это совместное использование одних и тех -че колонок длр оазли^чых данных сильно Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ *'- '
упрощает интерфейс ZEMAX. а также снижает объем памяти, необходимый для выполнения программ. После того, как вы изменили тип поверхности от стандартного (Standard) на какой-либо другой, 2ЕМАХ автоматически изменит заголовки колонок, в которые вводятся числовые значения параметров, используемых с данной поверхностью. Когда вы перемещаете курсор от одной ячейки к другой, заголовки колонок будут указывать вам, для какого именно параметра используется данная ячейка для данного типа поверхности. Если для текущего типа поверхности колонка с параметрами не используется, она будет иметь заголовок 'Unused11 (не используется). Более детальное описание редактора Lens Data Editor дано в разделе "Lens Data" в главе "Editors Menu". Extra data Дополнительные (внешние) данные ZEMAX-EE поддерживает также поверхности, для описания которых недостаточно восьми параметров. Например, для описания поверхности типа "binary optic 1" (бинарная оптика 1) требуются восемь параметров, а также 200 дополнительных чисел. Таблица редактора была бы очень большой, если бы в нее записывались все эти числа, и поэтому для введения дополнительных данных используется отдельный редактор. Однако концепция остается той >ке самой. Назначение дополнительных данных различно для разных типов поверхностей. Заголовки колонок в редакторе "Extra Data Editor" также изменяются при перемещении курсора от ячейки к ячейке. Описание редактора "Extra Data Editors" дано в главе "Editors". Summary of surface types Обзор типов поверхностей ZEMAX моделирует плоские, сферические и асферические второго порядка поверхности; все эти типы поверхностей сгруппированы в категорию стандартных поверхностей. Если в таблице редакторе дважды кликнуть на колонку "Surface Type", можно будет выбрать другие модели поверхностей. На экране появится меню со списком всех доступных типов поверхностей, из которого можно выбрать требуемый тип поверхности. В дополнение к стандартным поверхностям ZEMAX поддерживает много других типов поверхностей. User defined surfaces Поверхности, определяемые пользователем Как бы много не было введено в ZEMAX различных типов поверхностей, всегда, по- видимому, потребуются какие-либо другие типы поверхностей для решения задач проектирования особых схем или решения проблем моделирования и анализа допусков. Если для решения какой-либо проблемы нужный тип поверхности не включен в ZEMAX, то пользователь довольно просто может ввести в таблицу редактора свой тип поверхности, определив тип поверхности как "User Defined1; описание этого типа поверхности дано в конце этой главы. Новые типы поверхностей создаются путем написания программ, в которых определяются форма, ход лучей и другие свойства поверхностей, а затем эти программы сопрягаются с ZEMAX. Если вы затрудняетесь или не можете сами написать программу для требуемого типа поверхности, пожалуйста, обращайтесь в FSI с заказом на разработку для Вас нужного типа поверхности. FS1 имеет большой опыт в разработке алгоритмов трассировки лучей и может написать для Вас нужную программу за небольшую плату. 11-2 Chapter 11; SURFACE TYPES
Built in surfaces Типы поверхностей Используемые в ZEMAX типы поверхностей перечислены в следующей ниже таблице. SUMMARY OF SURFACE TYPES ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИП Standard Even Asphere Odd Asphere Paraxial Paraxial XY Toroidal Biconic Toroidal Grating Cubic Spline Hologram 1 Hologram 2 Coordinate Break Polynomial Fresnel ABCD Alternate Even Alternate Odd Diffraction Grating Conjugate Tilted Irregular Gradient 1 Gradient 2 ОПИСАНИЕ Плоские, сферические и асферические второго порядка Стандартная поверхность плюс полиномиальная четная асферика Стандартная поверхность плюс полиномиальная нечетная эсферика Модель идеальной тонкой линзы Модель идеальной тонкой линзы с разными параметрами по осям X и Y Сферические и асферические тороиды и цилиндры Асферика второго порядка с независимыми параметрами поХиУ Линейная дифракционная решетка на тороиде Осесимметричная аппроксимация по восьми точкам Двухточечная (оптически изготовленная) голограмма Двухточечная (оптически изготовленная) голограмма Позволяет осуществлять поворот и децентрировку координатной системы Поверхность, аппроксимируемая полином 8-ой степени с разпожением по осям X и Y Плоская поверхность с преломляющей оптической силой (поверхность Френеля) Используется матрица ABCD для моделирования "черного ящика" Поверхность типа Even Asphere с выбором альтернативного решения Поверхность типа Odd Asphere выбором альтернативного решения Линейная дифракционная решетка на стандартной поверхности Поверхность с идеальной изображающей способностью для двух сопряженных точек Наклонная поверхность (без использования изменения координатной системы!). Стандартная поверхность с децентрировкой, наклоном и другими деформациями. Поверхность из материала с радиальным градиентом показателя преломления. Поверхность из материала с радиальным градиентом показателя преломления. СТР. 11-5 11-6 11-6 11-7 11-8 11-9 11-9 11-10 11-11 11-11 11-13 11-13 11-14 11-15 11-15 11-16 11-16 11-17 11-17 11-19 11-19 11-20 11-21 Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-3
тип Gradient 3 Gradient 4 Gradient 5 Gradient 6 Gradient 7 GradiumIM Gradient 9 Gradient 10 Zernike Fringe Sag Zernike Fringe Phase Zernike Standard Sag Zernike Standard Phase Extended Polynomial Binary Optic 1 Binary Optic 2 Extended Cubic Spline Extended Asphere Extended Odd Asphere VLS Grating Elliptical Grating Elliptical Grating 2 Optically Fabricated Hologram ОПИСАНИЕ Поверхность из материала с радиальным и аксиальным градиентом показателя преломления. Поверхность из материала с градиентом показателя преломления по осям X, Y и Z. Поверхность из материала с радиальным и аксиальным градиентом показателя преломления с дисперсионной моделью. Поверхность из материала с радиальным градиентом показателя преломления с дисперсионной моделью Gradient Lens Corp. Сферический профиль градиента показателя прелогиления. Поверхность из материала с аксиальным градиентом показателя преломления и дисперсионной моделью. Поверхность из материала с радиальным градиентом показателя преломления с дисперсионной моделью NSG SELFOC lens. Поверхность из материала с градиентом показателя преломления по оси Y с дисперсионной моделью. Используются 37 полиномов Цернике ряда Fringe для задания стрелок прогиба. Используются 37 полиномов Цернике ряда Fringe для задания фазы. Используются 231 полиномов Цернике стандартного ряда для задания стрелок прогиба поверхности. Используются 231 полиномов Цернике стандартного ряда для задания фазы на поверхности. Используются 169 членов полиномиального расширения для задания стрелок прогиба. Используются 189 членов полинома для задания фазы. Используются радиальные полиномы для задания фазы. Осесимметричная аппроксимация по 198 точкам. Используются радиальные полиномы для задания стрелок прогиба. Используются радиальные полиномы с нечетными степенями. Дифракционная решетка с переменным шагом. Эллиптическая решетка с асферикой. Эллиптическая решетка с асферикой и штрихами, идущими вдоль линий пересечения эллиптической подложки с наклонными параллельными плоскостями. Изготовленная оптическим методом голограмма с произвольной конструкционной оптикой и эллиптической ПОДЛОЖКОЙ СТР. 11-22 11-22 11-23 11-24 11-25 11-26 11-29 11-30 11-31 11-32 11-34 11-35 11-35 I 11-S6 1 11-38 11-40 11-41 11-42 11-43 11-44 11-45 11-46 11-4 Chapter 11: SURFACE TYPES
тип S T^fCOniC Extended Fresno Cylindrical Fresnel Generalized Fresnel GridSaq Grid Phase Periodic Toroidal Hologram Jones Matrix Atmospheric Refraction Zone Plate User Defined Birefringent In/Out Radial NURBS Toroidal NURBS Non- Nonsequential Component ОПИСАНИЕ Сверхм>ническая асферика с быстрой сходимостью. Полиномиальная поверхность Френеля. Полиномиальная поверхность Френеля на полиномиальной цилиндрической поверхности. Обобщенная поверхность Френеля. XY попином Френеля на асферической подложке. Форма поверхности описывается сеткой точек. Фазовая поверхность, описываемая сеткой точек Поверхность в форме косинусоиды. Тороидальная подложка с двухточечной (оптически изготовленной) голограммой. Обобщенная матрица Jones для модификации состояния поляризации. Моделирование рефракции земной атмосферы. Модель зонной пластинки Френеля. Поверхность, форма которой определяется пользователем. Используется для моделирования одноосных двоякопреломляющих кристаллов; поддерживает трассировку обыкновенного и необыкновенного лучей. Радиальная NURBS-поверхность Тороидальная NURBS-поверхность Используется в режиме непоследовательной трассировки лучей через совокупность трехмерных поверхностей и объектов, расположенных в пространстве произвольным образом. 11-49 11-51 11-52 11-52 11-53 11-55 11-56 11-56 11-58 11-58 11-59 11-61 11-70 11-74 11-76 11-76 Standard Стандартная поверхность Наиболее широко используемая поверхность - сферическая. Сфера центрирована относительно текущей оптической оси, а ее вершина расположена в заданной точке на оси. ZEMAX трактует плоскую поверхность как частный случай сферы (сфера с бесконечно большим радиусом кривизны); асферические поверхности второго порядка также рассматриваются как частный случай. Стрелка прогиба ("sag") или z координата стандартной поверхности определяется формулой: с г где с - кривизна (обратная величина радиуса) поверхности, г - радиальная координата в линейных единицах схемы и к - коническая постоянная Коническая постоянная меньше -1 для гиперболических поверхностей, равна -1 для параболи- параболических поверхностей, находится мечау -1 и 0 для эллиптических поверхностей равна Глава 11. ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-5
О для сферических поверхностей и больше 0 для сплющенных эллипсоидальных поверхностей. Для стандартных поверхностей не используются параметрические данные. Имеется несколько удобных формул для выражения радиуса и кривизны эллиптической поверхности через величины главной и малой полуосей эллипса. Если "а"-длина главной полуоси и "Ь"- длина малой полуоси, то: с a 'аг-Ъ~ а Even Asphere Поверхность с четной асферикой Осесимметричнзя полиномиальная асферическая поверхность описывается путем добавления к формуле сферы полинома, описывающего отклонения от сферической поверхности (или асферики, описываемой с помощью конической постоянной). В модели поверхности с четной асферикой для описания асферичности используются только четные степени радиальных координат. Стрелка прогиба поверхности определяется формулой: с г Z = г а2 г аА ;* 10 а6 /* 12 Заметьте, что восемь коэффициентов являются размерными величинами. Только величины этих коэффициентов вводятся в таблицу редактора схемы, a ZEMAX вычисляет величины г, необходимые для трассировки лучей через поверхность. Восемь коэффициентов вводятся в соответствующие параметрические колонки редактора, как это показано в следующей ниже таблице. Модель четной асферики наиболее часто используется для описания корректоров для телескопов Шмидта. PARAMETER DEFINITIONS FOR EVEN ASPHERE SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ЧЕТНОЙ АСФЕРИКИ PARAM. 1 ОЦ PARAM. 2 а2 PARAM.3 PARAM. 4 CU PARAM. 5 »5 PARAM. 6 Об PARAM. 7 Oil PARAM. 8 Odd Asphere Поверхность с нечетной асферикой Модель нечетной асферической поверхности подобна модели четной асферической поверхности, за исключением того, что используются как четные так и нечетные степени р. Наименование поверхности несколько вводит в заблуждение, но так или 11-6 Chapter 11: SURFACE TYPES
иначе подходит для описания необычной формы этой поверхности. Стрелка прогиба поверхности определяется формулой: с Г Заметьте, что восемь коэффициентов являются размерными величинами. Только величины этих коэффициентов вводятся в таблицу редактора схемы, a ZEMAX вычисляет величины г, необходимые для трассировки лучей через поверхность. Восемь коэффициентов вводятся в соответствующие параметрические колонки редактора, как это показано в следующей ниже таблице. Модель нечетной асферики может быть ислольэована для генерирования поверхностей конической формы, называемых аксиконами. Моделирование аксиконов с помощью поверхности с нечетной асферикой обсуждается в главе "Advanced Topics". PARAMETER DEFINITIONS FOR ODD ASPHERE SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ НЕЧЕТНОЙ АСФЕРИКИ PARAM. 1 Pi PARAM. 2 Р2 PARAM.3 Рз PARAM. 4 Р4 PARAM. 5 Ps PARAM. 6 Рб PARAM. 7 P7 PARAM. 8 Pe Paraxial Параксиальная поверхность Параксиальная поверхность действует как идеальная тонкая линза. Параксиальная поверхность особенно полезна для анализа и оптимизации систем, которые на выходе дают коллимированный пучок. Афокальные системы могут быть промодели- промоделированы путем помещения перед плоскостью изображения параксиальной поверхно- поверхности с установкой ее толщины (расстояния до плоскости изображения), равной фокальной длине. Если установить фокальную длину равной одному метру, то все аберрации, выраженные в микронах, можно интерпретировать в микрорадианах. Два параметра требуются для моделирования параксиальной поверхности: фокальное расстояние и OPD мода. Фокальное расстояние задается для воздушной среды (с показателем преломления равным 1), хотя параксиальная модель будет поддерживать изображение и в средах с показателем преломления, отличным от 1. Если флаг моды OPD установить равным нулю, то OPD вычисляется на основе беэаберрационных сопряженных положений. Обычно это приемлемо для осесимметричных систем с умеренными аберрациями, которые хорошо описываются оптикой первого порядка. Если флаг моды OPD установить отличным от нуля, таким как единица, то OPD будет вычисляться на основе реального луча аберрированного входного пучка. Две эти моды будут давать очень разные значения OPD. если пучок имеет аберрации и F/# параксиальной поверхности мало (то есть светосильный пучок), а также у систем не обладающих осевой вращательной симметрией В этих случаях ZEMAX не всегда может определить "идеально" сопряженные положения, так что должна быть использована мода - 1. Для систем, обладающих осевой вращательной симметрией можно использовать моду = 0 Мода =1 требует, чтобы ZEMAX выполнил многократное интегрирование действительной фазы. Гпава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-7
производимой поверхностью. В результате в моде = 1 программа работает значительно медленнее, чем в моде = 0. В то же время, результат в моде = 1 не будет более точным, если аберрации относительно невелики (менее 5-10 длин волн). Параксиальная поверхность преломляет лучи в соответствии со следующими уравнениями: п'и[ =^7нl -уф , где ф - оптическая сила поверхности и п- показатель преломления; штрихи откосятся к величинам со стороны изображения, а углы - наклоны, которые вычисляются по направляющим косинусам луча: п т п Параксиальная поверхность изображается на схеме в виде плоской поверхности! PARAMETER DEFINITIONS FOR PARAX1AL SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПАРАКСИАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAMETER 1 Фокальное расстояние PARAMETER 2 Мода OPD PARAMETER 3-8 | Не используются Paraxial XY Параксиальная XY поверхность Параксиальная XY поверхность подобна параксиальной поверхности за исключе- исключением того, что её оптическая сила может быть определена отдельно как по оси X, так и по оси Y. Поэтому эта поверхность может быть использована как параксиальная цилиндрическая или тороидальная линза. Два параметра необходимо задать для этой поверхности: оптическую сипу по оси X и оптическую силу по оси Y. Параксиальная XY поверхность изображается на схеме в виде плоской поверхности! PARAMETER DEFINITIONS FOR PARAXIAL XY SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПАРАКСИАЛЬНЫХ XY ПОВЕРХНОСТЕЙ Parameter 1 Оптическая сила по X Parameter 2 Оптическая сила по Y PARAMETER 3 - 8 Не используются 11-8 Chapter 11: SURFACE TYPES
Toroidal Тороидальная поверхность Тороидальная поверхность образуется путем задания кривой в Y-Z плоскости и последующего вращения этой кривой вокруг оси, параллельной оси Y и пересекающей ось Z. Тор о иды определяются заданием базового радиуса кривизны (р = 1/с) в Y-Z плоскости, а также величины конической постоянной и коэффициентов полинома асферики. Форма кривой в Y-Z плоскости определяется по формуле: 2 Эта формула подобна формуле для поверхности с четной асферикой, за исключе- исключением того, что в ней отсутствует член 16 порядка и аргументом является не г = фс2+у~. а у. Эта кривая затем поворачивается вокруг оси. находящейся на расстоянии р от вершины. Это расстояние является радиусом вращения и может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Радиус кривизны поверхности (р = 1/с) в плоскости Y-Z определяется в той же колонке таблицы редактора, в которой определяются радиусы стандартных поверхностей. Величина радиуса вращения R определяется в колонке Parameter 1. Для моделирования цилиндрических линз, ось которых параллельна оси X, нужно либо ввести очень большую величину радиуса вращения, либо ввести 0, который ZEMAX интерпретирует как бесконечно большой радиус. Заметьте, если величина радиуса R в плоскости Y-Z задана равной бесконечности, то может быть определена поверхность кругового цилиндра с оптической силой только в направлении х {а не только в направлении у), поэтому цилиндрическая поверхность может быть ориентирована в любом направлении. Другие колонки параметров используются для введения (при необходимости) асферических коэффициентов, как это указано в следующей ниже таблице. Если асферические коэффициенты требуются в X направлении, то нужно повернуть тороид с помощью пары поверхностей типа "coordinate break" вокруг оси Z. Если необходимы различные асферические поверхности по направлениям X и Y. то смотрите в этой главе далее описание поверхностей типа 'biconic", "polynomial" и "extended polynomial". PARAMETER DEFINITIONS FOR TOROIDAL SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТОРОИДАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PAR AM. 1 Радиус вращения PARAM 2 СИ PARAM 3 а2 PARAM 4 PARAM 5 PARAM 6 PARAM 7 а6 PARAM 8 Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-9
Biconic Биконическая поверхность Биконичесхая поверхность подобна тороидальной поверхности, за исключением того, что коническая постоянная и базовый радиус могут быть различными в X и Y направлениях. Биконическая поверхность позволяет непосредственно определить величины R*, Ry. Kx и Ку. Стрелки прогиба биконической поверхности определяются формулой: C..V2 +C..V2 V V-' где Величина радиуса Rxbx направлении определяется в колонке "Parameter 1П; если для него ввести значение 0, величина х радиуса будет интерпретирована как бесконечно большая величина. PARAMETER DEFINITIONS FOR BICONIC SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ БИКОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Parameter 1 Rx Parameter 2 kx PARAMETER 3-8 I He используются Toroidal Grating Тороидальная дифракционная решетка Поверхность типа тороидальной дифракционной решетки подобна регулярной торо- тороидальной поверхности, за исключением того, что для нее не поддерживается асферика, а на тороидальной поверхности располагается дифракционная решетка. Тороидальные решетки описываются путем задания кривой в Y-Z плоскости, которая затем вращается вокруг оси, параллельной оси Y и пересекающей ось Z. Тороидальные решетки определяются базовым радиусом кривизны в Y-Z плоскости и конической постоянной. Кривая в Y-Z плоскости определяется формулой: с/ 2 = " Эта формула подобна формуле для стандартной поверхности, за исключением того, что аргументом является не г, а у. Кривая, определенная по этой формуле, затем вращается вокруг оси, отстоящей от вершины на расстояние R. Это расстояние является радиусом вращения и может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Радиус кривизны поверхности в плоскости Y-Z определяется в той же колонке таблицы редактора, в которой определяются радиусы стандартных поверхностей. Величина радиуса вращения определяется в колонке Parameter 1. Для 11-10 Chapter U: SURFACE TYPES
моделирования цилиндрических линз, ось которых параллельна оси X, нужно либо ввести очень большую величину радиуса вращения, либо ввести 0, который 2ЕМАХ интерпретирует как бесконечно большой радиус. Заметьте, если радиус Y-Z установлен равным бесконечности, поверхность с оптической силой в направлении х, но не в направлении у, может быть определена, поэтому цилиндрическая поверхность может быть ориентирована в любом направле- направлении. Дифракционная решетка определяется числом штрихов на микрон и порядком дифракции. Эти значения вводятся в колонки "Parameter 1" и "Parameter 2", соответ- соответственно. Штрихи решетки расположены параллельно оси х и имеют равномерный шаг в проекции на плоскость. PARAMETER DEFINITIONS FOR TOROIDAL GRATING SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ TOROIDAL GRATING" ПОВЕРХНОСТЕЙ Parameter 1 Радиус вращения Parameter 2 Число штрихов на мкм Parameter 3 Порядок дифракции Parameter 4-8 Не используются Cubic Spline Поверхности, аппроксимируемые кубическими сплайнами Этот тип поверхности описывается восемью значениями стрелок прогиба, которые являются расстояниями меаду плоскостью, касающейся поверхности в точке вершины, и поверхностью. Восемь значений стрелок прогиба измеряются при 1/8, 2/8, 3/8, 4/8, 5/8. 6/8, 7/8 и 8/8 полудиаметра этой поверхности. Поверхность типа кубического сплайна имеет вращательную симметрию и располагается перпенди- перпендикулярно к местной оси при вершине (нет заострения). Все восемь точек должны быть определены. Промежуточные точки не могут быть использованы, хотя величина полудиаметра может превышать полезную апертуру поверхности. Это часто требуется, так как при аппроксимации сплайнами иногда получается очень большая крутизна. Этот тип поверхности используется для определения необычных корректо- корректоров, фар и других нестандартных оптических поверхностей. Если восьми точек недостаточно для определения поверхности, то смотри в этой главе ниже описание поверхности типа "Extended cubic spline". Поверхности этого типа могут дать "рваные" результаты трассировки пуча. Более общее и много более сглаженное решение - это использовать поверхности с заданием стрелок прогиба по узпам координатной сетки (поверхности типа "grid sag"), которые не ограничены требованием вращательной симметрии. Смотри ниже описание этого типа поверхностей. ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ 'CUBIC SPLINE" ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAM 1 Стрелка при 1/8 PARAM 2 Стрелка при 2/8 PARAM 3 Стрелка при 3/8 PARAM 4 Стрелка при 4/8 PARAM 5 Стрелка при 5/8 PARAM 6 Стрелка при 6/8 PARAM 7 Стрелка при 7/8 PARAM в Стрелка при 8/8 Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-11
Hologram 1 Голограмма 1 __ __ Эта поверхность может быть использована для моделирования голограмм, постро- построенных оптическим методом. Голографическая поверхность может быть плоской, сферической или асферической (второго порядка), а среда позади голограммы может быть из воздуха или стекла. Подложка может быть также зеркальной ("MIRROR"); это означает, что голограмма построена и используется в отраженном свете. Сама голограмма описывается: координатами х. у и z двух конструкиионных точек (двух источников); длиной волны конструкционного света и порядком дифракции. Голограмма отклоняет луч согласно уравнению: - единичный вектор нормали к поверхности в точке пересечения с лучом; - единичный вектор в направлении первого конструкционного лучка лучей; Гг- единичный вектор в направлении второго конструкционного пучка лучей; Г, - единичный вектор в направлении падающего считывающего пучка лучей; * Го - преломленный луч; * X и X -длины волн конструкционного и считывающего света; m - порядок дифракции. Значение m = 0 означает, что луч не отклоняется (нулевой порядок дифракции), в то время как Другие целые значения m относятся к более высоким дифракционным порядкам. Используемая здесь система обозначений взята из книги Welford, Adam Hilger "Aberrations of Optical Systems" A986). Моделирование голограмм требует понимания принципа их действия, что остается за пределами этого руководства; перед использованием этой поверхности пользователь должен обратиться за более детальными разъяснениями к указанной выше книге или к другим литературным источникам. Большинство голограмм как конструируются, так и используются в проходящем или в отраженном свете. Редко бывают случаи, когда голограмма конструируется 8 проходящем свете, а затем подложка алюминируется и голограмма используется в отраженном свете. Этот особый случай может быть имитирован с помощью топогра- топографической поверхности, если ввести для нее отрицательную длину волны конструкционного света. При этом будет произведена корректная трассировка лучей, но программа вычисления OPD работать не будет. ZEMAX моделирует голограммы только в части оценки меры отклонения луча. Другие свойства, такие как эффективность и относительное пропускание, не поддержи- поддерживаются. Более детальная информация о трассировке лучей через голографические поверхности дана в вышеуказанной книге. Два конструкционных пучка определяются положением их точечных источников. Координаты х. у и z точечных источников задаются относительно координат вершины голографической поверхности и измеряются в текущих единицах измерения для всей системы (миллиметры, сантиметры и так далее). ZEMAX вычисляет направление единичного вектора в точке пересечения луча с поверхностью, используя данные 11-12 Chapter 11: SURFACE TYPES
локальной координатной системы и заданные координаты конструкционных точек для двух конструкционных пучков. Длина волны конструкционного света всегда выража- выражается в микронах. Поверхность "Hologram 1я предполагает, что оба конструкционных пучка расходятся из заданных конструкционных точек. Так как конструкционные пучки обратимы, то это идентично случаю, когда оба конструкционных пучка сходятся к своим конструкцион- конструкционным точкам. Некоторые голограммы изготовляются методом, когда один из конструкционных пучков является сходящимся, а второй - расходящимся. Для моделирования таких голограмм следует использовать поверхность "Hologram 2е. ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAM. 1 х, PARAM 2 Yi PARAM.3 2, PARAM. 4 х2 PARAM. 5 Y2 PARAM 6 z2 PARAM. 7 ?: PARAM. 8 M Hologram 2 Голограмма 2 Эта поверхность очень похожа на поверхность "Hologram Т. Ключевое отличие состоит в том, что поверхность "Hologram 1H предполагает, что оба конструкционных пучка либо вместе расходятся от конструкционных точек, либо вместе сходятся к ним, в то время как поверхность "Hologram T предполагает, что один конструкционный пучок является сходящимся, а второй - расходящимся. Какой из этих двух пучков является первым, а какой вторым, не имеет значения в силу взаимности конструкционных точек. Параметры для определения поверхностей "Hologram 1" и "Hologram 2" одни и те же. Coordinate Break Поверхность типа "Coordinate Break". Поверхности типа "coordinate break" используются для определения новой координатной системы в пределах Текущей оптической схемы. Эти поверхности всегда рассматриваются как фиктивные (или "пустые") поверхности при трассировке лучей. Шесть параметров используются для описания новой координатной системы: х-децентрировка (x-decenter). у-децентрировка (y-decenter), наклон относительно оси х (tilt x), наклон относительно оси у (tilt у), наклон относительно оси z (tilt z) и флаг для указания порядка наклонов и децентрировок. Преобразование координатной системы всегда относится к текущей, а не к глобальной системе координат Этот очень общий и мощный тип поверхности обладает многими полезными свойствами, но требует лишь небольшой практики для его использования. Смотри главу Tutorial", в которой объясняется, как использовать этот тип поверхности Существует только одна возможность для введения в схему наклонов и децентри- децентрировок отдельных поверхностей или группы поверхностей - это использование поверхностей типа coordinate break™ Только всегда надо помнить следующее важное предупреждение: порядок децентрировок и наклонов имеет значение1 Если флаг "order4 (порядок) установлен равным нулю, то ZEMAX сначала производит децентрировку по оси х. а затем по оси у (так как эти координаты являются ортогональными, то какая децентрировка производится первой не имеет значения). Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11- 13
Затем ZEMAX производит наклон относительно текущей локальной оси х. Заметьте. что поворот вокруг оси х приведет к изменению ориентации осей у у, г. Последующий поворот относительно новой оси у приведет к изменению ориентации осей х и г. Наконец, будет произведен поворот вокруг оси г. Если флаг "order" (лорядок) будет иметь отличное от нуля значение (налример, 1). то сначала будут произведены наклоны в порядке г, у и х, а уж потом децентрировки. Этот флаг "order" очень полезен, так как одна поверхность "coordinate break" может ислортить действие предыдущей поверхности "coord^ate break" даже для комбинированных наклонов и децентрировок. Поверхность типа "coordinate break" действует как плоская поверхность, ориентированная в координатной системе после произведенных децентрировок и наклонов. Однако, эта поверхность никогда не изображается на схеме и не может быть использована для определения границы раздела между двумя средами. Тип стекла будет всегда тем же, который определен для предыдущей поверхности, и ZEMAX в колонке "Glass1 указывает для поверхности "coordinate break" знак "-1*, что означает, что в эту ячейку стекло не может быть введено. Поверхности "'coordinate break" не могут быть также зеркальными. Поверхность объекта не может быть поверхностью "coordinate break". Поворот системы координат описывается следующими тремя матрицами (если флаг "order" равен нулю): cosF.) -sin@.) 0" sin@r) cos@.) 0 О 0 1 cos(Oy) О О 1 0 О 0 0 1 0 0 sin@J cosF>) X У PARAMETER DEFINITIONS FOR COORDINATE BREAK SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "COORDINATE BREAK" PARAM. 1 Децентри- ровка поХ PARAM. 2 Децентри- ровка по Y PARAM.3 Наклон вокруг X PARAM. 4 Наклон вокруг Y PARAM.5 Наклон вокруг Z PARAM. 6 Порядок "Order" PARAM. 7-8 Не используются Polynomial Полиномиальная поверхность Неосесимметричная полиномиальная асферическая поверхность называется для простоты поверхностью типа "Polynomial". Для модели этой поверхности базовый радиус кривизны и коническая постоянная не используются. Стрелка прогиба для этой поверхности определяется по формуле: z = у УчУ Эта модель может быть использована для описания некоторых анаморфотных асферических поверхностей. ZEMAX поддерживает также более общую полиноми- полиномиальную поверхность; смотри далее описание поверхности типа "The extended polynomial surface". 11-14 Chapter 11: SURFACE TYPES
PARAMETER DEFINITIONS FOR POLYNOMIAL SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAM t Yi PARAM 2 Y2 PARAM.3 Y3 Fresnel Поверхность Френеля PARAM. 4 Y4 ■ PARAM 6 Y5 PARAM. 6 Ye PARAM. 7 Y7 PARAM. 8 Y8 Этот тип поверхности используется для моделирования плоских поверхностей с нанесенными на них (обычно методом травления) концентрическими неглубокими бороздками, которые придают этим поверхностям оптические свойства сферической или асферической поверхности (для моделирования неплоских поверхностей Френеля используется поверхность типа "Extended Fresnel surface", описание которой дано ниже). Точки пересечения лучей с этой поверхностью определяются как для плоской поверхности. Затем лучи трассируются от этих точек в следующую среду как от заданной сферической или асферической поверхности. Это, конечно, только приближение к реальной поверхности Френеля. Координаты точек пересечения пучей с реальными поверхностями Френеля несколько отклоняются от координат, вычисленных по этой модели. Используемая здесь модель адекватна поверхностям Френеля, которые имеют относительно неглубокие бороздки по отношению к размеру апертуры поверхности. Поверхности Френеля с глубокими бороздками (как, например, у линз морских маяков) плохо моделируются с помощью этого типа поверхности. Величины радиуса кривизны и конической постоянной (для асферической поверхности) задаются для этого типа поверхности так же, как и для поверхности стандартного типа. Параметры асферической поверхности задаются точно так же. как для поверхности типа "Even asphere surface"; поддерживаются асферические члены попинома вплоть до 16-го порядка. ABCD Поверхность типа ABCD Поверхность типа "ABCD" обеспечивает мощный метод для моделирования оптической системы типа черного ящика". Если Вы имеете линзу (или сложную оптическую систему), которая является только частью Вашей системы, и Вы не имеете исходных данных для отдельных компонентов, Вы можете все же исследовать поведение системы в первом приближении. Для моделирования "черного ящика" Вы должны знать расположение кардинальных плоскостей и свойств линзы (системы) первого порядка, таких как фокальная длина и эффективная длина распространения пучка. Поверхность "ABCD" определяется восемью параметрами: Ах. Вх. Сх. Dx. Ay. By. Су и Dy. Эти параметры используются для образования двух 2x2 матриц (одна для х- направления и вторая для у-направления). с помощью которых производится изменение хода луча в точке пересечения его с поверхностью Параметры выходящего луча связаны с параметрами падающего луча соотношением Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-15
X С. D X _ V (О. и аналогичное выражение для у-компоненты. Описание матричной оптики можно найти в книге Hecht. Optics. Очень большое число различных компонентов можно промоделировать эти методом, включая тонкие и толстые линзы, цилиндрические линзы и даже линзы из стекол с градиентом показателя преломления Однако, так как нет надежного способа для вычисления фазы при прохождении фронта волны через поверхность ABCD, то при наличии в системе такой поверхности ZEMAX не поддерживает программы, которые требуют вычисления OPD (оптической разности хода), такие как графики OPD, MTF и вычисление коэффициентов Цернике. PARAMETER DEFINITIONS FOR ABCD SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "ABCD" PARAM. 1 Ах PARAM. 2 Вх PARAM.3 Сх PARAM. A DX PARAM. 5 Ay PARAM. 6 By PARAM. 7 Cy PARAM. 8 Dy Alternate Even Альтернативная поверхность с четной асферикой Для стандартных поверхностей, в том числе поверхностей с четной асферикой, существуют два разных решения уравнений, описывающих пересечение лучей с поверхностями. В подавляющем большинстве случаев ZEMAX выбирает корректное решение для трассировки лучей к следующей оптической поверхности. Однако у некоторых оптических систем существуют так называемые "странные" лучи, которые действительно пересекают следующую поверхность в соответстаии с другим, "альтернативным" решением уравнений. Странные лучи возникают, наиболее вероятно, при скользящем падении на поверхность и отражении от неё, когда луч продолжает идти в том же направлении по отношению к направлению оптической оси (Z-компонента вектора луча не изменяет своего знака). Модель поверхности типа "Alternate Even Asphere surface" подобна модели поверхности типа "Even Asphere surface"» за исключением того, что в ней используется альтернативное решение уравнений. При использовании альтернативной поверхности с четной асферикой ZEMAX не во всех случаях может правильно вычислить разность оптических путей. Alternate Odd Альтернативная поверхность с нечетной асферикой Для стандартных поверхностей, в том числе поверхностей с нечетной асферикой, существуют два разных решения уравнений, описывающих пересечение лучей с поверхностью. В подавляющем большинстве случаев ZEMAX выбирает корректное решение для трассировки лучей к следующей оптической поверхности. Однако у некоторых оптических систем существуют так называемые "странные" лучи, которые действительно пересекают следующую поверхность в соответствии с другим, "альтернативным" решением уравнений. Странные лучи возникают, наиболее 11-16 Chapter 11: SURFACE TYPES
вероятно, при скользящем падении на поверхность и отражении от неё, когда луч продолжает ещё идти в ту же сторону по отношению к направлению оптической оси B-компонента вектора луча не изменяет своего знака). Модель поверхности типа "Alternate Odd Asphere surface" подобна модели поверхности типа "Odd Asphere surface", за исключением того, что в ней используется альтернативное решение уравнений. При использовании альтернативной поверхности с нечетной асферикой ZEMAX не во всех случаях может правильно вычислить разность оптических путей. Diffraction Grating Дифракционная решетка * Поверхность типа "Diffraction grating" может быть использована для моделирования дифракционных решеток с прямолинейными штрихами. Штрихи решетки идут параллельно локальной оси X. Другая ориентация штрихов может быть промоделирована с помощью двух поверхностей "coordinate break", введенных до и после решетки. Для плоской решетки, лучи, падающие на нее, отклоняются в соответствии с уравнением: п2 sinO2 -п{ s\nOt = =■ MAT, где d - шаг решетки (всегда в микронах), 6г - угол преломления, Oi - угол падения, М - порядок дифракции, X - длина волны (всегда в микронах), щ и пг - показатели преломления среды до и после решетки и Т - период решетки (линий/микрон). Заметьте, что условие знака для М совершенно произвольное. ZEMAX использует определение для Т (число линий на микрон), а не для d (микрон на линию). Поверхность решетки может быть плоской, сферической или асферической второго порядка, а среда перед решеткой, как и самой решетки, может быть воздухом, стеклом, зеркалом ("MIRROR") или любой другой, определямой как тип стекла. Решетка описывается шагом по оси у, выраженным в количестве линий/микрон (независимо от того, какие единицы измерения установлены для схемы), и порядком дифракции. ZEMAX моделирует только направления лучей. Другие свойства решетки, такие как эффективность и относительное пропускание не поддерживаются. Если шаг решетки слишком мал (или если Т очень велико), так что уравнение решетки не работает, то на экран выводится сообщение об ошибке - "Ray missed surface". PARAMETER DEFINITIONS FOR DIFFRACTION GRATING SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК Parameter 1 Число линий на микрон Parameter 2 Порядок дифракции PARAMETER 3 - 8 Не используются Conjugate Поверхность, сопрягающая две точки Этот тип поверхности определяется двумя заданными пользователем точками. ZEMAX всегда использует вершину поверхности в качестве опорной то^ки. поэтому положение двух сопрягаемых точек должно быть задано по отношению к вершине данной поверхности. Эта поверхность всегда будет строить совершенное изображение одной заданной точки в месте расположен/р второй заданной точь.* в Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ И- 17
предположении, что поверхность является зеркальной. Хотя поверхность этого типа может быть и преломляющей, удобнее представлять себе ее как отражающую поверхность. Если z-координаты обеих точек положительны или отрицательны, то изображение одной точки в месте расположения второй точки будет реальным. В таких случаях сумма расстояний от одной точки до произвольной точки на поверхности и от точки на поверхности до второй точки будет постоянной величиной для всех точек на поверхности. Одно дополнительное ограничение необходимо ввести для однозначного определения этой поверхности: поверхность должна проходить через начало локальной координатной системы Если z-координаты обеих точек имеют одинаковые знаки, то их координаты удовлетворяют следующему выражению: -x2f +(y-уг)г +(z-z2J = t Обратите внимание на то, что поверхность должна проходить через точку @,0,0). Несколько разных типов поверхностей может быть образовано с помощью этой модели. Например, сфера может быть образована путем задания нулевых значений для координат х и у и двух одинаковых значений дпя z-координат. определяющих радиус сферы. Произвольно ориентированная эллиптическая поверхность может быть определена путем задания ненулевых значений дпя х или у координат. Если z-коордмнэты обеих точек имеют противоположные знаки, то изображение одной точки в месте расположения другой будет мнимым. В таком случае разность расстояний от одной точки до произвольной точки на поверхности и от этой точки на поверхности до второй точки будет постоянной величиной для всех точек поверхности. Как и в случае реального изображения, поверхность должна проходить через начало локальной координатной системы. Если z-координаты обеих точек имеют противоположные знаки, то их координаты удовлетворяют следующему выражению: Обратите внимание на то, что поверхность должна проходить через точку @,0,0). Несколько разных типов поверхностей может быть образовано с помощью этой модели. Например, гиперболическая поверхность может быть образована путем задания нулевых значений для координат х и у и двух противоположных значений для z-координат. Если оба значения дпя z координат будут равны между собой, но будут иметь разные знаки, то будет образована плоская поверхность. Координаты двух конструкционных точек задаются в колонках параметров, как это показано в следующей ниже таблице. Значения z1 и z2 не могут быть нулевыми! 11-18 Chapter 11: SURFACE TYPES
PARAMETER DEFINITIONS FOR CONJUGATE SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "CONJUGATE" PARAM 1 PARAM. 2 У1 PARAM.3 Tilted Наклоненная поверхность PARAM. 4 x2 PARAM. 5 У2 PARAM. 6 22 PARAM, 7-8 не используются Это просто поверхность, наклоненная на заданные углы относительно осей х и у. Поверхность определяется просто тангенсами углов между плоскостью и осями X и Y: Поверхность Tilted" требует задания двух параметров, определяющих величины тангенсов углов. Эта поверхность очень полезна для осуществления наклонов поверхностей объекта и изображения, а также для наклонов граней призм. Она не должна использоваться для введения в схему поворотных зеркал; используйте для этой цели поверхности типа "coordinate break". PARAMETER DEFINITIONS FOR TILTED SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ НАКЛОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Parameter 1 tanGx Parameter 2 tanGy PARAMETER 3 - 8 He используются Irregular Нерегулярная поверхность Нерегулярная поверхность - это поверхность стандартной формы (плоская, сфери- сферическая или асферическая второго порядка) с дополнительными асферическими отклонениями типа децентрировки, наклона, сферической аберрации, астигматизма и комы. Этот тип поверхности используется главным образом вместе с алгоритмом анализа допусков для моделирования нерегулярных отклонений от стандартной формы. Стрелка прогиба поверхности определяется формулой: где cr -U +k)c2r2 P.v ш ~- P^ = Г-- Р i Р\ = P.cosG ~ »шх tnttx и f*max - максимум радиальной апертуры линзы, определяемый величиной полудиа- полудиаметра поверхности Коэффициенты Zs. Za и Zc представляют величины сферической аберрации, астигматизма и комы соответственно, выражены в линейных единицах Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-19
принятых для схемы, и относятся к максимуму радиальной апертуры. Астигматизм и кома ориентированы вдоль линии, идущей под углом 0 (в градусах) к оси у. Координаты х и у в предыдущем уравнении относятся к децентрированной и наклоненной координатной системе, определяемой величинами децентрировки по х, децентрировки по у. наклоном относительно оси х и наклоном относительно оси у. Величины децентрировок задаются в линейных единицах схемы, а величины наклонов - в градусах. Наклоны и децентрировки работают точно таким же образом, как у поверхностей типа "coordinate break", однако наклоны и децентрировки снимаются после того, как луч достигает поверхности. Луч трассируется по следующему алгоритму: Поверхность децентрируется и наклонятся относительно оси х, а затем относительно оси у. Луч трассируется к поверхности. Устраняется наклон поверхности относительно оси у. затем относительно оси х. затем устраняются децентрировки поверхности. Для определения децентрировок, наклонов и коэффициентов 2 используются первые семь параметров в таблице редактора, а восьмой параметр используется для определения угла 0. Все коэффициенты измеряются в линейных единицах схемы, за исключением углов наклона, которые измеряются в градусах. О том, как используется нерегулярная поверхность, смотри главу "Tolerancing" PARAMETER DEFINITIONS FOR IRREGULAR SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAM. 1 Децентр. X PARAM. 2 Децентр. Y PARAM.3 Наклон X PARAM. A Наклон Y PARAM. 5 2S PARAM. 6 Za PARAM. 7 Zc PARAM. 8 G Gradient 1 Поверхность с градиентом показателя преломления 1-го типа С помощью поверхности этого типа можно моделировать оптическую среду, величина показателя преломления которой описывается выражением: где г =х + у , Для определения этой поверхности требуется задать значения трёх параметров: максимальную величину шага, At ; базовую величину показателя преломления, п0 ; и величину коэффициента, П^. Заметьте, что коэффициент Пгг является размерной величиной. Обсуждение максимальной величины шага для GRIN- поверхностей (поверхностей с градиентом показателя преломления). Максимальная величина шага at определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью. Правильная величина шага зависит от числовой апертуры системы и величины коэффициентов. Для подбора подходящего 11-20 Chapter 11; SURFACE TYPES
значения введите сначала большое значение шага (порядка топщины поверхности) и выполните проф мму построения диаграммы пятна рассеивания. Обратите внимание на величину СКЗ (RMS) пятна рассеивания. Теперь уменьшите шаг примерно в два раза. Если величина СКЗ пятна рассеивания изменилась не больше, чем на несколько процентов, то новую величину шага можно считать достаточно малой. В противном случае нужно снова увеличить шаг. При финальной доводке схемы вы можете снова уменьшить шаг. При использовании слишком малой величины шага скорость трассирования лучей будет снижена без существенного улучшения точности. Вычисление величин OPD производится со значительно меньшей скоростью, чем простое трассирование лучей, так что при построении диаграммы OPD вы можете повторить указанную выше процедуру для подбора новой величины шага. Время от времени проверяйте, позволяет ли выбранная величина шага улучшить характеристики схемы. Ограничение на типы поверхностей, которые могут следовать за GRIN- поверхностями. Определение точек пересечения лучей, трассируемых через GRIN-поверхность, со следующей за ней поверхностью производится итеративным способом. Поэтому не все типы поверхностей могут быть испопьзованы непосредственно за GRIN поверхностью. Если после GRIN-поверхности в схему введена поверхность, которая не поддерживается в этом случае ZEMAX, то на экране появляется сообщение об ошибке. Если вам необходимо использовать дополнительный тип поверхности, обращайтесь на фирму Focus Software, Inc. parameter definitions for gradient 1 surfaces задание параметров для поверхностей-gradient г* Parameter 1 At Parameter 2 По Parameter 3 Parameter 4-8 He используются Gradient 2 Поверхность с градиентом показателя преломления 2-го типа С помощью поверхности этого типа можно моделировать оптическую среду, величина показателя преломления которой описывается выражением: n2(xty,z) = п0 + пг2 г2 + wrl г' + лг6 г" + «rS г8 + иг10 /•'" + пгХ2 г12 , где r"=x" + vfc. Для определения этой поверхности требуется задать значения восьми параметров: максимальную величину шага, \t базовую величину показателя преломления. По ; и величины остальных коэффициентов. Заметьте, что некоторые коэффициенты имеют размерность. Большинство сред с радиальным градиентом величины показателя преломления (GRIN среды) могут быть описаны с помощью этой формулы с использованием указанных производителем стекол коэффициентов. Максимальная величина шага М определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-21
разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсу>едение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 2 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 2" PARAM. 1 At PARMA. 2 По PARAM.3 Пд PARAM. 4 PARAM 5 Пгб PARAM. 6 Пг8 PARAM. 7 PARAM. 8 Пг12 Gradient 3 Поверхность с градиентом показателя преломления 3-го типа С помощью поверхности этого типа можно моделировать оптическую среду, величина показателя преломления которой описывается выражением: где /' = х~ + у~. Для определения этой поверхности требуется задать значения восьми параметров: максимальную величину-шага, At; базовую величину показателя преломления, По; и величины остальных коэффициентов. Заметьте, что некоторые коэффициенты являются размерными величинами. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 3 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 3" PARAM. 1 At PARAM. 2 По PARAM.3 Пг2 PARAM. 4 Пг4 PARAM. 5 Пгб PARAM. 6 П21 PARAM. 7 PARAM. 8 ПгЗ Gradient 4 Поверхность с градиентом показателя преломления 4-го типа С помощью поверхности этого типа можно моделировать оптическую среду, величина показателя преломления которой описывается выражением: п - я0 + пх] х + пх7 х2 + п , у + п 2 у2 + nzX z + nz2 z2 . Для определения этой поверхности требуется задать значения восьми параметров: максимальную величину шага, At; базовую величину показателя преломления, По; и величины остальных шести коэффициентов. Заметьте, что эти шесть коэффициентов являются размерными величинами. Зто особая GRIN-поверхность, которая полезна для моделирования цилиндрических поверхностей с градиентом показателя преломления Она также полезна для моделирования тепловых градиентов в 11-22 Chapter 11. SURFACE TYPES
оптических элементах, если вы располагаете данными, необходимыми для вычисления входящих в это выражение коэффициентов. Линейные члены в правой части уравнения, определяющие изменение величины показателя преломления в поперечных направлениях (с коэффициентами пХ1 и пу1), игнорируются при трассировке параксиальных лучей. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 4 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 41 PARAM. 1 At PARAM. 2 По PARAM.3 PARAM. 4 Пх2 PARAM. 5 nyi PARAM. 6 Пу2 PARAM. 7 PARAM. 8 Пг2 Gradient 5 Поверхность с градиентом показателя преломления 5-го типа Градиент показателя преломления для этого типа поверхности описывается выражением: Пгс/ ~ "о Пг2 г' =_y~ где г' =_y~ +j-*. Для определения этой поверхности требуется задать значения восьми параметров: максимальную величину шага, At; базовую величину показателя преломления. По; и величины остальных шести коэффициентов. Заметьте, что эти шесть коэффициентов являются размерными величинами. Важной особенностью этой поверхности является то. что она позволяет задать дисперсионные свойства оптической среды. Дисперсионные данные задаются пользователем путем записи их в ASCII-файл под именем SGR1N.DAT. Ниже дано краткое описание формата этого файла. Имя оптического материала вводится в редакторе LDE в колонку GLASS" для поверхности типа "Gradient 5". Если эта колонка не будет заполнена, то дисперсионные эффекты игнорируются. При трассировке лучей ZEMAX "сначала вычисляет величину показателя преломления для "опорной1* длины волны, используя приведенное выше выражение для пгеь Величины показателей преломления для других длин волн вычисляются с помощью следующего метода (основанного на общей дисперсионной формуле Sellmeier): . ■) I»! ;: Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-23
где WAX L \DX Коэффициенты К„ и 1_ч определяют дисперсионные свойства материала, а его градиентный профиль для опорной длины волны (/.ref) задаётся параметрами 2-8 (см. следующую ниже таблицу). Эта общая дисперсионная модель позволяет моделировать почти произвольные дисперсионные свойства материала в широкой области длин волн. Параметры К_МАХ и L_MAX могут принимать значения от 1 до 8. Дисперсионные данные должны быть записаны в ASCII-файл под именем SGRIN.DAT; этот файл должен быть помещен в директорий \GIASSCAT. Файл записывается в виде строчных блоков, содержащих по 10 строк. Файл имеет следующую структуру: Имяматериала Минимальная_длина_волны Максимальная_днина_волны Огторная_длина_волны К_МАХ L_MAX К11 К12К13 К1К_МАХ К21 К22 К23 К2К_МАХ К31 К32 КЗЗ КЗК_МАХ Lll L12 L13 L1L_MAX L21 L22 L23 L2L_MAX L31 L32 L33 L3L_MAX В одном и том же файле можно определить много различных материалов путем добавления новых блоков записи (по 10 строк в каждом), следующих один за другим без строчных пропусков. В прилагаемом к ZEMAX файле SGRIN.DAT записаны данные для некоторых градиентных материалов, выпускаемых фирмой UghtPath Technologies. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 5 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 5" PARAM. 1 At PARAM. 2 n0 PARAM.3 Пг2 PARAM. 4 ПГ4 PARAM. 5 PARAM. 6 Пг2 PARAM. 7 PARAM. 8 Gradient 6 Поверхность с градиентом показателя преломления 6-го типа Этот тип поверхности имеет следующий профиль градиента показателя преломления: 11-24 Chapter 11: SURFACE TYPES
Различие меэеду поверхностями типа "Gradient 1" и "Gradient 6" состоит в том, что у поверхности "Gradient 6Р величины поо . пц> и nM не вводятся в качестве параметров в редакторе LDE. а вычисляются автоматически по дисперсионным формулам. Величина rtoo вычисляется по следующей формуле: 00 Л2 ЛА Величины Пю и Пго вычисляются по. этой же формуле, но с другими значениями коэффициентов А. В и С. В этом выражении длины волн выражаются в нанометрах, а не в микронах! Дисперсионные данные задаются пользователем и записываются в ASCII-файл под именем GLS.DAT. Файл GLS.DAT состоит из отдельных строчных блоков, в каждом из которых содержится по 13 строк. Первая строка в блоке используется для введения названия оптического материала; название материала может быть произвольным, но его длина не должна быть более 10 буквенных символов (в названии не должны использоваться специальные символы, такие, например, как пробелы или кавычки). Последующие 12 строк используются для введения значений коэффициентов А, В, С и D и величин Псо. пю Пго. соответственно. Между блоками не должно быть пустых строк. ZEMAX может прочесть данные только для 25 различных материалов, записанных таким образом в файл GLS.DAT. В поставляемом вместе с ZEMAX файле GLS.DAT, записаны данные, полученные от корпорации Gradient Lens Corporation (GLS). Обращайтесь в эту корпорацию (Rochester. NY, Tel.. G16) 235-2620) для получения более детальных сведений о свойствах материалов, включенных в файл GLS.DAT. В файл включены только следующие материалы: ARS10, ARS20. ARS27 и ARS31. Для введения в схему поверхности типа Gradient 6" просто измените в редакторе LDE тип поверхности на поверхность "Gradient 6", а в колонку GLASS для этой поверхности запишите название нужного оптического материала (из имеющихся в файле GLS.DAT). Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient I surface": см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRlN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 6_ SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 6" Parameter 1 Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-25
Gradient 7 Поверхность с градиентом показателя преломления 7-го типа Поверхность этого типа имеет сферически симметричный профиль градиента показа- показателя преломления. Профиль градиента показаталя преломления описывается следующим выражением: Л = где ,-=11 Х2+Г+(Л-2J R Координаты X, у и Z — обычные координаты, измеряемые относительно вершины тангенциальной плоскости, a R - радиус изо поверхности для величины показателя преломления при вершине. Изоповерхности - сферические поверхности с центром в точке z = R. Исходная величина показателя преломления. По. относится к вершине поверхности, а не к центру изоповерхности. Поверхность "Gradient 7" определяется пятью параметрами: максимальной величи- величиной шага показателя преломления и величинами По, R, а и р. Заметьте, что а и Р - размерные величины. Величина радиуса изоповерхности R может быть задана независимо от величин радиусов кривизны фронтальной и тыльной поверхностей линзы. Однако, если величина радиуса R будет задана равной нулю, то ZEMAX будет считать, что величина этого радиуса равна радиусу кривизны фронтальной поверхности линзы. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). ЗАДНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT PARAM. 1 At PARAM. 2 nO PARAM.3 R PARAM. 4 a 7 PARAM. p 5 GRADIUM™ Поверхность с градиентом показателя преломления 8-го типа Этот тил поверхности используется для моделирования линз, изготовленных из заготовок стекла с градиентом величины показателя преломления, поставляемых корпорацией LightPath Technjljgies Inc. Заготовки имеют осевой профиль величины показателя преломления (величина показателя преломления изменяется вдоль оси заготовки). Все, что требуется для определения линзы с таким профилем величины показателя преломления, - это задать стартовое положение линзы в пределах заготовки, указать название используемого профиля и, конечно, задать величины 11-26 Chapter 11; SURFACE TYPES
радиусов оптических поверхностей и толщину линзы Профиль градиента показателя преломления поверхности "GRAD1UM" описывается полиномом вида: и Координата Z - это расстояние от вершины фронтальной поверхности; Zmax - максимальная величина координаты z в заготовке стекла; Дг - величина "смещения" вдоль оси заготовки. В отличие от большинства других поверхностей с градиентом показателя преломления (введенных в ZEMAX) для поверхности "GRADIUM" используются только фиксированные (предопределенные) значения коэффициентов, определяющих осевой профиль градиента показателя преломления. Изменяемым параметром является только значение смещения uz. Доступные профили определены в ASCII-файле под именем PROFILE.DAT. Список этих профилей можно найти через меню "Analysis": Analysis, Gradient index, GRADIUM Profile (смотри описание этой программы в главе "Analysis Menu"). Файл PROFILE.DAT состоит из серии блоков по 13 строк в каждом; данные записываются в блок следующим образом: Имя_профиля Имя_семсйства_стекол MAX_Z Плотность Не_используется пО п! * » ■ nil Каждый блок начинается со строки, в которой указывается имя профиля (не более 10 букв), имя используемого семейства стекол (имя материала с градиентом показателя преломления, определенного в файле SGRIN.DAT; описание этого файла дано в разделе "The Gradient 5 surface") и максимальная величина z-координаты в заготовке стекла. Имя семейства стекол определяет опорную длину волны, для которой задается профиль. В последующих строках записываются значения 12 коэффициентов полинома -отп0доп11. При трассировке лучей ZEMAX вычисляет значение локальной z-координаты (которое может быть отрицательным) на поверхности. Затем к этому значению прибавляется заданная величина смещения для определения положения профиля относительно этой координаты. Величина координаты z всегда должна быть положительной и меньше или равной максимальному значению z; в противном случае появляется сообщение об ошибке (см. ниже обсуждение метода "Capping"). Для этой координаты вычисляется величина показателя преломления дпя опорной длины волны. Затем вычисляется величина показателя преломления для трассируемой длины волны (метод вычисления описан в разделе "The Gradient 5 surface"). Вычисленная величина показателя преломления при вершине фронтальной поверхности для опорной длины волны выводится в колонку Parameter 3" В редакторе LDE эту величину можно изменить После введения нового значения ZEMAX вычисляет соответствующую ему величину дг. Однако величина показателя преломления при вершине поверхности для опорной длины волны выводится в редакторе LDE только для справки и не может иметь статус переменной величины: эту величину нельзя также использовать при определении операторов мульти- Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-27
конфигурации. Обратите внимание на то, что опорная величина показателя преломления - это величина показателя преломления при вершине поверхности для опорной длины волны, которая определена для семейства стекол в файле SGR1N.DAT; эта длина волны может не совпадать с главной длиной волны. Поверхность GRAD1UM поддерживает также 4 дополнительных параметра, которые используются при анализе допусков: Decenter X, Decenter Yr Tilt X и Tilt Y. С помощью этих параметров моделируются децентрировки и наклоны осевого профиля градиента показателя преломления относительно локальной оси Z. Эти параметры (играющие роль допусков на положение профиля градиента показателя преломления) модифицируют осевой профиль путем переопределения осевой координаты z в соответствии с уравнением: и tXl ty И tz - коэффициенты единичного вектора, направленного вдоль оси градиентного профиля, a dx и dy - величины децентрировок исходного профиля в линейных единицах измерения, установленных для схемы. Если обе величины tx и ty равны нулю, то значения dx и dy не имеют значения (так как градиент показателя преломления существует только в направлении оси 2), а величина tz равна единице. Параметры tx и ty определяют наклоны осевого профиля относительно осей х и у, которые вводятся для моделирования допусков на осевую юстировку профиля (осевого) градиента относительно механической оси линзы. Приведенное выше выражение является линейным приближением, действительным при асимптотически небольших значениях tx и ty. При трассировке параксиальных лучей допуски dx , dy , tx и ty игнорируются. При моделировании линз обычно используется только некоторая часть профиля. Однако, в некоторых случаях, при моделировании толстых линз, необходимо удлинить профиль в одну или в обе стороны с целью увеличения длины заготовки градиентного стекла. Такая процедура удлинения профиля называется "capping" ("перекрытие"). По умолчанию ZEMAX не выполняет "capping", так что трассировка любого луча, требующего увеличенной длины стекла, обозначается как ошибка. При этом автоматически вводятся ограничения на границы стекла во время процесса оптимизации. Для устранения этого ограничения можно установить одно из трех значений для флага "capping": 1, 2 или 3. По умолчанию значение этого флага установлено равным нулю, что ограничивает длину профиля (заготовки стекла) с обоих сторон. Если установить значение 1, то ограничен будет только левый край заготовки (правый край заготовки при этом может быть продолжен за заданные пределы). Если установить значение 2, то только правый край заготовки будет ограничен. Наконец, если установить значение 3, то ни левый, ни правый края заготовки не будут ограничены, так что как толщина.так и величина смещения могут иметь любые величины. При этом к заготовке с обеих сторон добавляется дополнительный материал в виде однородного стекла с теми же величинами показателя преломления и с теми же дисперсионными свойствами, какие были на концах исходного профиля. Это приближение может быть неточным, если на 11 - 28 Chapter 11: SURFACE TYPES
исходной заготовки профиль имел некоторый наклон, что обычно имеет место. Более детальную информацию по проектированию оптических элементов с иокапьзованивм процедуры "capping" можно получить у производителя стекол "Gmdium" - LlghtPath Technologies, Inc. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей) PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIUM SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIUM' PARAM. 1 At PARAM. 2 AZ PARAM.3 nref PARAM. 4 PARAM 5 PARAM. 6 PARAM. 7 ty PARAM. 8 Capping Gradient 9 Поверхность с градиентом показателя преломления 9-го типа Эта поверхность может быть использована для моделирования материалов SELFOC®, производимых корпорацией NSG America. Inc. "Прогиб", или z-координата. поверхности GRIN 9 - те же, что и для стандартной поверхности, но с добавлением "наклонов" относительно осей х и у: ■» С)'~ + л- tan(tf) + у tan(/?), V где С - кривизна поверхности (обратная величина радиусу). Г - радиальная координата в установленных для схемы линейных единицах, к - коническая постоянная, tana и tanp - тангенсы углов наклона относительно осей х и у. Обратите внимание на то, что эта поверхность имеет другую форму, чем стандартная наклонная поверхность типа "tilted", но ее форма приближается к наклонной поверхности, когда кривизна поверхности мала, или когда углы наклонов малы. Поверхность "Gradient 9" имеет следующий профиль градиента показателя преломления: п = п п 1 л А-> 1.0- г Величины А и п0 являются функциями длины волны: А{Л) = Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-29
с л" где длина волны выражена в микронах. Дисперсионные данные пользователь задает и записывает в ASCII-файл под именем SELEFOC.DAT. Этот файл состоит из блоков по 6 строк в каждом. Первая строка в блоке используется для записи имени материала (длина имени материала не должна быть больше 10 букв и не должна содержать специальных символов типа пробела или кавычек). Следующие пять строк используются для записи значений В, С. КО, К1 и К2. Между блоками не должно быть пустых строк. ZEMAX считывает данные для 25 различных материалов, записанных в файл. В поставляемом вместе с ZEMAX файле SELEFOC.DAT записаны дисперсионные данные, полученные от корпорации NSG America, Inc. (Somerset, NJ, (908) 469-9650). Обращайтесь в эту фирму для получение более детальной информации о свойствах материалов, включенных в файл SELEFOC.DAT. В файле записаны дисперсионные данные для следующих материалов: SLS-1.0. SLS-2.0, SLW-1.0, SLW-1.8, SLW-2.0, SLW-3.0. SLW-4.0 и SLH-1.8. Для введения в схвму поверхности "Gradient 9" просто введите этот тип поверхности в нужную строку редактора "Lens Data Editor" и запишите в колонке "Glass11 имя нужного материала. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых послв GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 9 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 9" Parameter 1 At Parameter 2 tana Parameter 3 tanp Parameter4-8 He используются Gradient 10 Поверхность с градиентом показателя преломления 10-го типа Этот тип поверхности используется для моделирования стекол, имеющих следующий профиль градиента показателя преломления: гДе уа = |у| ; модуль у. Этот профиль имвет разрыв в плоскости у = 0, так что он не имеет симметрии относительно плоскости у = 0. Если в колонку "Glass1 редакторе LDE не введено имя стекла, то принимается, что материал не обладает дисперсионными свойствами. Если в колонку "Glass" введено имя стекла, то это стекло должно быть одним из материалов, определенных в файле SGRIN,DAT (см. раздел Gradient 5 surface". В таком случае величина показателя преломления для опорной длины волны вычисляется по приввдвнной выше формуле, а величины 11 - 30 Chapter 11. SURFACE TYPES
показателей преломления для других длин волн вычисляются в соответствии с дисперсионной моделью, определенной в разделе "Gradient 5 surface". Линейный "поперечный" член уравнения с коэффициентом пУ1 игнорируется при трассировке параксиальных лучей. Максимальная величина шага At определяется путем поиска компромисса между скоростью трассирования лучей и точностью (смотри обсуждение этого вопроса в разделе "The gradient 1 surface"; см. там же обсуждение вопроса об ограничении на типы поверхностей, используемых после GRIN-поверхностей). PARAMETER DEFINITIONS FOR GRADIENT 10 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "GRADIENT 10' PARAM 1 At PARAM. 2 PARAM.3 PARAM A ny2 PARAM. 5 ny3 PARAM. 6 -v PARAM. 7 ny5 PARAM. 8 •* Zernike Fringe Sag Поверхность Цернике с заданием прогибов (ряд Fringe) ЭТА ПОВЕРХНОСТЬ ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Поверхность Цернике описывается уравнением четной асферики (поддерживающим асферику плоских, сферических, асферических второго порядка и полиномиальных поверхностей) и дополнительными асферическими членами, выраженными через коэффициенты Цернике полиномиального ряда Fringe. Стрелка прогиба поверхности выражается формулой: с г s где N - число коэффициентов Цернике в ряду, А - коэффициент i-ro полинома Цернике, г - радиальная координата луча в пинейных единицах схемы, р - нормиро- нормированная радиапьная координата луча и ф - угловая координата луча Полиномы Цернике определены в таблице, которая приведена в главе "Analysis Menu" в раздепе "Zemike coefficients" ZEMAX-EE поддерживает 37 членов полинома Цернике. Коэф- Коэффициенты Д выражены в единицах, установленных для схемы, таких как милли- миллиметры или дюймы Коэффициенты и, выражены в единицах, определенных в разделе "Even Asphere'. Заметьте, что поверхность Цернике описывает деформации поверхности, а не непосредственно ошибку волнового фронта! Если Бы располагаете значениями коэффициентов Цернике, выраженных в (волнах) OPD, которые могли быть измерены с помощью интерферометра, используйте вместо этой поверхности поверхность типа "Zernike Fringe Phase". Смотри также раздел "Zernike Standard Sag" Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-31
PARAMETER DEFINITIONS FOR 2ERNIKE FRINGE SAG SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ZERN1KE FRINGE SAG1 PARAM 1 Щ PARAM 2 V-2 PARAM. 3 «3 PARAM 4 a4 PARAM 5 PARAM 6 «6 PARAM 7 a? PARAM. 8 EXTRA DATA DEFINITIONS FOR ZERNIKE FRINGE SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЦЕРНИКЕ (ряд Fringe) НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3-39 40 и далее ОПИСАНИЕ Число членов разложения. Максимальная величина радиальной апертуры. Коэффициенты нормируются к этой величине. Коэффициенты полиномов Цернике 1-37 соответственно; в единицах, установленных для схемы. Не используются. В колонке "Число членов разложения" определяется максимальное число полиномов Цернике, которое должно быть использовано для вычисления стрелок прогиба поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последую- последующие члены разложения игнорируются. • Максимум радиальной апертуры - это радиус нормировки. Полиномы Цернике орте- нормированы по единичному кругу, так что для определения радиуса должен быть установлен максимум радиальной апертуры, к которому нормируются величины коэффициентов. Полиномы Цернике быстро расходятся за пределами радиуса нормировки, так что следует уделить большое внимание тому, чтобы лучи не падали на поверхность за пределами этого радиуса. Хотя в таких случаях алгоритм трассировки лучей еще может работать, результирующие данные могут быть неточными. Zernike Fringe Phase Фазовая поверхность Цернике (ряд Fringe) ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Фазовая поверхность Цернике определяется как стандартная поверхность (которая поддерживает плоские, сферические и асферические второго порядка поверхности) с добавлением разложения по фазам, члены которого определяются коэффициентами Цернике полиномиального ряда Fringe. Формула для прогиба поверхности идентична формуле для стандартной поверхности. Дополнительные фазовые члены отклоняют и прибавляют оптический путь лучей, когда они пересекают поверхность. Эта модель поверхности очень подходит для моделирования аберраций системы, для которой есть данные интерферометрических измерений. Фазовая поверхность Цернике может быть также использована для моделирования некоторых голограмм и бинарных опических поверхностей. Величина фазы поверхности определяется формулой: N 11-32 Chapter 11: SURFACE TYPES
где N - число коэффициентов Цернике в ряду, А| - коэффициент i-ro полинома Цернике ряда Fringe, p - нормированная радиальная координата луча и ф - угловая координата луча и М - порядок дифракции. Полиномы Цернике определены в главе "Analysis Menu" в таблице раздела 'Zernike Fringe coefficients*. ZEMAX поддерживает 37 членов разложения. Все коэффициенты Л выражены в волнах; одна волна - 2л радиан. Заметьте, что фаза поверхности не зависит от длины волны; ZEMAX полагает, что отклонение пути луча происходит с учетом длины волны трассируемого луча. Заметьте, что фазовая поверхность Цернике описывает вариации фазы (или ошибки волнового фронта), а не непосредственно деформации поверхности! Если Вы располагаете величинами коэффициентов Цернике, выраженных в единицах деформации поверхности, которые могут быть измерены профилометром (измерителем шероховатости), то вместо этой поверхности используйте поверхность типа "Zernike Fringe Sag". Смотри также раздел "Zernike Standard Phase". PARAMETER DEFINITIONS FOR ZERNIKE FRINGE PHASE SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "ZERNIKE FRINGE PHASE' ПАРАМЕТР О Порядок дифракции EXTRA DATA DEFINITIONS FOR ZERNIKE PHASE FRINGE SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ФАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЦЕРНИКЕ (ряд Fringe) НОМЕР ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ 1 2 3-39 40 и далее ОПИСАНИЕ Число членов разложения. Максимальная величина радиальной апертуры. Коэффициенты нормируются к этой величине. Коэффициенты полиномов Цернике 1 - 37. соответственно; в единицах главной волны. Не используются. В колонке "Число членов разложения"определяется максимальное число полиномов Цернике. которое должно быть использовано для вычисления фазы. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последующие члены разложения игнорируются. Максимум радиальной апертуры - это радиус нормировки. Полиномы Цернике орто- нормированы по единичному кругу, так что максимум радиальной апертуры должен быть установлен для определения радиуса, к которому нормируются величины коэф- коэффициентов. Полиномы Цернике быстро расходятся за пределами радиуса нормиров- нормировки, так что следует уделить большое внимание тому, чтобы лучи не падали на поверхность за пределами этого радиуса. Хотя в таки случаях алгоритм трассировки лучей еще может работать, результирующие данные могут быть неточными Zernike phase coefficients sign conventions Правило знаков для фазовых коэффициентов Цернике Для поверхности Цернике используется то же самое правило знаков, как и для поверхности типа "Binary Optic 1". Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-33
Zernike Standard Sag Поверхность Цернике для прогибов (91анД?Ртн„!^й РЯД) ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Поверхность Цернике описывается уравнением четной асферики (поддерживающим асферику плоских, сферических, асферических второго порядка и полиномиальных поверхностей) и дополнительными асферическими членами, выраженными через коэффициенты Цернике стандартного полиномиального ряда Стрелка прогиба поверхности выражается формулой: С'" +fa.r2i + У A Z.(p,(p), где N - число коэффициентов Цернике в ряду, Д - коэффициент i-ro полинома Цернике. г - радиальная координата луча в линейных единицах схемы, р - нормиро- нормированная радиальная координата луча и <р - угловая координата луча. Полиномы Цернике определены в таблице, которая приведена в главе "Analysis Menu" в разделе "Zernike Standard Coefficients". ZEMAX поддерживает первые 231 членов полинома Цернике стандартного ряда. Коэффициенты Aj выражены в единицах, установленных для схемы, таких как милли-метры или дюймы. Коэффициенты а\ выражены в единицах, определенных в разделе 'Even Asphere". Заметьте, что поверхность Цернике описывает деформации поверхности, а не непосредственно ошибку волнового фронта! Если Вы располагаете значениями коэффициентов Цернике. выраженных в (волнах) OPD, которые могли быть измерены с помощью интерферометра, используйте вместо этой поверхности поверхность типа "Zernike Standard Phase". ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЦЕРНИКЕ (стандартный ряд) НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3-30 ОПИСАНИЕ Число членов разложения. Максимальная величина радиальной апертуры. Коэффициенты нормируются к этой величине. Коэффициенты полиномов Цернике 1 - 231, соответственно; в единицах, установленных для схемы. В колонке 1 Число членов разложения" определяется максимальное число полиномов Цернике, которое должно быть использовано для вычисления стрелок прогиба поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последую- последующие члены разложения игнорируются. Максимум радиальной апертуры - это радиус нормировки. Полиномы Цернике орто- нормированы по единичному кругу, так что для определения радиуса должен быть установлен максимум радиальной апертуры, к которому нормируются величины коэффициентов. Полиномы Цернике быстро расходятся за пределами радиуса нормировки, так что следует уделить большое внимание тому, чтобы лучи не падали на поверхность за пределами этого радиуса. Хотя в таких случаях алгоритм трасси- трассировки лучей еще может работать, результирующие данные могут быть неточными. 11 - 34 Chapter 11: SURFACE TYPES
Zernike Standard Phase Фазовая поверхность Цернике (стандартный ряд) ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Этот раздел еще не переведен на русский язык. См. текст на английском языке. Extended Polynomial Обобщенная полиномиальная поверхность ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Зтот тип поверхности подобен полиномиальной поверхности, за исключением того, что она позволяет использовать большее число членов разложения. Эта поверхность поддерживает также асферические поверхности второго порядка, к прогибу которых добавляются величины, описываемые асферическими членами полинома. Прогиб поверхности определяется формулой: СУ" где N - число коэффициентов полинома в ряду и Ai - коэффициент i-ro члена обобщенного полинома. Полиномы - это просто степенные ряды по х и у. Первый член - х, затем у, затем х*х, х*у. у*у и так далее. Имеется 2 члена первого порядка. 3 члена второго порядка, 4 члена третьего порядка и так далее. Максимальный порядок -18, при котором максимальное число полиномиальных асферических коэффициен- коэффициентов равно 189. Например, 12-ый член в полиномиальном расширении, который определяется в таблице дополнительных данных номером 14. является коэффициентом при члене х*у* . Все коэффициенты А, выражены в линейных единицах, установленных для схемы, таких как миллиметры или дюймы. EXTRA DATA DEFINITIONS FOR EXT. POLYNOMIAL SURFACES ЗАДАНИЕ ДАННЫХ ДЛЯ ОБОБЩЕННЫХ ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3-232 233 и далее ОПИСАНИЕ Число членов разложения. Нормированный радиус. Все координаты точек пересечения лучей с поверхностью делятся на это число для определения нормированных координат х и у для вычисления полинома. Коэффициенты полинома Не используются В колонке "Число членов разложения" определяется максимальное число членов полинома, которое должно быть использовано для вычисления стрелок прогиба Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-35
поверхности Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последующие члены разложения игнорируются. Например, если если Вы хотите ограничить ряд членом с ху3, который является 13-ым членом полинома, то введите в колонку "Число членов разложения" число 13. Это число может быть также установлено равным нулю для временного отключения полиномиального расшире- расширения. Заметьте, что вводится номер коэффициента ряда - число 13. так как ряд ограничивается 13-ым членом, а НЕ число 15. под которым величина соответ- соответствующего ему коэффициента записывается в таблицу дополнительных данных и которое просто определяет место этого коэффициента в таблице. Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома! Максимальный номер члена полинома равен числу "N", которое входит в уравнение прогиба. Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома! Нормированный радиус используется для масштабирования координат х и у точек пересечения лучей с поверхностью, так что все члены полиномя являются безразмерными величинами, а коэффициенты выражены в установленных для схемы единицах измерения. Binary Optic 1 Бинарная оптика 1-го типа ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО 2ЕМАХ-ХЕ и ZEMAX-EE Бинарная оптика (также называемая киноформ) подобна голограммам и дифракционным решеткам в том отношении, что на оптическую поверхность наносятся небольшие бороздки или штрихи, позволяющие изменять фазу волнового фронта, проходящего через поверхность. ZEMAX не моделирует сами штрихи, глубина которых порядка длины волны. Вместо этого ZEMAX производит соответствующее нанесенным штрихам опережение или задержку фазы волнового фронта на локальном участке поверхности для изменения направления распро- распространения луча. Другие эффекты, такие как рассеяние, эффективность и порядки дифракции, игнорируются. Сама бинарная поверхность имеет нулевую толщину и не обладает преломляющими свойствами, но к ней могут примыкать с двух сторон различные преломляющие среды. В этом последнем случае принимаются в расчет как преломление, обусловленное изменением материала, так и дифракционные эффекты. Трассировка полихроматического луча и расчет OPD выполняются для этой поверхности совершенно точно. Поверхность "Binary Optic 1й подобна поверхности "Extended Polynomial", за исключением того, что полиномиальные члены представляют в этом случае вариации фазы (а не высоты поверхности) по оптической поверхности. Поэтому размерность полиномиальных коэффициентов - радианы, а не линейные единицы. Форма поверхности "Binary Г идентична форме поверхности "Even asphere"; поддерживаются плоскости, сферы, асферические поверхности второго порядка и полиномиальная асферика до 16-го порядка. Прогиб поверхности определяется следующим выражением: 11 - 36 Chapter 11: SURFACE TYPES
1+ I- k)Cr 8 10 .12 .14 .16 где все члены полинома идентичны членам полинома для поверхности "Even asphere". Смотри также данный в начале этой главы раздел с общим обсуждением поверхностей ZEMAX. Поверхность 'Binary 1" изменяет фазу волнового фронта в соответствии со следующим полиномиальным выражением: Л' где N - число членов ряда и А, - коэффициент i-ro члена ряда. Полином представляет собой простой степенной ряд по степеням х и у, описание которого дано в разделе "The extended polynomial surface". Коэффициенты А/ имеют размерность - радианы Bл радиан соответствуют одной длине волны). PARAMETER DEFINITIONS FOR BINARY OPTICS 1 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ "BINARY OPTICS 1" PARAM 0 M PARAM. 1 си PARAM. 2 a2 PARAM. 3 PARAM. 4 PARAM. 5 a5 PARAM. 6 PARAM. 7 a7 PARAM. 8 as EXTRA DATA DEFINITIONS FOR BINARY OPTIC 1 SURFACES ЗАДАНИЕ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "BINARY OPTIC 1 НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3-232 233 и далее ОПИСАНИЕ Максимальное число членов разложения. Нормировочная величина радиуса. Все координаты точек пересечения лучей с поверхностью делятся на это число для определения нормированных координат х и у для вычисления полинома. Члены полинома. Не используются. В колонке "Максимальное число членов разложения" определяется максимальное число членов полинома, которое должно быть использовано для вычисления фазы на поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последующие члены разложения игнорируются. Например, если если Вы хотите ограничить ряд членом с ху3, который является 13-ым членом полинома, то введите в колонку "Число членов разложения" число 13 Зто число может быть также установлено равным нулю для временного отключения фазового полинома. Заметьте, что вводится номер коэффициента ряда - число 13, так как ряд ограничивается 13-ым членом, а НЕ число 15. под которым величина соответ- соответствующего ему коэффициента записывается в таблицу дополнительных данных и которое просто определяет место этого коэффициента в таблице. Порядковый Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-37
табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома1 Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома! Величина радиуса используется для масштабирования (нормирования) координат х и у точек пересечения лучей с поверхностью, так что все полиномиальные члены являются безразмерными величинами, а все коэффициенты выражены в радианах. Для моделирования фазовых поверхностей, которые плохо описываются полиномами, смотри данное в этой главе ниже описание поверхности типа "Grid Sag". Binary optic coefficients sign conventions Правило знаков для коэффициентов бинарной оптики Важно знать правила знаков для фазовых коэффициентов поверхности "Binary 1". Представим себе, что коллимированный пучок лучей фокусируется бесконечно тонкой бинарной поверхностью. Если коллимированный пучок преобразуется в сходящийся пучок по другую сторону бинарной поверхности, то длина пути краевого луча будет больше длины пути осевого пучка. Поэтому бинарная поверхность должна уменьшить длину краевого луча. В соответствии с этим правилом бинарная поверхность с положительной оптической силой должна иметь отрицательную величину квадратичного фазового коэффициента. Хотя это правило знаков выбрано для ZEMAX произвольно, важно его учитывать при изготовлении оптики. Перед изготовлением оптики нужно рассмотреть несколько простых примеров для проверки того, какое именно правило знаков было использовано в данной вычислительной программе. Binary Optic 2 Бинарная оптика 2-го типа ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Бинарная оптика (также называемая киноформ) подобна голограммам и дифракционным решеткам в том отношении, что на оптическую поверхность наносятся небольшие бороздки или штрихи, позволяющие изменять фазу волнового фронта, проходящего через поверхность. ZEMAX не моделирует сами штрихи, глубина которых порядка длины волны. Вместо этого ZEMAX производит соответствующее нанесенным штрихам опережение или задержку фазы волнового фронта на локальном участке поверхности для изменения направления распро- распространения луча. Другие эффекты, такие как рассеяние, дифракционная эффективность и порядки дифракции игнорируются. Сама бинарная поверхность имеет нулевую толщину и не обладает преломляющими свойствами, но к ней могут примыкать с двух сторон различные преломляющие среды. В этом последнем случае принимаются в расчет как преломление, обусловленное изменением материала, так и дифракционные эффекты. Трассировка полихроматического луча и расчет OPD выполняются для этой поверхности совершенно точно. Поверхность "Binary Optic 2" подобна поверхности "Extended Asphere surface", за исключением того, что полиномиальные члены представляют в этом случае вариации фазы (а не высоты поверхности) по площади оптической поверхности. Поэтому размерность полиномиальных коэффициентов - радианы, а не линейные единицы. 11 - 38 Chapter 11: SURFACE TYPES
Фор поверхности "Binary 2* идентична форме поверхности "Even asphere*. Псщд ржимются плоскости, сферы, асферические поверхности второго порядка и полиномиальная асферика до 16-го порядка. Прогиб поверхности определяется следующим выражением: сг где все члены полинома идентичны членам полинома для поверхности "Even asphere". Смотри также данный в начале этой главы раздел с общим обсуждением поверхностей ZEMAX. Поверхность "Binary 2" изменяет фазу волнового фронта в соответствии со следующим полиномиальным выражением: V Ф = 2i где N - число членов (коэффициентов) ряда и А| - коэффициент члена ряда при р в степени 2i; р - нормированная радиальная координата апертуры поверхности и М - порядок дифракции. Первый из задаваемых внешних параметров - N (число членов ряда) - может быть равен нулю для исключения всех бинарных эффектов или может быть равен любому целому числу от 1 до 240 (т. е. до члена ряда при р в степени 480). Второй внешний параметр - это нормировочная величина радиуса. Внешние параметры (данные) от 3 до 242 - величины коэффициентов. PARAMETER DEFINITIONS FOR BINARY OPTICS 2 SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ" ПОВЕРХНОСТЕЙ "BINARY OPTICS 2 PARAM. 0 M PARAM. 1 си PARAM. 2 0C2 PARAM. 3 PARAM. 4 PARAM 5 as PARAM. 6 CC6 PARAM 7 PARAM 8 CC8 EXTRA DATA DEFINITIONS FOR BINARY OPTIC 2 SURFACES ЗАДАНИЕ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТИПА "BINARY OPTIC 2" НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 п + 2 ОПИСАНИЕ Максимальное число членов разложения. Нормировочная величина радиуса. Все координаты точек пересечения лучей с поверхностью делятся на это число для определения нормированных координат х и у для вычисления полинома. Коэффициент члена полинома с рг: в радианах. Коэффициент члена полинома с р*; в радианах. Коэффициент члена полинома с р ; в радианах. В копонке "Максимальное число членов разложения" определяется максимапьное число членов полинома, которое должно быть использовано дпя вычисления фазы на поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-39
последующие члены разложения игнорируются. Например, если если Вы хотите ограничить ряд членом с р14. который является 7-мым членом полинома, то введите в колонку Число членов разложения число 7. Это число может быть также установлено равным нулю для временного отключения фазового полинома. Заметьте, что вводится номер члена ряда -число 7, так как ряд ограничивается 7- мым членом, а НЕ число 9. под которым величина соответствующего ему коэффициента записывается в таблицу дополнительных данных и которое просто определяет место этого коэффициента в таблице. Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома! Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома' Нормировочная величина радиуса используется для масштабирования (нормирования) координат х и у точек пересечения лучей с поверхностью, так что все полиномиальные члены являются безразмерными величинами, а все коэффициенты выражены в радианах. Для моделирования фазовых поверхностей, которые плохо описываются полиномами, смотри данное в этой главе ниже описание поверхности типа "Grid Sag". Binary optic coefficients sign conventions Правило знаков для коэффициентов бинарной оптики Смотри раздел "The binary optic 1 surface".. Extended Cubic Spline Обобщенная поверхность с аппроксимацией кубическими сплайнами ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Этот тип поверхности подобен типу "cubic spline", за исключением того, что он позволяет использовать большее число точек для аппроксимации формы поверхности. Поверхность типа "cubic spline" позволяет проводить аппроксимацию только по 8 точкам (не более и не менее, чем по 8 точкам), в то время как для аппроксимации формы поверхности "extended cubic spline" может быть использовано от 4 до 240 членов разложения. Стрелка прогиба поверхности определяется в табличном списке прогибов для точек, равномерно расположенных вдоль радиуса поверхности, имеющей вращательную симметрию. При нулевом радиусе стрелка прогиба всегда должна быть равна нулю; поэтому эта точка не вводится в таблицу. Поверхность непрерывна и не имеет излома в центре. Если Вы имеете список с величинами стрелок прогиба для описания Вашей оптической поверхности, который может быть генерирован какой-либо другой компьютерной программой, и Вы хотите ввести этот список в ZEMAX, используйте опцию "Load" в меню редактора "Extra Data Editor". Описание этого редактора дано в главе "Editors Menu". 11 - 40 Chapter 11: SURFACE TYPES
EXTRA DATA DEFINITIONS FOR EXT. CUBIC SPLINE SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБОБЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ. ФОРМА КОТОРОЙ АППРОКСИМИРУЕТСЯ КУБИЧЕСКИМИ СПЛАЙНАМИ НО\ ЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 .п ОПИСАНИЕ Максимальное число точек аппроксимации. Шаг между точками вдоль радиуса в линейных единицах схемы. Величина стрелки прогиба на расстоянии одного шага от вершины. Стрелки прогиба для зон от 2 до (п-2) шагов от вершины. Число "Максимальное число точек аппроксимации*1 определяет количество точек, вводимых для определения поверхности Это число может находиться в пределах от 4 до 240. По меньшей мере 4 точки требуется для определения формы поверхности. СплайноБые поверхности могут ограничить или испортить результаты трассировки луча Более общее и более гладкое решение можно получить, если использовать поверхности типа fcGrid Sag surface1", которые не ограничены условием вращательной симметрии. Смотри обсуждение этого типа поверхности в этой главе ниже Extended Asphere Обобщенная асферическая поверхность ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Этот тип поверхности пслобен типу "even asphere". описание чотрсго бь'ло дачо в этой главе ранее. Слнако гсверхность типа 'extended asphere" может поддерживать коэффициенты асферичи вплоть до 396 порядча. б то воемч как поверхность типа 'even asphere" ограничена коэффициентом 16 гогоча. Несчсг-ьчс другой метод используется та ч^че для вь'чигленич коэф&ициечтсэ членов полинома Прогиб поверхности с^эелелчетсс слелчс^им вь-ра-чемгем: где первое еь-сахе^ие »в^:ечти^«о стзчда^'ьс.*' "саегхчости а в~орэе - поедставл°ет собой cvwwy стеренногс с.?ла ^г нсгм.'гсг^^-мм г-ализ~ьчь1У галгй"ь»1&е косгди.нать р иг-сьгчстсч Д"а 'ого ^ енты а были еьоа^е^ь' в >с*?^05"е^"ь.х л~^ cxev& ■ч'^ей^ьх еди-и^зх иг игиплкметры или N?M'e-~»r6o crvnre 3*-.3че-1'с s^e—-*■* za^^mx с-редгпены в ки*-есяед>юи.ей *а спине EXTRA DATA DEFINITIONS FOR EXTENDED ASPHERE SURFACES Е BhELL-V.X ДАННЫХ ЛЛЧ OBO5lLE^^&"X ACcE-^-eCn.'.X ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ ОПИСАНИЕ Глава 11: ТИПЫ
2 3 4 п + 2 Нормировочный радиус Все координаты точек пересечения лучей с поверхностью делятся на это число для определения нормированных координат х и у для вычисления полинома. Коэффициент при р2 в линейных единицах схемы. Коэффициент при р*4 в линейных единицах схемы. Коэффициенты при р2п в линейных единицах схемы. В колонке Максимальное число членов разложения" определяется максимальное число членов полинома, которое должно быть использовано для вычисления стрелок прогиба поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последующие члены разложения игнорируются. Например, если Вы хотите использовать ряд с последним членом с рк G член ряда)» то задайте в этой колонке число ". Если задать это число равным нулю, то члены с полиномиальные члены будут временно "отброшены". Заметьте, что для использования полиномиального ряда с 7 членами, нужно задать в первой колонке число 7, а НЕ 9, которое соответствует номеру "внешних данных" и определяет только положение данных з таблице. Порядковый номер внешних данных в таблице всегда на две единицы больше номера члена полинома! Порядковый табличный номер коэффициента полинома всегда на 2 единицы больше номера члена полинома! Нормировочный радиус используется для масштабирования координат X и Y точек пересечения луча с поверхностью, так что-все полиномиальные члены являются безразмерными величинами, а все коэффициенты выражены в установленных для схемы линейных единицах измерения. О том, как моделировать поверхности, которые плохо описываются полиномами, смотри в этой главе далее раздел с описанием поверхности типа "Grid Sag surface" или поверхности тила "User Defined Surface". Extended Odd Asphere Обобщенная поверхность с нечетной асферикой ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО 2ЕМАХ-ХЕ и ZEMAX-EE Этот тип поверхности подобен поверхности 'odd asphere", описание которой было было дано в этой главе ранее. Однако поверхность типа "extended odd asphere" может поддерживать коэффициенты асферики вплоть до 240 порядка, в то время как поверхность типа "even asphere" ограничена коэффициентом 8 порядка. Несколько другой метод используется также для вычисления коэффициентов членов полинома. Прогиб поверхности определяется следующим выражением: с г1 А z = 1+JT-(!+/;) где первое выражение идентично стандартной поверхности, а второе выражение представляет собой сумму степенного ряда по нормированным радиальным координатам. Нормированные радиальные координаты р используются дпя того, чтобы коэффициенты с<| имели размерность установленных для схемы пинейных единиц (миллиметры или какие-либо другие). Значения внешних данных опредепены в нижеследующей таблице. 11-42 Chapter 11: SURFACE TYPES
EXTRA DATA DEFINITIONS FOR EXTENDED ODD ASPHERE SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБОБЩЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С НЕЧЕТНОЙ АСФЕРИКОЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 п + 2 ОПИСАНИЕ Максимальное число членов разложения (не более 198). Нормированный радиус. Все координаты точек пересечения лучей с поверхностью делятся на это число для определения нормированных координат х и у для вычисления полинома. Коэффициент при р1 в линейных единицах схемы. Коэффициент при р2 в линейных единицах схемы. Коэффициенты при рп в линейных единицах схемы. В колонке "Максимальное число членов разложения" определяется максимальное число членов полинома, которое должно быть использовано для вычисления стрелок прогиба поверхности. Это число влияет на скорость трассировки лучей, так как все последующие члены разложения игнорируются. Variable Line Space Grating Дифракционная решетка с переменным шагом ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Это модель дифракционной решетки с линейными штрихами, но с переменным шагом. Описание решетки дано в статье "Variable line-space gratings: new designs for use in grazing incidence spectrometers". M. Hettrick and S. Bowyer. Applied Optics, Vol. 22. No. 24. p3921 A983). Решетка конструируется для создания изображения на вогнутой сферической поверхности. Для освещения отражательной решетки используется сходящийся пучок. Штрихи решетки расположены параллельно оси X и лежат в плоскости x-z. Моделируются только плоские отражательные решетки (тип стекла должен быть "MIRROR". Хотя поверхность типа "hologram" может быть использована для моделирования идеальной решетки, голографический способ создания решетки на практике не всегда возможен. Компромиссное решение в изготовлении решеток - это прямо- прямолинейные, параллельные друг другу шрихи (в отличие от искривленных штрихов для голографических решеток). Такая решетка вносит аберрации в пучок, и модель поверхности учитывает эти аберрации. Для описания поверхности используются пять параметров М, порядок дифракции; L, радиус кривизны (положительный) вогнутой фокальной поверхности, cos(cto) - косинус угла падения луча на решетку. cos([l0) - косинус угла отражения луча от решетки и ?*о - длина волны; это длина волны, на которой решетка отражает осевой луч под углом р0 Пространственная частота решетки (число штрихов на мм) определяется формулой: Т - 1 Л о /cos/^-r у / cosa0 -у у~ - I2 -2\/ где у изменяется по поверхности решетки. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-43
PARAMETER DEFINITIONS FOR VARIABLE LINE SPACE GRATING SURFACES ПАРАМЕТРЫ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ С ПЕРЕМЕННЫМ ШАГОМ PARAM. 1 М PARAM. 2 L PARAM. 3 cos «о PARAM. 4 cospo PARAM. 5 Xo PARAM. 6-8 He используются Elliptical Grating Эллиптическая дифракционная решетка ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Поверхность этого типа представлячет собой комбинацию эллиптической поверхности (с полиномиальными асферическими членами) и решетки с прямыми (в проекции на тангенциальную плоскость, проходящую через вершину поверхности) штрихами. Штрихи решетки направлены параллельно к локальной оси х и могут иметь постоянный или переменный шаг; переменный шаг определяется 4-х членным полиномом (до 3-ей степени у). Другую ориентацию штрихов решетки можно моделировать с помощью поверхностей типа "coordinate break", вводимых перед и после решетки. Для плоской решетки лучи, падающие на нее, отклоняются в соответствии с уравнением: я, sin#> -я, sin б', = = МЯТ, d где d - эффективный шаг решетки (всегда вжмикронах), 6г - угол преломления, 9i - угол падения, М - порядок дифракции, X ~ длина волны (всегда в микронах), ni и пг - показатели преломления перед и после решетки и Т — эффективная пространственная частота решетки (линий/микрон). ZEMAX использует определение для Т (число линий на микрон), а не для d (микрон на линию). Эффективная пространственная частота решетки, Т, определяется полиномом: т Обратите внимание на то, что постоянный член полинома определяется обратной величиной по отношению к периоду решетки, задаваемому для других поверхностей с дифракционными решетками, хотя члены полинома более высокого порядка определяются как степенные функции у-координаты. Если величину Т задать равной нулю, то дифракционные свойства игнорируются; это можно использовать для моделирования асферических эллиптических-поверхностей без решетки. Оптическая среда после решетки может быть воздухом, стеклом или зеркалом. ZEMAX моделирует только отклонение лучей решеткой. Другие свойства, такие как эффективность и относительное пропускание, не поддерживаются. Если простран- пространственный период решетки задан слишком малым (или если Т слишком велико)» так что уравнение решетки не может быть удовлетворено, то появляется сообщение об ошибке вида uRay missed surface". 11 -44 Chapter 11: SURFACE TYPES
Elliptical Grating surface shape Форма поверхности эллиптической решетки Форма поверхности решетки описывается уравнением двухосного эллипсоида с дополнительным полиномом для асферизации этой эллиптической поверхности Прогиб поверхности определяется следующим выражением: cu* 1+ Tu2 Л' где 5 "> у «" =а*"л'~ +Ь у В этом выражении х, у и z - координаты точек пересечения луча с поверхностью; а, Ь и с - коэффициенты, определяющие форму эллипсоида; описание функции Е полинома дано в разделе "Extended Polynomial". Обратите внимание на то, что в этом выражении параметры а, Ь и с имеют другой смысл, чем в уравнении, описывающем прогиб стандартной поверхности. Чтобы сделать эллиптическую поверхность сферической, величины обоих параметров а и b должны быть равны обратной величине радиуса кривизны поверхности, а величина параметра с должна быть равна величине радиуса кривизны поверхности: / 1 1 а - о - — = -. R с PARAMETER DEFINITIONS FOR EIHPTICAL GRATING SURFACES ПАРАМЕТРЫ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ PARAM. 1 Число линии на МКМ, То PARAM. 2 Порядок дифракции PARAM. 3 а PARAM. 4 Ь PARAM. 5 С PARAM. 6 а PARAM 7 Р PARAM. 8 Г Elliptical Grating 2 Второй вариант эллиптической дифракционной решетки ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Эта поверхность подобна поверхности "Elliptical Grating". Она отличается ее от предыдущей поверхности тем. что штрихи решетки образуются путем пересечения асферизованной эллиптической поверхности с рядом параллельных друг другу и равномерно отстоящих друг от друга наклонных плоскостей. При пересечении поверхности с наклонными плоскостями образуются шрихи. проецирующиеся на наклоненную под углом Оу плоскость в виде прямых линий расстояние между которыми измеряется вдоль локальной координаты у В проекции на поверхность, которая не является плоской, штрихи имеют криволинейную форму Решетка определяется параметром Т (число штрихов на мкм). измеряемым в наклоненной плоскости XY. на которую проецируются штрихи Величина этого Гпава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-45
параметра обратно пропорциональна пространственному шагу между плоскостями, образующими штрихи. Порядок дифракции, М, и форма эллиптической поверхности (подложки решетки) задаются параметрами а. Ь, с и рядом дополнительных данных точно так же, как для поверхности "Elliptical Grating". Оптическая среда после решетки может быть воздухом, стеклом или зеркалом. ZEMAX моделирует только отклонение лучей решеткой. Другие свойства, такие как эффективность и относительное пропускание, не поддерживаются. Если пространственный период решетки задан слишком малым (или если Т слишком велико), так что уравнение решетки не может быть удовлетворено, то появляется сообщение об ошибке вида 'Ray missed surface". Форма поверхности решетки описывается уравнением эллипса с дополнительным полиномом для асферизации эллиптической поверхности. Прогиб поверхности определяется точно таким же образом, как для поверхности, описание которой было дано в предыдущем разделе. PARAMETER DEFINITIONS FOR EIIIPTICAL GRATING 2 SURFACES ПАРАМЕТРЫ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ "GRATING 2" PARAM. 1 Число линий на мкм, Т PARAM. 2 Порядок дифракции PARAM. 3 а PARAM. 4 Ь PARAM. 5 С PARAM. 6 Оу Optically Fabricated Hologram Голограмма, изготовленная оптическим методом ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Описанные в этой главе ранее поверхности типа "Hologram 1й, "Hologram 2" и "Toroidal Hologram" были определены как оптически изготовленные голограммы в предположении, что конструкционная оптика была "совершенной" и взаимодействующие конструкционные пучки не имели аберраций. Поверхность "The Optically Fabricated Hologram surface" является более общей. Голограмма определяется с помощью 3-х оптических ZEMAX файлов: 1) Воспроизводящего файла ыр1ауЬаск" , в котором помещается голографи- ческая поверхность; 2) Первого конструкционного файла , в котором определяется конструкцион- конструкционный пучок #1; 3) Второго конструкционного файла, в котором определяется конструкцион- конструкционный пучок #2. Когда лучи трассируются в оптической системе "playback", ZEMAX автоматически обращается к двум конструкционным системам для получения данных о векторах, определяющих интерференцию двух конструкционных пучков в точках их пересечения в системе "playback". Этот метод определения голограммы имеет большие преимущества: 1) Конструкционная оптика может быть произвольной. Каждый конструкционный файл может содержать любое колическтво линз, зеркал или даже других голограмм - всех элементов, который моделирует 11-46 Chapter 11; SURFACE TYPES
ZEMAX. Поэтому полностью принимаются во внимание аберрации. возникающие в конструкционных пучках; 2) В каждом конструкционном файле могут быть определены совершенно различные оптические системы; 3) Любые переменные величины, заданные а конструкционных файлах. автоматически становятся переменными величинами а воспроизводящем файле ("playback"). Это позволяет организовать замкнутый цикл оптимизации для одновременной оптимизации как воспроизводящей, так и двух конструкционных олтических систем. Defining the substrate shape Задание формы поверхности подложки Форма подложки поверхности "Optically Fabricated Hologram" идентична поверхности "Elliptical Grating Surface". См. аыше раздел "Elliptical Grating surface shape". Defining the construction optics Задание конструкционной оптики Для задания поверхности "Optically Fabricated Hologram", во-первых, создайте два оптических файла, которые содержат оптику, используемую для освещения и записи голограммы. Есть важные лравила, которым НУЖНО следовать при создании конструкционных оптических файлов: 1) Файлы должны иметь одно и то же имя с окончаниями "_1И и "_2". Например, пара конструкционных оптических файлов могут иметь имена ТАВ_Ги "FAB_2". 2) Конструкционные файлы должны быть помещены в тот же директорий, в котором находится воспроизводящий оптический файл ("playback"). 3) Поверхность, на которой будут интерферировать даа конструкционных пучка, должна быть поверхностью апертурной диафрагмы системы в каждом файле. Только векторы пересекаемых лучей на соответствующих апертурных диафрагмах системы будут определять свойства голограммы. Поверхности апертурной диафрагмы системы могут иметь различные порядковые номера в разных файпах. 4) Поверхность апертурной диафрагмы а каждом конструкционном файле должна быть типа ' Elliptical Grating". 5) Конструкционные файлы могут иметь только одну конфигурацию. Воспроизводящий файл может иметь несколько конфигураций. 6) В каждом конструкционном файле должна быть задана только одна точка поля; хотя эта точка может быть аыбрана произвольно 7) В каждом конструкционном файпе может быть задана только одна длина волны; а обоих конструкционных файпах должна быть задана одна и та же длина волны. Длина волны в воспроизводящем файле может быть любой и не обязательно быть такой же. как а конструкционных файлах. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-47
8) В каждом конструкционном файле должна быть установлена опция Ray aiming". 9) В каждом конструкционном файле должна быть установлена апертура системы типа ' float by stop size". 10) В конструкционных файлах все лучи должны распространяться по физически возможным путям. Конструкционным файлам имена присваиваются в колонке "Comments". Если в воспроизводящей системе голографическая поверхность определена как "Optically Fabricated Hologram", то в колонке "Comments" для этой поверхности указывается имя файла для конструкционной оптики. Например, если используются конструкционные файлы "FAB_1" и "FAB_2", введите в колонку комментария сокращенное имя "FAB". 2ЕМАХ сам присоедит к этому имени окончания "_1" и **_2" и автоматически прочтет указанные конструкционные файлы. Если в колонке комментария не будут указаны имена конструкционных файлов, голографический эффект этой поверхности будет игнорирован. Optimization the construction and playback optics Оптимизация конструкционной и воспроизводящей оптики При трассировке лучей через воспроизводящую оптическую систему все установлен- установленные для нее переменные величины, относящиеся к гологрвфической поверхности (полудиаметр, параметры a, b и с, дополнительные внешние параметры), автоматически устанавливаются для апертурных поверхностей конструкционной оптики. В этом заключается смысл того, апертурные диафрагмы системы а конструкционных файлах должны быть типа "The Elliptical Grating surface"; в таком случае конструкционные пучки покрывают поверхности той же формы, которую имеет голографическая поверхность в воспроизводящей системе. Все переменные величины, установленные для конструкционной оптики, автомати- автоматически становятся переменными величинами для воспроизводящей оптики. Поэтому все конструкционная оптика оптимизируется одновременно с воспроизводящей оптикой. Когда производится запись файла с воспроизводящей оптической системой, автоматически вместе с ним записываются файлы с конструкционной оптикой. Для активизации ограничений, установленных на параметры конструкционной схемы (при одновременной оптимизации как воспроизводящей, так и конструкционной оптики), в оценочную функцию для воспроизводящей системы необходимо ввести оператор CMFV, служащий для вызова оценочных функций, заданных для конструкционных схем. Смотри описание оператора CMFV в главе "Optimization". Selecting the hologram type Выбор типа голограммы Возможны два режима интерференции конструкционных пучков: 1) В предположении, что оба кострукционных пучка являются либо сходящимися, либо расходящимися. 2) В предположении, что один из конструкционных пучков является сходящимся, а второй - расходящимся. ■ 11 - 48 Chapter 11: SURFACE TYPES
Предположение 1 аналогично поверхности типа "Hologram Г, а предположение 2 - поверхности типа "Hologram 2". Для поверхности типа "Optically Fabricated Hologram surface* поддерживаются оба режима интерференции. Для выбора режима интерференции 1-го типа установите величину параметра №1 ("Holo Type") равной 1, а для выбора режима Интерференции 2-го типа устаноаите величину этого параметра равной 2. В большинстве случаев 2ЕМАХ может корректно вычислить OPD для голограммы в режиме, когда величина параметра "OPD Mode" равна нулю (по умолчанию). Однако в некоторых специальных случаях OPD может быть вычислено неправильно. В таких случаях пользователь должен сам- аыбрать наиболее подходящий алгоритм вычисления OPD. устанавливая значения параметра "OPD Mode" равными 1, 2, 3, или 4. Правильное значение этого парметра зависит от геометрии конструкционной и воспроизводящей оптики и от полного числа зеркал ао всех трех файлах. Пока нет (во всяком случае, у компании Focus Software, Inc.) хорошего алгоритма для автоматического выбора правильного значения этого параметра для всех возможных случаеа. Если получены ошибочные величины OPD, попытайтесь подобрать такое значение параметра "OPD Mode", при которм вычисления давали бы корректный результат. PARAMETER DEFINITIONS FOR OPTICALLY FABRICATED HOLOGRAM SURFACES ПАРАМЕТРЫ ПОВЕРХНОСТИ ТИПАн OPTICALLY FABRICATED HOLOGRAM" PARAM. 1 Holo Type (Режим интерференции) PARAM 2 Порядок дифракции PARAM 3 a * PARAM A b PARAM. 5 С PARAM 6 OPD Mode Superconic Суперконическая поверхность ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Наиболее общая форма полиномиальной асферической поверхности определяется расширением в виде степенного ряда по радиальной координате г. ч ч -» г" = .V + у~ . Например, такое расширение использовалось для ранее описанной поверхности с четной асферикой. Так как г не зависит от z. члены расширения определяли расстояние от точки на поверхности до плоскости, касающейся аершины В общем, величина асферического отклонения увеличивалась вдоль радиуса апертуры Так как отклонение возрастало параметр г стеленного ряда соответствовал точке на касательной плоскости, которая отдалялась от точки на поверхности. Такое расширение имеет плохую сходимость' Глава 11; ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-49
Новое решение этой задачи предложил сотрудник фирмы "Breault Research Organization" Alan Greynolds. Вместо степенного ряда по радиальной координате, он предложил в качестве переменной использовать: ■>■>■)■> Стартуя с уравнения для поверхности 2-го порядка вида где к - коническая постоянная и R - радиус кривизны, расширение может быть сделано в виде степенного ряда вида его постоянные определяются так: R В = 2 R где U и V - коэффициенты, определяющие суперасферическую форму поверхности. Заметьте, что если все величины U и V равны нулю, то получается стандартная поверхность с асферикой второго порядка. Если и величина коэффициента А равна нулю, то суперконическая форма переходит в простую сферу. Коэффициенты A, Ui и Vi вместе образуют декартов овал. Эти свойства делают суперконическую поверхность стабильной при оптимизации ее асферических коэффициентов. Суперконическая поверхность может быть использована для моделирования поверхностей, которые требуют введения асферических членов очень высокого порядка. ZEMAX может моделировать суперконические поверхности с асферическим рядом, состоящим из 198 членов, но на практике редко используется более 5 членов ряда. Для суперконической поверхности параметрические данные не используются. Значения дополнительных данных определены в нижеследующей таблице. О том, как редактировать дополнительные данные, смотри главу "Editors Menu". EXTRA DATA DEFINITIONS FOR SUPERCONIC SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ СУПЕРКОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 ОПИСАНИЕ Максимальное число членов разложения. Максимум 198, но обычно 4-10. 11 - 50 Chapter 11: SURFACE TYPES
evftnn otidn i л U2 V 2 Extended Fresnel Неплоская поверхности Френеля ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и 2ЕМАХ-ЕЕ Описанная в этой главе ранее поверхность типа "Fresnel" моделирует плоские поверхности, обладающие преломляющей или отражающей оптической силой. С помощью поверхности типа "The Extended Fresnel surface" можно моделировать поверхности Френеля, нанесенные на подложки различной формы: плоские, сферические, асферические второго порядка и полиномиальные асферические. Уравнение прогиба поверхности этого типа идентичено уравнению прогиба для поверхности типа The Even Aspheric surface11: С-Г *» ! '■ .К . _ .10 . .. 12 . _ 14 . .. .16 +or4r8 +<ar5r10 + or6r12 +а1г1Л + orer1 Описание этого уравнения было дано в этой главе ранее в разделе "The Even Asphere surface". Это уравнение используется только для вычисления координат точек пересечения лучей с поверхностью. После вычисления этих координат определяются направления преломленных (или отраженных) лучей в соответствии с локальными наклонами фасок (граней) Френепя, которые зависят как от оптической силы поверхности Френеля, так и от оптической силы подложки. Оптическая сила поверхности Френеля задается градиентом прогиба Френеля, который описывается выражением, в сущности идентичным выражению для прогиба поверхности типа "Even Asphere": 2 " "'"~l + \-(\ + kF)cy- Разница состоит только в том, что в последнем полиномиальном выражении можно использовать менее 8 членов, если п < 8 (8 - максимальное значение п) Обратите внимание на то, что кривизна поверхности (с), коническая постоянная (к) и все полиномиальные коэффициенты (а) не зависят от прогиба поверхности и доли поверхности Френеля. При расчете направления преломленных лучей учитываются как прогиб поверхности, так и прогиб граней Френеля, в то время как точки пересечения лучей с поверхностью определяются только с учетом прогиба подложки. Мы стремились смоделировать линзу Френеля, которая изготовляется на плоской заготовке и только после изготовления изгибается для придания ей нужной формы Величины радиуса, конической постоянной и коэффициенты полинома для подложки - все задаются в редакторе Lens Data Editor точно таким же образом, как для поверхности типа "Even Asphere". Параметры, определяющие прогиб поверхности Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11- 51
Френеля, задаются в редакторе Extra Data Editor. Однако в редакторе Extra Data Editor для поверхности Френеля задается величина кривизны поверхности, а не ее радиус. В следующей ниже таблице суммированы параметры, величины которых задаются в редакторе Extra Data Editor. ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБОБЩЕННЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 п + 3 ОПИСАНИЕ Максимальное число членов полинома (не более 8). Величина кривизны поверхности Френеля (А НЕ РАДИУСА). Этот параметр имеет значение при вычислении преломления лучей на поверхности, но не влияет на форму поверхности подложки. Этот параметр имеет значение при вычислении преломления лучей на поверхности, но не влияет на форму поверхности подложки. Величина конической постоянной для поверхности Френеля. Величина коэффициента полинома при г Величины коэффициентов полинома при г*п Параметр "Максимальное число членов полинома" используется для задания числа членов полинома, которые должны быть использованы для вычисления прогиба поверхности. Чем меньшее число членов полинома используется, тем выше скорость трассировки лучей через поверхность. Остальные члены полинома игнорируются. Как и при моделировании любых других сложных поверхностей, основное внимание должно быть уделено оценке точности модели поверхности и ее соответствия решаемой задаче, особенно в тех случаях, когда принимается решение об изготовлении оптики. Так как не существует надежного алгоритма для вычисления фазы на неплоской поверхности Френеля, то для таких поверхностей (с неплоскими подложками) не поддерживаются любые вычисления, требующие данных OPD, такие как диаграмма Оптической Разности Хода (OPD), МПФ и коэффициенты Цернике. Cylinder Fresnel Цилиндрическая поверхность Френеля ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Этот раздел еще не переведен на русский язык. Смотри текст на английском языке. Generalized Fresnel Обобщенная поверхность Френеля ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Эта поверхность представляет собой обобщение поверхности The Fresnel surface*, описание которой было дано в этой главе ранее. Базовая концепция поверхности Френеля в части трассировки лучей заключается в том, что форма поверхности подложки определяется независимо от локальных наклонов граней Френеля. 11 - 52 Chapter 11; SURFACE TYPES
Уравнение прогиба поверхности типа* The Generalized Fresnel surface" идентичено уравнению прогиба для поверхности типа The Even Aspheric surface"; ^^•» где все параметры идентичны параметрам для поверхности "Even Aspherrc". Это уравнение используется только для вычисления координат точек пересечения лучей с поверхностью. После вычисления этих координат определяются направления преломленных (или отраженных) лучей в соответствии с локальными наклонами фасок (граней) Френеля, которые задаются полиномом вида: Л' г=1 где N - число коэффициентов полинома и А* - коэффициент i-ro члена полинома. Члены полинома описаны в разделе "Extended Polynomial". С помощью полинома определяются только преломляющие и отражающие свойства поверхности, но не форма подложки, которая определяется приведенным выше уравнением для прогиба поверхности. Поверхность этого типа может быть использована для моделирования граненых поверхностей. Например, на плоскую поверхность может быть нанесен ряд небольших наклонных граней, которые преломляют или отражают свет так, как если бы поверхность была наклонена. Модель такой поверхности можно получить, если использовать плоскую подложку, на которую нанесены наклонные грани, определенные линейными (по х и у) членами полинома. Так как не существует надежного алгоритма для вычисления фазы на неплоской поверхности Френеля, то для таких поверхностей (с неплоскими подложками) не поддерживаются любые вычисления, требующие данных OPD. такие как диаграмма Оптической Разности Хода (OPD), МПФ и коэффициенты Цернике Grid Sag Поверхности, определяемые сеткой прогибов ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Этот тип поверхности используется для моделирования деформированных плоских, сферических или асферических (второго порядка или полиномиальных) поверхностей. Форма поверхности этого типа определяется следующей образом. 1) Сначала задается базовая (плоская, сферическая или асферическая) поверхность 2) Затем для дискретных точек базовой поверхности (определяемых прямоугольной сеткой) задаются отклонения от нее: 3) Результирующая форма поверхности получается путем интерполяции бикубичес- бикубическими сплайнами значений прогибов, заданных в дискретных точках Прогиб поверхности в дискретных точках может быть описан следующим образом Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11- 53
с г2 "bast где х, = xdec 4- f/e/.r •(/-/.). v, == vcfef + dely ■(/-/), I < / < nx % 1 < / < m и v ~~ ~ * где delx и dely - расстояния между точками узлов прямоугольной сетки по осям хи у, xdec и ydec - произвольная децентрировка координат и пх и пу - число узловых точек сетки по осям х и у. Числа ПХ и пу должны быть нечетными. Параметры в формуле для Zjjase — те же, что для поверхности типа "Even Asphere". Обратите внимание на то, что прогиб, задаваемый сеткой дискретных точек, может быть децентрирован по отношению к прогибу, задаваемому формой базовой асферической поверхности. В дополнение к величинам прогибов ZEMAX требует, чтобы были заданы первые производные в каждом направлении и смешанные производные в каждой точке сетки. Importing grid data Импортируемые данные для сетки прогибов Все эти данные должны быть вычислены и табулированы вне ZEMAX, записаны в файл в соответствующем формате, а затем считаны с помощью программы "Import" в редакторе Extra Data Editor Формат файла для записи данных должен быть следующим; nx ny delx dely unitflag xdec ydec z dz/dx dz/dy d2z/dxdy В первой строке файла записываются величины семи параметров, определяющих (целое) число точек по осям х и у, шаг сетки (число с плавающей десятичной точкой) по осям х и у, кодовое число (целое), указывающее единицы измерения @ -для мм, 1 - для см, 2 - для дюймов и 3 - для метров), и величины (числа с плавающей десятичной запятой) децентрировок точек сетки относительно базовой поверхности по осям х и у. Требуемое масштабирование данных к единицам измерения, установ- установленным для схемы, будет выполнено. Обратите внимание на то, что величины проги- прогибов и смешанных производных являются размерными величинами и поэтому должны быть масштабированы; но первые производные являются безразмерными величина- величинами и не масштабируются. Остальные (пх*пу) строки файла используются для записи в каждой строке по четыре числа (с плавающей десятичной точкой): величины прогиба, производной прогиба по 11-54 Chapter 11. SURFACE TYPES
оси х, производной прогиба по оси у и смешанной производной прогиба d/dxdy. Эти величины необходимы для бикубической интерполяции данных прогиба и сглаживания формы поверхности. Данные, записанные в первой строке файла, относятся к верхнему левому углу поверхности, то есть координаты этого угла задаются величинами -х и +у. Координаты каждой последующей точки на поверхно- поверхности отсчитываются от этого угла слева направо. После того, как в первом ряду сетки будут вычислены координаты пх точек, вычисляются координаты (пк+1)-ой точки во втором ряду и так далее пока не будут вычислены координаты всех (пх*пу) точек сетки. Файл должен быть записан в формате ASCII, а его имя должно иметь расширение .DAT. Для использования поверхности этого типа прежде всего установите в редакторе LDE в нужной строке ее тип: "Grid Sag". Затем в меню редактора "Extra Data Editor" выберите опции "Tools", "Import" и укажите номер поверхности и имя DAT-файла. Данные, записанные в этом файле, будут загружены в память, но они не будут показаны в редакторе "Extra Data Editor', так как число данных может быть очень велико. Размер задаваемой сетки точек ограничен только объемом доступной памяти компьютера. Для записи данных каждой точки требуются четыре 4-байтных числа с двойной точностью и одно 1-байтное число, то есть всего 33 байта. Для записи данных для сетки размером 255X255 'потребуется около 2 Мбайт памяти. Алгоритм бикубической интерполяции производит очень хорошее сглаживание поверхности с достаточно высокой точностью, так что в большинстве случаев нет необходимости в задании плотной сетки большого размера. После того как данные сетки загружены, можно их проверить с помощью опции "Surface data". Впоследствии эти данные записываются вместе с файлом оптической схемы, а исходный DAT-файл игнорируется. Если необходимо изменить данные, нужно отредактировать DAT-файл, а затем повторно его загрузить с помощью команды "Import" из редактора "Extra Data Editor". В файле "GRIDSAMP.C представлен пример программы (записанной на языке "С"), служащей для создания DAT-файлов для сферической поверхности. На этом примере показано, как используются конечные разности для вычисления производных, когда известна только аналитическая формула для прогибов. Когда трассируются лучи за пределами части поверхности, определенной сеткой прогибов, то на экран выводится сообщение об ошибке. Данные для сетки прогибов не могут быть оптимизированы; для этих данных нельзя также устанавливать и анализировать допуски. Grid Phase Поверхности, определяемые сеткой фазовых величин ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО 2ЕМАХ-ХЕ и ZEMAX-EE Этот тип поверхности во многом идентичен предыдущей поверхности Ключевые отпичия этой поверхности от предыдущей следующие: A) Прогиб поверхности задается не в линейных единицах а как фазовая задержка волнового фронта, выраженная в радианах B) Значения unitflag" используются только для масштабирования величин delx, dely и производных. C) Исходной поверхностью может быть только плоскость Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11- 55
Формат DAT-файла и все другие характеристики поверхности те же, что и для поверхности "The Grid surface". PARAMETER DEFINITIONS FOR GRID PHASE SURFACES Определение параметров поверхности 'GRID PHASE' PARAMETER 0 Diffraction order (Порядок дифракции) Phase caefficients sign cjnventions Правило знаков для фазовых коэффициентов Смотри правило знаков, данное в разделе "Binary Optic 1". Periodic Периодическая поверхность ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Форма этой поверхности описывается следующим выражением: a- ■» z = 1 4 где А - высота модуляции "peak to valley" в линейных единицах схемы, а а и р - пространственные частоты колебаний по осям х и у соответственно. Заметьте, это выражение определяет прогиб сферы плюс косинусную модуляцию. Стрелка прогиба при вершине поверхности точно равна нулю, и величина амплитуды определяется амплитудой "peak to valley". Частоты измеряются в обратных линейных единицах. Для задания этой поверхности используются три параметра; дополнительные данные не используются. PARAMETER DEFINITIONS FOR PERIODIC SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAMETER 1 А PARAMETER 2 а PARAMETER 3 Р Toroidal Hologram Голограмма на тороидальной поверхности ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Поверхность этого типа идентична поверхности "The Toroidal", описание которой было дано в этой главе ранее. Кривая в Y-Z плоскости определяется уравнением: су2 +<ХУ2 +ДУ +^/+^/+о^У°+^У2+о v'4 . 11 - 56 Chapter 11: SURFACE TYPES
Величины радиуса, конической постоянной и значения параметров определяют форму поверхности. Для определения топографических свойств поверхности используются внешние данные. Конструкционные пучки лучей определяются таким же образом, кпк для поверхностей типа "Hologram 1й и "Hologram 2". Внешние данные 1-6 используются для задания координат х, у и z конструкционных точечных источников 1 и 2; параметр 7 определяет длину волны конструкционных пучков; параметр 8 - воспроизводимый порядок дифракции, М. Голографическое изображение является результатом интерференции двух конструкционных пучков; предполагается, что конструкционные пучки не имеют аберраций. Для моделирования голограмм, образованных конструкционными пучками с аберрациями, следует использовать поверхность типа "Optically Fabricated Hologram", описание которой было дано в этой главе ранее. Для моделирования голограмм, образованных конструкционными пучками, имеющими аберрации, следует использовать поверхность типа "Optically Fabricated Hologram", описание которой было дано в этой главе ранее. Еще один - девятый - внешний параметр используются для указания, являются ли конструкционные пучки сходящимися или расходящимися. Если оба конструкционных пучка явпяются сходящимися ипи расходящимися, то значение этого параметра должно быть установлено равным +1.- Если один из пучков является сходящимся, а второй - расходящимся, то значение этого параметра должно быть установлено равным -1; любое значение этого параметра, меньшее нуля, интерпретируется как -1. а любое значение, большее нуля, - как +1. PARAMETER DEFINITIONS FOR TOROIDAL HOLOGRAM SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТОРОИДАЛЬНОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ PARAM. 1 Радиус вращения PARAM 2 PARAM 3 сс2 PARAM. 4 а3 PARAM 5 а4 PARAM. 6 а5 PARAM 7 «б PARAM. 8 EXTRA DATA DEFINITIONS FOR TOROIDAL HOLOGRAM SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ТОРОИДАЛЬНОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ОПИСАНИЕ Координата Х1 для первого конструкционного пучка. Координата Y1 для первого конструкционного пучка. Координата 21 для первого конструкционного пучка. Координата Х2 для второго конструкционного пучка. Координата Y2 для второго конструкционного пучка. Координата 212 для второго конструкционного пучка Длина волны конструкционного света Порядок интерференции. Флаг сходимости/расходимости конструкционных пучков. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-57
Jones matrix Матрица Джонса ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Этот тип поверхности используется для преобразования вектора поляризации света. Форма этой поверхности - всегда плоская. Эта поверхность модифицирует вектор Джонса {который описывает электрическое поле) в соответствии с уравнением: Е. I В С D Е V где А, В, С, D, Ех и Еу - комплексные числа. В таблице редактора "Lens Data Editor" есть ячейки, для задания величин Агеа] (реальная часть числа A). Ajmag (мнимая часть числа А) и так далее. Обратите внимание на то, что эта поверхность не воздействует на компоненту Z вектора поляризации. Поэтому эта поверхность прогнозирует результаты только для лучей, угол падения которых близок к нормальному. При больших углах падения лучи имеют значительные Z-компоненты вектора поляризации. Для лучей с большими углами падения ZEMAX предполагает, что Z-компонента вектора поляризации не оказывает влияния на пропускание поверхности. Однако Z- компонента масштабируется таким образом, чтобы результирующий вектор поляризации был направлен перпендикулярно к направлению распространения луча. Полный вектор электрического поля затем нормируется к пропущенной интенсивности луча. Для лучей, падающих на поверхность под небольшими углами, эти вычисления не производятся, так как для них Z-компонента вектора поляризации близка к нулю. Свойства этой поверхности учитываются только в программах анализа поляризованного света. Смотри главу "Polarization Analysis". Для задания этой поверхности используются восемь параметров. Внешние данные не используются. PARAMETER DEFINITIONS FOR JONES MATRIX SURFACES ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИПА "JONES MATRIX" PARAM. 1 Areal PARAM. 2 A- 'чтэд PARAM.3 Breal PARAM. A t^imag PARAM. 5 PARAM. 6 ^imag PARAM. 7 Dreal PARAM. 8 ^imag Atmospheric Refraction Поверхность для моделирования атмосферной рефракции ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ' ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Эта поверхность используется для моделирования эффектов рефракции света при его прохождении через земную атмосферу, когда наблюдаются звезда или другой точечный источник. Атмосфера имеет небольшую, но не нулевую, величину диспер- дисперсии, которая вызывает наклон падающего волнового фронта, величина которого 11-58 Chapter 11: SURFACE TYPES
от длины волны. 2ЕМАХ использует модель, основанную на следующих циях. Р. К. SekJelmann, Ed.. "Refraction - Numerical Integration". Section 3.281, Explanatoty Supplement to the Astronomical Almanac, pp. 141-143, University Science Books, Mill Valley. 1992; C. Y. Hohenkerk and A. T. Sinclair, NAO Technical Note 63, Royal Greenwich Observatory Science and Engineering Research Council, 1985. Шесть параметров используются для задания модели: зенитный угол наблюдаемого источника в градусах, высота места наблюдения над уровнем моря, температура окружающей среды в градусах Кельвина, атмосферное давление в миллибарах, относительная влажность (между 0.0 и 1.0) и широта места наблюдения в градусах. 2ЕМАХ вычисляет угол рефракции в радианах для всех заданных длин волн, а затем вычитает из полученных данных величину угла рефракции для главной длины волны; таким образом, главная длина волны используется в качестве опорной. Атмосферная рефракция проявляется как небольшой наклон графика OPD или как небольшое смещение главного луча, подобное хроматизму увеличения, на графике лучевых аберраций. Предполагается, что преломление происходит только в направлении у. PARAMETER DEFINITIONS FOR ATMOSPHERIC REFRACTION SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТИ. МОДЕЛИРУЮЩЕЙ АТМОСФЕРНУЮ РЕФРАКЦИЮ PARAM. 1 Зенитный угол PARAM. 2 Высота над уровнем моря PARAM. 3 Температура окружающей среды PARAM. 4 Давление PARAM. 5 Влажность PARAM. 6 Широта места Zone Plate Зонная пластинка Френеля с постоянным шагом ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО ZEMAX-XE и ZEMAX-EE Эта поверхность используется для моделирования зонной пластинки Френеля (Fresnel Zone Plate. FZP). Зонная пластинка представляет собой преломляющую или отражающую поверхность, на которую нанесены (нарезаны или вытравлены) кольцевые зоны, глубина которых изменяется от одной зоны к другой дискретно или непрерывно (в зависимости от выбранного типа пластинки). Обычно расстояние между канавками бывает больше длины волны, так что зонная пластинка является преломляющим, а не дифракционным элементом. С изменением глубины кольцевых зон в различные зоны пучка света вносятся небольшие изменения фазы, соответствующие изменениям оптической длины пути через материал. Зонная пластинка моделируется путем внесения локальных углублений на поверхности. Краевые эффекты, такие как отражение лучей от кромок зонных канавок и дифракция на краях канавок, игнорируются Зонная пластинка определяется путем задания нормированной оптической толщины каздой зоны Положение зон задается радиусами их границ; всего может быть определено до 198 зон. Для определения зонной пластинки требуется задать величины трех параметров тип пластинки (mode), радиальный шаг между зонами. \Г. опорную длину волны, /.q. Если задать значение параметра mode равным нулю, то кавдая зона будет иметь оптическую толщину, заданную для точки ее наибольшего радиуса В результате Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-59
фаза будет изменяться от зоны к зоне скачками, типа лестничной функции. Если задать значение параметра mode равным единице, то будет произведена ступенчатая интерполяция оптической толщины в пределах каждой зоны. Хотя фаза при этом будет изменяться непрерывно, ее первая производная будет все же иметь скачки на границах зон. Величина параметра Дг, определяющего величину радиального шага между зонами, выражается в установленных для схемы линейных единицах измерения. Опорная длина волны ло (reference wavelength) используется для нормирования оптической толщины и выражается в микронах. Например, если зонная пластинка является границей между материалом с показателем преломления 1.55 и воздухом с показателем преломления 1.00, а опорная длина волны равна 0.45 мкм, то оптическая толщина в одну длину волны будет соответствовать глубине канавки т* — — = -^^ =0.8118182// П2 - /7, Это толщина равна действительной глубине канавки, если оптическая толщина задана равной 1.0. ZEMAX использует эту нормированную оптическую толщину для удобства. Для определения зоны, вносящей в пучок изменение фазы на Уг длины волны для опорной длины волны, просто введите для этой зоны оптическую толщину, равную 0.5. Для других длин волн изменение фазы будет больше или меньше этой величины в зависимости от дисперсионных свойств двух смежных оптических сред. Величина оптической толщины задается вдоль радиуса пластинки для Г) точек с шагом Дг 1*1, Га, Г3, ... гп. Количество точек п устанавливается в первой колонке редактора Extra Data Editor. Величины оптической толщины для каждой точки задаются в последующих колонках редактора Extra Data Editor. PARAMETER DEFINITIONS FOR SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТИ "ZONE PLATE" PARAM. 1 Mode PARAM. 2 ДГ PARAM. 3 EXTRA DATA DEFINITIONS FOR ZONE PLATE SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТИ, МОДЕЛИРУЮЩЕЙ ЗОННУЮ ПЛАСТИНКУ ФРЕНЕЛЯ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 п + 1 ОПИСАНИЕ Число точек, п Оптическая толщина в точке Дг Оптическая толщина в точке 2 Дг Оптическая толщина в точке 3 Дг Оптическая толщина в точке п Дг 11-60 Chapter 11: SURFACE TYPES
User Defined Определяемая пользователем поверхность ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE К все Этот тип поверхности (User Defined Surface, UDS) открывает пользователю исключи- исключительно мощный, гибкий и быстрый путь для разработки собственного типа поверхности, которого нет в ZEMAX. Поверхность UDS может иметь любую форму, она может быть преломляющей, отражающей или иметь дифракционные свойства, она может вносить произвольные изменения фазы в пучок, она может располагаться как за однородной оптической средой,-так и за средой с любым профилем градиента показателя преломления. Поверхность UDS может быть также создана для аподизации или ослабления лучка в соответствии с вашими требованиями. Эта последняя способность поверхности UDS позволяет ее использовать с целью ограничения пропускания любой другой поверхности в оптической системе в соответствии с заданной пользователем формулой или таблицей. Секрет такой большой гибкости свойств этой поверхности состоит в том, что все свойства поверхности определяются пользователем в отдельной (внешней по отношению к 2ЕМАХ) текстовой программе, написанной на языке С или C++, которая компилируется и динамически связывается с ZEMAX с помощью механизма "Windows Dynamic Link Library (DLL)". Программа DLL должна содержать все функции, которые отсылают в ZEMAX данные, необходимые для изображения поверхности, трассирования лучей, вычисления углов преломления, вычисления величины показателя преломления для градиентных сред и т.д. Так как DLL является откомпилированной программой и так как ZEMAX обращается DLL с указаниями, какие именно данные необходимы для вычислений, то вс вычисления для поверхностей UDS производятся очень быстро, как при работе с собственными кодами ZEMAX (имеются только небольшая задержка, связанная с вызовом функций). Для написания UDS DLL необходимо, чтобы пользователь имел подходящий компипятор или средства разработки, способные создавать 32-битные Windows DLL. Пользователь также должен уметь программировать на языке С и. что более важно, уметь отлаживать написанные программы. Для увеличения скорости вычислений ZEMAX производит только очень ограниченный контроль данных, получаемых от DLL, так что ошибки в программе UDS DLL вполне могут привести к полному отказу программы ZEMAX. По этой причине техническая поддержка на разработку и внедрение поверхностей UDS со стороны Focus Software жестко ограничена только примерами некоторых файлов, которые работают правильно. Если вы нуждаетесь в создании какой-либо программы UDS DLL, но затрудняетесь ипи не можете этого сделать сами, обращайтесь к Focus Software с заказами на разработку для вас необходимых DLL (поверхностей со специфическими свойствами). The UDS DLL Создание UDS DLL Самый простой путь к получению первых навыков по написанию UDS DLL это начать с копирования (под новым именем) одного из прилагаемых к ZEMAX примеров Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-61
текстовых С-файлое (файлов с расширением .С). После копирования отредактируйте этот файп (в соответствии с вашими требованиями) и произведите его компилияцию для создания новой DLL. Все С-файлы имеют примерно одинаковую структуру. Для создания UDS DLL необходимы три файла: исходный текстовый файп, написанный на языке С (или C++), такой, например, как MY_SURF.C; файл заголовка (header file) под именем USERSURF.H" (внешний исходный файл, помещаемый в начало программы с помощью директивы include, обычно содержащий определения типов переменных, ислользуег/ых в программе) и файл определений (definition file) под именем "USERSURF.DEF. Последние два файла уже созданы для вас и помещены в ZEMAX. Конечно, вы можете дать новому С-файпу любое имя; имя MY_SURF дано только для примера. При компиляции написанного вами С-файла все эти три файла должны быть включены в проект. Должен быть модифицирован только текстовый С-файл. Этот файл содержит две главные функции: 1) "DLLMain", которая используется для инициализации данных, используемых DLL, и 2) "UserDefinedSurface", которая используется для определения поверхности; именно эта функция в основном подвергается модификации лри создании каждого нового типа поверхности. Имя этой функций не должно изменяться, так как ZEMAX ищет эту функцию под указанным именем. ZEMAX передает этой функции две ^структуры, определенные в файле USERSURF.H. Функция UserDefinedSurface имеет конструкцию "swith-case". Одним из аргументов этой функции является параметр "type", принимающий значения от 0 до 7, включительно, и указывающий на то, какие именно данные должны быть вычислены DLL и переданы в ZEMAX. Описание кодовых значений параметра "type" дано в следующей ниже таблице: UDS DLL Type Codes ОПИСАНИЕ КОДОВ UDS DLL Кодовое число 0 1 2 3 4 5 6 7 Какие данные запрашивает ZEMAX у программы DLL Имя поверхности (case 0), наличие радиальной симметрии (case 1), наличие градиента показателя преломления (case 2) Наименование колонки с нужным параметром Наименование колонки с нужными внешними данными Прогиб (sag 1) и альтернативный прогиб поверхности (sag 2) Трассировка параксиального луча к поверхности и преломление на ней Трассировка реального луча к поверхности и преломление на ней Величина показателя преломления и величина первой производной показателя преломления для градиентной поверхности Данные по умолчанию, когда пользователь впервые выбирает тип поверхности В примерах С-файлов можно найти обширные пошаговые комментарии к записанным в них текстам. Примеры файлов DLL (и исходные С-файлы) можно найти в директории \ZEMAX\DLL; новые DLL должны быть помещены в этот же директорий. 11-62 Chapter 11: SURFACE TYPES
Refractive and reflective UDS DLL's Преломляющие и отражающие поверхности UPS DLL Для создания обыкновенных, однородных преломляющих или отражающих поверхностей (но не градиентных или дифракционных) начните с файла US_STAND.C. Этот файл является исходным для US_STAND.DLL, который является аналогом стандартной поверхности ZEMAX. Это не совсем та же программа, которая имеется в ZEMAX, и отчасти она работает более медленно, но функционально она эквивалентна ей. US_STAND.C включает в себя функцию общего закона преломле- преломления Снелпиуса, которая работает также и при расчете отражения. Эта DLL, как и все другие USD DLL. выполняет следующие функции: вычисление прогибов поверхности, решение уравнений пересечения лучей с поверхностью, вычисление направлений нормалей к поверхности и вычисление длины оптического пути. Gradient index UDS DLL's Поверхности UDS DLL с градиентом показателя преломления Для градиентных поверхностей используйте в качестиве стартового файла USJ3RIN1.C. Коды в этой программе во многом подобны кодам US_STAND.C, за исключением того, что в ней имеется флаг, указывающий на то, что эта поверхность является градиентного типа. Блок данных "type code 6" содержит значения показателя преломления в точках поверхности с координатами X, Y и Z, а также значения всех необходимых параметров и внешних данных. В этот блок данных должны быть введены также значения первых производных показателя преломления по направлениям X, Y и Z. Diffractive UDS DLL's Поверхности UDS DLL с дифракционными свойствами Дифракционная оптика во много подобна стандартной оптике, за исключением того, что лучи дополнительно отклоняются поверхностью в соответствии с фазовой функцией от координат X и Y. Формула для вычисления длины оптического пути должна быть модифицирована для включения в нее изменения фазы. В общем случае "преломление" на дифракционной поверхности определяется формулами: 111 = HI 1тт дх 2л- ду где I и m - направляющие косинусы вектора п относитепьно осей х и у а направляющий косинус вектора п относительно оси z вычисляется такигл образом, чтобы сделать величину направляющего вектора равной единице; ф - величина фазы, выраженная в радианах. Пример US_GRATE.DLL иллюстрирует дифракционные вычисления производимые поверхностью дифракционной решетки ZEMAX Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-63
Lenslet arrays using UDS DLL's Преломление лучей на матрице линзочек Матрица линзочек - простая модель поверхности, определяемой пользователем. При трассировке луча сначала определяется, какой сегмент матрицы должен быть использован, а затем для определения угла преломления используется локальная кривизна поверхности линзы. Примеры текстовой программы на языке С и DLL даны в файлах US_ARRAY.C и US_ARRAY.DLL User defined surface apodizafion using DLL's Поверхность UDS DLL, производящая аподизацию пучка Блок данных "type code 5" (трассировка реального луча) позволяет определить поверхность с заданным пропусканием. "Поверхность пропускания" должна быть задана числом между 0.0 и 1.0, которое определяет относительное пропускание поверхности (по интенсивности). В этом контексте слово "пропускание" означает просто дальнейших ход лучей к следующей поверхности, так что для отражательной поверхности - это доля отраженных лучей, "Поверхность пропускания" может быть использована для определения поверхности, производящей заданную аподизацию пучка лучей. Пространственная функция пропускания может быть задана какой-либо формулой, устанавливающей зависимость пропускания от координат луча, направляющих косинусов, параметров поверхности или каких-либо других данных. Функция пропускания может быть задана также в табличном виде или каким-либо другим способом, который может быть использован в DLL. "Поверхность пропускания" не обязательно должна быть определена в этом блоке данных. Если "поверхность пропускания" не определена, то ZEMAX принимает пропускание поверхности DLL равным 1.0. Если "поверхность пропускния" определена в DLL, то: - при трассировке неполяризованных лучей учитывается только эффект ослабления интенсивности пучка; - при трассировке поляризованных лучей учитывается также дальнейшее изменение интенсивности пучка в результате его прохождения через поверхности Френеля, тонкопленочные покрытия и поглощающие оптические материалы. В отличие от имеющейся в ZEMAX возможности аподизации входного зрачка, поверхность UDS DLL позволяет произвести аподизацию лучка в любом месте оптической системы - там, куда будет помещена поверхность UDS DLL. Обратите внимание на то, что при аподизации пропускание поверхности является функцией положения луча, так что для разных точек поля эффект аподизации будет различным. Примеры поверхностей UDS.DLL с заданной аподизацией пучка, даны в следующих текстовых С-файлах и соответствующих им DLL: US_FILT1, US_FILT2 и US_FILT3, US_FILT4, US_FILT5, US_FILT6. Обратите внимание на то, что эта методика может быть использована для моделирования как нейтральных ослабляющих фильтров, так и спектральных фильтров. Error handling and UDS's Сообщения об ошибках для поверхностей UPS DLL В ZEMAX принято, что DLL принимает значение, равное нулю, если DLL вычислено и 11 - 64 Chapter 11: SURFACE TYPES
получен разумный результат. В противном случае DLL принимает значение, равное -1 Это общее правило изменяется при трассировке лучей (как реальных, так и параксиальных). Когда луч проходит мимо поверхности. DLL принимает значение, равное номеру поверхности. Когда луч испытывает полное внутренне отражение, DLL принимает значение, равное номеру поверхности со знаком минус. ZEMAX использует эти коды ошибок как для оказания помощи пользователю при отладке DLL, так и для собственных программ. Sample DLL's Примеры DLL В директорий /ZEMAX/DLL помещено несколько текствых С-файлов и соответситвующих им DLL, написанных для помощи пользователю в освоении поверхностей DLL. Простейший путь для написания DLL - это найти в этих примерах наиболее подходящий для вашей задачи текстовый С-файл, скопировать его и отредактировать (под новым именем). В следующей ниже таблице дан список включенных в ZEMAX поверхностей UDS DLL с их кратким описанием. Обратите внимание на то, что, хотя эти примеры DLL тестированы и. в общем, являются надежными, они даны, как говорится, "как они есть". ПРИМЕРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ UDS DLL Имя DLL Описание US ANAMR Анаморфотная асферическая поверхность. Форма этой асфери- асферической поверхности определяется следующим выражением: Z- СхХ2+СуУ 4r[(\- АР)\'2 +{\ + АР)Г2]2 + Br[u- ВР)\'г Cr[(\-CP)X2 +(\ + СР)У:\ +DIt[{\-DI>)\2 ВР)Г2]' Кольцеобразная асферическая поверхность. Описание этой поверхности дано в статье "Annular surfaces in annular field systems", Jose Sasian, Opt. Eng. 36A2) 3401-3403 (December 1997). Эта поверхность подобна полиномиальной поверхности с нечетной асферикой: уравнение поверхности имеет радиальное смещвнив полиномиального расширения для лучшего моделирования поверхностей, используемых в системах с кольцевым полем зрения US ANASP US APGXY Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизац.'идля этой поверхности определяется в форме" Г(л\ у) = Ехр -2G. -2G где R - полудиаметр поверхности; ж и у - координаты точек пересечения лучей с поверхностью. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Имя DLL US_ARRAY US_CYLAR US_DGCYL US_FILT1 US_FI!_T2 US_FILT3 Описание Модель п х m матрицы линз, каждая из которых имеет прямоугольную форму с размером HxW {высота х ширина). Все четыре параметра могут быть модифицированы. Хотя линзы имеют прямоугольную форму, они имеют поверхности типа "standard", то есть могут быть плоскими, сферическими или асферическими второго порядка. Модель вертикальной линейной матрицы из п цилиндрических линз; каждая линза имеет высоту Н. Эти линзы цилиндрические или с конической асферикой в Y2 плоскости. Модель дифракционной решетки на цилиндрической поверхности с равномерным расположением штрихов вдоль дуги поверхности, а не по координате Y в тангенциальной плоскости. Штрихи решетки расположены параллельно оси цилиндра. Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется в форме: T = LQ-Exp{-Gp2)t где р - радиальная координата, нормированная к полудиаметру поверхности. Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется следующим образом. В пределах изменения нормированной радиальной координаты от нуля до р1 оптическая плотность постоянна и равна Dmax. Затем оптическая плотность уменьшается линейно до нуля (D = 0) при р2. При дальнешем увеличении радиуса оптическая плотность остается равной нулю. Величина пропускания связана с оптической плотностью уравнением: D = — Log\0(T) . Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется в форме: Z> = 0.5Z>me(l.0 + cos*p), где р - радиальная координата, нормированная к полудиаметру поверхности. * 11-66 Chapter 11: SURFACE TYPES
Имя DLL Описание US FILT4 Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется в форме: = 1.0,еслс r<R-z!R; = 1,0,еслиг>11 + cos T(r) = AR если где р - радиальная координата; R - радиус апертуры и А - безразмерная часть радиуса апертуры. Пропускание плавно изменяется от 1 до 0 в пределах 2AR. Эта функция аподизации позволяет создать апертуру с "мягкими краями", которая полезна для оптимизации пропускания через круглую апертуру. US FILT5 Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard"), но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется в форме: T(na) = 1.0, если па < T(na) = 0.0, если па > NA + А; В противном случае Т(па) = 0.5 1+COS BА\А) / ) где па - числовая апертура падающего пучка. NA - параметр, определяемый пользователем, и Д - фиксированная величина, равная 0.001 (эта величина может быть переопределена в текстовом С-файле). Этот тип фильтра демонстрирует вид аподизации пучка в зависимости от угла падения луча, а не от положения луча на поверхности- Интенсивность лучей, дпя которых величина па превышает величину (NA * Л), будут плавно ослябпяться до нуля Это позволяет улучшить оптимизацию. US FILT6 Эта поверхность подобна стандартной поверхности ZEMAX (типа "Standard ). но имеет дополнительную способность к модификации ее пропускания. Функция аподизации для этой поверхности определяется в форме: где « и |i - пространственные частоты синусоидальной функции пропускания по направлениям х ну, соответственно Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-67
Имя DLL US.FILT7 US_GCYL US_GRATE US_GRIN1 USJGRIN USJTERA USJ.UNE Описание This DLL is a clone of the ZEMAX "Standard" surface type, with the added capability to modify the surface transmission via linear interpolation of values specified on the extra data editor along the radial coordinate. Модель цилиндрической поверхности с градиентом показателя преломления. GRIN-среда имеет концентрические слои с постоянной величиной показателя преломления, и полиномиальный GRIN- профиль центрируется относительно центра кривизны поверхности. Эта поверхность предназначена для моделирования поперечной утечки света через стенки оптического волокна, в направлении, перепендикулярном оси волокна. Модель стандартной поверхности с дифракционной решеткой с равномерно расположенными штрихами вдоль координаты Y в тангенциальной плоскости. Эта поверхность аналогична поверхности типа "Diffraction Grating", имеющейся в ZEMAX. Цель этого примера - показать, как дифракционные поверхности моделируются в ZEMAX UDS DLL. Модель квадратичной GRIN-среды. Эта поверхность аналогична поверхности типа "Gradient 1", имеющейся в ZEMAX. Цель этого примера - показать, как GRIN-поверхности моделируются ZEMAX UDS DLL. Пример GRIN-поверхности с заданными дисперсионными свойствами. Эта поверхность подобна поверхности типа "Standard", за исключением того, что координаты точек пересечения с ней пучей ищутся способом "немой" итерации, а не путем решения замкнутого уравнения. Этот пример показывает, как ищутся координаты точек пересечения лучей с поверхностью, когда известно только выражение для прогиба поверхности. Для большинства поверхностей с полиномиальной асферикой требуется этот тип итерации, так как координаты точек пересечения лучей с такими поверхностями не могут быть определены путем решения замкнутых уравнений. Модель GRIN-поверхности с линзой Люнеберга. ■ 11-68 Chapter 11: SURFACE TYPES
Имя DLL Описание US MEMS Models a Micro-Electromechanical System (MEMS), such as a Digital Mirror Device (DMD). The MEMS consists of a 2D array of small rectangular mirrors. The mirrors may tip at any of three angles, each rotated about an axis to point the mirror in any direction. The mirrors may be set to any of the three states by addressing rows, columns, or by individual mirrors if desired to model any state the MEMS can be in. Although the model is strictly geometric» it effectively models where rays are reflected by such a device for an arbitrary setting of the individual mirrors. The parameters on the model are: Nx: Number of X direction mirrors Ny: Number of Y direction mirrors Wx: Total width in lens units in X direction Wy: Total width in lens units in Y direction АО, A1, A2: Angle of mirror in state 0,1, or 2 Rotation Angle: Angle of rotation about the 2 axis to tip the mirror Extra Data Value 1: If 0, mirrors are addressed by rows, if 1, by columns, if 2. by individual mirrors. Extra Data Value 2: State of rows/columns/mirrors 1-15 Extra Data Value 3: State of rows/columns/mirrors 16-30 Extra Data Value n: State of rows/columns/mirrors 1+15*(n-2) - 15*(n-1)... The rotation angle effectively rotates the plane of tip of the mirror around the local 2 axis; with the initial tip plane being around the local x axis. The rotation angle is measured clockwise from the +y axis. The mirror angles are then tipped about the rotated tip direction. The Extra Data Values (EDV) are used to define the state of the rows/columns/mirrors using a base 3 integer value. To determine the values for any logic state of the MEMS, construct a table similar to the one below, which shows the values for 3 rows or columns or mirrors: r/c/m: 3 2 1 EDV 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 1 2 0 1 2 0 1 2 3 A 5 6 etc.. Note the EDVA is given by: EDV = МГ(Зл0) + М2*CЛ1) + where M1 is the logic state @. 1, or 2) of the first row/column/mirror and M2 is the logic state of the second row/column/mirror. etc Up to 15 row/column/mirror values are defined by each EDV. US OFFST Поверхность с дополнительным продолжением хода лучей внутрь поверхности. Расстояние, на которое продляется ход лучей, зависит от длины вопны. Эта поверхность полезна дпя моделирования оптических систем, имеющих различные фокусные расстояния для разных длин волн, как. например, у цифровых проекторов. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-69
Имя DLL USJ3GIVE US_STAND Описание Стандартная поверхность, у которой ось вращения смещена на величину г0. Прогиб поверхности определяется выражением: ,. ■ -.' где rg =го+Л+/ . Эта поверхность полностью подобна поверхности типа "Standard" Это простейшая поверхность DLL, и с нее можно начать изучение UDS DLL. Birefringent In and Birefringent Out Двоякопреломляющие поверхности ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ.ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Эта пара поверхностей используется для моделирования двулучепреломляющих одноосных кристаллов, таких как кальцит. Эти типы кристаллов описываются направлением оси кристалла, определяющей ось симметрии кристалла, и двумя дисперсионными кривыми, одна из которых определяет показатель преломления для "обыкновенного" луча и вторая - для "необыкновенного" луча. Такие материалы преломляют лучи различным образом в зависимости от состояния поляризации луча и угла его наклона относительно оси кристалла. Каждый, падающий на кристалл луч, может иметь два различных угла преломления; поэтому такие кристаллы называются двоякопреломляющими. Двоякопреломляющие материалы детально описаны в книге Saleh and Teich. "Fundamentals of Photonics", Wiley Interscience. Информацию о трассировке лучей через двулучепреломляющие кристаллы можно найти в статье Quan-Ting "Simple ray tracing formulas for uniaxial optical crystals", Applied Optics vol.29, No.7, 1 March 1990. Здесь же дано только краткое описание этих материалов и их свойств. Двоякопреломляющие материалы преломляют лучи в соответствии с законом Снеллиуса, но величина "эффективного" показателя преломления в среде зависит от состояния поляризации падающего луча и его угла относительно оси кристалла. Так называемые "обыкновенные" лучи преломляются согласно уравнению где подстрочный индекс "о" обозначает показатель преломления для обыкновенного луча. Это, конечно, просто закон Снеллиуса. Для необыкновенных лучей закон преломления выглядит следующим образом Это тот же закон Снеллиуса, но показатель преломления является функцией угла (\у - угла между вектором о , определяющим направление оси кристалла, и вектором 11-70 Chapter 11: SURFACE TYPES
к , определяющим направление преломленной волны. Кроме того, лучевой вектор 6 , в направлении которого распространяется энергия (так называемый вектор Пойтинга), не совпадает с волновым вектором к , а идет к нему под небольшим углом. В изотропной среде эти два вектора совпадают друг с другом, так что для большинства оптических схем мы используем просто вектор к ; здесь же мы должны принять в рассмотрение оба этих вектора. Угол 0w определяется формулой cos0w = к • а . Показатель преломления определяется уравнением cos#.. 1 + / И, j где п0 и пе - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей. Угол а между векторами к и S определяется соотношением cosa = k»st where tana = где вектора к и S компланарны вектору нормали к поверхности'"/. Волновой вектор £ направлен вдоль нормали к волновому фронту, а вектор S направлен в направлении распространения энергии. При трассировке луча ZEMAX использует компоненты вектора S в качестве направляющих косинусов луча. Так как эффект двулучепреломления проявляется как при вхождении луча в среду, так и при выходе из неё, для моделирования двоякопреломляющего элемента требуются две поверхности: "birefringent in" и "birefrfngent out". За каждой поверх- поверхностью "in" должна непосредственно следовать поверхность "out"; если это не соблюдается, то 2ЕМАХ выдаст сообщение об ошибке и пучи не будут трассированы. Исключение составляют только поверхности типа 'coordinate break", которые могут располагаться между поверхностями "in' и "out". Defining the index Задание величин показателей преломления Для определения величины "обыкновенного" показателя преломления ZEMAX обычным образом использует данные содержащиеся в каталогах стекол. Например, для использования материала "Calcite" введите поверхность типа 'birefringent in" и напечатайте в колонке "Glass*1 имя этого материала. ZEMAX использует это имя для вычисления обыкновенного показателя преломления для любой заданной длины волны. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-71
Для определения величины "необыкновенного" показателя преломления ZEMAX присоединит к имени стекла символ "-Е" и будет искать такое стекло в каталоге. В случае кварца ZEMAX будет искать в каталоге стекло под названием uCalcite-E", и если найдет его, то использует его данные для вычисления величины необыкновенного показателя преломления. Если такого стекла в каталоге не окажется, то ZEMAX выдаст сообщение об ошибке. Этот способ позволяет определить для любого материала любые показатели преломления для обыкновен- обыкновенного и необыкновенного лучей. При вычислениях таких величин, как EFFL, EPD, F/# и многих других. ZEMAX использует только величины "обыкновенного" показателя преломления. "Необыкновенный" показатель преломления используется только для трассировки необыкновенных лучей. В отчете "Prescription report" будут выводиться данные как для обыкновенного, так и для необыкновенного лучей, и эти данные должны быть тщательно изучены перед использованием этой программы для какого-либо ответственного анализа. Defining the crystal orientation Определение ориентации оси кристалла Ориентация оси кристалла задается ее х-, у- и z-направляющими косинусами, величины которых вводятся в колонки параметров 2, 3 и 4. Например, для того, чтобы направить ось кристалла вдоль положительного направления оси X, единичный вектор оси кристалла должен иметь значения A, 0, 0). Для направления оси кристалла вдоль нормали к поверхности при ее вершине (вдоль оси Z) единичный вектор оси кристалла должен иметь значения @, 0. 1). Заметьте, что используется локальная (для данной поверхности) система'координат! Determining which ray is traced Определение типа луча для трассировки ZEMAX будет трассировать обыкновенные лучи, если флаг "mode" будет установлен на ". Если этому флагу будет присвоено какое-либо другое значение, например, 1.0, то ZEMAX будет трассировать необыкновенные лучи. Флаг "mode" - это параметр 1 в редакторе схемы LDE. ZEMAX не может трассировать обыкновенные и необыкно- необыкновенные лучи одновременно, однако можно довольно просто создать мультиконфи- гурационную схему, и установить величину флага "mode", равной 0 для конфигурации I и равной 1 для конфигурации 2; это позволит видеть и контролировать оптические пути двух типов лучей и одновременно оптимизировать схему как для обыкновенного, так и для необыкновенного лучей. Accounting for phase rotation Учет вращения вектора поляризации То account for phase rotation when performing polarization ray tracing, there are two limiting cases to consider. Conceptually, the beam splits into an ordinary beam and an extraordinary beam with a small angle between the two beams. If the beams then propagate a large distance, the ordinary and extraordinary beams will separate and become two distinct beams. If however the propagation distance is short, the ordinary and extraordinary beams coherently interfere and recombine, resulting in a single beam with a (usually) rotated polarization vector. Conceptually this is like tracing both the ordinary and extraordinary rays, then coherently recombining them after propagation through the I1 - 72 Chapter 11: SURFACE TYPES
birefringent media. Which model Is used to determine the transmission and polarization properties may be selected by the mode. If the mode is 0 or 1, then only the ordinary or extraordinary part, respectively, is traced. The fraction of ray energy in the part of the ray that is not traced is discarded. No polarization rotation will be modeled using mode 0 or 1. For transmission computations, both rays need to be traced separately and the total energy computed. It is difficult to compute the effects of phase rotation using mode 0 or 1. If the mode flag is 2, then the ordinary ray is traced, however the phase rotation due to the extraordinary ray is accounted for. If the mode is 3. the extraordinary ray is traced, and the phase is rotation due to the ordinary ray is accounted for. For modes 2 and 3, no energy is discarded, and the polarization of the ray is properly rotated by the birefringent media. Transmission and other properties of birefringent surface Пропускание и другие свойства двоякопреломляющей поверхности When light propagates through birefringent media, the index of refraction of the glass is different for the S and P polarizations. The ordinary index is what is seen by the perpendicular, or S-polarized light, while the effective index is seen by the parallel or P- polarized tight. Note the S and P polarization directions used in this context are not in general the same as those used by the coating and Fresnel surface effects computation. Here S and P refer to the perpendicular and parallel orientations relative to the crystal axis rather than the surface normal vector. The plane that contains the refracted ray and the crystal axis vector is the parallel plane; and the P vector lies in this plane normal to the ray vector. The S vector is perpendicular to both P and the ray vector. For polarization analysis of birefringent materials, a few assumptions are needed. If the mode is 0. the ordinary ray is traced, which only has an S component, so the P component transmission is set to zero. If the mode is 1, the extraordinary ray is traced, and the S component is therefore set to zero. This technique is simple, and yields the correct transmission results for each possible path separately. However, to get the total transmission requires analysis of each possible combination of modes for every pair of birefringent surfaces. If there are 2 pairs of birefringent surfaces in the system. 4 separate ray traces are required; and if there are 3 pairs of birefringent surfaces, 8 traces required, etc. If the mode is 2. then the ray follows the ordinary path, but the ordinary index is used to phase rotate the S component of the field, and the effective index (properly referenced lo the ordinary ray direction) is used to rotate the P component of the electric field. Only 1 trace is needed to properly model both transmission and phase rotation. If the mode is 3, then the ray follows the extraordinary path, with a similar phase rotation as in the case of mode 2. Samples ZEMAX files Файлы с примерами Примеры схем с двулучепреломляющими поверхностями даны в файлах: BR_W0LU\STON.ZMX. BR__ROCHON.ZMX. BR_SENARMONT.ZMX. Ниже на рисунке показано изображение призмы Волластона из файла BR__WOLLASTON (с наложением друг на друга двух конфигураций). Материалы двух частей призмы являются двоякопреломляющими; их кристаллические оси повернуты на 90 градусов относительно друг друга. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-73
PARAMETER DEFINITIONS FOR BIREFRINGENT "IN*1 SURFACE ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ "IN'- ПОВЕРХНОСТЕЙ PARAM. 0 Length Длина для изображения оси кристалла; 0, если ось не изображать PARAM. 1 Mode: 0,1, 2 или 3 PARAM. 2 Направля- Направляющий Х-косинус PARAM. 3 Направля- Направляющий Y-косинус PARAM. 4 Направля- Направляющий Z-косинус PARAM. 5 Parax Ignore При любом значении, кроме нуля, для параксиальных лучей необыкно- необыкновенный показатель преломления игнорируется. Для двулучепреломляющих "OUT''-поверхностей какие-либо параметры не используются. Форма поверхностей "IN" и "OUT1 такая же, как и у стандартных поверхностей, то есть может быть плоской, сферической или асферической (второго порядка); все типы поверхностей должны быть симметричны относительно локальной ocnZ. Radial NURBS Радиальная NURBS-поверхность Аббревиатура NURBS образована от названия кривых (поверхностей) типа "Non- Uniform Rational B-Spline". NURBS - очень.общий класс кривых и поверхностей. Полное описание кривых (поверхностей) этого типа, которое остается за пределами данного обсуждения, можно найти в книге: Les Piegel and Wayne Tikker, "The NURBS Book, Second Edition", Springer-Verlag, ISBN 3-540-61545-8. Радиальная NURBS поверхность определяется рядом взвешенных контрольных точек. Контрольные точки задают (образующую поверхность вращения) кривую в плоскости YZ, идущую из начала системы координат в положительном направлении 11-74 Chapter 11: SURFACE TYPES
оси Y. После задания кривой, поверхность образуется ее поворотом вокруг оси Z на 360 градусов. В отличив от кривых, аппроксимируемых сплайнами. NURBS кривая не проходит точно через контрольные точки, за исключением начальной и конечной контрольных точек. Каждая контрольная точка задается положительной у - координатой, z-координатой. которая может быть как положительной, так и отрицательной величиной, и весовым коэффициентом w. Начальная (первая) точка всегда имеет координаты х = 0 и z = О, так что кривая берет начало при вершине поверхности. Y-координаты последующих точек, нумируемые от единицы до максимального желаемого числа точек, монотонно возрастают в положительном направлении оси Y. Y-координаты двух соседних точек должны иметь разность не более 1.0 Е-3 от используемой в схеме линейной единицы измерения для обеспечения числовой стабильности при аппроксимации точек сплайнами. Весовые коэффициенты всех точек должны быть первоначально установлены равными единице. Чем выше вес * данной точки, тем ближе к ней процдет аппроксимирующая кривая. Чем меньше вес точки, тем меньше ограничение на прохождение через нее кривой. Читайте в указанной выше книге о том, как влияют весовые коэффициенты точек на NURBS кривую. Y-координата последней заданной точки определяет величину чистой апертуры поверхности. Эта величина должна быть, как правило, постоянной, и не должна иметь статус переменной величины. Любой луч. который при трассировке не будет пересекаться с поверхностью в пределах области, заданной кривой, будет задержан с указанием ошибки "ray miss". Преимущество NURBS описания поверхности состоит в том. что таким образом может быть задана любая форма поверхности при надежной трассировке лучей через нее. Необычные асферические корректоры, которые не могут быть описаны полиномами, могут быть моделированы с помощью NURBS поверхностей. К недостаткам NURBS поверхностей относятся очень низкая скорость трассировки лучей через эти поверхности и иногда возникающие большие трудности в подборе подходящих стартовых координат и весовых коэффициентов контрольных точек. EXTRA DATA DEFINITIONS FOR RADIAL NURBS SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ РАДИАЛЬНЫХ NURBS ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 Зп-1,3п, Зп+1 ОПИСАНИЕ Количество контрольных точек; допускается не менее 4-х точек и не более 60. у-координата 1-ой контрольной точки. z-координата (прогиб) 1-ой контрольной точки w- вес 1-ой контрольной точки. у. z и w для контрольной точки л. Глава 11: ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ 11-75
Toroidal NURBS Тороидальная NURBS-поверхность Тороидальная NURBS поверхность подобна радиальной NURBS поверхности (см. предыдущий раздел). Ключевое отличие этих поверхностей состоит в том, что вместо вращения заданной NURBS кривой относительно оси Z для образования радиальной NURBS поверхности, кривая зеркально отображается относительно оси Z в сторону отрицательных значений оси Y, а затем вращается относительно оси Y с заданным смещением относительно нее для образования тороидальной формы поверхности. Смещение кривой относительно оси Y может быть как в положительном, так и в отрицательном направлениях оси Z в зависимости от знака радиуса вращения. Если величина радиуса вращения задана равной нулю, то принимается, что радиус вращения имеет бесконечно большую величину, так что образуется цилиндрическая поверхность. Ширина поверхности вдоль оси X задается либо областью угла поворота образующей кривой, либо прямым заданием ее пределов -х и +х Последний Способ задания ширины поверхности используется, когда радиус вращения равен бесконечно большой величине (величина радиуса задана равной нулю) PARAMETER DEFINITIONS FOR TOROIDAL NURBS SURFACES ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ТОРОИДАЛЬНЫХ NURBS ПОВЕРХНОСТЕЙ ПАРАМЕТР 1 Величина радиуса вращения ПАРАМЕТР 2 Минимальная величина X или мин. угол ПАРАМЕТР 3 Максимальная величина ширины X или макс. угол. EXTRA DATA DEFINITIONS FOR RADIAL NURBS SURFACES ЗАДАНИЕ ВНЕШНИХ ДАННЫХ ДЛЯ РАДИАЛЬНЫХ NURBS ПОВЕРХНОСТЕЙ НОМЕР ВНЕШНИХ ДАННЫХ 1 2 3 4 Зп-1,3л, Зп+1 ОПИСАНИЕ Количество контрольных точек; допускается не менее 4-х точек и не более 60. у-координата 1-ой контрольной точки. z-координата (прогиб) 1-ой контрольной точки. w- вес 1-ой контрольной точки. у, z и w для контрольной точки п. Non-Sequential Components Поверхности "непоследовательных компонентов" ЭТА ПРОГРАММА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО РЕДАКЦИЕЙ ZEMAX-EE Прогиб поверхности "непоследовательных компонентов" определяется таким же образом, как и для поверхностей типа "Standard". Этот тип поверхности позволяет трассировать лучи через один или более оптических компонентов, установленных в пространстве произвольным образом. Смотри главу "Non-Sequential Components". 11-76 Chapter 11: SURFACE TYPES
NON-SEQUENTIAL COMPONENTS "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ Introduction Введение ЭТИ КОМПОНЕНТЫ ДОСТУПНЫ ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКиИИ ZEMAX-EE Большинство изображающих систем хорошо описываются рядом последовательно расположенных оптических поверхностей, через которые лучи всегда идут от поверхности объекта и проходят через поверхность 1, затем - 2, затем - 3 и так далее в строгой последовательности. Каждый луч проходит через каждую поверхность только один раз и только один раз проходит через всю эту заданную последовательность поверхностей. При такой последовательной трассировке луч, например, никогда не трассируется от поверхности 3 к поверхности 9, а затем назад к поверхности 1. Последовательная трассировка лучей проста, удобна для быстрого численного расчета и очень полезна во многих практически важных случаях. Однако бывают случаи, когда необходима "непоследовательная" трассировка лучей. Термин "непоследовательная" означает, что лучи трассируются в соответствии с фактическим физическим расположением поверхностей вне зависимости от того, в каком порядке они перечислены в интерфейсе (редакторе схемы) пользователя. Заметьте, что при непоследовательной трассировке лучи могут многократно проходить через один и тот же оптический элемент и совершенно миновать другие элементы. В общем, порядок, в котором лучи проходят через элементы оптической системы, зависит от угла и положения входного луча и от геометрии и оптических свойств элемента. К числу элементов, для которых требуется или, по меньшей мере, желательна непоследовательная трассировка лучей, относятся многогранные элементы, призмы, светопроводы, матричные объективы и линзы Френеля. Традиционно оптические программы, поддерживающие поверхности (а не трех- трехмерные объекты), выполняют непоследовательную трассировку лучей с помощью тех же самых моделей поверхностей, что и для последовательной трассировки; лучи просто пересекают поверхности а возможном непоследовательном порядке. Неудобство использования поверхностей для непоследовательной трассировки лучей состоит в том, что с помощью поверхностей нельзя адекватно описать большинство оптических компонентов. Например, линзы имеют не только переднюю и заднюю поверхности, но и цилиндрический ободок и фаски для крепления в оправе. Свет может попасть на эти нерабочие поверхности и затем преломиться или отра- отразиться от них, что обычно игнорируется программами с алгоритмом последова- последовательной трассировки лучей. Сложные призмы, такие как призма Дове или призма с крышей, имеют много граней, так что лучи могут пересекать эти грани в сложном порядке в зависимости от угла и положения входного луча. Для поддержки такого типа объектов необходимо использовать их трехмерные 'твердотельные" модели вместо двухмерных поверхностей. В ZEMAX такие трехмерные объекты называются "непоследовательными" компонентами, или NSC- компонентами (Non-Sequential Components), в отличие от непоследовательных" поверхностей, или NSS-элементов (Non-Sequential Surfaces) Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-1
При трассировке лучей через NSC-объекты ZEMAX поддерживает: Расположение в NSC-группе заданных источников, объектов и детекторов. Реальные единицы мощности излучения: Вт, Вт/см2. Автоматическое определение порядка пересечения луча с объектами; Автоматическое определение характера взаимодействия луча с поверхностью объекта: отражение, преломление, полное внутренне отражение (TIR). Очень широкий диапазон трехмерных объектов, включая дифрактивную оптику. Трассировку поляризованных лучей и произвольные тонкопленочные покрытия. Статистическое моделирование рассеяния, включая ламбертовское, гауссовой Harvey-Shack (Abg-модель). Автоматическое расщепление лучей для анализа эффективности системы. В этой главе дано руководство по вводу NSC-групп в схему и определению двухмерных и трехмерных объектов; обсуждаются особенности трассировки лучей через NSC объекты. Paraxial data and ray tracing with NSC Параксиальные характеристики и трассирование луча через NSC-поверхность Через NSC-поверхность не производится трассировка параксиальных лучей. Вместо них трассируются реальные лучи. Почти все параксиальные характеристики, такие как фокальное расстояние и F/#, не имеют смысла для NSC-систем. Некоторые NSC- системы ведут себя хорошо в том смысле, что реальные лучи проходят вблизи оптической оси и проходят через систему так же, как проходили бы через нее идеализированные параксиальные лучи. Однако для NSC-систем с гранеными объектами, экранами и объектами, которые только частично перекрывают световой пучок, нельзя точно определить параксиальные характеристики. Optimization with NSC Оптимизация схемы с группой NSC-компонентов Смотри в главе "Optimization" разделы "Optimizing objects in a non-sequential group with sequential rays" и "Optimizing with sources and detectors in поп-sequential mode". The two methods of using NSC ray tracing Два метода трассировки лучей через NSC-группу ZEMAX поддерживает два отдельных метода трассировки лучей через NSC-rpynny; Трассировка лучей через NSC-rpynny, входящую в состав обычной, последовательной оптической системы (NSC-rpynna с портами ввода и вывода лучей). Трассировка лучей через NSC-rpynny, представляющую собой всю оптическую систему (NSC-rpynna без вводного и выводного портов). 12 -2 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONFNTS
Хотя для обоих методов способ задания и расположения объектов в NSC-rpynne один и тот же, есть некоторые существенные особенности при использовании каждого из них. Это относится к способу запуска лучей через NSC-группу, к выполнению анализа системы, заданию модели распределения энергии и способам моделирования систем разного типа. NSC-группы с входными/выходными портами и без входных/выходных портов описаны ниже. NSC with ports NSC-группа с портами ввода и вывода (лучей) Когда один или несколько NSC-объектов входят в состав последовательной группы объектов, лучше использовать NSC-rpynny с вводным и выводным портами. Примером такой системы может служить точечный или протяженный объект (источник), лучи от которого проходят сначала последовательно через одну или несколько линз, а затем идут непоследовательным путем через призму или световод (через NSC-rpynny) и попадают на поверхность изображения. Этот метод требует введения в схему входного и выходного портов, через которые лучи входят в NSC-rpynny и выходят из нее. Детальное описание вводного и выводного портов дано ниже в разделе "Overview of NSC ray tracing with ports". При работе с NSC-группой, имеющей вводной и выводной порты, источники и детекторы, расположенные внутри NSC-группы, игнорируются (эти объекты используются только в методе, при котором NSC-rpynna не имеет вводного и выводного портов). При выполнении различных видов анализа оптической системы, таких как расчет аберраций, построение диаграммы пятна рассеяния или графика МПФ, рассматри- рассматриваются только те лучи, которые вошли в NSC-группу и вышли из нее, соответственно, через вводной и выводной порты. Все параметры обычной последовательной оптической системы, такие как положения точек поля и размеры зрачков, определяют свойства лучей, входящих в NSC-rpynny. Все программы анализа, такие как аберрационный расчет или построение диаграммы пятна рассеяния, являются доступными при этом методе использования NSC-группы (хотя результат такого анализа может быть бессмысленным при некоторых специфических свойствах NSC- группы). NSC without ports NSC-группа без портов ввода и вывода В некоторых системах, таких как автомобильные фары, сложные световоды или системы освещения, лучи частично или полностью проходят элементы системы непоследовательным путем. Непоследовательное прохождение света через элементы системы необходимо использовать также для анализа интенсивности "духов", постороннего и рассеянного света в обычных последовательных системах, таких как камера или телескоп; для этого всю систему нужно преобразовать в NSC- rpynny и выполнить непоследовательную трассировку лучей через всю систему. Для таких систем и такого вида анализа лучше подходят NSC-группы без вводного и выводного портов. Главное отличие NSC-групп с и без вводного/выводного портов состоит в способе запуска лучей через них, а также в возможности проведения некоторых видов анализа. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -3
При использовании NSC-группы с портами все лучи запускаются от заданных точек поля на поверхности объекта; затем лучи трассируются через последовательную систему к входному порту NSC-группы. Лучи-должны покидать NSC-группу через ее выходной порт: затем вновь начинается последовательная трассировка лучей через оставшуюся часть последовательной системы. При использовании NSC-группы без портов эти ограничения снимаются. Множество произвольных источников может быть задано и расположено в любом месте в пределах NSC-группы. Для NSC-rpynn без вводного и выводного портов источники и детекторы принимаются в рассмотрение; входной и выходной порты игнорируются. Так как лучи, запущенные от источников, расположенных в пределах NSC-групгы, не могут ее покинуть через выходной порт (который в этом случае отсутствует), то доступными становятся только два вида анализа - это распределение лучей и энергии по расположенным внутри NSC-группы детекторам. Детекторы регистрируют энергию лучей в соответствии с методикой, описанной в разделе "Overview of NSC ray tracing without ports". Combining NSC with and without ports Комбинирование NSC-групп с /без портов с последовательными элеменами Программы построения трехмерных изображений схем, проволочных, твердотельных и оттененных моделей - все способны одновременно показывать как лучи, идущие от последовательных элементов системы и входящие во входной порт NSC-группы, так и лучи, идущие от источников, расположенных в пределах NSC-группы. Лучи, вошедшие в NSC-группу через её входной порт, не взаимодействуют с детекторами, расположенными внутри NSC-группы; а лучи, запущенные от источников, распо- расположенных внутри NSC-группы, не взаимодействуют ни с входным, ни с выходным портами, ни с какими-либо элементами, расположенными вне NSC-группы. Поэтому при использовании NSC-группы без портов (то есть, когда источники определены в пределах NSC-группы) для удобства, хотя это и не обязательно, установите в этих программах число трассируемых лучей равным нулю. Это даст более ясную картину хода лучей. Но в некоторых случаях может быть полезным (особенно при использовании экранов для'анализа постороннего света) увидеть совместное изображение последовательных (вошедших через входной порт) и непоследовательных лучей на одном и том же рисунке. Как альтернативу можно использовать специальную программу для трехмерного изображения одной NSC-группы; эта программа изображает только объекты и лучи, определенные в пределах этой группы. Overview of NSC ray tracing with ports Обзор метода трассировки лучей через NSC-rpynny с портами Трассировка лучей через группу NSC-объектов производится следующим образом: 1) В таблицу редактора схемы (LDE) вводится поверхность типа "NonSeqComp* (Непоследовательные компоненты). Эта поверхность становится входным портом для группы NSC объектов. 2) Параметры поверхности 'NonSeqComp" используются для задания положения входного порта "непоследовательной" группы. 12 -4 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
3) NSC объекты» входящие в данную группу, указываются в списке, ассоциирован- ассоциированном с NonSeqComp" поверхностью, 4) ZEMAX сначала трассирует луч через последовательную схему к входному порту NSC группы, а затем производит его "непоследовательную" трассировку в пределах NSC-группы до тех пор, пока луч не достигнет выходного порта. 5) Лучи, вошедшие в NSC группу через входной порт, не могут расщепляться или рассеиваться. Поверхность "NonSeqComp" имеет параметры, с помощью которых определяется место, в котором лучи будут покидать. NSC группу; смотри ниже описание выходного порта NSC группы. The entry port Входной порт Поверхность типа "NonSeqComp" действует таким же образом, как и обычные плоские, сферические и асферические поверхности, положение которых в схеме устанавливается толщинами предыдущих поверхностей (заданных в редакторе LDE). Форма поверхности может быть гиперполусферической для приёма лучей в полном угле 4:i стерадиан. "NonSeqComp" поверхность служит входным портом для ассоциируемой с ней группой NSC объектов, через которую будет производиться непоследовательная трассировка лучей. Входной порт определяет, как лучи входят внутрь NSC-группы объектов. The exit port Выходной порт Имеется 9 параметров, используемых для определение поверхности "NonSeqComp": Exit Location X: Х-положение выходного порта относительно входного порта. Exit Location Y: Y-положение выходного порта относительно входного порта. Exit Location Z: Z-положение выходного порта относительно входного порта. Exit Tilt About X: Наклон относительно местной оси X выходного порта. Exit Tilt About Y: Наклон относительно местной оси Y выходного порта. Exit Tilt About Z: Наклон относительно местной оси Z выходного порта. Order: Если числовое значение флажка 'Order" установлено равным нулю, то все указанные выше положения объектов и их наклоны производятся в перечисленном выше порядке: смещение вдоль оси х. смещение вдоль оси у, поворот относительно оси z, поворот относительно оси у, поворот относительно оси х. Если числовое значение флажка имеет отличную от нуля величину, то принимается обратный порядок Это то же самое соглашение, которое используется для поверхности типа "coordinate break" при последовательной трассировке лучей. Reverse Rays: Если числовое значение этого флажка установлено равным нулю, то ZEMAX принимает, что лучи покидают выходной порт в положительном направлении местной оси Z. Для группы NSC компонентов, действующих как Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -5
зеркала (с лучами выходящими "влево", в сторону отрицательных значений оси Z), для этого флага может быть установлено значение, отличное от нуля. Выходной порт имеет круглую апертуру, величина диаметра которой (в установленных для схемы линейных единицах измерения^ определяется (соответствует) величиной полудиаметра поверхности, следующей за NSC- поверхностью. Заметьте, что на выходную поверхность может быть установлена любая дополнительная апертура, если,. например, требуется другая форма выходной апертуры. Эти параметры определяют положение выходного порта относительно входного порта. Если положение выходного порта точно совпадает с положением входного порта, то лучи будут мгновенно покидать NSC группу, без взаимодействия с каким- либо NSC объектом. Это означает, что z-координата выходного порта должна иметь отличную от нуля величину; это устанавливается по умолчанию, когда в схему впервые вводится NSC поверхность. Колонка "Glass" для NSC поверхности используется для задания материала и величины показателя преломления среды, в которой располагаются MSC объекты. Поверхность, следующая за NSC поверхностью, действует как плоская поверхность, ориентированная в координатной системе в соответствии установленными децентрировками и наклонами. Однако эта поверхность никогда не изображается на схеме и не может быть использована для задания границы между двумя средами. Тип стекла для этой поверхности всегда будет тем же, как и для предыдущей поверхности, и ZEMAX будет указывать в колонке "Glass" для этой поверхности значок"-", что означает, что в эту ячейку не может быть введено другое имя стекла. Заметьте, что поверхность, следующая в редакторе LDE за поверхностью "NonSeqComp" занимает то же самое положение, что и выходной порт, а положение выходного порта в 3-х мерном пространстве определяется параметрами NSC- поверхности. Параметр толщины для NSC поверхности не используется; используются только параметры положения и наклонов. Getting rays in Ввод лучей в NSC-группу Лучи, исходящие от поверхности объекта, трассируются через систему в обычной последовательной манере до тех пор, пока они не достигнут поверхности "NonSeqCompw. Затем лучи вводятся в группу NSC, ассоциируемую с этой поверхностью "NonSeqComp", и начинается непоследовательная трассировка лучей. Tracing rays within the NSC Трассировка лучвй в пределах NSC-группы Внутри группы NSC с лучом может произойти три случая: 1) Луч может сразу попасть в выходной порт. 2) Луч может не попасть ни на какую поверхность. 3) Луч может попасть на один из объектов в пределах группы. Если луч попадет в выходной порт, то вычисляются координаты и направляющие косинусы луча для выходного порта, а затем луч трассируется далее после- последовательно через оставшиеся поверхности оптической системы, если такие поверх- поверхности есть. 12 -6 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Если луч проходит мимо всех объектов NSC группы (включая выходной порт), то его дальнейшая трассировка прекращается, а функция трассировки луча принимает значение ошибки uray missed" для следующей поверхности (так как луч ни разу не попадает в выходной порт, который всегда является следующей по порядку поверхностью в последовательной части трассировки). Если луч попадет на один из объектов NSC-группы, то он будет отражен, преломлен, поглощен или испытает полное внутреннее отражение в зависимости от свойств поверхности объекта, на которую он попал. Если луч поглощается, то его дальнейшая трассировка прекращается, а на экран выводится сообщение об ошибке, что луч "пропал*1; во всех других случаях производится вычисление координат и направляющих косинусов луча, а затем трассировка луча продолжается до достижения следующих условий: 1) Луч попадает в выходной порт. 2) Луч проходит мимо объектов. - 3) Луч поглощается. 4) Число пересечений луча с объектами превышает максимально установленное значение (см. в главе "System menu" раздел "Maximum Number Of Ray-Object Intersections"). Случаи 1, 2 и З в точности аналогичны описаным выше В случае 4 трассировка прекращается (хотя технически она еще может быть продолжена) во избежание образования бесконечной замкнутой петли. В этом случае появляется сообщение о "потере" луча. Getting rays out Вывод луча из NSC-группы Когда луч попадает в выходной порт, вычисляются координаты и направляющие косинусы луча в системе координат выходного порта; затем луч трассируется через оставшиеся "последовательные" поверхности в обычном последовательном порядке. Если следующая поверхность также является поверхностью типа NSC, то процесс начинается снова для компонентов новой NSC-группы. Заметьте, что лучи, трассируемые в пределах одной NSC-группы, не могут "видеть" объекты, находя- находящиеся в другой NSC-группе, если даже объекты обеих групп физически расположены в одном и том же пространстве; лучи также не могут "видеть" поверхности, расположенные за пределами данной NSC-группы. Overview of NSC ray tracing without ports Обзорнметода трассировки_лучей через NSC-группу без портов Трассировка лучей через NSC-группу, в которой вводной и выводной порты не используются, производится следующим образом: 1) В таблицу редактора схемы (LDE) вводится поверхность типа "NonSeqComp". Обычно это будет поверхность номер 1, но это не имеет большого значения. Заметьте, что только поверхность типа "NonSeqComp" должна быть указана в списке редактора LDE. Это означает, что использоваться будут только три поверхности: поверхность объекта, поверхность NSC и поверхность изображения. Установите толщину объекта равной 1.0 (это делается просто во избежание появления сообщения об ошибке, что апертурная диафрагма Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -7
расположена на поверхности объекта) и установите апертурную диафрагму на поверхности номер 1.. 2) Параметры поверхности "NonSeqComp" не используются. 3) Источники, объекты и детекторы задаются и определяются в редакторе NSC. Входной и выходной порты не рассматриваются. Из параметров, заданных вне редактора NSC, принимаются во внимание только следующие: Длины волн, заданные в редакторе "Wavelength data editor". Каталоги стекол, заданные в диалоговом окне "General system data". Покрытия, заданные в файле, ассоциируемом с текущей схемой. Колонка "Glass" также используется для NSC поверхности для задания материала и величины показателя преломления среды, в которой располагаются NSC объекты. Getting rays in Ввод лучей в группу NSC Для ввода лучей в NSC-группу задайте один или несколько источников. ZEMAX поддерживает точечные, прямоугольные, эллиптические, определяемые пользователем и другие модели источников. Каждый источник определяется следующими параметрами (и, возможно, также другими параметрами): # Layout Ravs: Число запущенных случайным образом лучей, исходящих от источника; используется при создании изображения схемы. # Analysis Rays: Число запущенных случайным образом лучей, исходящих от источника; используется при выполнении программ анализа схемы. Power: Мощность источника - это полная мощность, испускаемая источником в заданную область распространения лучей. Единицы измерения мощности устанавливаются при определении системы источника. См. в главе "System menu раздел "Source Flux Units". Wavenumber: Номер длины волны трассируемых лучей. Число 0 используется для запуска полихроматических лучей: длины волн выбираются случайным образом в соответствии с их весами, заданными в редакторе "Wavelength data editor". Заметьте, что можно накладывать источники друг на друга, задавая для каждого из них свою мощность и свою длину волны; это позволяет- создать корректную модель полихроматического источника. Источники могут быть расположены в любом месте без каких-либо ограничений (даже внутри объектов). Сразу после запуска лучей начинается их непоследовательная трассировка. Tracing rays within the NSC Трассировка лучей в пределах группы NSC При трассировке лучей внутри NSC-группы могут иметь место два случая: 1) Луч может не попасть ни на один объект. 2) Луч может попасть на один из объектов, расположенных внутри группы 12 -6 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Если луч не попадает ни на один из объектов, то его дальнейшая трассировка прекращается. Если луч попадает на один из объектов, то он может либо отразиться, либо преломиться, либо испытать полное внутреннее отражение или поглотиться в зависимости от заданных оптических свойств данного объекта. Detecting rays Детектирование лучей Если луч попадает на детектор, то производится подсчет числа лучей, попавших на каждый пиксел детектора. Число лучей» попавших на детектор, интерпретируется как их энергия. Детекторы могут иметь поглощающие, отражающие или пропускающие свойства, но не преломляющие. Процесс повторяется до выполнения одного из следующих условий: 1) Луч не попадает на объект. 2) Луч поглощается объектом. 3) Луч испытывает большее число пересечений с объектами, чем это установлено. 4) Полное число отрезков лучей превышает установленное максимальное значение. 5) Относительная или абсолютная величина энергии луча падает ниже установленного порогового значения. Ограничения на число пересечений луча с объектами, число отрезков лучей и пороговую энергию устанавливаются через диалоговое окно "System" (см. в главе "System Menu" раздел "Мол Sequential". В случаях 1 и 2 происходит все точно так. как было описано выше. В случаях 3, 4 и 5 трассировка луча прекращается (хотя технически еще имеется возможность для его дальнейшей трассировки) во избежание образования бесконечной петли. Launching rays for analysis Запуск лучей для анализа схемы Запуск лучей и обнуление детекторов производится командами, подаваемыми через установочное окно Detectors, Ray Trace/Detector Control (NSC editor, Detectors. Ray Trace/ Detector Control). NSC Objects NSC-объекты В ZEMAX используются следующие типы NSC-объектов: эллипсы, треугольники, прямоугольники, сферы, цилиндры и другие основные формы. Отражающие, преломляющие и поглощающие свойства этих объектов определяются их материалом. Описание этих свойств дано в следующем разделе. Краткое описание каждого типа NSC объектов дано в следующей ниже табпице. э их более детальное описание - в последующих разделах. Обратите внимание на то, что эти основные типы объектов могут использоваться в комбинации для образования более сложных объектов. Смотри раздел "Object Placement4, в котором показано, как можно расположить объект внутри группы и как соединить его с другим смежным Объектом. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ- КОМПОНЕНТЫ 12 -9
Если требуемый тип объекта отсутствует в списке, свяжитесь, пожалуйста, с группой технической поддержки фирмы FSI и предложите добавить в ZEMAX нозый тип объекта. SUMMARY OF NSC OBJECTS ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ NSC-ОБЪЕКТОВ Наименование объекта Annulus Aspheric Surface BiconicLens Biconic Surface Binary 1 Линза Binary 1 Binary 2 Линза Binary 2 Cone Конус Compound Parabolic Concentrator (CPC) Параболический концентратор Cylinder Pipe Цилиндрическая трубка Cylinder Volume Цилиндр Cylinder 2 Pipe Цилиндрическая трубка №2 Cylinder 2 Volume Цилиндрический объем №2 Diffraction Grating Дифракционная решетка Ellipse Эллипс Even Asphere Lens Линза с четной асферикой Описание Плоская кольцевая поверхность или плоский эллипсе эллиптическим отверстием в центре. Поверхность второго порядка ппюс четная и нечетная полиномиальная радиальная асферика. Круглая или прямоугольная линза с различной кривизной и разными величинами конической постоянной для X и Y направлений; как для фронтальной, так и для тыльной поверхностей. Поверхность с различной криаизной и разными величинами конической постоянной для X и Y направлений. В специальных случаях гиожент быть частью гиперсферы. Стандартная линза с дифракционной структурой, нанесенной на ее лицевую сторону. Фазовый профиль дифракционной структуры описывается X-Y полиномом. Стандартная линза с дифракционной структурой. нанесенной на ее лицевую сторону. Фазовый профиль дифракционной структуры описывается радиальным полиномом от четных степеней г. Часть конуса, образуемая при вращении прямолиней- прямолинейного отрезка вокруг локальной оси z. Отрезок определя- определяется двумя точками: г и г. Составной параболический концентратор. Может быть полым или сплошным. Поверхность цилиндрической формы. Цилиндрический объем с торцами. Поверхность цилиндрической формы с наклонными краями. Цилиндрический объем с наклонными торцами. Стандартная линза с дифракционной структурой, нанесенной на обе ее стороны. Дифракционная структура представляет собой простую дифракционную решетку с постоянным шагом между штрихами. Плоская поверхность эллиптической формы. Осесимметричная линза с асферическими (до 16-го порядка) поверхностями. 12-10 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Наименование объекта Fresnel №1 Линза Френеля №1 Fresne! №2 Линза Френеля №2 Imported Импортируемый объект Jones Matrix Матрица Джонса Lenslet MicroElectroMechanical System (MEMS) Null Object Нулевой объект Odd Asphere Lens Линза с нечетной асферикой Polygon Object Многоугольник Rectangular Corner Прямоугольный угол Rectangle Прямоугольник Rectangular Pipe Прямоугольная трубка Rectangular Roof Прямоугольная крыша Rectangular Torus Surface Rectangular Torus Volume Rectangular Volume Прямоугольный объем Описание Точная (не граненая) линза Френеля; радиальная или цилиндрическая. Определяется рядом конструкционных параметров. Идеальная линзв Френеля нанесена на фронтальную сторону плоской подложки (круглой или прямоугольной формы). Радиальный профиль описывается вы раже ни-ем, идентичным используемому для поверхности "Even Asphere". Объект или объекты, импортируемые из CAD программ в IGES или STEP формате. Плоский объект эллиптической формы, который поддерживвет 8 ABCD-параметров. Может быть использован для моделирования нейтральных фильтров, поляризаторов, элементов, вращающих вектор поляризации, и других объектов типа "Jones Matrix". Прямоугольная линза с плоской фронатальной стороной и искривленной тыльной стороной. Этот объект может быть использован для моделирования матричных элементов или дифракционных элементов. Матричный, элемент, состоящий из плоских зеркальных элементов, каждый из которых можно направить в любом направлении в 3-х мерном пространстве. Элементы могут адресоваться по колонкам, рядам или каждый в отдельности. Отсутствующий объект. Такой объект вводится по умолчанию в таблицу редактора "NSC Editor" для резервирования места для нового объекта. Осесимметричная линза с нечетной асферикой (до 12-го порядка) на обеих поверхностях. Определяемый пользователем многоугольник. Многоугольник может быть открытым или закрытым; его стороны могут иметь отражающие, преломляющие или поглощающие свойства или все эти свойства вместе. Угол, образованный тремя взаимно перпендикулярными поверхностями. Прямоугольник, определяемый шириной и высотой. Прямоугольная трубка; ограничена четырьмя взаимно перпендикулярными поверхностями. Крыша, образованная двумя прямоугольными поверхно- поверхностями, расположенными под углом друг к другу. Секция прямоугольного тора, определяющая поверхность; открыта на концах. Секция прямоугольного тора с закрытыми концами, определяющая объем. Замкнутый объем, ограниченный шестью поверхностями Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-11
Наименование объекта Slide Слайд Sphere Standard Lens Стандартная линза Standard Surface Поверхность типа Standard" STL Object Объект типа STL Tabulated Faceted Radial Табулированный граненый объект Tabulated Faceted Toroid Табулированный граненый тороид. Tabulated Fresnel Radial Табулированная линза Френеля Toroidal Lens Линза с тороидальной поверхностью Toroidal Surface Torus Surface Тороидальная поверхность Torus Volume Тороидальный объем Triangular Corner Трехгранный угол Triangle Описание Цветовой RGB файл либо в BMP, либо в JPG формате. Слайд может быть'масштабирован к любому размеру и к любому соотношения сторон и может быть использо-ван в качестве фильтра для создания цветного изобра-жения источника. Сфера Стандартная линза, образованная двумя стандартными поверхностями (типа "Standard"), двумя плоскими краевы- краевыми поверхностями (фаски) и цилиндрическим ободком. Поверхность, имеющая форму одной из стандартных поверхностей ZEMAX (плоская, сферическая, асферическая второго порядка или гиперполусфера). Многогранный объект, определяемый в формате STL; обычно импортируется из CAD-программ. Граненый объект; генерируется по таблице координат путем вращения вокруг локальной оси Z. Этот тип объекта может быть использован для образования как поверхностей, так и объемов. Граненый объект; генерируется по таблице координат путем вращения вокруг оси, параллельной локальной оси Z. Этот тип объекта может быть использован для образования цилиндрических или тороидальных поверхностей. Линза Френеля с сглаженными гранями; генерируется по таблице координат. Этот объект подобен объекту "Tabulated Faceted Radial", за исключением того, что поверхность является сглаженной (не граненой). См. также объект uFresnelM. Круглая или прямоугольная линза с асферическими тороидальными поверхностями на обеих сторонах. Прямоугольная поверхность с асферикой тороидальной формы. Тороидальная поверхность; открыта на концах. Тороидальный объем; закрыт на концах для образования объема. Угол, образованный тремя взаимно перпендикулярными треугольными поверхностями. Треугольник, задаваемый тремя точками на плоскости. Большинство объектов требуют задания величин различных параметров. Детальное описание каждого типа объекта и требуемых для него параметров дано далее. 12-12 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Annulus Кольцо Этот объект, определяется четырьмя параметрами: 1: The X Maximum Half Width (Максимальная полуширина по оси X); 2: The Y Maximum Half Width (Максимальная полуширина по оси Y); 3: The X Minimum Half Width (Минимальная полуширина по оси X); 4: The Y Minimum Half Width (Минимальная полуширина по оси Y). Кольцо полностью находится в локальной XY-плоскости. Если минимальная полу- полуширина установлена равной нулю, то "дыра" исчезает и лучи будут попадать на всю поверхность в пределах максимальной полуширины. В этом случае кольцо становится простой эллиптической поверхностью. Так как этот объект является поверхностью и не имеет объёма, то он может быть либо отражающей поверхностью из материала типа "MIRROR", либо поглощающей поверхностью из материала типа "ABSORB". Если для этого объекта будет установлен какой-либо преломляющий материал, такой как воздух или стекло, то лучи, попадающие на этот объект, будут просто игнорированы. ■ Опорная координатная точка этого объекта находится в центре кольца. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Aspheric Surface Асферическая поверхность ^ Асферическая поверхность определяется следующим уравнением для прогибов: С Г" .V где с- кривизна поверхности, к - коническая а - коэффициенты асферики. Для этой поверхности могут быть заданы минимальное и максимальное значения радиусов круглой апертуры, так что поверхность может иметь форму кольца. Обратите внимание на то, что могут быть заданы как четные, так и нечетные члены асферического полинома; вплоть до 240 коэффициентов могут быть заданы. Следующие параметры используются для определения асферической поверхности; постоянная, г - радиальная координата Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-13
1: Радиус кривизны. Если этот параметр равен нулю, то принимается, что кривизна поверхности равна нулю. 2; Коническая постоянная к 3: Максимальный радиус круглой апертуры; в линейных единицах, установленных для данной схемы. 4: Минимальный радиус кривизны круглой апертуры; в линейных единицах, установленных для данной схемы. 5: Количество угловых граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 6: Количество радиальных граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 7: Количество используемых членов асферического полинома. Лучи будут трассироваться быстрее, если указанное количество членов полинома не будет превышать действительного максимального порядка используемого полинома. 8-250: Коэффициенты полинома, а. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Biconic Lens Биконическая линза Этот объект подобен тороидальной линзе, за исключением того, что величины конической постоянной и базового радиуса, могут быть различными для X и Y направлений. Биконическая линза позволяет задать величины Rx, Ry, Kx и Ку как для фронтальной, так и для тыльной сторон независимо. Прогиб биконической поверхности определяется уравнением: схх2+сх.у2 где R 1 с — — ' R. Биконическая линза определяется следующими параметрами: 1: Радиальная высота объекта в установ-ленных для схемы линейных единицах Этот параметр используется для задания полувысоты объекта в Y направлении, если объект имеет прямоугольную форму. 2: Полуширина объекта в X направлении в установленных для схемы линейных единицах. Если величина этого параметра равна нулю, то объект имеет круглую форму; в противном случае - прямоугольную. 3: Центральная толщина линзы в установленных для схемы линейных единицах. 4: Максимальное количество граней в X направлении, если граница поверхности имеет прямоугольную форму; в противном случае - максимальное количество 12-14 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
угловых граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 5: Максимальное количество граней в Y направлении, если граница поверхности имеет прямоугольную форму; в противном случае - максимальное количество радиальных граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 6: Величина базового радиуса кривизны поверхности в Х2 плоскости для фронтальной стороны линзы. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в XZ плоскости принимается равной нулю. 7: Величина базового радиуса кривизны поверхности в YZ плоскости для фронтальной стороны линзы. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в YZ плоскости принимается равной нулю. 8: Величина конической постоянной в X направлении для фронтальной стороны линзы. 9: Величина конической постоянной 'в Y направлении для фронтальной стороны линзы. 10: Величина базового радиуса кривизны поверхности в XZ плоскости для тыльной стороны линзы. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в Х2 плоскости принимается равной нулю. 11: Величина базового радиуса кривизны поверхности в YZ плоскости для тыльной стороны линзы. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в YZ плоскости принимается равной нулю. 12: Величина конической постоянной в X направлении для тыльной стороны линзы. 13: Величина конической постоянной в Y направлении для тыпьной стороны линзы. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Biconic Surface Биконическая поверхность Биконическая поверхность подобна тороидальной поверхности, за исключением того, что величины конической постоянной и базового радиуса кривизны поверхности могут быть различными в X и Y направлениях. Биконическая поверхность позволят непосредственно задать величины параметров Rx, Ryt Kx и Ку. Прогиб биконической поверхности определяется уравнением: схх" +cvy' Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ^ КОМПОНЕНТЫ 12-15
- =-L с - l где c* в ч *v R Биконическая поверхность определяется 13-ю параметрами: 1: Величина базового радиуса кривизны поверхности в XZ плоскости. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в XZ плоскости принимается равной нулю. 2: Величина базового радиуса кривизны поверхности в YZ плоскости. Если величина этого параметра равна нулю, то кривизна в YZ плоскости принимается равной нулю. 3: Величина конической постоянной в X направлении. 4: Величина конической постоянной в Y направлении. 5: Максимальная величина апертуры в X направлении; в установленных для схемы линейных единицах измерения. 6: Максимальная величина апертуры в Y направлении; в установленных для схемы линейных единицах измерения. 7: Минимальная величина апертуры в X направлении; в установленных для схемы линейных единицах измерения. Этот параметр игнорируется, если поверхность имеет эллиптичекую симметрию. 8: Минимальная величина апертуры в Y направлении; в установленных для схемы линейных единицах измерения. Этот параметр игнорируется, если поверхность имеет эллиптичекую симметрию. 9: Максимальное количество граней в X направлении, если граница поверхности имеет прямоугольную форму; в противном случае - максимальное количество радиальных граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 10: Максимальное количество граней в Y направлении, если граница поверхности имеет прямоугольную форму; в противном случае - максимальное количество угловых граней. См. в этой главе ниже раздел "The use of facets". 11: Флажок 4s Rectangle?" ("Прямоугольная граница?11). Если флаг имеет нулевое значение, то форма поверхности будет эллиптической. В противном случае поверхность будет иметь прямоугольную границу. 12: Флажок "Is Top Hyper?" ("Верхняя точка апертуры лежит на гиперполусфере?"). Если флаг имеет кулевое значение, то максимум апертуры в Y направлении будет лежать НЕ на гиперполусферической части поверхности. В противном случае максимум апертуры в Y направлении будет лежать на гиперполусфере. Этот параметр игнорируется в следующих случаях: если поверхность имеет эллиптическую форму, если величина конической постоянной в Y направлении меньше или равна —1, если максимальная величина апертуры в Y направлении меньше нуля, если величина базового радиуса в XZ плоскости не равна нулю. 13: Флажок Is Bot Hyper?" ("Нижняя точка апертуры лежит на гиперполусфере?"). Если флаг имеет нулевое значение, то минимум апертуры в Y направлении будет лежать НЕ на гиперполусферической части поверхности. В противном случае минимум апертуры в Y направлении будет лежать на гиперполусфере. Этот параметр игнорируется в следующих случаях: если поверхность имеет эллиптическую форму. если величина конической постоянной в Y направлении меньше или равна -1, если минимальная величина апертуры в Y направлении больше нуля, если величина базового радиуса в XZ плоскости не равна нулю. 12 -16 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Making a hyporhemlspheric surface Как сделать поверхность гиперполусферической Биконическую поверхность можно также использовать для создания цилиндрической гиперполусферической поверхности. Это делается следующим образом: 1) установить значения величин Rx и Кх равными нулю. 2) Установить значение флажка Is Rectangle?" равным 1 (прямоугольная граница поверхности)- 3) Установить значение Ку больше, чем -1. Для того, чтобы сделать поверхность гиперполусферической в ее верхней части, нужно задать положительное значение для максимальной величины апертуры в направлении Y и установить значение флажка u!s Top Hyper?" равным 1. Для того, чтобы сделать поверхность гиперполусферической в ее нижней части, нужно задать отрицательное значение для минимальной величины апертуры в направлении Y и установить значение флажка "Is Bot Hyper?" равным 1. Можно сделать поверхность гиперполусферической одновременно и в ее верхней, и в ее нижней частях (но пока только при условии Rx = 0.0). Когда гиперполусферой являются обе части поверхности, действительная величина максимальной апертуры в направлении Y определяется уравнением: 2 у - В этом специальном случае образуется ги пер полусферическая цилиндрическая поверхность. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Binary 1 Объект "Binary 1" Объект "Binary Г представляет собой стандартную линзу с нанесенной на ее фронтальную поверхность дифракционной структуры с фазовым профилем. Binary 1 увеличивает фазу луча в соответствии с полиномиальным выражением: Л" где N - число членов полинома, М - порядок дифракции и А, - коэффициент i-ro члена полинома. Полином представляет собой простой степенной ряд от нормиро- нормированных координат х и у (см. в главе "Surface Types" раздел "The extended polynomials surface"). Размерность коэффициентов А, - радианы B:t радиан = одной волне) Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-17
Объект определяется следующими параметрами: 1-9: Смотри описание объекта типа "Standard Lens*. 10: Порядок дифракции. М. 11: Нормированный радиус. Координаты х и у нормированы к этой величине. Это позволяет выразить все коэффициенты в радианах. 12: Максимальное число членов ряда. 13 - 202: Значения коэффициентов полинома. Этот объект может работать не корректно, если фронтальная поверхность является гиперполусферой. Смотри также описание объекта "Binary 2". Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Binary 2 Объект "Binary 2" Объект "Binary 2" представляет собой стандартную линзу с нанесенной на ее фронтальную поверхность дифракционной структуры с фазовым профилем Binary 1. Binary 1 увеличивает фазу луча в соответствии с полиномиальным выражением: 2/ где N - число членов полинома, М - порядок дифракции, Aj - коэффициент i-ro члена полинома, р - нормированный радиус апертуры. Размерность коэффициентов А* - радианы Bп радиан = одной волне). Объект определяется следующими параметрами: 1-9: Смотри описание объекта типа "Standard Lens". 10: Порядок дифракции, М. 11: Нормированный радиус. Координаты х и у нормированы к этой величине. Это позволяет выразить все коэффициенты в радианах. 12: Максимальное число членов ряда. 13 - 202: Значения коэффициентов полинома. Этот объект может работать не корректно, если фронтальная поверхность является гиперполусферой. Смотри также описание объекта "Binary 1". Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. 12-18 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Cone Конус Конус определяется 4 параметрами: 1:2 координатой первой точки. 2: Радиальной координатой первой точки. 3:2 координатой второй точки. 4: Радиальной координатой второй точки. Коническая поверхность образуется при вращении заданного отрезка прямой вокруг оси 2. Этот объект может быть сделан кольцеобразным или круглым (если две z координаты будут иметь одинаковое значение), или цилиндрическим (если значения двух радиальных координат будут одинаковы). В этом отношении конический объект является избыточным, так как имеются отдельные объекты типа кольца и цилиндрической трубки. Конус используется в качестве исходного объекта при создании линз Френеля. Так как этот объект является поверхностью и не имеет объёма, то он может быть либо отражающей поверхностью из материала типа "MIRROR", либо поглощающей поверхностью из материала типа "ABSORB". Если для этого объекта будет установ- установлен какой-либо преломляющий материал, такой как воздух или стекло, то лучи, попадающие на этот объект, будут просто игнорированы. Опорная координатная точка этого объекта имеет координаты @, 0, 0); задаваемые для определения конуса точки могут быть расположены в любом месте относительно этой опорной точки. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Compaund Parabolic Concentrator (CPC) Граненый параболический концентратор Этот объект определяется 6 параметрами: 1: Величиной радиальной апертуры при z = 0. 2: Максимальной величиной угла приема излучения в градусах. 3: Длиной вдоль локальной оси Z. 4: Количеством угловых граней. Смотри в этой главе ниже раздел The use of facets". 5: Количеством граней вдоль оси. Смотри в этой главе ниже раздел "The use of facets". 6: Чисовым значение флажка uls Volume?" ("Объем?"). CPC собирает излучение, падающее на его вход» и передает его на выход. Через СРС проходят только лучи, падающие на его вход в пределах заданного (относительно локальной оси Z) входного угла; асе другие лучи отражаются назад Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-19
Если числовое значение флажка "Is Volume? равно нулю, то объект будет полым. В противном случае объект будет иметь замкнутый твердотельный объем. Максимальная длина объекта определяется выражением: tan в sin в где а ~ радиальная апертура. 8 - угол приема излучения. Большие длины будут ограничены этой величиной. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Cylinder Pipe Цилиндрическая трубка Цилиндрическая трубка является поверх- поверхностью с вращательной симметрией; она определяется тремя параметрами: 1: Величиной радиуса передней апертуры. 2: Длиной цилиндра вдоль локальной оси Z. 3: Величиной радиуса задней апертуры. Этот объект обычно используется для введения в схему зеркальной световой трубки. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре передней апертуры. Группы локрытия/рассеивания: Для всех граней ислопьзуется группа CSG #0 Cylinder Volume Цилиндрический объём \ / Цилиндрический объём - это сплошной цилиндр, определяемый тремя параметрами: 1: Радиусом фронтальной круглой грани. 2: Длиной цилиндра вдоль локальной оси Z. 3: Радиусом тыльной круглой грани. Этот объект очень похож на цилиндрическую трубку за исключением того, что это сллошной цилиндр. Так как это сплошной цилиндр, то он может иметь отражающие, преломляющие и поглощающие свойства. Опорной координатной точкой этого объекта является центр переднего торца (передней апертуры). 12-20 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. ■ Cylinder 2 Pipe Цилиндрическая трубка второго типа Цилиндрическая трубка является поверхностью с вращательной симметрией; она определяется четырьмя параметрами: 1: Радиусом цилиндра. 2: Длиной цилиндра вдоль локальной оси 2. 3: Наклоном фронтальной грани в градусах. 4: Наклоном тыльной грани в градусах. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре фронтальной грани. Группы покрытия/рассеивания: Для 'всех граней используется группа CSG #0. Cylinder 2 Volume Цилиндрический объём второго типа Цилиндрический объём - это сплошной цилиндр, определяемый четырьмя параметрами: 1: Радиус цилиндра. 2: Длина цилиндра вдоль локальной оси Z. 3: Наклон передней грани в градусах. 4: Наклон задней грани в градусах. Этот объект очень похож на цилиндрическую трубку второго типа, за исключением того, что это сплошной цилиндр. Так как это сплошной цилиндр, то он может иметь отражающие, преломляющие и поглощающие свойства. Опорной координатной точкой этого объекта является центр фронтальной апертуры. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Diffraction Grating Дифракционная решетка Этот объект очень похож на объект типа "Standard Lens", но определяется четырьмя дополнительными параметрами: Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -21
1-9: Смотри описание этих параметров для объекта "Standard Lens". 10: Число линий на мкм для решетки, нанесенной на фронтальную сторону линзы. 11: Порядок дифракции для решетки, нанесенной на фронтальную сторону линзы. 12: Чиспо линий на мкм для решетки, нанесенной на тыльную сторону линзы. 13: Порядок дифракции для решетки, нанесенной на тыльную сторону линзы. Принимается, что решетка имеет постоянный шаг, а ее линии расположены параллельно локальной оси х. Шаг решетки задается количеством линий на мкм вдоль оси у ( в проекции на поверхность линзы). Этот объект может работать не корректно, если дифракционная структура имеет форму гиперполусферы. Altering the diffraction behavior Контроль дифракции Дифракционные порядки, определенные указ энными выше параметрами, являются "главными" дифракционными порядками. Лучи, которые входят в группу NSC объектов через входной порт, будут дифрагировать вдоль этих порядков. Лучи, которые бурут начало в пределах NSC группы, будут дифрагировать только вдоль указанных порядков. Если для данной поверхности в диалоговом окне "Object Properties/Diffraction" установлена опция "Split by table below" ("Расщепление на порядки в соответсвии с таблицей"), то дифракцию можно при желании контролировать путем задания нужных порядков дифракции и соответсвующих им относительных интенсивностей расщепленных лучей. Смотри в этой главе ниже раздел "Diffraction tab". Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Ellipse Эллипс Эллипс - это ппоская поверхность эллиптической формы; определяется двумя параметрами: 1: Максимальной полушириной по оси X. 2: Максимальной полушириной по оси Y. 12-22 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONFNTS
Эллипс полностью располагается в XY- плоскости. Это частный случай более общей кольцевой поверхности, описание которой было дано выше. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре эллипса. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Even Asphere Lens Линза с четной асферикой Форма поверхности этого объекта определяется формулой: сг" г- k)c2r которая идентична формуле, описывающей прогиб "последовательной" поверхности "Even Aspheric". Обе поверхности объекта описываются этой формулой. Объект определяется 24 параметрами: 1: Максимальная величина апертуры. 2: Центральная толщина линзы. 3: Количество угловых граней. 4: Количество радиальных граней. 5: Радиус кривизны фронтальной поверхности. 6: Величина конической постоянной к, для фронтальной поверхности. 7-14: Коэффициенты ^ -сс$ для фронтальной поверхности. 15: Радиус кривизны тыльной поверхности. 16: Величина конической постоянной к, для тыльной поверхности. 17-24: Коэффициенты ссх -as для тыльной поверхности. Опорной точкой этого объекта является центр фронтальной поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-23
Fresnel 1 Линза Френеля первого типа Этот объект представляет собой радиально симметричную или цилиндрическую линзу Френеля, в которой с помощью граней моделируется канавчатая структура поверхности Френеля. Идеализированная линза Френеля, в которой игнорируются детали структуры поверхности Френеля (и за счет этого увеличивается скорость трассировки лучей через поверхность), представлена следующим далее объектом '•Fresnel 2\ Форма подложки - круглая (для радиально симметричной линзы) или прямоугольная (для цилиндрической линзы). Лицевая поверхность подложки состоит из радиальных или прямоугольных граней, образующих профиль Френеля; последний создает оптическую силу линзы. Профиль какнавки конструируется из радиальных плоских граней (или из нескольких плоских граней, если используются субсегменты), конечные точки которых определяются выражением для прогиба, идентичным используемому для поверхности "Even Asphere": z = сг +а5г ю Однако для образования линзы Френеля каждая грань смещена вдоль оси z таким образом, Что все грани начинаются при той же координате z, которую имеет центральная вершинная точка. При этом образуется линза, "стянутая" в относительно небольшой объем. ZEMAX автоматически генерирует грани Френеля, используя следующие 16 параметров: 1: Radial Height: Это величина радиальной апертуры для круглой линзы или полу-' ширина (по оси у) для цилиндрической линзы. 2: X Half Width: Это полуширина (по оси х) цилиндрической линзы. Если этот параметр равен нулю, то генерируется круглая линза. 3: +Depth/-Frequency: Если этот параметр имеет положительную величину, то он определяет глубину каждой бороздки (в линейных единицах измерения, установлен- установленных для схемы). Если этот параметр имеет отрицательную величину, то он определяет период бороздок. Например, значение -.5 произведет две бороздки на единицу длины (вдоль радиуса линзы). Если задана глубина бороздки, то бороздки будут расположены вдоль радиуса неравномерно. Если задан период бороздок, то глубина бороздок будет изменяться вдоль радиуса. При постоянной глубине бороздок ZEMAX 12-24 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
автоматически вычисляет точные радиальные координаты, при которых прогиб изменяется в соответствии с заданной глубиной. Эти вычисления выполняются итерационным методом. 4: Pitch (degrees): Этот параметр определяет наклон (в градусах) "неактивных1 граней бороздок к оси z (эти грани номинально проходят параллельно локальной оси z). Угол наклона может быть положительным или отрицательным. Наклон в несколько градусов обычно используется для облегчения выемки линзы из пресс-формы. 5: Thick: Толщина линзы в установленных для схемы линейных единицах измерения. Этот параметр может иметь положительное или отрицательное значение, но его абсолютная величина должна быть выбрана такой, чтобы она превышала глубину самых глубоких бороздок; в противном случае может быть генерирована физически неосуществимая модель линзы (без предупреждения и без сообщения об ошибке). б: Radius: Радиус кривизны. Это величина параметра "с" в приведенном выше уравнении для прогибов. 7: Conic: Величина конической постоянной "к" в приведенном выше уравнении для прогибов. 8 -15: Коэффициенты при членах с четными степенями радиуса г. Заметьте, что эти коэффициенты являются размерными величинами, так как г-не нормированная величина. 16: Количество субсегментов. Чем больше количество субсегментов, тем более гладким будет приближение кривизны поверхности между канавками. При значении этого параметра равном 1 канавки будут плоскими; большие числовые значения производят все более гладкое сглаживание кривизны граней (при соответствующем уменьшении скорости трассирования лучей). Так как этот объект является сплошным, он может обладать отражающими, преломляющими и поглощающими свойствами. Опорной координатной точкой этого объекта является центральная вершинная точка на той стороне линзы, на которую нанесены бороздки Френеля. Если радиус или асферические члены имеют такие значения, что прогиб становится отрицательной величиной, то нужно сместить положение линзы Френеля таким образом, чтобы вся она находилась в пределах NSC-группы. Если входной порт будет расположен внутри линзы, то трассировка лучей будет некорректна. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Fresnel 2 Линза Френеля второго типа Это идеализированная линза Френеля. В отличие от объекта ' Fresnel 1". в этом объекте используется приближение, что грани Френеля являются бесконечно малыми, так что при вычислении точек пересечения лучей с поверхностью они просто игнорируются. Форма подложки может быть плоским диском или плоским прямоугольником. Фронтальная сторона подложки имеет оптические свойства либо радиальной, либо Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -25
цилиндрической линзы Френеля. Радиальный профиль поверхности определяется выражением для прогиба, аналогичным для поверхности "Even Asphere": с г' or,/- atr 12 а%гхь. Если поверхность Френеля является цилиндрической, то ее профиль описывается идентичным выражением для у координат: Заметьте, что линза Френеля может быть либо радиальной, либо цилиндрической независимо от формы подложки. Это позволяет определить радиальную линзу Френеля на прямоугольной подложке или цилиндрическую линзу Френеля на круглой подложке. Для определения объекта "Fresnel 2" используются 14 параметров: 1: Radial Height: Максимальная величина радиальной апертуры (для круглой подложки) или половина высоты в направлении Y (для цилиндрической подложки), выраженная в линейных единицах измерения, установленных для данной схемы. 2: X Half Width: Полуширина подложки в направлении X, если подложка имеет цилиндрическую форму. Если величина этого параметра установлена равной нулю, то подложка будет круглой. 3: Thick: Толщина линзы Френеля, выраж енная в установленных для данной схемы линейных единицах измерения. Числовое значение этого параметра должно быть положительной величиной. 4: Is Cylinder: Если величина этого параметра равна нулю, то поверхность Френеля будет радиальной; в противном случае ~ цилиндрической. 5: Radius: Величина базового радиуса кривизны поверхности. В приведенных выше уравнениях для прогиба эта величина обозначена буквой "с". 6: Conic: Величина конической постоянной; в приведенных выше уравнениях для прогиба эта величина обозначена буквой A|„П к". 7-14: Величины коэффициентов при степенных членах полинома с основанием г, если числовое значение параметра "Is Cylinder" установлено равным нулю; в противном случае - это величины коэффициентов при степенных членах полинома с основанием у. Заметьте, что эти коэффициенты имеют размерность, так как у и г не нормированы. 12-26 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Так как этот объект является сплошным, то он может обладать отражающими, преломляющими и поглощающими свойствами. Опорной координатной точкой этого объекта является центральная вершинная точка на той стороне линзы, на которую нанесена поверхность Френеля. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Hologram Lens Голографическая линза This object is an ideal optically fabricated hologram similar to the Hologram 1 and Hologram 2 sequential surface models (see "Hologram 1" on page 194 for a description of these surfaces). The hologram is a solid, and may be circular or rectangular in shape. The front and back faces may be plane, spheres, or conic aspheres. The hologram surface is on the front face. See also "Hologram Surface" on page 259. The Hologram object is defined using these 18 parameters: 1: The radial height of the lens object in lens units. This value is used for the у direction half height if the lens is rectangular. 2: The x half width of the lens object in lens units. If zero, the lens is circular; otherwise, the lens is rectangular. 3: The center thickness of the lens in lens units. 4: The maximum number of facets in the X direction if the surface boundary is rectangular in shape, otherwise this is the maximum number of angular facets. See "The use of facets" on page 273. 5: The maximum number of facets in the У direction if the surface boundary is rectangular in shape, otherwise this is the maximum number of radial facets. See "The use of facets" on page 273. 6: Radius 1: The radius of the front face. 7: Conic 1: The conic constant of the front face. 8: Radius 2: The radius of the back face. 9: Conic 2: The conic constant of the back face. 10: Holo Type: Use 1 for Hologram type 1 (both sources convergingWiverging) or 2 for Hologram type 2 (one source converging, one diverging) See "Hologram 1" on page 194. 11: Order: The diffraction order to use. Multiple orders may be specified, see "Diffraction tab" on page 290. 12: Construction Wavelength: The wavelength in microns used to fabricate the hologram. 13-18: The X, Y. and Z coordinates in lens units of the construction points relative to the vertex of the front face of the Hologram. Because the object is a closed volume, it may be air, reflective, refractive, or absorbing. If the order is zero or if the ray totally internally reflects at the hologram boundary no hologram diffraction is computed. The reference coordinate is the center of the front face. Coating/Scatter Groups: Front face CSG #1, back face CSG #2, all other faces CSG #0. Гпава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ- КОМПОНЕНТЫ 12-27
Hologram Surface Топографическая поверхность This object is an ideal optically fabricated hologram similar to the Hologram 1 and Hologram 2 sequential surface models (see "Hologram Г on page 194 for a description of these surfaces). The hologram is a surface, and may be circular or user defined in shape. The surface shape may be plane, sphere, or a conic and/or polynomial asphere. See also "Hologram Lens" on page 258. The surface shape is defined by the following sag equation: N cr 1 = 1 where с is the curvature of the surface, k is the conic constant, г is the radial coordinate, and the terms are aspheric coefficients. The surface supports specification of both a minimum and a maximum radial aperture; so annular surfaces may be defined. Note that both even and odd terms are defined; up to approximately 230 coefficients may be used. This is the same shape as the Aspheric Surface object, see "Aspheric Surface" on page 249. The following parameters are used to define the hologram surface: 1: The radius of curvature. If this value is zero, then the curvature is assumed to be zero. 2: The conic constant k. 3: The maximum radial aperture in lens units. 4: The minimum radial aperture in lens units. This value may be zero. 5: The number of angular facets. See "The use of facets" on page 273. 6: The number of radial facets. See "The use of facets" on page 273. 7: Holo Type: Use 1 for Hologram type 1 (both sources converging/diverging) or 2 for Hologram type 2 (one source converging, one diverging) See "Hologram 1" on page 194. 8: Order: The diffraction order to use. Multiple orders may be specified, see "Diffraction tab" on page 290. 9: Construction Wavelength: The wavelength in microns used to fabricate the hologram. 10-15: The X, Y, and Z coordinates in lens units of the construction points relative to the vertex of the front face of the Hologram. 16: The number of terms to use in the aspheric expansion. Ray tracing will be faster if this term is no larger than the highest order non-zero coefficient. 17-250: The coefficients on the polynomial expansion. Coating/Scatter Groups: All faces CSG #0. 12-28 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONFNTS
Imported Импортируемый объект Объекты могут быть импортируемы из CAD программ либо в формате IGES, либо в формате STEP. После того, как объект будет импортируем в ZEMAX, ему можно задать такие оптические свойства, как покрытия, материап и рассеивающую способность, а затем трассировать через него лучи как для любых других оптических компонентов. Для импорта объекта установите в нужной строке таблицы NSC редактора тип объекта - "Imported" и выберите из имеющегося в этом же окне меню имя нужного файла или укажите имя файла в колонке коментария ("Comment"). Файл должен находиться в директории \OBJECTS и иметь одно из следующих расширений его имени: IGS, IGES, STP или STEP. При записи имени файла в копонку комментария оно должно быть записано с расширением. Следующие параметры используются для объекта этого типа: 1) Scale: Масштабный коэффициент (безразмерный). После импорта твердотельного объекта ZEMAX автоматически масштабирует его размеры, согпасуя их с размерами текущей схемы; масштабный коэффициент применяется после этого преобразования. 2) Mode: Этот параметр (режим работы) используется для выбора одного из возможных компромиссных решений между длительностью выполнения установочных вычислений и величиной скорости трассировки лучей. Используйте моду 1 для быстрого выполнения установок и небольшой скорости трассирования пучей, моду 2 - для среднего времени выполнения установок и средней скорости трассирования лучей и моду 3 - для медленного выполнения установок и большой скорости трассирования лучей. Обычно мода 1 используется для анализа установок, а мода 3 - для анализа схемы, при котором требуется трассировка большого количества лучей. 3, 4. 5) # X, Y, Z Voxels: Слово "Voxels" происходит от "volume pixels" ("объемные пикселы"). Объемные пикселы - это кубики, на которые разбивается объем, занимаемый импортируемым твердотельным объектом. Такая технология позволяет производить быструю трассировку пучей через твердотельный объект путем предварительного вычисления, какие объекты или части объектов лежат в пределах данного пиксела. Луч, вошедший в пространство, разделенное на пикселы, может пройти только через часть пикселов,* составляющих объект, и поэтому только эта часть пикселов допжна контропироваться на предмет возможного пересечения луча с объектом. Чем большее число пикселов используется, тем бопьше времени требуется на предварительные вычисления, но тем с большей скоростью будет произведена трассировка лучей. Только опытным путем можно подобрать оптимальное количество объемных пикселов. Испопьзуйте для начала 10 - 10 - 10 пикселов, если не очевидно, что для данного объекта нужно использовать какое-либо другое количество пикселов. 6) Chord Tolerance (Допуск на хорду): Эта установка действует только на воспро- воспроизведение формы твердотельного объекта. Для воспроизведения формы твердотельного объекта ZEMAX преобразует таердое тело в список треугольников, которые используются для мозаичного построения формы твердого тела. Допуск - это максимально допускаемое расстояние (в установленных для схемы линейных единицах измерения) между образующим треугольником и действительной Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -29
поверхностью твердого тела. Чем меньше величина допуска, тем большее число треугольников должно быть использовано для воспроизведения формы объекта, что требует большего объема используемой памяти компьютера и снижает скорость трассирования лучей. Comments about imported objects Комментарий Преимущество использования импортируемых объектов состоит в том, что ZEMAX может трассировать лучи через твердотельные объекты любой формы. Не существует ограничений на форму, сложность или количество импортируемых объектов. Несколько объектов могут быть импортируемы посредством одного файла; однако, в таком случае все объекты будут иметь идентичные оптические свойства. Если объекты должны иметь различные оптические свойства, например, состоять из разных оптических материалов, то они должны импортироваться посредством отдельных файлов. Недостатком использования импортируемых объектов является относительно низкая скорость трассировки лучей через них. Для простых объектов, таких как асферические линзы, лучи трассируются медленнее для импортируемых объектов, чем для собственных объектов ZEMAX идентичной формы. Ray tracing speed for imported objects Скорость трассировки лучей через импортируемые объекты Скорость трассировки лучей через импортируемые объекты критически зависит от эффективности представления формы твердотельного объекта в исходном файле. Идентичные по форме объекты могут быть представлены бесконечно большим количеством способов с помощью различных типов твердых тел и поверхностей, поддерживаемых различными CAD форматами, которые ZEMAX может импортировать. Например, для эффективного представления объекта можно использовать всего несколько сплайн-поверхностей; в то же время, объект может быть представлен неэффективно при использовании даже многих сотен небольших сплайн-поверхностей. Хотя с точки зрения механического моделирования объекта оба таких представления будут эффективными и идентичными в отношении передачи формы объекта, при аппроксимации формы объекта большим количеством сплайн- поверхностей скорость трассировки лучей через него будет драматически снижена. В таких случаях можно рекомендовать только одно средство - вернуться к источнику CAD-файла и посмотреть, нельзя ли представить объект более эффективным способом. Limitations on imported objects Ограничения на импортируемые объекты Не все файлы в существующих CAD-форматах могут импортироваться в ZEMAX, так как ZEMAX может импортировать только твердотельные объекты. Линии и поверхности не импортируются в ZEMAX. Пустотелые оболочки должны быть преобразованы в тонкостенные твердые тела перед их импортом в ZEMAX. Если не удается импортировать в ZEMAX файлы, содержащие твердотельные тела, вы можете обратиться в компанию Focus Software за технической поддержкой; однако компания FSI не может гарантировать, что ZEMAX способен поддерживать все возможные типы CAD форматов. 12 -30 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Jones Matrix Матрица Джонса The Jones Matrix is a plane elliptical surface whose shape is defined by 2 parameters and polarization transmission/reflection properties by 8 "ABCD" parameters; 1: The X Maximum Half Width. 2: The Y Maximum Half Width. 3-10: Ar. Ai, Br, Bi, Cr, Ci, Dr, Di The ellipse resides entirely within the local XY plane. This object is a special case of the more general annulus. The Jones Matrix may be used to model neutral density filters, polarizers, and rotators. For a description of the Jones Matrix parameters, see "Defining polarizing components" on page 428. The reference coordinate is the center of the ellipse. Coating/Scatter Groups: All faces CSG #0. Lenslet Простая прямоугольная линза Этот объект представляет собой прямоугольный объем с плоской фрональной стороной и с искривленной тыльной стороной. Тыльная сторона может быть плоской, сферической и асферической второго порядка, а также иметь форму сферического или асферического тороида. Тороидальная поверхность определяется кривой. заданной в плоскости YZ, которая поворачивается относительно оси, параллельной оси Y и отстоящей от последней на некотором расстоянии R, называемом радиусом вращения. Кривая в YZ плоскости определяется выражением: су z = где с - обратная величина радиуа кривизны в YZ плоскости. Еспи тыльная поверхность не является тороидальной, то форма поверхности обладает вращательной симметрией относительно локальной оси Z. На заднюю поверхность линзы может быть "нанесена" дифракциолнная решетка. Принимается, что штрихи расположены с постоянным шагом параллельно локальной оси X. Количество штрихов на микрон вдоль направления Y измеряется в проекции на поверхность. Этот объект определяется следующими параметрами: 1: X Half-Width - полуширина в направлении X. выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 2: Y Half-Width - полуширина в направлении Y, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ* КОМПОНЕНТЫ 12-31
3: Thickness - толщина линзы вдоль локаль- локальной оси Z. выраженная в установленных для ■ схемы линейных единицах измерения. 4: Number of X facets - количество граней в направлении X. Смотри в этой главе ниже раздел "The use of facets". 5: Number of Y facets - количество граней в направлении Y. Смотри в этой главе ниже раздел "The use of facets'. 6: Radius of curvature - величина радиуса кривизны поверхности; 0 - для плоской поверхности. 7: Conic constant - величина конической постоянной поверхности. 8: "Is Toricn: 0 - для поверхности с вращательной симметрией; любое другое значение, если поверхность должна иметь тороидальную форму. 9: Radius of rotation - величина радиуса вращения, если поверхность имеет тороидальную форму. О -для цилиндрической линзы. 10: Grating line frequence - количество линий на микрон для дифракционной решетки. 11: Diffraction order - порядок дифракции. Опорной координатной точкой этого объекта является центр фронтальной поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. MicroElectroMechanical Systems (MEMS) MEMS- системы Этот объект моделирует MEMS- системы. MEMS представляет собой матрицу небольших прямоугольных зеркал (обычно называемых пикселами). Зеркала могут независимо друг от друга поворачиваться относительно их центральной точки и направляться в любом направлении в 3-х мерном простанстве. Зеркала могут поворачиваться целыми рядами, колонками или каждое в отдельности (режимы управления 1, 2 и 3). Этот тип системы иногда называется Digital Mirror Device (DMD). Следующие параметры используются для определения MEMS: 1: Количество пикселов в каждом ряду (по направлению X). 2: Количество пикселов в каждой колонке (по направлению Y). 3: Полная ширина матрицы в X направле- направлении, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. Размер пиксела в X направлении получа- получается делением этого числа на количество пикселов в ряду. 4: Полная ширина матрицы в Y направлении, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 12-32 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Р эм пиксела в Y н сравнении получается делением этого числа на количество пикселов в колонк . 5. 6. 7: Углы наклона пиксела относитепьно оси Y для 3-х возможноых состояний матрицы : 0,1 или 2. Каждому состоянию соответствует свой угол поворота. 8: Угол поворота пиксела вокруг оси Z, Величина этого угла отсчитывается от оси +Y по часовой стрелке. 9: P-Flag: Режимы управления матрицей: 0, если пикселы адресуются (управляются) рядами; 1, если пикселы адресуются копонками; 2, если пикселы адресуются каждый в отдельности. 10 и далее: Целые числа, которые определяют, в каком состоянии находится каждый пиксел матрицы, каждая колонка матрицы или каждый ряд матрицы как это описано ниже. Пикселы устанавливаются в состояния 0, 1 или 2 путем серии степенных чисел с основанием 3. Для определения какого-либо логического состояния MEMS создается таблица, подобная показанной ниже; показана таблица, составленная только для трех первых рядов, или трех первых колонок, или трех первых пикселов (г/с/р): г/с/р: 3 2 1 X 0 0 0 0 0 0 11 0 0 2 2 0 10 3 0 114 0 12 5 0 2 0 6 etc. . где значения X присваиваются парамеру 10, контролирующему первые 15 г/с/р (пиксел/колонку/ряд); параметр 11 контролирует (следующие) 16-30 г/с/р и так далее для всей матрицы MEMS. Величина параметра X для любого состояния MEMS определяется следующим логическим выражением (степенной ряд по основанию 3): где М1 - определяет логическое состояние @, 1 или 2) первого г/с/р; М2 - определяет логическое состояние @, 1 или 2) второго г/с/р и так далее. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Null Object Нуль-объект Это ещё не определенный в таблице объект. Он может быть использован для резервирования места в таблице для какого-либо нового объекта. Опорная координатная точка расположена в локальной системе координат в точке @.0,0). Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -33
Odd Asphere Lens Линза с нечетной асферикой Форма поверхности этого объекта определяется формулой: z = сг' 12 2 ■> Л—1 * * 1+ /l-(l+k)cV t которая идентична формуле, описывающей прогиб "последовательной" поверхности типа "Odd Aspheric" (с 4 дополнительными параметрами). Форма обеих поверхностей объекта описывается этой формулой. Объект определяется 32 параметрами: 1: Максимальная величина апертуры. 2: Центральная толщина линзы. 3: Число угловых граней. 4: Число радиальных граней. 5: Радиус кривизны фронтальной поверх- поверхности. 6: Величина конической постоянной, к, для фронтальной поверхности. 7-18: Коэффициенты ах -а12 для фронтальной поверхности. 19: Радиус кривизны тыльной поверхности. 20: Величина конической постоянной, к, для тыльной поверхности. 21 -32: Коэффициенты ах -а,2 для тыльной поверхности. Опорной точкой этого объекта является центр фронтальной поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Polygon Object Многогранник Многогранник - объект, определяемый пользователем. Этот объект может быть использован для моделирования открытого рефлектора, такого как многогранное зеркало, или закрытого многогранника с отражающими, преломляющими и погло- поглощающими поверхностями. Этот объект образуется из треугольников, координаты вершин которых указываются в ASCII- файле с именем, имеющим расширение РОВ. Смотри ниже раздел ' Defining polygon objects" ("Определение многогранного объекта'). Объекты этого типа могут быть 12-34 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONtNTS
использованы в квчестве детекторов излучения, как это описано в этой главе далее (раздел Detector/Objects as detectors). Нет огрвничений на число вершин или граней для этого объекта. Имя используемого РОВ-файла указывается (без расширения РОВ) в таблице NSC редактора, в строке Polygon Object, в колонке "Comments". Файлы с расширением РОВ помещаются в директорий \Objects. Для определения объекта требуются два параметра: * 1) Масштабный фактор "Scale". Все координаты вершин многогранника в РОВ-файле умножаются на этот коэффициент. 2) Флаг, указывающий на тип объекта, определенного в РОВ-файле: является ли этот объект поверхностью или сплошным объёмом. Если флаг "Is Volume?" равен нулю, то ZEMAX принимает, что данный РОВ-файл определяет открытую поверхность. Лучи могут либо отражаться, либо поглащаться такой поверхностью, но не преломляться на ней. Если флаг "Is Volume?" имеет отличное от нуля значение, то ZEMAX принимает, что РОВ-файл определяет замкнутый сплошной объём. На гранях этого объёма лучи могут преломляться, отражаться и поглощаться. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects" ("Особые замечания по использованию многогранных объектов), в котором указаны ограничения на трасси- трассировку лучей через объекты этого типа. Программа для создания РОВ-файлов для объектов, используемых в качестве детектора, описана в главе "Tools menu" в разделе "Create Polygon Object". Опорной координатной точкой этого объекта является точка @,0,0) в локальной системе координат; грани, из которых образуется многогранник, могут быть расположены в любом месте по отношению к этой опорной точке. Группы покрытия/рассеивания: Для каждой грани объекта используется группа CSG, указанная в РОВ-файле (см. в этой главе ниже раздел "Defining Polygon Objects"). Rectangular Corner Трёхгранный угол Этот объект определяется одним параметром: 1) Ширина (квадратной) грани. Трехгранный угол образуется из трёх квадратных граней, пересекающихся под углом 90 градусов. Грани лежат в положительных полуплоскостях XY, XZ и YZ (начальное положение). Каждая квадратная грань имеет размер Х*Х. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором указаны ограни- ограничения на трассировку лучей через объекты такого типа. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -35
Опорная координатная точка этого объекта находится в вершине трехгранного угла. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Rectangle Прямоугольник Прямоугольник - это плоская поверхность, определяемая двумя параметрами: 1) Полуширина по оси X. 2) Полуширина по оси Y. Прямоугольник располагается в локальной XY-плоскости при Z = 0 (начальное положение). Опорная координатная точка этого объекта находится в центре прямоугольника. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Rectangular Pipe Прямоугольная трубка Прямоугольная трубка определяется 5 параметрами: 1) Полушириной по оси X открытой передней апертуры. 2) Полушириной по оси Y открытой передней апертуры. 3) Длиной трубки вдоль локальной оси Z. 4) Полушириной по оси X открытой задней апертуры. 5) Полушириной по оси Y открытой задней апертуры. Прямоугольная трубка - это четырёхгранный оптический короб. Передняя и задняя грани отсутствуют (открыты). Этот объект обычно используется для моделирования прямоугольной световой трубки. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором указаны ограничения на трассировку лучей через объекты такого типа. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре передней открытой грани. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. 12-36 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Rectangular Roof Прямоугольная крыша Три параметра требуется для определения прямоугольной крыши: 1) Полуширина по оси X. 2) Полуширина по оси Y. 3) Величина угла между двумя поверхностями. Прямоугольная крыша образуется двумя прямоугольниками, расположенными под углом друг к другу. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором указаны ограничения на трассировку лучей через объекты такого типа. Опорная координатная точка этого .объекта находится в средней точке ребра двухгранного угла. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Rectangular Volume Прямоугольный объём Этот объект определяется 5 параметрами: 1) Полушириной передней грани по оси X. 2) Полушириной передней грани по оси Y. 3) Длиной объёма вдоль локальной оси Z. 4) Полушириной задней грани по оси X. 5) Полушириной задней грани по оси Y. Этот объект имеет шесть граней. Опорная координатная точка этого объекта находится в центральной точке передней грани. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2, для остальных граней - CSG #0. Slide Слайд Этот объект используется для моделирования цветного RGB- слайда. Определяется файлом, записанным в BMP или JPG графических форматах, и двумя параметрами. 1) Шириной изображения в установленных для схемы линейных единицах измерения. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-37
2) Отношением сторон пиксела изображения (высота/ширина). В большинстве двоичных карт используется отношение, равное 1.0. Высота слайда определяется количеством пикселов, шириной слайда и отношением сторон пиксела. Этот объект может быть использован для моделирования излучающей сцены, если перед слайдом расположить источник излучения. Например, чтобы смоделировать ламбертовский излучающий экран, нужно перед слайдом расположить коллимированный прямоугольный источник излучения (см. в этой главе ниже раздел "Source Rectangle") и придать слайду ламбертовские рассеивающие свойства (см. в этой главе ниже раздел "Scattering"). Смотрите также пример оптической схемы с использованием слайда, представленный в файле \Samp[es\Non- sequential\Source\Slrde sample.zmx. * Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Sphere Сфера / Шар Сфера определяется одним параметром: 1) Радиус сферы. Этот объект может быть использован для моделирования пустотелого объекта путем расположения сферы, состоящей из материала типа "air' или стекла со оптическими свойствами какого-либо газа, внутри другого стеклянного объема. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре сферы. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Standard Lens Стандартная линза Стандартная линза — это сложный объект, предназначенный для трехмерного моде- моделирования линзы, имеющей стандартные поверхности ZEMAX. Стандартные поверх- поверхности могут быть плоскими, сферичес- сферическими, асферическими (второго порядка) или гиперполусферами. Стандартная линза фактически состоит из 5 отдельных элементов: 1) Передней поверхности. 2) Задней поверхности. 3) Кольцеобразной фронтальной поверх- поверхности (между чистой апертурой и краем передней поверхности). 12-38 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
А) Кольц* оброзной тыльной поверхности (между чистой апертурой и краем задней поверхности). 5) Цилиндрической (или конической) торцевой поверхности, соединяющей края передней и задней поверхностей. Для определения стандартной линзы используются 9 параметров: 1) Радиус кривизны передней поверхности. Нулевое значение этого параметра используется для задания плоской поверхности. 2) Коническая постоянная передней поверхности. 3) Полудиаметр чистой апертуры передней поверхности. Отрицательные значения используются для задания прогиба гиперполусферы. 4) Радиус для края передней стороны линзы. 5) Центральная толщина линзы. 6) Радиус кривизны задней поверхности. Нулевое значение этого параметра используется для задания плоской поверхности. 7) Коническая постоянная задней поверхности. 8) Полудиаметр чистой апертуры задней поверхности. Отрицательные значения используются для задания прогиба гиперполусферы. 9) Радиус для края задней стороны линзы. Все пять поверхностей могут обладать отражающими, преломляющими и поглоща- поглощающими свойствами в зависимости от свойств оптического материала. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре передней поверхности линзы. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Standard Surface Стандартная поверхность Этот объект очень похож на обычную стандартную поверхность ZEMAX. Стандартная поверхность может быть плоской, сферической или асферической (второго порядка). Стандартная поверхность определяется 4 параметрами: 1) Радиус кривизны. Нулевое значение этого параметра используется дпя задания плоской поверхности. 2) Коническая постоянная. 3) Полудиаметр максимального размера чистой апертуры. Отрицательные значения этого параметра используются для задания прогиба гиперполусферы. 4) Полудиаметр минимального размера чистой апертуры. Значение этого параметра должно быть положительным. Если величина этого параметра больше нуля, то создается "отверстие" на поверхности. Поверхность обладает вращательной симметрией относительно оси Z. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -39
Если величина радиуса кривизны задана отрицательным числом, то вогнутость поверхности обращена в сторону отрицательных значений по оси Z. Если величина радиуса кривизны задана положительным числом, то вогнутость поверхности обращена в сторону положительных значений по оси Z. Если величина полудиаметра задана отрицательным числом, то поверхность становится гиперполусферой, радиус открытой апертуры которой равен абсолютной величине полудиаметра. Поверхность может быть отражающей или поглощающей. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. STL Object STL-объект STL-объект - объект очень разнообразного типа, определяемый пользователем. Он может быть использован для задания рефлектора с формой открытого многоуголь-ника, такого как многогранное зеркало, или призмы (или какого-либо другого твердотельного элемента) с формой замкнутого многогранника. Формат STL-объекта основан на построении объекта из расположенных в трехмерном пространстве треугольников. Этот формат поддерживается многочисленными CAD- программами, которые используются для моделирования механических систем. ZEMAX поддер-живает STL-файлы как в ASCII, так и в двоичном форматах. Более детальная информация о построении объектов этого типа дана в разделе "Defining STL object" (см. ниже). Для этого типа NSC-объектов нет ограничений на число вершин или граней. Имя STL-файла, используемого для построения данного объекта, указывается в соответствующей колонке "comment" (комментарий) NSC-редактора без расширения STL. Например, если Вы хотите использовать файл под именем "myobject.STLB (помещенный в поддиректорий ZEMAX\Objects), то в соответствующей колонке "comment11 NSC-редактора нужно записать только имя файла - "myobject". Опорной координатной точкой объекта является точка @,0.0) в локальной системе координат; многоугольники, образующие объект, могут быть расположены в любом месте относительно этой опорной точки. Некоторые CAD-программы экспортируют STL-файлы таким образом, что все вершины объекта имеют только положительные координаты. ZEMAX не требует особого подхода в таком случае — объект будет импортирован таким образом, что вершины треугольников будут расположены в соответствующих точках трехмерного пространства. Для определения STL-объекта требуются два параметра: 12 -40 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
1) "Scale". Масштабный коэффициент. Координаты всех вершин, заданные в STL- файле, умножаются на этот коэффициент. 2) 4s Volume?" Флаг, указывающий на то, является ли данный объект сплошным объёмом или поверхностью. Если параметр "Is Volume?" равен нулю, то ZEMAX полагает, что STL-файл определяет открытую поверхность. Лучи могут отра- отражаться от этой поверхности или поглощаться ею; преломление на этой поверх- поверхности не допускается. Если параметр "Is Volume?" имеет значение отличное от нуля, то ZEMAX полагает, что STL-файл задаёт замкнутый материальный объём. Этот объём может отражать, преломлять и поглощать лучи. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором обсуждаются ограничения на трассировку лучей через объекты этого типа. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Tabulated Faceted Radial Табулированный объект с радиальными гранями Этот тип объекта задаётся координатами точек, определяющих начальные и конечные положения радиальных граней; координаты этих точек записываются в ASC11 файле, имя которого имеет расширение ТОВ. Фигура вращения образуется путём автоматического набора заданного числа граней в заданной области углов. Осью вращения является локальная ось Z. Формат ТОВ-файла - это просто две колонки данных, разделённых одним или несколькими пробелами (или одной или несколькими характеристиками "Tab". Пример ТОВ-файла может выглядеть следующим образом: 1.5 2.2 3.0 3.0 3.5 4.5 5.5 6.0 Первые числа каждой пары - это значения локальной Y координаты. Эти значения должны быть положительными или равны нулю. Вторые числа - это значения локальной 2 координаты. Каждая пара чисел, следующая за первой парой чисел, представляет собой зону'. Если ьм/еется 6 пар чисел то объект будет иметь 5 зон. Объект мохет ь"*еть va*-cv v 100 зон Еспи требуется иметь более 100 зон. то можно использовать составные объекты. ZEMAX генерирует грани» аппроксими-руюш.*е гладе о поверхность ка л** г зоны. Грани могут покрывать какую-л;юо иасть иги всю поверхность зс ы. в эаеи » — ■* т Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ' КОМПОНЕНТЫ
заданных значений начального и конечного угла по окружности данной зоны. Чтобы покрыть всю поверхность зоны (по всей её окружности), начальный угол должен быть установлен равным 0.0 градусов, а конечный угол - 360.0 градусов. В других случаях оба угла должны быть больше или равны нулю и меньше или равны 360.0 градусов. Количество генерируемых граней в заданной угловой области может быть установлено независимо для каждой зоны: так в первой зоне может быть 40 граней, во второй зоне - 80 граней, в третьей зоне — 50 и так далее. Для определения этого объекта используются следующие параметры: 1) Scale". Масштабный коэффициент. Значения координат всех вершин, указанных в ТОВ-файле. умножаются на этот коэффициент. 2) Is Volume? Флаг, указывающий на то. что данный ТОВ-файл задаёт материальный объём или только поверхность. Если параметр "Is Volume?" равен нулю, то ZEMAX полагает, что ТОВ-файл определяет открытую поверхность. Лучи могут отражаться от этой поверхности или поглощаться ею; преломление на этой поверхности не допускается. Если параметр "Is Volume?" имеет значение отличное от нуля, то ZEMAX полагает, что ТОВ-файл задаёт замкнутый материальный объём. Этот объём может отражать, преломлять и поглощать лучи. 3) "Start Angle". Начальный угол. Задаётся в градусах; определяет начальную точку на окружности, от которой начинается построение граней. 4) "Stop Angle11. Конечный угол. Задаётся в градусах; определяет конечную точку на окружности, на которой заканчивается построение граней. 5) "Zone 1 facets". Число граней в заданной области углов для первой зоны. 4+п) "Zone n facets". Число граней в заданной области углов для n-ой зоны. Если флаг "Is Volume?" установлен, то ТОВ-файл должен определять замкнутый материальный объём. В таком случае необходимо, чтобы объект занимал всю область углов от 0 до 360 градусов. Полностью замкнутый объём может быть использован, например, для моделирования линз Френеля. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором обсуждаются ограничения на трассировку лучей через объекты этого типа. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Tabulated Faceted Toroid Табулированный граненый тороид Этот тип объекта задаётся координатами точек, определяющих начальные и конечные точки граней; координаты этих точек записываются в ASCII файле, имя которого имеет расширение ТОВ. Фигура вращения образуется путём автоматичес- автоматического набора заданного числа граней в заданной области углов. Ось вращения направлена параллельно локальной оси Y и смещена относительно неё на заданную величину радиуса. Если величина радиуса ' установлена равной нулю, то вместо тора генерируется цилиндрическая поверхность. 1 i I 1 1 12-42 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Формат ТОВ-файла - это просто две колонки данных, разделённых одним или несколькими пробелами (или одной или несколькими характеристиками "Tab". Пример ТОВ-файла может выглядеть следующим образом: 1.5 22 30 3.0 3.5 4.5 5.5 6.0 i Ш ж & r—' ЗФЕЭ- ^^ MM «■ IE «ц = F -с—Г a 55 I ' || 1 ■ * f 1 1 r— J i 1 I 1 1 I Ш w Первые числа каждой пары - это значения локальной Y координаты. Эти значения могут быть отрицательными, равными нулю или положительными числами. Вторые числа - это значения локальной Z координаты. Каждая пара чисел, следующая за первой парой чисел, представляет собой "зону". Если имеется 6 пар чисел, то объект будет иметь 5 зон. Объект может иметь максимум 100 зон. Если требуется иметь более 100 зон, то можно использовать составные объекты. 2ЕМАХ будет генерировать грани, аппроксимирующие (гладкую) поверхность для каждой зоны. Грани могут покрыть часть или весь круг в зависимости от заданных значений начального и конечного углов. Для покрытия всего круга величина начального угла должна быть задана равной -180 градусов, а конечного угла - равной 180 градусов. Число граней, генерируемых в заданной области углов может быть задано незави- независимо для каждой зоны: например. 40 граней для первой зоны, 80 для второй, 50 для третьей и так далее. Для определения этого объекта используются следующие параметры: 1) "Scale". Масштабный коэффициент. Координаты всех вершин, заданных в ТОВ- файле, умножаются на этот коэффициент. 2) "Radius". Радиус тороидальной поверх-ности. Если его величина положитель-на, то ось тора смещена вдоль локаль-ной оси Z в положительном направлении, направлена парал-лельно локальной оси Y и лежит в плоскости YZ; если его величина отрицательна, то ось тора смещена вдоль локальной оси Z в отрицатель-ном направлении, направлена параллельно локальной оси Y и лежит в плоскости YZ; если его величина равна нулю, то образуется цилиндрическая поверхность. В частном случае цилиндрической поверхности параметры, определяющие число граней в зонах, игнорируются (поскольку плоская поверхность точно моделируется одной гранью), а параметры, определяющие начальный и конечный углы тороидальной поверхности, интерпретируются как начальная и конечная Х-координаты цилиндрической поверхности в установленных линейных единицах. 3) "Start angle". Начальный угол тороидальной поверхности; задаётся в градусах. Если радиус тороидальной поверхности равен нулю, то величина этого параметра (начального угла) интерпретируется как начальная Х-координата цилиндрической поверхности (в установленных для схемы линейных единицах). 4) "Stop angle". Конечный угол тороидальной поверхности; задаётся в градусах. Если радиус тороидальной поверхности равен нулю, то величина этого параметра Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ11 КОМПОНЕНТЫ 12-43
(конечного угла) интерпретируется как конечная Х-координата цилиндрической поверхности (в установленных для схемы линейных единицах). 5) "Zone 1 facets". Число граней в заданной области углов для первой зоны. 4+п) "Zone n facets". Число граней в заданной области углов для л-ой зоны. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором обсуждаются ограничения на трассировку лучей через объекты этого типа. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Tabulated Fresnel Radial Табулированная радиальная линза Френеля Этот объект подобен объекту "Tabulated Faceted Radial". Ключевое отличие состоит в том. что грани у этого объекта сглажены. Смотри описание объекта "Tabulated Faceted Radial". Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Toroidal Lens Тороидальная линза Этот объект представляет собой прямоугол ьную или круглую линзу с тороидальными асферическими поверхностями. Тороидаль-ная поверхность образуется вращением кривой, заданной в плоскости YZ, вокруг оси, проходящей параллельно оси Y на заданном от неё расстоянии R (радиус вращения). Кривая в YZ плоскости определяется выражением: су" .2 2 + а2у где с- обратная величина радиуса кривизны в YZ плоскости. Тороидальная линза определяется 23 параме"трами; 1: The Radial Height. Радиальная высота линзы в Y направлении. 2: The X Half-Width. Полуширина линзы в X направлении. Если этот параметр равен нулю, то форма линзы будет круглой с радиусом, равным параметру "Radial Height". 3: The Thickness. Центральная толщина линзы вдоль локальной оси Z. 4: The number of X facets. Число граней по оси X. Если линза осесимметрична, то этот параметр определяет число угловых граней. Смотри ниже раздел "The use of facets". 12-44 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
5: The number of Y facets. Число граней по оси Y. Если линза осесимметрична, то этот параметр определяет число радиальных граней. Смотри ниже раздел "The use of facets*1. 6,7,8: Радиус вращения, радиус кривизны и коническая постоянная для фронтальной поверхности. 9 -14: Коэффициенты при членах разложения по степеням у для фронтальной поверхности. 15, 16. 17: Радиус вращения, радиус кривизны и коническая постоянная для задней поверхности. 18 -23: Коэффициенты при членах разложения по степеням у для задней поверх- поверхности. Чтобы сделать какой-либо из 4-х радиусов равным бесконечности, используйте для соответствующего параметра числовое значение 0. Заметьте, если радиус вращения сделать равным нулю, то получается цилиндрическая линза. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре фронтальной поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для фронтальных граней используется группа CSG #1; для тыльных граней - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Toroidal Surface Тороидальная поверхность Тороидальная поверхность представляет собой прямоугольную поверхность, которой может быть придана асферическая тороидальная форма. Эта поверхность определяется заданием кривой в плоскости Y2, которая затем поворачивается относительно оси параллельной оси Y и удаленной от нее на заданное расстояние R (радиус вращения). Кривая в Y2 плоскости определяется уравнением: z = где с - обратная величина радиуса кривизны в YZ плоскости. Для задания тороидальной поверхности используются 13-ю параметрами: 1: The X Half-Width. Полуширина поверхности в X направлении в установленных для схемы линейных единицах измерения. 2: The Y Half-Width. Полуширина поверхности в Y направлении в установленных для схемы линейных единицах измерения. 3: The number of X facets. Число граней по оси X. Смотри ниже раздел "The use of facets". 4: The number of Y facets. Число граней по оси Y. Смотри ниже раздел The use of facets". 5, 6, 7: Радиус вращения, радиус кривизны и коническая постоянная для поверхности. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-45
8-13: Коэффициенты при членах разложе-ния по степеням у. Чтобы сделать поверхность плоской, используйте нулевые значения для радиуса вращения и радиуса кривизны поверхности. Заметьте, что получается цилиндрическая поверхность, если радиус вращения равен нулю. Опорная координатная точка этого объекта находится в центре поверхности. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Torus Surface Торическая поверхность ^„__ Тор образуется вращением окружности вокруг некоторой оси. Вращение может быть произведено на все 360 градусов или только в некоторой заданной области углов Этот объект может быть использован для моделирования оптических волокон или искривленных световых трубок. Смотри также обсуждение объекта "Torus Volume", который используется для моделирования твердотельных волокон. Тороидальная поверхность определяется 6 параметрами: 1: Радиус вращения окружности, R. 2: Радиус окружности, г. 3: Начальный угол тора, Gi. 4: Конечный угол тора, 6г- 5: Число угловых граней, разбивающих область Ог - 6i. Смотри ниже раздел "The use of facets". 6: Число радиальных граней, разбивающих окружность радиуса г. Смотри ниже раздел "The use of facets". Окружность сначала определяется в XZ плоскости с центром в точке с коорди-натами х=0, у=0 и z = R. Это положение окружности соответствует углу ее враще-ния 8 = 0. Величина угла вращения должна удовлетворять условию: О й 6Х <, 9г < 360. Должно соблюдаться также ограничение R 2: /•; в противном случае не получится замкнутого объема, или гладкой поверхности. Опорная координатная точка Этого объекта находится в центре оси вращений. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. 12-46 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONFNTS
Torus Volume Тороидальный объем Этот объект идентичен объекту Torus Surface", за исключением того, что концы тора закрыты для образования твердотельного объема. Это позволяет сделать объект, состоящим из преломляющего материала. Смотри описание объекта "Torus Surface". Группы покрытия/рассеивания: Для входной грани используется группа CSG #1; для выходной грани - CSG #2; для остальных граней - CSG #0. Triangular Corner Трёхгранный угол Трёхгранные углы определяются одним параметром: 1) "Scale". Длина короткой стороны треугольника по оси X. Трёхгранный угол образуется тремя треугольниками, лежащими в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях. Треуголь- Треугольники лежат в положительных полу- полуплоскостях XY, XZ и YZ. Каждая поверх- поверхность трёхгранного угла представляет собой 45-45-90 треугольник, у которого две короткие стороны (катеты) имеют установленную длину X. Смотри раздел "Special considerations for faceted objects", в котором обсуждаются ограничения на трассировку лучей через объекты этого типа. Опорной координатной точкой этого объекта является вершина трёхгранного угла. Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0 Triangle Треугольник Треугольники определяются координатами трёх точек (вершин), лежащих в плоскости XY: 1) Х-координата вершины 1. 2) Y-координата вершины 1. 3) Х-координата вершины 2. 4) Y-координата вершины 2. 5) Х-координата вершины 3. 6) Y-координата вершины 3. Опорной точкой этого объекта является точка с координатами @.0.0), которая может и не принадлежать треугольнику (в зависимости от заданных координат вершин треугольника). Группы покрытия/рассеивания: Для всех граней используется группа CSG #0. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ
The use of facets Комментарий относительно использования граней Ряд граненых объектов определяются пользователем путем задания количества радиальных, угловых или по Х-, Y-направлениям граней. К таким объектам относится, например, объект Biconic Lens", а также многие другие. Важно заметить, что угловые и радиальные грани используются только для двух целей: 1) Для формирования объекта. 2) Для вычислений "в первом приближении" положений точек пересечений лучей с поверхностями объекта. Произвольный луч может попасть на объект в самых разных местах. Для точной трассировки луча точное положение точек его пересечения с поверхностью определяется итерационным методом. Однако метод итерации требует хорошего первого приближения; в противном случае сходимость решения может быть ошибочной или решение может вовсе не сходиться. При трассировке луча грани используются только для определения положений точек его пересечения с поверхностями с достаточно высокой точностью для эффективной работы итерационного метода. Действительная же форма поверхности объекта моделируется точно; точность трассировки луча не лимитируется приблизительным представлением формы объекта в виде многогранника! Количество граней должно быть достаточно большим для хорошего воспроизведения формы объекта и для предотвращения ошибочных решений в итерационном процессе. В то же время, при очень большом числе граней процесс трассировки лучей будет идти медленнее, а точность вычислений увеличиваться не будет! Если кажется, что луч проходит через объект ошибочным путем, попробуйте увеличить количество граней для более точного воспроизведения формы объекта. Sources and detectors Источники и детекторы излучения ____ ZEMAX поддерживает следующие типы моделей источников излучения: точечные, эллиптические, прямоугольные, объемные и специальные типы, определяемые пользователем. Любой из этих источников может быть расположен внутри любого объекта или вне его, но не на границе объекта (источник не должен лереьрыватъ границу объекта). Все типы источников и детекторов перечислены в следующей ниже таблице, а их более детальное описание дано в следующих разделах. Placing source inside objects Расположение источников внутри объектов По умолчанию ZEMAX принимает, что источник располагается в окружающей (фоновой) оптической среде, в которую погружена NSC группа. Однако, источник может быть полностью расположен внутри какого-либо твердотельного объекта или внутри объекта, встроенного в другой объект. Чтобы правильно расположить источник внутри твердотельного объекта необходимо выпопнить следующие два условия: 1) Место расположения источника и его размеры должны быть такими, чтобы источник был полностью погружен в объект, то есть не выходил за его пределы. 12 -48 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
2) В таблице NSC редактора в строке данного источника в колонке данных 'Inside ОГ должен быть указан номер объекта, в который погружается источник. Если объект, в котором размещается источник, погружен внутрь другого объекта, то в колонке "Inside ОГ для первого объекта (с источником) должен быть указан номер второго объекта. Если имеется много вложенных друг в друга объектов, то для каждго объекта в колонке -"Inside Of1 должен быть указан номер объекта, в который он вложен. В таблице редактора NSC источник должен быть записан по порядку после всех объектов, внутри которых он располагается. Adding new source and detector types Разработка новых типов источников и объектов Если в 2ЕМАХ нет нужного типа источника или детектора, обращайтесь в компанию Focus Software, Inc. с просьбой его разработать и добавить в ZEMAX. Некоторые простые типы источников, такие как ламбертовская плоскость, можно смоделировать путем помещения ламбертовской рассеивающей поверхности за каким-либо Другим типом источника. Многие объекты также могут быть использованы в качестве детекторов, например, любой "Polygon object" может быть детектором. Смотри ниже раздел "Objects as detectors". ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ NSC ИСТОЧНИКОВ И ДЕТЕКТОРОВ Наименование объекта Detector Source Diode Source DLL Source Ellipse Source Filament Source File Source Point Source Rectangle Source Tube Source Volume Cylinder Source Volume Ellipse Source Volume Rectangle Описание Детектор в форме прямоугольника с произвольным числом пикселов по осям х и у. Матрица диодов с разными диаграммами излучения по осям X и Y. Источник. характеристики которого определяются пользователем во внешней программе. Плоская эллиптическая поверхность; испускает лучи, идущие от расположенного за ней мнимого точечного источника. Источник в виде спиральной нити. Определяемый пользователем источник, который испускает лучи, указанные в файле. Точечный источник; испускает лучи в заданном коническом'телесном угле. Прямоугольная поверхность; испускает лучи, идущие от расположенного за ней мнимого точечного источника. Источник в виде цилиндрической трубки. Объемный источник в форме цилиндра с эллиптическим сечением. Объемный источник в форме эллипсоида. Объемный источник в форме прямоугольника Для введения источников и детекторов в схему необходимо задать числовые значения для ряда параметров. Детальное описание различных типов детекторов и источников, а также их параметров дано ниже. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ4 КОМПОНЕНТЫ 12-49
Detectors Детекторы В ZEMAX используются два типа детекторов. Первый тип детектора - это специальный объект прямоугольной формы. Этот детектор может записывать данные о величине падающего на него потока когерентного или некогерентного излучения, а также данные о величине интенсивности падающего на него некогерентного излучения. Второй тип детектора - это объект типа призмы или асферической поверхности. способный накапливать и записывать относительное количество попавших на него лучей для некогерентного излучения. Detector Rectangle object Детектирующий прямоугольный объект Детектор подсчитывает количество попавших на него лучей при заданной полной энергии, испускаемой NSC-источниками. Результат детектирования может быть представлен в виде пространственного или углового распределения поглощенной детектором энергии для некогерентного излучения или в виде пространственного распределения интенсивности и фазы когерентного излучения. Детектор может обладать отражающими, пропускающими и поглощающими свойствами в зависимости от типа установленного для него оптического материала - "MIRROR" blank или "ABSORB", соответственно. Детектор определяется следующими параметрами: 1) X Half Width: Полуширина детектора по оси х, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 2) Y Half Width: Порлуширина детектора по оси у, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 3) # X Pixels: Количество пикселов по оси X. 4) # Y Pixels: Количество пикселов по оси Y. Параметры 5-9 используются только для выбора вида изображения детектора на оптической схеме "NSC Shaded Model": 5) Data type: Установите 0 для анализа некогеренгного излучения, 1 -для анализа когерентного излучения, 2 -для анализа фазы когерентного излучения и 3 -для анализа интенсивности некогерентного излучения. 6) Color: Установите 0 для изображения данных в серой шкале, 1 - для изображения данных в обратной серой шкале, 2 - для изображения данных в цветовой шкале и 3 -для изображения данных в обратной цветовой шкале. 7) Smoothing: Коэффициент сглаживания данных на детекторе. 8) Scale: Установите 0 для линейного масштаба; 1 - для логарифм, масштаба log -5: 2 - для log -10; 3 - для log -15. 9) Plot Scafe: Установите максимальную величину отсчета для нормирований цветовой шкалы на изображении детектора; это полезно для установки общей шкалы для некольких детекторов. 10) Front Only: Если установить значение этого флага равным 0, то допускается попадание на детектор лучей, падающих, как на его фронтальную сторону, так и на его тыльную сторону Если значение этого флага равно 1, то лучи, падающие на тыльную сторону детектора, будут игнорироваться. "Тыльная" сторона 12 -50 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
детектора - это сторона, смотрящая в сторону положительного направления локальной оси Z. Данные детектирования можно просмотреть, выбрав в меню NSC-редактора команду Detectors/Detector Viewer, или, при работе в режиме NSC, выбрав эту же команду из меню "Analysis". (Естественно, что данные детектирования можно просмотреть только после трассирования лучей через оптическую схему. Команда "Trace" на трассирование лучей подается через диалоговое окно "Ray Trace/Detector Control", которое можно открыть через меню "Detectors"). Окно "Detector Viewer" имеет опцию "Ray Database", позволяющую просмотреть ранее записанные данные детектирования. Если для этой опции выбрана установка "None", то будут показаны текущие данные; в противном случае будут воспроизведены данные, записанные в указанном файле. Следующие данные запоминаются для каэдого луча, попавшего на детектор: Некогерентная интенсивность луча. Эта энергия запоминается инкрементным счетчиком, соответствующим пикселу, на который папал луч. Суммарная интенсивность всех лучей, попавших на пиксел детектора, деленная на площадь пиксела дает величину поверхностной плотности потока излучения на детекторе (мощность/площадь). Некогерентная интенсивность луча в угловом пространстве. Эта энергия запоминается инкрементным счетчиком, соответствующим пикселу, на который папал луч в угловом пространстве. Суммарная интенсивность всех лучей, попавших на пиксел детектора, деленная на телесный угол пиксела дает величину пространственной плотности потока излучения на детекторе (мощность/телесный угол). Величины действительной и мнимой частей амплитуды когерентного луча. Амплитуда луча равна корню квадратному из интенсивности луча, а фаза луча определяется полной длиной оптического пути луча от источника до центральной точки пиксела. Разделение амплитуды луча на действительную и мнимую части позволяет моделировать интерференцию лучей. Смотри в главе "System menu" раздел "Irradiance/llluminance Units" ("Радиометричес- ("Радиометрические и фотометрические единицы измерения"). Comments on coherent data computations Комментарий к методу вычисления данных для когерентных лучей. При рассмотрении явлений распространения и интерференции света можно использовать как корпускулярное, так- и волновое представления о природе света. Лучи можно представить как траектории, по которым движутся частицы света, а явления дифракции и интерференции света можно рассматривать в волновом представлении. При NSC анализе ZEMAX испопьзует трассирование лучей для измерения длины оптического пути и для вычисления распределения энергии излучения в пространстве При этом ZEMAX вычисляет фазу световой волны вдоль луча, что позволяет производить вычисления некоторых интерференционных эффектов (но не Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -51
дифракционных). Однако важно, чтобы пользователь понимал, какое приближение делается в модели и как это приближение отражается на точности результатов. Когда луч попадает на детектор. ZEMAX вычислеят реальную и мнимую части электрического поля световой волны, используя для этого интенсивность и фазу луча, идущего к центру пиксела. Затем реальная и мнимая части электрического поля могут быть суммированы для многих лучей, попавших на этот же пиксел. Так как фаза лучей учитывается, некоторые лучи будут интерферировать с другими лучами конструктивно, а некоторые - деструктивно. Это позволяет качественно моделировать такие эффекты, как образование интерфенренционных полос в интерферометрах или интерференцию лучей для разных порядков дифракции у дифракционных решеток. Однако детектирование интенсивности при этом будет не точным (и поэтому ZEMAX ее не показывает). Причина этого заключается в том, что для вычисления интенсивности амплитуды всех лучей должны быть просуммированы и полученная сумма возведена в квадрат; результат такого вычисления будет зависеть от количества пикселов, по которым распределяется энергия излучения. Важно также понимать, что ZEMAX полагает, что ВСЕ источники являются когерентными по отношению друг к другу, а их фаза в начальной координатной точке равна нулю вне зависимости от того, где располагается источник. Это существенно ограничивает полезность интерференционного анализа для точечного источника или плоского коллимированного источника. Начальная фаза луча и длина когерентности источника могут быть заданы пользователем; см. в этой главе ниже разделы "Coherence length modeling" ('Моделирование длины когерентности") и "Polarization tab" ("Таблица для задания параметров поляризованного луча"). Detector Surface object The detector surface object stores energy data from NSC source rays that strike it. The resulting data distributions may be viewed as irradiance for incoherent light. Detector surfaces may be reflective, transparent, or absorbing if the material is set to "MIRROR", blank, or "ABSORB", respectively. The surface shape of a detector surface object is identical to the Aspheric Surface object. See "Aspheric Surface" on page 249 for information on the defining formulas for the surface shape. The defining parameters are: 1) Radius: The radius of curvature in lens units. If zero, a plane base surface will result. 2) Conic: The conic constant. See "Aspheric Surface" on page 249 for the surface shape formula. 3) Max Aperture: The maximum radial size in lens units. 4) Min Aperture: The minimum radial size in lens units. If this value is greater than zero, an annular detector will be created. 5) # A Zones: The number of angular zones, Na. See "Comments about detector triangles" below. 6) # R Zones: The number of radial zones, Nr. See "Comments about detector triangles11 below. Parameters 7-11 are only used to define how the detector is displayed on shaded moctel plots: 12 -52 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
7) Data type: Select 0 for incoherent Irradiance, 1 for coherent irradiance. 2 for coherent phase, and 3 for incoherent intensity. 8) Color Select for 0 grey scale, 1 for inverse grey scale. 2 for false color, and 3 for inverse false color. 9) Smoothing: The amount of smoothing on the data. This value is not supported for drawing on shaded model plots, but is used to set the default on the detector viewer display. 10) Scale: Choose 0 for linear, 1 for log -5. 2 for log -10, and 3 for log -15. 11) Plot Scale: choose a maximum value to normalize the color display to; this is useful for setting a common scale across multiple detectors. 12) Front Only. If 0, then rays may strike the detector on the front or the back side. If this flag is 1. then rays coming from the back will be ignored, and will miss the detector. The "back" side is the side facing towards the positive local z axis. 13: The number of terms to use in the aspheric expansion. Ray tracing will be faster if this term is no larger than the highest order non-zero coefficient. 14-250: The coefficients on the polynomial expansion. See "Aspheric Surface11 on page 249 for the surface shape formula. The information stored on any detector may be viewed by selecting Detectors, Detector Viewer on the NSC Editor, or when the program mode is Non-sequential, on the Analysis menu. The detector viewer also has an option for displaying data from any previously saved ray data base. If "none" is selected for the ray database, then the data currently stored in the detector will be displayed, otherwise, the data stored in the selected ray database will be used to regenerate the displayed image. One data item is stored for every ray that strikes the detector: The incoherent intensity of the ray. This energy is stored by incrementing the counter corresponding to the pixel the ray struck. The sum of the ray intensity divided by the pixel area yields the irradiance in flux per area. For more information on the definitions and units for the terms irradiance, intensity, and flux, see 'Irradiance/llluminance Units" Objects as detectors Использование объектов в качестве детекторов Любой тип объекта ZEMAX, форма которого образована из треугольников, может быть использован в качестве детектора. Это относится к граненым объектам, имеющим ппоские грани, такие как объекты типа 'Polygon", STL и прямоугольные объемы. Объекты, искривленные поверхности которых аппроксимируются плоскими гранями для представления в виде затененных моделей, такие как асферические поверхности, тороидальные линзы, биконические линзы и другие, имеющие сложную форму, также могут быть использованы как детекторы. Чтобы сделать объект детектором, войдите в NSC редактор, откройте окно "Object Properties" и в таблице "Туре" активизируйте флажок "Object is A Detector". Как только объект задан как детектирующий, каждая из его треугольных граней, используемых для тонирования объекта, будет детектировать излучение; интенсивность излучения, попавшего на каждую грань объекта, будет показана на затененной модели объекта ("Shaded Model") и представлена в числовом виде в текстовом окне "Detector Viewerrfext". Цветовую гамму детектора, используемую на затененной модели, можно также установить через диалоговое окно "Object Properties". Выбранные цвета могут Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -53
представлять полный поток излучения на грани или поток, нормированный на единицу площади. Объекты, действующие как детекторы, могут использоваться только для некогерентного излучения. Каждая отдельная грань объекта становится пикселом детектора. Все лучи, которые попадают на грань, суммируются для подсчета полной интенсивности излучения. Отсчеты на детекторных гранях обнуляются (вместе с обнулением всех других детекторов) по команде "Clear Detectors", подаваемой через диалоговое окно "Detector Control". О том. как создавать РОВ файлы для детектирующих объектов, смотри в главе "Tools menu" раздел "Create Polygon Object". Source Diode Диодный источник С помощью этой модели источника можно определить один диодный источник или матрицу (линейную или двухмерную) диодов. Пространственое распределение интенсивности излучения диода определяется выражением: \2G, где ссх- угол расходимости в плоскости XZ, выраженный в градусах; Gv- параметр "супергауссовского" распределения в X направлении; ccv- угол расходимости в плоскости YZ, выраженный в градусах; Gv- параметр "супергауссовского" распределения в Y направлении. Заметьте, что при Gx~\y получается чисто гауссово распределение. Если Gx > 1 , то распределение приближается к прямоугольному. Можно также задать коэффициент астигматизма источника. Эта величина должна быть положительной; она представляет собой расстояние вдоль локальной оси -Z, от которой измеряется распределение в плоскости XZ. В локальной XY плоскости при Z = 0 результирующая диаграмма направленности лучей будет представлять собой линию, ориентированную вдоль локальной оси X. Если нужно определить диодную матрицу, то необходимо задать количество диодов по оси X и по оси Y , а также и расстояния между диодами по обеим осям. Для определения этой модели источника используются следующие параметры; 1) # Layout Rays: Количество случайных лучей, запускаемых от источника для создания изображения оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Количество случайных лучей, запускаемых от источника при выполнении анализа оптической схемы. 3) Power (units): Полная мощность источника, выраженная в принятой для источников системе единиц измерения. Смотри в главе "System menu" раздел "Source Flux Unite". 12-54 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
4) Wavenumber: Номер длины волны, которая должна использоваться при трассировке случайных лучей от источника. Нулевое значение используется для полихроматического анализа, при котором для каждого трассируемого от источника луча номер длины волны выбирается случайным образом с учетом его веса, заданного в редакторе "Wavelength". 5) Color #: Цвет луча при его изображении на схеме. Если установить 0, то цвета лучей выбираются в соответствии с номерами длины волны трассируемых лучей. 6) Astigmatizm: Величина смещения для диаграммы распределения в XZ плоскости, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 7) X divergence: Угол расходимости в XZ плоскости; в градусах. 8) X supergaussian factor: Величина параметра супергауссова распределения по X. 9) Y divergence: Угол расходимости в Y2 плоскости; в градусах. 10) У supergaussian factor: Величина параметра супергауссова распределения по Y. 11-12) Number of diodes in X/Y: Количество диодов по осям X и Y. 13-14) Spacing of diodes in X/Y: Расстояние между диодами по осям X и Y; в линейных единицах измерения, установленных для схемы. Source DLL DLL источник Хотя в ZEMAX включено много разных типов источника, иногда требуется создать более подходящую модель источника путем определения нового алгоритма генерации лучей с желаемыми свойствами. ZEMAX позволяет также пользователю определять свои собственные модели источников с помощью таблиц, в которых задаются характеристики запускаемых от источника лучей; смотри дискуссию в следующем далее разделе "Source File". Для определения нового типа источника необходимо написать программу, алгоритм которой будет генерировать случайные лучи с требуемыми свойствами. Программы должны быть компилированы в Windows Dynamic Link Library, или DLL. Некоторые примеры DLL-источников вместе с исходными программами представлены в ZEMAX. Новые DLL-источники могут быть созданы просто путем компиляции имеющихся программ. Смотри в конце этой главы раздел "Comments about DLLs" ("Комментарий к программам DLL"). Source DLL parameters Параметры DLL-источников В каждом DLL может быть использовано от нуля до 30 задаваемых пользователем значений параметров, используемых для вычисления свойств источника. Эти значения определяются в DLL и используются только в DLL. Creating a new Source DLL Создание нового DII-источника DLL должен включать две функции: UserSourceDefinilion UserParamNames Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-55
Когда происходит запуск лучей от источника, моделируемого посредством DLL, ZEMAX обращается к функции UserSourceDefinition для получения данных о параметрах источника, длине волны и других характеристиках. Эта функция требуется далее для вычисления следующих величин: х, у. z. стартовые координаты луча; I. m. п: стартовые направляющие косинусы пуча; i: начальная относительная интенсивность луча. Эти величины 2ЕМАХ использует для начала трассирования луча. Функция UserParamNames используется для определения имен всех используемых параметров. Эти имена появляются в колонках парамеров для DLL-источника в NSC- редакторе. Лучший путь для изучения DLL-источников - это копирование имеющихся примеров DLL. Включенные в ZEMAX примеры DLL включают в себя обширную документацию и комментарии относительно формата данных; смотри, для примера, любой файл с записью исходной программы для DLL-источника. Все файлы с записью DLL-источников должны быть помещены в поддиректорий IOBJECTS\DLL\SOURCES главного директория ZEMAX. Sample Source Dlls Примеры DLL-источников Следующие примеры DLL-источников и исходных программ включены в ZEMAX SAMPLE SOURCE DLLS ПРИМЕРЫ DLL- ИСТОЧНИКОВ Имя DLL FIBER 1 Описание Модель плоского торца оптоволокна. Лучи исходят от диска с радиусом R. Профиль интенсивности задается выражением: l( г) = А + В г2 + С г4 , где 0.0 < г < R- После того, как стартовая позиция луча определена, лучи испускаются от поверхности в конус, числовая апертура которого зависит от радиальных координат: NA(r) = D + Er2 + Fr4. В пределах конуса, определенного числовой апертурой, распределение лучей - однородное. Величины параметров R4 A, В, С, D, Е и F задаются в NSC редакторе. 12-56 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Source Ellipse Эллиптим скии источник Эллиптический источник представляет собой плоскую эллиптическую поверхность, испускающую лучи. Хотя распределение испускающих точек по поверхности является Однородным, распределение лучей по направлениям может быть одним из следующих: a) Все лучи исходят из точечного источника, расположенного на локальной оси Z. Местоположение источника на оси Z задается величиной одного из параметров, перечисленных в приведенном ниже списке параметров. b) Распределение лучей по направлениям описывается законом косинуса в форме: 1@) и 'о (со! .С я где показатель степени Сп может быть любым целым числом, большим единицы. При этом виде распределения источник испускает лучи подобно диффузному источнику, излучающему по закону косинуса. Чем больше величина Сп, тем уже диаграмма распределения. Заметьте, что эта диаграмма распределения симметрична относительно оси Z. с) Распределение лучей по направлениям описывается законом Гаусса в форме: 7/1 \ I -{ЬЯ1 + О. Я? ) в где I и m - направляющие косинусы луча относительно осей X и Y, a Gx и Gy - постоянные величины. Эта форма распределения может быть использована для определения диаграммы далекого поля, имеющей различную ширину по осям X и Y. Чем больше величины постоянных Gx и Gy, тем более узким становится распределение по соответствующим направлениям. Тип распределения задается величинами перечисленных ниже параметров источни- источника. Если параметры Сп, Gx и Gy - все равны нулю, все лучи будут исходить от мнимого точечного источника. Если величина параметра Сп равна 1 или больше 1, то устанавливается распределение по закону косинуса (независимо от установленных значений параметров Gx и Gy). Если величина параметра Сп равна нулю, а величины параметров Gx и Gy не равны нулю, то устанавливается распределение по закону Гаууса. Для определения источника используются следующие параметры: 1) # Layout Rays: Определяет число, случайно генерированных источником лучей; используется только при изображении оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при анализе оптической схемы. 3) Power (Watts): Определяет мощность источника в Ваттах. Это полная мощность, испускаемая источником в заданную область пространства. 4) Wavenumber Номер длины волны, на которой трассируются случайные лучи. Если этот параметр равен нулю, то трассируются полихроматические лучи: ног/ера Глава 12; "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -57
длин волн выбираются случайным образом с учетом их весов, заданных в редакторе длин волн. 5) Object #: Порядковый номер источника, помещенного внутрь какого-либо NSC объекта Если все источники расположены вне NSC объектов, то величина этого параметра должна быть установлена равной нулю. 6) X Half Width: Полуширина источника по оси х. выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 7) Y Half Width: Полуширина источника по оси у, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 8) Source Distance: Расстояние мнимого точечного источника от излучающей поверхности вдоль локальной оси 2. Величина этого параметра может быть положительной или отрицательной величиной. Если величина параметра равна нулю, то испускается коллимированный пучок лучей. Этот параметр принимается во внимание только тогда, когда величины параметров Cn. Gx и Gy - все равны нулю. 9) Cosine Exponent: Величина показателя степени Сп в косинусоидальном распределении. 10) Gaussian Gx: Величина коэффициента Gx в гауссовом распределении. Игнорируется, если Сп не равно нулю. 11) Gaussian Gy: Величина коэффициента Gy в гауссовом распределении. Игнорируется, если Сп не равно нулю. 12) Source X: Х-координата точки, испускающей лучи. Если величина Параметра "Source Distance" равна нулю, то величина параметра "Source X" представляет собой величину направляющего косинуса относительно направления X для группы параллельных лучей. Этот параметр учитывается только в том случае, когда параметры Сп, Gx и Gy- все равны нулю. 13) Source Y: Y-координата точки, испускающей лучи. Если величина параметра "Source Distance" равна кулю, то величина параметра "Source Y" представляет собой величину направляющего косинуса относительно направления Y для группы параллельных лучей. Этот параметр учитывается только в том случае, когда параметры Cn, Gx и Gy - все равны нулю. Source Filament Источник типа "Спиральная нить" Этот тип источника можно представить себе в виде тонкого провода, свернутого в спираль. Провод свертывается N раз, образую спираль длиной L с осью, направлен- направленной вдоль оси 2. Радиус свертывания равен R. Лучи испускаются от случайно выбранных на оси точек спирали в случайных направлениях. Для определения этой модели источника используются следующие параметры: 1) # Layout Rays: Количество случайных лучей, запускаемых от источника для создания изображения оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Количество случайных лучей, запускаемых от источника при выполнении анализа оптической схемы. 3) Power (units): Полная мощность источника, выраженная в принятой для источников системе единиц измерения. Смотри в главе "System menu1 раздел "Source Flux Units". 4) Wavenumber: Номер длины волны, которая должна использоваться при трассировке случайных лучей от источника. Нулевое значение используется для . . . . _ _ t _ _ . ._ _ ___. 12 -58 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
полихроматического анализа, при котором для каждого трассируемого от источника луча номер длины волны выбирается случайным образом с учетом его Becat заданного в редакторе "Wavelength". 5) Color #: Цвет пуча при его изображении на схеме. Если установить 0, то цвета лучей выбираются в соответствии с номерами длины волны трассируемых лучей. 6) Length L: Длина спирали L, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 7) Radius R: Величина радиуса скручивания нити R, выраженная в установленных для схемы линейных единицах измерения. 8) Number of turns N: Число скручиваний N, безразмерная величина. Этот параметр может иметь значение меньше единицы или может принимать отрицательное значение (для противоположного направления вращения спирали). Ось спирали и ее длина ориентированы в направлении оси Z. Source File Источник типа "Source File" NSC объект типа "Source File" - это источник, определяемый пользователем: в специальном файле пользователь задает координаты, направление и интенсивность, испускаемых источником лучей. Имя файла, содержащего данные об источнике, должно быть указано в таблице NSC редактора, в колонке "Comment". Имя файла должно иметь расширение "dat", а сам файл должен быть помещен в директорий \OBJECTS. Файл может быть записан в формате ASCII или в двоичном формате; описание обоих форматов дано ниже. Источник определяется следующими параметрами: 1) # Layout Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при изображении оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при анализе оптической схемы. 3) Power (Watts): Определяет мощность источника в Ваттах. Это полная мощность, испускаемая источником в заданную область пространства. 4) Wavenumber: Номер длины волны, на которой трассируются случайные лучи. Если этот параметр равен нулю, то трассируются полихроматические лучи: номера длин волн выбираются случайным образом с учетом их весов, заданных в редакторе длин волн. 5) Object #: Порядковый номер источника, помещенного внутрь какого-либо NSC объекта. Если все источники расположены вне NSC объектов, то величина этого параметра должна быть установлена равной нулю. 6) Randomize?: Если величина этого параметра будет равна нулю, то лучи будут трассироваться в порядке, установленном в файле. Если величина этого пара- параметра будет отличаться от нуля, лучи будут трассироваться в случайном порядке. Restrictions on the number of rays selected Ограничение на количество лучей Имеются ограничения на количество, лучей в схеме и количество анализируемых лучей при использовании источника типа "Source File": Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -59
- Количество анализируемых лучей должно быть равно или быть больше, чем количество лучей в схеме. Количество анализируемых лучей устанавливается вдвое превышающим количество лучей, введенных в NSC редактор. Количество лучей в схеме и количество анализируемых лучей не должно превышать количество лучей, заданных в файле. Binary Source File format Формат двоичного файла "Source File" Двоичный файл имеет следующую структуру заголовка: typedef struct int Identifier; / / Должно быть установлено число 8675309 для быстрой проверки формата файла int NbrRays; / / Количество лучей в файле char Description [100]; / / Текст с описанием источника float SourceFlux; / / Полная мощность источника в Ваттах float RaySetFlux; //Мощностьзаданного количества лучей в Ваттах float Wavelength; //Длина волны в микронах; 0, если многоцветное излучение float AzimuthBeg, AzimuthEnd; //диапазон углов (по азимуту), в котором испускаются заданные лучи (в градусах) float PolarBeg, PolarEnd; / / диапазон углов (по высоте), в котором испускаются заданные лучи'(в градусах) long DimensionUnits; //линейные единицы измерения: метры=0, дюймы=1, сантиметры=2, футы=3, миллиметры=4 float LocX, LocY, LocZ; / / координаты положения источника (смещение по осям X, Y.Z) float RotX, RotY, RotZ; //углы поворота источника относительно координатных осей (в радианах) float ScaleX, ScaleY, ScaleZ; // масштаб расширения/сжатия источника вдоль координатных осей float unusedi, unused2, unused3, unused4; // неиспользованные int reservedi, reserved2, reserved3, reserved4; / / резервные } NSC_RAY_DATA_HEADER; // метка конца заголовка Данные типа "float" и "int" записываются в форме 32-разрядных двоичных чисел. Идентификационное число должно быть равно 8675309. Другие данные могут быть включены или не включены в файл; ZEMAX использует только значения параметров NbrRays и DimensionUnits. После заголовка следует запись данных о лучах. Данные для каждого луча записываются в форме: typedef struct float х, у, z; // координаты float I, m, n; // направляющие косинусы float intensity; // интенсивность 12 -60 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPON NTS
} NSC.RAYJ)ATA; // метка конца записи Максимальное количество лучей » 10000000. Размер файла, содержащего такое количество лучей, составит около 280 Мбайт. ASCII Source File format Формат ASCII Файла "Source File" I В формате ASCII заголовок файла "Source File" состоит только из одной строки, содержащей два целых числа: Количество_лучей Код_размерности Количество_лучей определяет полное количество лучей, записанных в файле. Код_размерности определяет линейные единицы измерения: метры=0, дюймы=1, сантиметры=2. футы=3, миллиметры=4. Остальные строки в файле имеют следующий формат: х у г I m n intensity Максимальное количество лучей = 10000000. Размер файла, содержащего такое количество лучей, составит около 3000 Мбайт C,0 Гбайт). Intensity normalization in source file Нормирование интенсивности в файлах "Source File" Каждый луч может иметь различную относительную интенсивность. Если величина интенсивности задана равной 1.0 для всех лучей, то нормировка производится так, как описано ниже. Когда файл с данными впервые загружается в память компьютера, интенсивности всех лучей суммируются, а затем нормируются к средней интенсивности. Если попный поток от источника задан в Ваттах, некоторое подмножество лучей может быть трассировано, а их суммарная интенсивность будет равна примерно полному потоку. Нормировка производится для произвольного подмножества лучей таким образом, чтобы их суммарная интенсивность соответствовала заданной мощности излучения. Source Point Точечный источник Источник типа "Source Point" представляет собой точку, испускающую лучи в задан- заданный (конический) телесный угол. Угол конуса может иметь любое значение между 0 и 180 градусами (в последнем спучае излучение испускается во всю сферу). Источник определяется следующими параметрами: 1) # Layout Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при изображении оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при анализе оптической схемы. 3) Power (Watts): Определяет мощность источника в Ваттах. Это полная мощность, испускаемая источником в заданную область пространства. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -61
4) Wavenumber: Номер длины волны, на которой трассируются случайные лучи. Если этот параметр равен нулю, то трассируются полихроматические лучи- номера длин волн выбираются случайным образом с учетом их весов, заданных в редакторе длин волн. 5) Object #: Порядковый номер источника, помещенного внутрь какого-либо NSC объекта. Еспи все источники расположены вне NSC объектов, то величина этого параметра допжна быть установлена равной нулю. 6) Cone angle: Величина половиннного угла конуса в градусах. Source Ray The Source Ray is a point which emits rays along specified direction cosines. This is useful for debugging, for example, the direction cosines may be used to recreate a ray that causes geometry errors. The parameters are: 1) # Layout Rays: Defines how many random rays to launch from the source when creating layout plots. 2) # Analysis Rays: Defines how many random rays to launch from the source when performing analysis. See "Choosing the number of analysis rays" on page 303. 3) Power (units): Power is the total power over the defined range of the source. The power units are specified by the system source units. See 'Source Flux Units" on page 63 for details. 4) Wavenumber: The wavenumber to use when tracing random rays. Zero means polychromatic; which chooses ray wavelengths randomly with the weighting defined on the wavelength data editor. 5) Color #: The pen color to use when drawing rays from this source. If zero, the color will be chosen according to the wavelength number of the ray selected for ray tracing. 6-8) Cosines: The local X. Y, and Source Rectangle Прямоугольный источник Источник типа "Source Rectangle" представляет собой плоскую прямоугольную поверхность, которая испускает лучи от мнимого точечного источника. Для определения этого источника используются те же параметры, как и для источника типа "Source Ellipse" (оба этих источника отличаются друг от друга только своей формой). Source Tube The Source Tube is similar to the Source Volume Cylinder, except the rays only emanate from the surface of the tube rather than the full volume. The parameters used to define this source are: 1) # Layout Rays: Defines how many random rays to launch from the source when creating layout plots. 2) # Analysis Rays: Defines how many random rays to launch from the source when performing analysis. See "Choosing the number of analysis rays" on page 303. 3) Power (units): Power is the total power over the defined range of the source. The power units are specified by the system source units. See 'Source Flux Units" on page 63 for details, 12-62 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPON NTS
4) Wavenumber: The wavenumber to use when tracing random rays. Zero means polychromatic; which chooses ray wavelengths randomly with the weighting defined on the wavelength data editor. 5) Color #: The pen color to use when drawing rays from this source. If zero, the color will be chosen according to the wavelength number of the ray selected for ray tracing. 6) Length "L11 in lens units. 7) Radius "R" in lens units. The axis of the tube, and the length L, are oriented along the 2 axis. Source Volume Cylinder Объемный источник в форме цилиндра Источник типа "Source Volume Cylinder11 представляет собой излучающий цилиндри- цилиндрический объем. Цилиндр имеет эллиптическое сечение (в плоскости XY), а его ось идет вдоль оси Z. Центр объемного источника располагается в начале локальной системы координат объекта. Лучи испускаются с равной вероятностью из случайных точек объема в случайных направлениях. Координаты точек, расположенных внутри объема, удовлетворяют следующим соотношениям: w. w. и где W относится к полуширинам по X, Y и 2. Источник определяется следующими параметрами: * 1) # Layout Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при изображении оптической схемы. 2) # Analysis Rays: Определяет число случайно генерированных источником лучей; используется только при анализе оптической схемы. 3) Power (Watts): Мощность источника в Ваттах. Это полная мощность, испускаемая источником в заданную область пространства. 4) Wavenumber: Номер длины волны, на которой трассируются случайные лучи. Если этот параметр равен нулю, то трассируются полихроматические лучи: номера длин волн выбираются случайным образом с учетом их весов, заданных в редакторе длин волн. 5) Object #: Порядковый номер источника, помещенного внутрь какого-либо NSC объекта. Если все источники расположены вне NSC объектов, то величина этого параметра должна быть установлена равной нулю. 6) X Half Width: Полуширина по оси X в установленных для схемы линейных вдиницах. 7) Y Half Width: Полуширина по оси Y в установленных для схемы линейных единицах. 8) Z Half Width: Полуширина по оси Z в установленных для схмы линейных единицах Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-63
Source Volume Ellipse Объемный источник в форме эллипсоида Источник типа "Source Volume Ellipse" представляет собой излучающий объем а форме эллипсоида вращения. Центр излучающего объема располагается в начале локальной системы координат объекта. Лучи испускаются с равной вероятностью из случайных точек объема в случайных направлениях. Координаты точек, расположенных внутри объема, удовлетворяют следующему соотношению: где W относится к полуширинам по X, Y и Z. Источник определяется параметрами, идентичными параметрам для источника типа "Source Volume Cylinder". Source Volume Rectangle Объемный источник в форме параллелепипеда Источник типа "Source Volume Rectangle" представляет собой излучающий объем в форме прямоугольного параллелепипеда. Центр излучающего объема располагается в начале локальной системы координат объекта. Лучи испускаются с равной вероятностью из случайных точек объема в случайных направлениях. Координаты точек, расположенных внутри объема, удовлетворяют следующим соотношениям: , \Z\<W. , где W относится к полуширинам по X, Y и Z. Источник определяется параметрами, идентичными параметрам для источника типа "Source Volume Cylinder". Object Placement Расположение NSC объектов Условия и ограничения на расположение объектов, относящихся к группе NSC, критически важны. Объекты могут быть расположены в любом месте 3-х мерного пространства и они могут быть определённым образом расположены относительно друг друга. Объекты могут быть также расположены внутри других объектов или соприкасаться (соединяться) с другими объектами. The object coordinate system Координатная система объектов Координатная система, в которой располагаются все объекты, определяется входным портом. Вершина входного порта имеет координаты @,0,0) и не может смещаться в своей собственной локальной системе координат. Положение самого входного порта в глобальной системе координат определяется глобальными координатами и углами поворота поверхности "NonSeqComp", заданными в редакторе Lens Data Editor (относительно глобальной опорной координатной поверхности). 12 -64 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Расположение каждого объекта определяется 6 параметрами: координатами X, Y и Z и углами поворота относительно локальных X, Y и Z осей в этой точке. Обратите внимание на порядок введения смещений и поворотов; сначала производятся смещения (децентровки), и только потом повороты относительно локальных осей (в том порядке, а котором эти параметры приведены в редакторе NSC Editor). Эта процедура может быть записана в форме следующего уравнения: V У/ где координаты с индексом g - глобальные координаты входного порта; координаты с индексом 0 - смещённые координаты; координаты с индексом I - локальные координаты объекта. Матрица S определяется поворотами системы координат объекта: 1 0 0 0 cos@J sin(^) 0 -sin((9,) cos((9T) У* Л. — V Уа /о. + cos@.) -sin@r) 0 sin@J cos@= ] 0 0 1 0 1 cos@,) 0 sin(^.) 0 \ 0 -sin(^) 0 cos@v) Эти уравнения могут быть записаны в следующей компактной векторной форме: где G - вектор глобальных координат и L - вектор локальных координат. Reference object Опорный объект По умолчанию отсчёт всех координат объекта начинается от входного порта. Однако, часто бывает полезным располагать объект не относительно входного порта, а относительно положения другого объекта. Это особенно полезно, когда нужно расположить объекты относительно друг друга в какой-либо группе (объектов), а затем произвести смещения и повороты всей группы в целом. Объект, относительно которого задаются координаты другого объекта, называется "опорным объектом"' ("reference object"). По умолчанию опорным объектом является объект под номером 0 - входной порт. Если в таблице редактора NSC в графе "Ref Object" указать другой номер опорного объекта, то координаты данного объекта будут относиться к указанному объекту с учётом его смещений и поворотов. Матрицы поворотов и смещений тогда принимают следующий вид: G = О+ S L Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-65
G = O+S'O + S'S L. Поддерживается любое число "вложенных" опорных координатных систем: например, объект под номером 9 может быть расположен в координатной системе объекта по& номером 5, который, в свою очередь, может быть расположен в координатной системе объекта под номером 3. Существует только одно ограничение - определяемый объект должен следовать в списке объектов (в таблице редактора NSC) после опорного объекта, относительно которого задаются координаты данного объекта. Placing objects within or adjacent to other objects Расположение объектов внутри других объектов или в соединении с ними Для получения более сложных объектов стандартные объекты ZEMAX можно комбинировать друг с другом, вкладывая один в другой или соединяя их вместе, для получения более сложных объектов. Трассировка лучей через такие составные объекты зависит от их типа и взаимного расположения и от того, соприкасаются они друг с другом или нет. В данном случае слово "соприкасаться" означает, что одна или несколько точек на границе поверхности одного объекта принадлежат также границе на поверхности другого объекта. Зеркальные объекты могут быть расположены где угодно: в полном или в частичном контакте с другими объектами или полностью внутри какого-либо другого объекта без каких-либо ограничений. Лучи будут всегда отражаться от зеркальных поверхностей обратно 8 ту среду, из которой они пришли. Glue distance When two NSC objects are placed in contact, such as a lens touching one face of a prism, numerical roundoff will cause the ray tracing algorithm to sometimes detect a very tiny distance between the two objects. This can also occur when objects are rotated in 3D space and placed close, but not exactly, next to one another because of the finite number of digits entered in the spreadsheet editor. The glue distance is the distance below which the objects are considered in contact. This value should only need adjustment from the default value of 1E-06 lens units (or 0.001 microns if the lens units are millimeters) in very rare cases. The glue distance also determines the minimum propagation length for ray tracing. If a ray- object intersection is less than the glue distance away from the previous intercept, the intercept is ignored. This can affect ray tracing results when tracing rays from faceted reflectors, and a ray strikes within the glue distance of the edge between two angled facets, see page 309 for a discussion. In most cases, no adjustment should be made to the glue distance. However, the value may be edited on the Non-Sequential tab of the System, General dialog box. Nesting object limits Ограничение на количество вложенных объектов 12 -66 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Предел на количество вложенных друг в друга объектов устанавливается поль- пользователем. Например, если пользователь установил, что количество вложенных объектов равно 3, то объект 3 может быть помещен внутрь объекта 2, который, в свою очередь, может быть расположен внутри объекта 1. При этом может быть задано любое число групп объектов и в каждой из них может быть по три вложенных друг в друга объектов. То есть предел устанавливается на количество вложенных объектов в отдельных группах объектов. Предел должен быть введен в таблицу "Non- Sequential tab", которая вызывается на экран через диалоговое окно "General1. Nesting volumes Вложенные объемы Материальные объёмы с преломляющим материалом ведут себя более сложно, так как 2ЕМАХ должен рассчитать значения показателей преломления вдоль пути распространения луча. Следует запомнить следующее правило: если луч попадает в одной и той же точке пространства сразу на два или более объектов, то свойства этой поверхности будет определять последний по списку NSC редактора объект. Имеется пять различных случаев» которые следует иметь в виду при работе с преломляющими объёмами: 1) Один объект полностью находится .вне другого объекта и не соприкасается с ним ни в одной точке. 2) Один объект полностью находится внутри другого объекта и не соприкасается с ним ни в одной точке. 3) Один объект полностью находится внутри другого объекта и частично соприкасается с ним в одной или более плоскостях. 4) Один объект полностью находится вне другого объекта и частично соприкасается с ним в одной или более плоскостях. 5) Один объект перекрывается другим объектом, так что часть его объёма находится внутри другого объекта. Случай 1: Если один объект находится вне другого объекта и они не соприкасаются друг с другом, то нет ограничений на трассировку лучей. Случай 2: Еспи один объект находится внутри другого объекта, то нет ограничений на трассировку лучей. Например, прямоугольный объём из аоздуха может быть помещён внутрь другого прямоугольного объёма из стекла для моделирования воздушной полости в объёме стекла. Случай 3: Два объекта могут быть расположены таким образом, что одна из граней одного объекта и какая-либо грань другого объекта будут расположены в одной плоскости Например, два прямоугольных блока из стекла могут быть расположены так, что одна или более граней одного объекта (частично или полностью) будут находиться в контакте (частично или полностью) с одной или более гранями другого объекта. Эти два объёма могут быть заполнены разными материалами. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-67
Однако, если один из объектов находится полностью внутри другого объекта, за исключением плоскости контакта, то "внутренний" объект ДОЛЖЕН быть определён в таблице редактора "NSC Editor" после "внешнего" объекта (имеется в виду порядок в списке объектов). Это требование вытекает из того, чтобы ZEMAX мог определить, на каком из материалов происходит преломление лучей, если объекты имеют несколько общих пограничных поверхностей. Любое число таких контактирующих объектов может быть расположено вместе друг с другом до тех пор, лока внешние объекты будут следовать в списке редактора "NSC Editor" перед внутренними. Если несколько объектов вложены друг в друга и имеют одну общую грань (как. например, блок стекла, расположенный внутри воздушного блока, который, в свою очередь, расположен внутри другого блока стекла), то самый внешний объект должен быть определён (в таблице редактора) первым, затем должен быть олределён следующий внутренний объект, а уж затем самый внутренний объект. Если этот порядок будет нарушен, то будет иметь место случай 5, и на экране появится сообщение об ошибке (если какой-либо из лучей пересечёт грань объекта, для которой нарушено указанное условие). Случай 4: Два объекта могут быть также расположены таким образом, что одна из граней одного объекта и одна из граней другого объекта будут находиться в одной плоскости, так что объекты контактируют только в этой плоскости, а их остальные объёмы находятся один вне другого. ZEMAX автоматически обнаруживает этот случай, так что в этом случае нет необходимости для соблюдения какого-либо порядка в записи объектов, а также нет необходимости в задании специальных параметров для корректной трассировки лучей. Случай 5: Если два объекта перекрываются друг с другом, так что только часть объёма одного объекта находится внутри другого объекта, то это приведёт к ошибке, поскольку вложенные объёмы не определены однозначно. ZEMAX автоматически обнаруживает такую ошибку и выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке, если какой-либо из лучей пересечёт "нарушенный" объём. General rule for object placement Главное правило расположения объектов Запомните: если луч попадает в одной и той же точке пространства сразу на два или более объектов, то свойства луча в этой точке будет определять последний из этих объектов по списку NSC редактора . Например, если линза с дифракционной решеткой является объектом номер 1, а другая линза без решетки с такой же толщиной и радиусом сделана из воздуха или стекла и помещена внутрь первой линзы и обозначена как объект номер 2, то 12-68 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
пуч поп сдающий в общую зону этих двух объектов, будет вести себя так, как если бы он попал только на объект номер 2, Это позволяет вводить в схему объекты с внутренними полостями и объекты со сложной внутренней структурой. Nesting surfaces Вложенные поверхности Приведенное выше правило вложения объектов друг в друга относится к твердотельным объемам, состоящих из материалов с преломляющими или отражающими свойствами. Некотрые специальные типы поверхностей также могут "вложенными" в том смысле, что более одной поверхности могут распола-гаться в одной и той же точке пространства. Правила вложения поверхностей те же, что и для твердотельных объектов, но такие поверхности не могут обладать преломляющими саойстами. Точно такое же прааило применяется к поверхностям, которое применяется к твердотельным объектам: если луч падает сразу на несколько поверхностей точно а одной и той же точке пространства, то свойства поверхности в этой точке определяются свойствами той поверхности, которая записана в таблице NSC редактора последней. К поверхностям применяется несколько простых правил в случаях, когда луч пересекается сразу с несколькими поверхностями в одной и той же точке: 1) Последняя по порядку поверхность (из перечисленых в таблице NSC редактора) определяет свойства" поверхности. 2} Если последняя по порядку поверхность является зеркальной, то луч будет отражаться. 3) Если последняя по порядку поверхность является поглощающей, то луч будет поглощаться. 4) Если последняя по порядку поверхность не является ни зеркальной, ни поглощающей, то луч будет просто игнорировать эту поверхность. 5) Поверхностные объекты не могут частично пересекаться с объемными объектами, если они не обладают отражающими или поглощающими свойствами или если они записаны в редакторе NSC после объемнго объекта; если поверхность записана в редакторе NSC перед объемным объектом, то свойства общей границы объекта с поверхностью определяются объемным объектом. 6) Только стандартные поверхности могут иметь общую границу с объемным объектом. Будущие версии ZEMAX будут поддерживать вложение поверхностных объектов друг в друга и в твердотельные объекты и дпя других типов поверхностей. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-69
Refraction and reflection from NSC objects Преломление и отражение на NSC объектах Для всех NSC-объектов можно задать в таблице NSC-редактора какой-либо материал. Отражающие, преломляющие и поглощающие свойства объекта зависят от типа объекта. - является ли объект материальным объёмом или поверхностью, - и от материала. Материал может иметь имена: "MIRROR", "ABSORB" или имена однородных стёкол, содержащихся в одном из каталогов стёкол. Если в таблице редактора NSC материал не указан, то принимается, что показатель преломления объекта равен 1: зта величина может совпадать или нет с величиной показателя преломления для всего пространства непоследовательного компонента, в которое погружен данный объект; величина показателя преломления для всего объема NSC компонента устанавливается в таблице редактора LDE для входного порта (для поверхности NonSeqComp). Описание свойств объектов дано в следующей ниже таблице. OBJECT PROPERTIES BY MATERIAL СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАТЕРИАЛА Object Type Тип объекта Volume (объём) Surface (поверхность) Polygon Object (объём) Polygon Object (поверхность) Пустота (пробел в таблице) или стекло Все грани являются преломляющими поверхностями Объект игнорируется Если в РОВ-файле грани определены как отражающие или как поглощающие, то они сохраняют эти свойства. Преломляющие грани останутся преломляющими. Объект игнорируется. Материал типа "MIRROR" Все грани являются отражающими поверхностями Если в РОВ-файле грани определены как поглощающие, то они сохраняют это свойство. Все другие грани становятся отражающими. Если в РОВ-файле грани определены как поглощающие, то они сохраняют это свойство. Все другие грани становятся отражающими. Материал типа "ABSORB" Все грани являются поглощающими поверхностями Если е РОВ-файле грани определены как отражающие, то они сохраняют это свойство. Все другие грани становятся поглощающими. Если в РОВ-файле грани определены как отражающие, то они сохраняют это свойство. Все другие грани становятся поглощающими. Отражающими объектами обычно являются поверхности, а не объёмы. Примерами могут служить плоские, искривленные и граненые зеркала. Световые трубки также могут быть промоделированы группой плоских рефлекторов. Некоторые типы рефлекторов могут иметь замкнутые объёмы, на внутренние поверхности которых свет никогда не попадает. Примерами могут служить прямоугольные или сферические объёмы, для которых все поверхности определены как отражающие. Любой объём, для которого указан материал типа "MIRROR" будет полностью отражающим. 12-70 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Преломляющие объекты всегда должны иметь замкнутые объёмы. Это относится к линзам, призмам, твёрдотельным световодам и замкнутым гранёным объёмам. Поглощающими свойствами могут обладать поверхности или объёмы, для которых указан материал типам "ABSORB". Объекты типа "Polygon" могут быть образованы из граней, и каждая отдельная грань может обладать либо преломляющими, либо отражающими, либо поглощающими свойствами. Обратите внимание на то, что объекты типа HSTL Object" проявляют себя таким же образом, как другие материальные объёмы, а не как объекты типа "Polygon Object", поскольку STL- формат не поддерживает разные свойства (преломляющие, отража-ющие или поглощающие) для отдельных граней. Diffraction from NSC object Дифракция на NSC объектах Некоторые NSC объекты, такие как "Diffraction Grating", "Binary 1" и "Binary 2", имеют одну или несколько поверхностей с нанесенной на них дифракционной структурой. Эти объекты преломляют и отражают лучи, а также дифрагируют их в соответствии с периодом или фазой решетки, порядком дифракции и длиной волны. Если уравнение решетки не может быть удовлетворено при заданных параметрах, то луч испытывает полное внутреннее отражение или отражается. Смотри ниже раздел "Diffraction tab". The object properties dialog box Диалоговое окно "Свойства объекта" Свойства всех объектов, включенных в таблицу NSC редактора, контролируются через диалоговое окно "Object properties" ("Свойства объекта"). Это включает определение типа объекта, установку на объекты специальных апертур, определение рассеивающих свойств поверхностей, определение покрытий и градиента показателя преломления. Диалоговое окно "Object properties" имеет много таблиц, описание которых дано ниже. Type tab Таблица для выбора типа объекта С помощью этой таблицы осуществляются следующие контрольные функции: Object Type: Используется для выбора типа объекта, например, сферы, эллипса, прямоугольника и других типов. Data File: Если тип объекта определен во внешнем файпе. как например, для бъекта типа "Polygon", то из этого списка внешних файлов можно выбрать нужное имя файла. Object Color: Позволяет выбрать цвет, в котором будет изображен объект на затенной твердотельной модели. User Defined Aperture: Если активизировать эту опцию, то выбранный UDA-файл будет использован для определения протяженности объекта. Не для всех объектов поддерживается эта опция. Смотри ниже раздел "User defined apertures". Aperture File: Если активизирована опция "User Defined Aperture . то из открывшего списка можно выбрать UDA-файл под нужным именем. Гпава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -
Consider Objects: Детальное обсуждение этой контрольной функции дано ниже 8 разделе Defining paths using the Consider Objects list". Rays Ignore This Object: Если объект включается в схему только для улучшения изображения затененной модели или в качестве вспомогательного опорного объекта, то трассирование лучей через схему будет более быстрым, если активизировать эту опцию, так как 2ЕМАХ перестанет вести контроль за тем, пересекаются ли лучи с этим объектом или нет. При этом возможна неправильная трассировка луей. если лучи будут пересекаться с этим объектом, так как они будут проходить через этот объект так, как будто его не существует. Object is A Detector: Если активизировать эту опцию, то грани объекта будут обладать детектирующим свойством. Только граненые объекты могут использоваться в качестве детекторов; для других объектов эта опция не поддерживается. Color: This control selects the color scheme used to represent faceted objects that are detectors on the shaded model plot. Color by flux will color each facet according to the total power incident on that facet. Color by irradiance will color each facet by the power per area; which is the flux divided by the area the facet represents. Generally choosing irradiance will be yield more easily interpreted results if the facets are not all the same size. Only faceted objects that are detectors use this feature. Do Not Draw Object: If checked, then the object will not be drawn on layout plots. Rays will still act as though the object were there. This control is useful to remove from the layout an object that encloses other objects, so the inner objects may be seen more easily. Use Global XYZ Rotation Order: If checked, the rotation convention for object tilts is to first rotate about the X axis, then the Y axis, then the Z axis. It unchecked, the rotations are done about the Z axis, then the Y axis, then the X axis. This latter ZYX convention is what a sequential coordinate break surface does if the order flag is zero. Note that rotating using the ZYX convention is exactly the same as rotating about the X axis, then rotating about the "new" Y axis, then finally the "new" Z axis. Coating/Scattering tab Таблица для определения свойств рассеивающих поверхностей The Coating/Scattering tab supports the following controls: Coating/Scatter Group #: For a description of coating/scattering groups, see page 292. Scatter Profile: A scatter profile is a collection of settings related to the thin film coatings and scattering model data applied to a coating scattering group. Suppose that many objects in an optical system are all composed of the same material and have the same coating and scattering properties. Rather than type this identical data in for each object; the data may be typed in once, then saved to a profile with a user defined name. Once saved, any other object may use the same profile. Profiles are stored in the file whose name is specified on the Files tab of the System, General dialog box; see "Scatter Profile" on page 66 for details. If unique settings for this object are desired, then choose "Use definitions below" to edit the scattering parameters. If a profile is selected; then the coating and scattering data boxes 12 -72 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
will be disabled, as this data Is defined by the selected profile. However, the settings will be displayed. Save As New Profile: Saves the current scattering settings as a new profile. Pressing this button will prompt for the name of the new profile. Delete Profile: Removes the currently selected profile from the Scatter Profile file. Coating: The name of the coating to apply to the surfaces within the selected group. See page 292. Coatings are defined in the system coating file, see "Defining coatings in ZEMAX" on page 421 for details. Scatter Towards: For a detailed discussion of this feature see "Defining a Scatter Towards list" which follows on 291. For all other scattering controls, see the discussion Bulk Scattering tab Таблица для определения свойств рассеивающих твердотельных объектов The Bulk Scattering tab is used to define bulk (volumetric) scattering of solids. The tab supports the following controls: Model: Select either no bulk scattering, angle scattering, or DLL defined scattering. For a detailed description of bulk scattering, see "Bulk scattering" on page 297. Mean path: The mean path between scatter events. Angle: The angular cone in which the rays scatter. DLL: The name of the DLL which defines the scattering Remaining controls: The remaining controls are used to define the parameters to be passed to the DLL. GRIN tab Таблица для определения свойств твердотельных GRIN- объектов The GRIN tab is used to define the properties of solids made of a gradient index material The tab supports the following controls: Use DLL defined GRIN media: If checked, then the object will use an externally provided DLL to define the properties of the gradient index media. DLL: The name of the DLL to use. Maximum Step Size: The maximum step size to use during piecewise ray tracing. Remaining controls: The remaining controls are used to define the parameters to be passed to the DLL For more information on defining GRIN media, see page 298. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -73
Diffraction tab Таблица для определения свойств дифракционных поверхностей The Diffraction tab is used to define the properties of diffractive surfaces. The tab supports the following controls: Split: Selects how rays are split off from diffractive surfaces. The options are: Don't split by order: The rays will not split at the surface. Only the order defined by the object parameters will be traced, and all the transmitted energy goes into this one order. Split by table below: A user defined number of rays will be traced over a range of integral orders. The fraction of energy given to each order is deftned by the user in a table. Split by DLL function: An external DLL program is used to define which orders are traced, how much energy each order is given, and optionally, what the output ray properties are (for user defined diffraction). For more information on defining Diffraction DLLs, see page 299. DLL: The name of the DLL to use. This DLL must be placed in the \DLL\DIFFRACT subdirectory of the \OBJECTS directory. See "Directories" on page 41. Start/Stop order: The beginning and ending order number. These numbers determine how many cells in the table are active; and how many times the DLL will be called to compute the output ray properties. Polarization tab Таблица для определения поляризационных свойств NSC источников The Polarization tab is used to define the polarization of light emanating from NSC sources. The tab supports the following controls: Random Polarization: If checked, the source will emit randomly polarized light. If unchecked, the polarization state may be defined using the other controls on this tab. Ex, Ey: The magnitude of the electric field in the local x and у directions, respectively. X-Phase, Y-Phase: The phase in degrees of the electric field in the local x and у directions, respectively. Initial Phase: The initial phase of the ray in degrees, with 360 degrees being equal to one wave of optical path. This setting only affects coherent ray computations which depend upon the phase of the ray. Coherence Length: The length of ray propagation in lens units over which the phase is known. For details on Coherence Length effects'see "Coherence length modeling" on page 298. Since rays in general occupy a 3D space, the electric field in the Z direction is determined by the above data assuming the Ex and Ey values are the projections down on to the focal YZ plane of the source. The resulting electric field will always be perpendicular to the ray propagation vector. 12 -74 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
The polarization properties of the source should only be set non-random if the source is reasonably well collimated. Partially polarized sources may be simulated by superimposing sources with different polarization properties at the same location. Defining paths using the Consider Objects list Определение путей луча путем задания списка учитываемых объектов It is often the case that rays propagating within an NSC group follow a reasonably well defined path. For example, when several lenses are mounted in a tube, rays striking lens #5 will either hit lens #4 or lens #6 next; or possibly the tube itself. If the list of possible objects to intersect is known, and the number of objects on this list is small compared to the total number of objects; then significant ray tracing speed gains may be made by telling ZEMAX to only consider the subset of objects the ray may hit. The Object Type tab has a user-definable list labeled "Consider Objects" for doing this. If left blank (the default), then rays leaving this object may strike any object, and ZEMAX will use it's own internal algorithms for determining which object is actually hit. To specify the subset of objects the ray may hit when leaving an object, list the object numbers separated by a space. For example, to specify that rays leaving an object may hit objects 4, 6, or 23, enter the string  6 23" on the Consider Objects data field. ZEMAX will automatically update this table as new objects are inserted or deleted. The maximum number of objects that may be listed is 10. If a ray may hit more than 10 different objects; leave this field blank. Use zero for the object number of the exit port. If you are unsure as to what objects a ray leaving any object will hit, leave this field blank. If any object is listed in the list; only the listed objects will be tested for ray intercepts! This means incorrect ray tracing results will occur if the list does not explicitly include all possible objects that may be hit by rays leaving the current object. It is not required for an object to consider itself; ZEMAX will always check to see if a ray strikes the same object multiple times automatically. Defining a Scatter Towards list When scattering rays for a stray light analysis, a very large number of rays may need to be traced to find a relatively small number of rays that strike an object of interest, such as a detector. The Scatter Towards feature speeds up the analysis by ignoring scattered rays which do not propagate towards an object of interest. The Scatter Towards list is very similar to the Consider Objects list described in the preceding section. The Scatter Towards list is a string of integer object numbers separated by spaces. A scattered ray will only be traced if the ray intersects one of the objects listed. The scattered ray may also always hit the object it scattered from, whether or not the scattering object number is included on the Scatter Towards list For example, suppose object 2 defines the Scatter Towards list as  A". If a ray scatters off object 2. it will only be traced if the ray will intersect objects 2, 3. or 4 Note the possible objects to trace towards always includes the object that scattered the ray. Note that choosing an object on the Scatter Towards list does not guarantee that a scattered ray will be traced toward that object. The scattered rays are generated based upon the scattering properties of the object the incident ray strikes (see Scattering" on page 293). ZEMAX will generate the scattered rays, then simply ignore those rays that do Гпава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -75
not intersect any of the listed objects. The method used by ZEMAX does not insure that a ray will scattered toward a listed object. However, the number of scattered rays (see "Fraction to scatter and number of scatter rays" on page 293) may be made large so that it is more probable some of them will head in the desired directions. Although algorithms exist that can guarantee that a ray scatters in a particular direction, for proper energy normalization they require that the integral of the scatter distribution function over the projected solid angle of the target object be known. Since this integral is extremely difficult to compute in virtually all cases, the algorithms require severe approximations be made to the integral which may introduce data inaccuracy. ZEMAX does not make these solid angle integral approximations, and uses only the exact scatter distribution function in computing ray energies and scatter directions. To turn off the Scatter Towards feature, leave the list blank. In this case, all scattered rays will be traced. The key difference between the Scatter Towards list and the Consider Object list is that the Scatter Towards list only applies to scattered rays, while the Consider Object list applies User Defined Apertures Апертуры, определяемые пользователем Эта опция поддерживается только для объектов типа "NSC Standard Surface". Апертура, определяемая пользователем (UDA), может быть установлена на поверхность NSC объекта. Апертура UDA определяется точно таким же образом, как и для "последовательных" поверхностей (см. в главе "Editors" раздел "User defined apertures and obscurations"), с одним ограничением: файл с данными NSC UDA должен содержать один непрерывный ряд точек, определяющих только один замкнутый многоугольник. Не допускается введение составных или вложенных друг в друга апертур. Апертуру многих форм могут быть определены таким образом. Чтобы расположить апертуру на поверхности объекта, откройте диалоговое окно "Object Type", выберите в открывшемся спичке апертуру типа "User Defined Aperture" и укажите имя файла, содержащего данные UDA. Файл UDA должен быть помещен в директорий \OBJECTS. Coating and scatter groups Группировка поверхностей объекта по их рассеивающим свойствам и типам покрытий Покрытия и рассеивающие свойства поверхностей NSC объектов определяются через специальное диалоговое окно, доступ к которому осуществляется из табпицы редактора NSC путем двойного нажатия левой клавиши мышки на колонку "Object Туре" (в строке рассматриваемого объекта). В нижней части этого окна имеется строка под названием Coating/Scatter Group с изображением 4-х электронных клавиш с номерами 0, 1, 2 и 3. Это кодовое обозначение групп поверхностей объекта, на которые условно подразделяются все поверхности объекта. Например, поверхности простой одиночной линзы подразделяются на три группы: фронтальная поверхность, задняя поверхность и все остальные поверхности (включая торец и фаски). Для каждой группы поверхностей может быть выбран какой-либо один тип покрытия и 12 -76 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
заданы одинаковые рассеивающие свойства. Покрытия и рассеивающие свойства для данной группы поверхностей определяются для каждого объекта в отдельности ZEMAX в настоящее время поддерживает до 4 групп поверхностей на объект, хотя для большинства объектов обычно используется только одна группа. Группы CGS нумируются от 0, так что рабочие группы имеют номера от 0 до 3. Группа определяется для каждого объекта. Тип покрытия и рассеивающие свойства устанавливаются для каждой группы с помощью диалогового окна "Object Type". Контрольное окно CGS используется также для определения тех граней объекта, к которым применяется данная группа CGS. Polarization and thin film coating Поляризация и тонкопленочные покрытия Трассировка лучей через NSC объекты может быть произведена с учетом или без учета поляризационных эффектов. При трассировке поляризованных лучей принимаются в расчет пропускающие, отражающие и поглощающие свойства всех поверхностей; принимается в расчет также объемное поглощение в материале. Тонкопленочные покрытия оказывают значительное влияние на пропускающие и отражающие свойства оптических поверхностей. Изначально поверхности объектов не имеют никакого покрытия, но покрытие может быть задано для какой-либо одной поверхности объекта или для группы поверхностей (см. предыдущий раздел). Coating on surfaces in contact Покрытия на поверхностях, находящихся в контакте друг с другом Если две поверхности находятся в контакте друг с другом (как, например, у двух 45- 45-90 призм, расположенных так, что грань одной призмы находится в контакте с гранью другой призмы), то "нанести" покрытие можно "между" контактирующими поверхностями. Это можно сделать, опираясь на главное правило расположения NSC объектов, формулировка которого была дана в разделе "Object Placement". Это правило формулируется так: ПОСЛЕДНИЙ по списку NSC редактора объект из двух находящихся в контакте друг с другом определяет свойства границы раздела двух объектов. Например, для "нанесения" тонкой металлической пленки в промежуток между двумя находящимися в контакте призмами, образующими расщепитель пучка лучей, первая по списку призма должна иметь непокрытую поверхность, а вторая по списку призма должна иметь поверхность с нужным покрытием. При этом отражающие и/или пропускающие свойства покрытия будут учтены правильно вне зависимости от направления лучей. Заметьте, что при моделировании призм с помощью РОВ-объектов каждая из контактирующих поверхностей может иметь свой тип покрытия, так что грань одной призмы может иметь антиотражающее покрытие, а грань другой призмы - отражающее покрытие. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -77
Scattering Рассеивание Рассеивающие свойства определяются для каждой CSG-группы поверхностей объекта (см. раздел "Coating and scatter groups1, в котором дано описание CSG-rpynn). По умолчанию рассеивание на поверхностях не учитывается (установлена опция Scattering"). В таком случае прошедший через поверхность луч называется "нерассеянным лучом" или. иногда, "зеркальным лучом" (если даже поверхность не является зеркальной). Fraction to scatter and number of scatter rays Фракция рассеянной энергии и количество рассеянных лучей Если моделируется рассеивание лучей, то должна быть задана величина параметра "Fraction to Scatter". Этот параметр должен иметь численное значение между 0 (нет рассеиваемых лучей) и 1.0 (все лучи рассеиваются). Если лучи не расщепляются (см. ниже раздел "Ray splitting"), решение о том, рассеивать или не рассеивать данный луч, принимается путем генерации случайного числа между 0.0 и 1.0. Если полученное случайное число будет больше числа, определяющего фракцию рассеиваемых лучей, то этот луч не будет рассеян; в противном случае этот луч рассеивается. Так как этот луч не расщепляется, то вся его энергия будет направлена по случайно выбранному (с учетом установленного закона рассеивания) пути рассеивания. Установленная величина параметра "Number Scatter Rays" (определяющего количество расщеплений луча в результате его рассеивания) игнорируется, если лучи не расщепляются. Если лучи расщепляются (см. ниже раздел "Ray splitting"), то ZEMAX может расщепить луч на один или более рассеянных лучей; при этом трассировка зеркального луча продолжается. Если величина параметра "Number Scatter Rays" равна нулю, то рассеяные лучи не будут генерированы. Если величина этого параметра будет установлена, например, равной 5, то трассироваться будет зеркальный луч и 5 дополнительных рассеянных лучей. Если лучи расщепляются и величина параметра "Number Scatter Rays" установлена равной 1 или больше, ZEMAX всегда генерирует пути рассеянных лучей. Фракция рассеиваемых лучей в таком случае интерпретируется как часть рассеиваемой энергии, которая делится между всеми рассеянными лучами. Фракция рассеиваемых лучей может быть интерпретирована как "Total Integrated Scatter" или TIS - полное количество рассеянной энергии. Scatter models Модели рассеивания Модели рассеивания определяются функциями распределения плотности вероятности направлений рассеивания лучей. Когда ZEMAX рассеивает луч, выбирается новое направление его распространения, ZEMAX не генерирует множество новых лучей, а вместо этого изменяет направление распространения трассируемого луча. Новое направление распространения выбирается случайным образом в соответствии с заданной функцией распределения плотности вероятности углов рассеивания 12 -78 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
На приведенном ниже рисунке показаны векторы, используемые для описания моделей рассеивания. Ввктор нормали /V определяет ориентацию поверхности в точке пересечения с ней луча. /- вектор падающего луча; R- вектор зеркального луча; 5- вектор рассеянного луча. Зеркальный вектор может быть вектором отраженного или преломленного луча; на рисунке для простоты этот вектор показан как вектор отраженного луча. Заметьте, что вектора jV , /, R и S- единичные вектора. Проекции векторов зеркального и рассеянного лучей на поверхность обозначены как Д, и /?. Проекции не являются единичными векторами: вектор /?0 имеет величину, равную sin 6г, а вектор E - величину, равную sin0Jt где 0г и #Л - углы между вектором нормали и векторами зеркального и рассеянного лучей, соответственно. Вектор рассеяния обозначен как -V; если величина модуля этого вектора стремится к нулю, то вектор рассеянного луча и вектор зеркального луча совладают. Определение вектора .V зависит от выбранной модели рассеивания. В ZEMAX используются четыре модели рассеивания: 1) None (нет рассеивания) 2) Lambertian (ламбертовское) 3) Gaussian (гауссово) 4) Harvey-Shack. Описание каждой из этих моделей дано ниже. No scattering Нет рассеивания Зеркальный луч не модифицируется, .v = 0. Глава 12: НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-79
Lambertian scattering Ламбертовское рассеивание Функция распределения плотности вероятности направлений рассеянных лучей пропорциональна cos03. Заметьте, что рассеивание по Ламберту не зависит ни от угла падения луча, ни от угла преломления (отражения) луча. Величина вектора рассеивания х с равной вероятностью принимает значения от 0 до 1, а длина вектора Д, устанавливается равной нулю. Большинство диффузных поверхностей рассеивают свет в соответствии с этой моделью. W Gaussian scattering Гауссово рассеивание Гауссово рассеивание опредепяется функцией распределения плотности вероятности в форме: Р{\) = А е °* , где А - нормирующий множитель. Случайные числа используются для генерации величин вектора х. Результирующее распределение обладает вращательной симметрией в пространстве направляющих косинусов вне зависимости от величины угла между зеркальным лучом и нормалью к поверхности. Величина а - полуширина распределения по уровню 36.7% - задается в диалоговом окне CSG. ABg model scattering АВд рассеивание Модель рассеивания Harvey-Shack, или модель АВд, является очень мощным и широко используемым методом для определения Bidirectional Scattering Distribution Function, или BSDF функции (функция распределения вероятности для двунаправ- двунаправленного рассеивания). Функция BSDF определяется как относительная величина рассеянного излучения по отношению к падающему излучению: где 0 измеряется от нормали, а ф - азимутальный угол; индексы i и s относятся к направлениям падения и рассеивания луча1, соответственно. Заметьте, что BSDF выражается в обратных стерадианах. Основное выражение BSDF может быть использовано для определения двух различных функций: BRDF и BTDF; первая из них описывает закон рассеивания в направлении отраженного луча, а вторая - в направлении пропущенного луча. ZEMAX позволяет отдельно определить обе эти функции, как это изложено в следующих разделах. 12 80 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
BSDF properties BSDF свойства Для многих оптических поверхностей функция BSDF не зависит от направления падения луча, если она выражена как функция направляющих косинусов, а не углов. Это было впервые сообщено James E. Harvey ("Light-Scattering Properties of Optical Surfaces", J. E. Harvey. Ph. D. Dissertation, University of Arizona, 1976; "Scattering Effects from Residual Optical Fabrication Errors", J. Harvey and A. Kotha, Proceedings of the SPIE. July. 1999). Модель рассеивания Harvey-Shack представляет собой зависимость BSDF от или от \х - величины расстояния между проекциями векторов рассеянного и нерассеянного лучей на рассеивающую поверхность (см. выше раздел "Scattering"). Модель рассеивания Harvey-Shack хорошо подходит для моделирования рассеива- рассеивания, обусловленного случайной изотропической шероховатостью поверхности, когда масштаб шероховатости мал в сравнении с длиной волны рассеиваемого света. Это приближение обычно выполняется для полированных оптических поверхностей. The ABg BSDF model Модель ABg BSDF Когда BSDF рассматривается как функция от величины Щ, результирующие данные могут быть аппроксимированы функцией вида: Три параметра - А, В и д, - используемых для подгонки данных, дают начало наименованию этой модели - модель ABg BSDF. На величины этих параметров налагаются следующие ограничения: А и В должны быть больше нуля. Если пользователем будет задано В = 0, то ZEMAX исправит эту ошибку и установит В = 1.0Е-08. Если пользователем будет задано А = 0, то рассеивания производиться не будет. Еспи пользователем будет задано g = 0 (заметьте, что этот параметр может иметь любое положительное или отрицательное значение, но обычно его величина находится в пределах от 0 до 3), то BSDF будет иметь постоянную величину в пространстве направляющих косинусов: * BSDF = -А , и результирующее рассеивание будет ламбертовским. Если величины параметров А, Вид подобрать такими, чтобы кривая BSDF была относительно плоской, то в числовом отношении ее гораздо выгоднее использовать, чем модель Ламберта. Типичная кривая Abg BSDF показана на рисунке для параметров А = 0.002, В = О.0005,д = 2.0. Глава 12: НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -81
НО1 МО I 1 1 1 ■ r j—: — t ■ r 1 II — 1 1 i 1 1 II T "I 1 1 1 1 ВМИ for Л i ;j —— , t ■ ■' 1 1 ill" / —- -\ 1—1—' 1 - 1 1 L. J_ i i 1 - * s 4 \ ~ * 1 . 1 \ . T t 1 m — | — -rl — 1 1 1 - 1 1 = * t --FF t i ■T 1 = \ s T _1 I 1 • 1 J t, ml. l I .4 V ■ \ ■10 Модель ABg BSDF имеет несколько интересных свойств (когда g не равно нулю!): Когда Р~Ръ «Вл функция BSDF уплощается к значению АУВ при ft-fiQ -> 0. Когда Р~ Ро\ » В , функция BSDF принимает на логарифмическом графике форму прямой линии с индексом наклона -д. Переход графика от плоской к наклонной части происходит около точки Defining ABg data Определение ABq данных It is frequently the case where the same ABg data will be applied to many objects in the optical system (for example, when several objects are all painted with the same type of paint). To avoid the need to type in the same data redundantly, and to simplify the task of editing the ABg data, ZEMAX provides an ABg data catalog. The catalog may be edited by selecting Tools, then ABg Scatter Data Catalogs from the main menu; see page 167 for details. Note the ABg data defined must integrate over all possible scatter angles to a total value of less than 1.0 to conserve energy. 12-82 Chapter 12; NON-SEQUENTIAL COMPONfcNTS
Scattering rays using the ABg model Рассеивание лучей с использованием модели ABq ZEMAX позволяет задать величины параметров А, В и g как для отраженных, так и для преломленных лучей. Полная фракция рассеиваемых лучей задается в графе "fraction to scatter" в диалоговом окне, с помощью которого определяются типы покрытий и рассеивающие свойства поверхностей. Поэтому эта часть лучей представляет собой суммарную рассеянную энергию. Zemax, прежде всего, принимает решение, рассеивать луч или нет, как это описано выше в разделе "Scattering". Если луч должен быть рассеян, то генерируется случайный луч. Направление пуча генерируется таким образом, что при большом количестве рассеянных лучей закон рассеивания аппроксимируется функцией BSDF. 0 Bulk scattering Объемное рассеивание Bulk (volumetric) scattering models random scattering of rays while propagating through a solid object. ZEMAX supports 3 modes for the bulk scattering of a solid object: -No Bulk Scattering -Angle Scattering -DLL Defined Scattering Each model is described below. No Bulk Scattering If no bulk scattering is selected, rays will propagate through the solid without scattering. Angle Scattering Angle scattering uses a simple model for scattering within a solid. Rays traveling a distance x within the media have an integrated probability of having been scattered given by p(x) = 1.0 - <?~MX, where = h- and the symbol M is the mean free path in lens units. Note that as x increases, the probability that the ray has scattered asymptotically approaches 1.0. Setting this expression to a randomly selected value between 0.0 and 1.0, then solving for x. yields a randomly generated path length with the correct statistics. If this path length is greater than the distance the ray propagates to the next ray-object intersection, then no scattering occurs; otherwise, the ray scatters at the specified position along the propagation direction. Once the position is determined, the scattering is modeled by a new ray direction being Глава 12: НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -83
chosen. For angle scattering, a random angle is chosen so that the new ray direction lies uniformly distributed within a cone that makes an angle with respect to the current ray direction. The semi-angle of the cone is one of the parameters to the model, and this parameter should be set to between 0.0 and 18D degrees. The latter value will scatter the ray randomly in any direction. Once the ray scatters, ZEMAX automatically will adjust the polarization vector and randomize the phase of the scattered ray. DLL Defined Scattering If the simple angle scattering model is not sufficient, more complex bulk scattering functions may be defined via an external program called a Dynamic Link Library (DLL). Sample DLLs are provided with ZEMAX with source code. New DLLs may be easily created with a suitable compiler. See also "Comments about DLLs" on page 310. Defining an object to use DLL defined bulk scattering To make an object use a DLL defined bulk scatter function, choose the Bulk Scattering tab from the object properties dialog box, then select Model: "DLL Defined Scattering". The available DLL functions are then listed in the "DLL:11 control. DLL parameters Each DLL may use between zero and 12 user defined data values as parameters in the computation of the media properties. These values are defined by the DLL and are only used by the DLL Creating a new DLL The DLL must include two functions: UserBulkDefinition UserParamNames While ray tracing through a solid using DLL defined bulk scattering. ZEMAX passes to the UserBulkDefinition function the current propagation length along the ray, various ray data values, and other parameter data as defined by the user. UserBulkDefinition then is required to determine if the ray will scatter at some point along the propagation length. If the ray will scatter, then UserBulkDefinition must determine the following values: The position at which the ray will scatter The new direction cosines of the ray The attenuation of the ray, if any Optionally the new electric field vector (if this is not provided ZEMAX will make a reasonable guess) These values are returned to ZEMAX and are used to continue the trace. The function UserParamNames is used to define the names of all used parameters. These names appear in the Bulk Scatter tab of the object properties dialog box. Bulk scattering DLLs must be placed in the \DLL\BULKSCAT subdirectory of the \OBJECTS directory. See "Directories" on page 41. 12 -84 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONfcNTS
Coherence length modeling Моделирование длины когерентности By default, non-sequential sources in ZEMAX are either purely monochromatic, or simulated to be polychromatic by tracing more than one monochromatic wavelength. Physically, no source is perfectly monochromatic. A more realistic model for a nominally monochromatic source is to account for the range of wavelengths emitted by the source. A convenient parameter is the coherence length; defined as where is the coherence length, is the speed of light in vacuum and is the range of frequencies emitted by the source, also called the bandwidth. A more convenient representation is the range of wavelengths emitted defined in terms of the coherence length: Ax Using this expression, it is easy to compute the variation of optical path length (phase) as the ray propagates. This is modeled in ZEMAX by randomly choosing a wavelength within for purposes of computing the optical path and thus the phase. ZEMAX chooses the random wavelength with a uniform distribution. The greater the path difference between two rays from the same source, the greater the difference in phase between the rays will be; which means coherent effects such as fringe visibility will be reduced. ZEMAX actually traces the ray using the central wavelength. The randomized wavelength is only used to compute the effects of coherence length on the phase. Therefore, only coherent computations will exhibit the phase degradation. To turn off coherence degradation, either set the coherence length to a very large number or to zero. To make sources completely incoherent, set the coherence length to a small but non-zero number. Defining GRIN media for non-sequential ray tracing Определение среды с градиентом показателя преломления для непоследовательной трассировки лучей Any solid enclosed volume may be made of a homogeneous material (the default assumption) or the media may be of a gradient index. All gradient index materials used by non-sequential objects are defined in a separate program called a Dynamic Link Library (DLL). Numerous DLLs are provided with ZEMAX with source code. New DLLs may be easily created with a suitable compiler. See also "Comments about DLLs" on page 310. Defining an object to be of gradient index material To make an object media by of a gradient index material, choose the GRIN tab from the object properiiesdialog box, then select "Use DLL defined GRIN media11. The available gradient index materials are then listed inthe "DLL:" control. Глава 12: 'НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ' КОМПОНЕНТЫ 12 -85
Discussion on maximum step size for GRIN objects The maximum step size determines the tradeoff between ray tracing speed and accuracy. The exact value required depends upon the rate at which the index of refraction changes and the desired accuracy of the computations. If the maximum step size is too large, the ray trace results will have large errors, and some rays will miss objects they would otherwise hit, orvice-a-versa. GRIN DLL parameters Each DLL may use between zero and 12 user defined data values as parameters in the computation of the media properties. These values are defined by the DLL and are only used by the DLL. Creating a new GRIN DLL The DLL must include two functions: UserGrinDefinition UserParamNames While ray tracing through a GRIN media, ZEMAX passes to the UserGrinDefinition function the current x, y, and z location of the ray (in the objects local coordinate system), the wavelength, and other parameter data as defined by the user. UserGrinDefinition then is required to compute the following four values: n (the index of refraction) n * dn/dx (the index times the derivative with respect to the x direction) n * dn/dy (the index times the derivative with respect to the у direction) n * dn/dz (the index times the derivative with respect to the z direction) These four values are returned to ZEMAX and are used to trace the ray through the grin media. The function UserParamNames is used to define the names of all used parameters. These names appear in the GRIN tab of the object properties dialog box. GRIN DLLs must be placed in the \DLL\GRINS subdirectory of the \OBJECTS directory. See "Directories" on page 41. Defining DLLs for ray splitting at diffractive surfaces Определение дифракционных свойств поверхностей DLL Any diffractive surface may split rays that started at a non-sequential source, by order, to allow for simultaneous tracing of multiple diffracted orders. How many rays split, and how much energy is in each order, may be defined externally in a separate program called a Dynamic Link Library (DLL). Numerous DLLs are provided with ZEMAX with source code. New DLLs may be easily created with a suitable compiler. See also "Comments about DLLs" on page 310. 12 -86 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Defining an object to use the diffraction DLL To make a diffractive object use the DLL, choose the Diffraction tab from the object properties dialog box, then select "Split by DLL function". The available DLLs are then listed in the "DLL:" control. Diffraction DLL parameters Each DLL may use between zero and 12 user defined data values as parameters in the computation of the diffractive surface properties. These values are defined by the DLL and are only used by the DLL. Creating a new Diffraction DLL The DLL must include two functions: UserDiffraction UserParamNames While ray tracing through a diffractive surface, ZEMAX passes to the UserDiffraction function the current x, y, and z location of the ray (in the objects local coordinate system), the wavelength, the present order being traced, and other ray specific data and parameter data as defined by the user. UserDiffraction then is required to compute the relative energy in the specified order, and return this value to ZEMAX. ZEMAX will refract or reflect the ray into the specified diffraction order and give the resulting ray the specified fraction of the input ray energy computed by the DLL. If the new child ray has sufficient energy, the ray is traced. The Diffraction DLL format also supports as an option for the DLL to compute ALL output properties of the ray; including direction cosines, electric field polarization vector, and transmitted energy. If the DLL also computes these properties, the DLL must set a flag indicating the values were passed back to ZEMAX for further ray tracing. See the sample DLLs for documentation on this feature. The function UserParamNames is used to define the names of all used parameters. These names appear in the Diffract tab of the object properties dialog box. See the sample DLLs for the use of this feature. Diffraction DLLs must be placed in the \DLL\DIFFRACT subdirectory of the \OBJECTS directory. See "Directories" on page 41. Ray splitting Расщепление лучей В самом общем случае, когда луч попадает на оптическую поверхность, он может быть частично отражен, частично преломпен и частично поглощен. Под расщеплением луча понимается способность ZEMAX вычислять пути как отраженного, так и преломленного лучей и производить дальнейшую трассировку обоих этих лучей. Конечно, после расщепления луча, "вторичные" лучи будут попадать на другие поверхности, на которых они могут расщепляться снова и снова. После рлногих расщеплений количество трассируемых лучей становится очень большим, так что Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 S7
этот процесс необходимо контролировать, чтобы быть уверенным в том, что вычисления в конце концов будут закончены. Есть несколько вариантов наложения ограничений на количество расщеплений луча: Maximum number of ray - object intersections. Максимальное количество пересечений луча с объектами. С помощью такого контроля устанавливается, как много раз луч может пересекать другие объекты на пути от источника к последнему объекту. Maximum number of ray segments. Максимальное количество лучевых отрезков. Отрезок луча - это часть пути луча от точки пересечения с одной поверхностью до точки пересечения со следующей поверхностью. Когда луч запускается от источника, он встречает на своем пути первый объект. Это первый отрезок. Если затем луч расщепляется на два луча, каждый из них образуют другие отрезки (всего получается уже три отрезка). Если каждый из этих лучей расщепляется снова, то получается уже 7 отрезков. В общем, число отрезков растет очень быстро, и нужно установить их количество много большим, чем число пересечений луча с объектами. Minimum relative ray intensity: Минимальная величина относительной интенсивности. Так как каждый луч расщепляется, то энергия луча уменьшается. Относительная интенсивность луча — это нижний предел на количество энергии луча, при котором он еще должен трассироваться. Этот параметр выражается в относительных долях от стартовой энергии луча, например, как 0.001. Когда энергия луча уменьшается ниже этого предела, дальнейшая трассировка луча прекращается. Minimum absolute ray intensity. Минимальная величина абсолютной интенсивности луча. Этот параметр подобен предыдущему параметру, за исключением того, что предельная минимальная интенсивность луча выражается в Ваттах, а не в относительных единицах. Если величина этого параметра будет установлена равной нулю, то абсолютный порог игнорируется. Все эти опции устанавливаются в "Non-Sequential tab of the System", General dialog box. See "Non- Sequential" on page 69 for details. Ray splitting and polarization Расщепление и поляризация луча Для точного вычисления коэффициентов отражения и пропускания необходима информация о состоянии поляризации луча. Поэтому программа расщепления лучей работает только при трассировке поляризованных лучей. Если расщепления лучей не производится, то лучи всегда идут по пути преломленного луча, если, конечно, они не испытывают полного внутреннего отражения; от зеркальных поверхностей лучи, конечно, отражаются и идут дальше по пути отраженного луча. На рисунке справа показаны возможные пути распространенния лучей при их расщеплении. Только один входящий в систему луч дает начало всем другим изображенным здесь лучам. 12 -88 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Число трассируемых лучей при их расщеплении может быть огромным, если установление очень небольшая величина их минимальной относительной интенсив- интенсивности. Например, лучи, трассируемые внутри стеклянного кубика с полупрозрач- полупрозрачным E0%) покрытием на всех его поверхностях, образуют около 256 отрезков при минимальной относительной интенсивности 0.01. Если величину относительной интенсивности установить равной 1Е-8, то КАЖДЫЙ луч уже будет состоять из 270 миллионов отрезков! Системы, поверхности которых обладают относительно небольшой отражающей способностью (например, с покрытием типа AR), будут производить меньшее количество лучевых отрезков, так как относительная интенсивность отраженных лучей быстро уменьшается. Тем не менее, рекомендуется устанавливать величину относительной интенсивности относительно высокой, около 0.001, при которой модель работает еще хорошо и получаются достаточно детальные результаты. При большом количестве лучей трехмерное изображение схемы может стать очень загроможденным. Одним из способов уменьшения количества изображаемых на схеме лучей является использование "фильтра", позволяющего скрыть изображение некоторых лучей. Putting it all together Сложение всех эффектов вместе Преимущество непоследовательной трассировки лучей заключается в том, что при анализе распределения лучей и детектируемой энергии можно учесть все оптические эффекты вместе: поляризацию, рассеивание и расщепление. Порядок, в котором учитываются все эти эффекты, следующий: Сначала вычисляется тип взаимодействия луча с объектом. Если поверхность является отражающей или луч испытывает на ней полное внутреннее отражение, то определяется путь отраженного луча. В противном случае: Если луч расщепляется, определяются пути как отраженного, так и преломленного лучей. Если луч не расщепляется, то определяется путь преломленного луча. Лучи рассеиваются, если задействована программа рассеивания Уточняются параметры векторов интенсивности и поляризации луча. Луч трассируется к следующему объекту. Глава 12: -НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-89
Performing a Monte Carlo ray trace Трассировка лучей методом Монте Карло На трехмерных изображениях схем и на других графиках, на которых изображаются NSC объекты, эффекты испускания лучей источниками, их расщепление и рассеивание на поверхностях можно увидеть по изображению на них случайно генерированных лучей. При анализе этих графиков можно использовать или нет программы расщепления и рассеивания лучей с тем, чтобы выделить каждый из этих эффектов в отдельности. Такие изображения схем очень полезны для качественного анализа эффектов источников, объектов, рассеивания лучей, возникновения "духов" или других отражений Для точного количественного анализа распределения энергии на установленных детекторах, в общем, требуется значительно большее количество лучей, чем для качественного анализа по графическим изображениям. В этом заключается смысл введения отдельных установочных параметров источника для количества лучей, используемого для изображения схемы, и количества лучей, используемого для анализа схемы. Установки, контролирующие трассировку лучей от заданных источников к детекторам, вводятся с помощью диалогового окна "Ray Trace/Detector Control", доступ к которому осуществляется из NSC-редактора через меню "Detectors". Ниже дано описание диалогового окна "Ray Trace/Detector Control". RAY TRACE/DETECTOR CONTROL OPTIONS ОПЦИИ ДИАЛОГОВОГО ОКНА "RAY TRACE/DETECTOR CONTROL" Позиция Clear Detectors Trace Terminate # CPU's Use Polarization Split Rays Описание Обнуление детекторов. Выберите либо опцию "А1Г для обнуления всех детекторов, либо укажите номер одного из детекторов. Команда начала трассировки лучей от всех заданных источников. После начала трассировки можно использовать только две команды: "Terminate" и "Auto Update". См. данное ниже обсуждение других эффектов начала трассировки. Команда на остановку дальнейшей трассировки лучей. На выполнение этой команды мржет потребоваться некоторое время. Установка количества процессоров, используемых для решения задачи трассировки лучей. Можно задать более одного процессора, если даже в компьютере имеется только один процессор (в таком случае один процессор будет решать одновременно несколько задач). По умолчанию число процессоров обнаруживается операционной системой компьютера. При активизации этой установки поляризация лучей будет учитываться при оценке энергии лучей, коэффициентов отражения, пропускания, поглощения и эффектов тонкопленочных покрытий. Если активизи-рована установка "Split Rays", то установка "Use Polarization" будет активизирована автоматически, так как учет поляризации необходим для точного вычисления эффекта расщепления лучей. При активизации этой установки лучи будут расщепляться в соответствии со свойствами поверхностей, с которыми они взаимодействуют, как это было описано в предыдущем разделе. 12-90 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
Позиция Scatter Rays Save Rays Exit Описание При активизации этой устаноаки лучи будут рассеиваться а соответствии с рассеивающими свойствами поверхно-стей. с которыми они взаимодейо^ют. По этой команде все трассируемые лучи будут записаны в файл под указанным именем. Файл должен иметь имя с расширение ZRD. Смотри ниже обсуждение этой опции. Команда на закрытие диалогового окна. Для лучшего понимания того, как выполняется трассировка лучей методом Монте Карло, следует обратить внимание на следующее. При очистке детекторов вся подсчитанная ими в каждом пикселе энергия обнуляется. После того как дана команда на трассировку лучей, ZEMAX трассирует роано столько лучей, сколько их задано в NSC редакторе (для каждого отдельного источника) для целей анализа. Каждый источник обладает некоторой заданной для него мощностью, выраженной в Ваттах. Начальная интенсивность каждого луча, трассируемого от данного источника, равна мощности источника, деленной на количество трассируе- трассируемых от него лучей. Например, для 5-ваттного источника с количеством трассируемых лучей 100000 начальная мощность каждого луча будет равна 5.0Е-06 Ватт. Если трассировка лучей прерывается до того, как будут трассированы все лучи, величины полной мощности и пиковой мощности, указанные на детекторах, будут не точными, хотя распределение лучей будет точным для трассированной части лучей. После прерывания трассировки дайте команду "Trace" для начала ноаой трассировки лучей. Если детекторы обнулены, дайте команду "Trace", а после завершения трассировки дайте новую команду "Trace": все детекторы покажут полную мощность от двойной трассировки лучей. ZEMAX не обладает надежной способностью запоминать как много раз были трассированы лучи между двумя последовательными обнулениями детекторов, так как источники могут быть добавлены, удалены или модифицированы в какой-то момент времени. Для точного вычисления мощности детекторы должны быть обнулены перед началом трассировки лучей, после этого нужно только один раз произвести трассироаку лучей без ее прерывания. Choosing the number of analysis rays If the total number of rays to be traced is large, it may be important to understand the order in which the rays are traced. ZEMAX divides the ray tracing task into multiple "threads", where each thread may execute in parallel on separate CPU's if the computer is so equipped. Even on single CPU computers, the ray tracing is divided into threads. The reason ZEMAX divides the ray tracing task into threads is to give a proportional representation of all sources present early in the ray trace. If all the rays from source 1 were traced before any rays from source 2 were traced, a proportional early estimate of the final results would not be possible. The manner in which this division is done is affected by the number of analysis rays chosen for each source. ZEMAX divides the total number of rays into an integral number of groups with equal rays, and this integral number must be a power of either 2 or 5. whichever yields the larger Глава 12: 'НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-91
number of threads. Further, the number of rays in each group must be at least 400, and the total number of threads must be less than 4,097. Both of these limits are somewhat arbitrary but are reasonable limits for efficient ray tracing. For example, suppose a source uses 100,000 analysis rays. The power of 2 division would yield 32 threads of 3.125 rays each; note 2Л5 = 32 and 32 * 3125 = 100,000. The power of 5 division would yield 125 threads of 800 rays each; note 5Л3 = 125 and 125 * 800 = 100,000. ZEMAX would therefore choose 125 threads of 800 rays each, since this is the larger number of threads. If multiple sources are defined. ZEMAX uses the same logic but applies it to all sources, choosing again the largest integral number of threads that evenly divides all sources. For example, suppose source 1 uses 10,000 rays and source 2 uses 4.000 rays. The power of 2 division yields 8 threads of 1.250 rays from source 1 and 500 rays from source 2. The power of 5 division yields 5 threads of 2,000 rays from source 1 and 800 rays from source 2. In this case the power of 2 division would be used because the number of threads is larger. Once the number of threads is selected, ray tracing of the first thread begins. If additional CPU's are available for ray tracing, the second and subsequent threads are launched simultaneously as well until all CPU's are fully utilized. When each thread completes, the next thread is launched, until all threads are complete and all ray tracing is finished. In summary, for long ray traces where early proportional results are desired, choose the number of analysis rays to be powers of 2 or 5 times 400. Large numbers that work well include 10,000, 50,000, 250,000, 500,000, 1,000,000, and 5,000,000. Larger numbers also work fine, but the total number of threads will not increase. Lost energy When tracing some NSC systems, not every ray can be traced successfully. Some rays fell below the minimum energy threshold for tracing. Other rays may be lost because correct intercept or refraction data can not be computed. Rays that strike exactly on the edge between two non-planar facets are ambiguous, and may be terminated. Sometimes geometry errors or round-off errors lead to conditions where the ray can no longer be traced. The energy from these rays is summed in the "lost energy". By reporting this value on the ray trace control, the user may be warned if an usually large fraction of the energy is being lost to these sorts of errors. If the fraction of energy is relatively small, lost energy can be ignored. If the lost energy is too high, then the settings (see for example "Minimum Relative Ray Intensity" on page 70) Ray data base files Файлы, содержащие базу данных лучей Этот раздел еще не переведен на русский язык. Смотри текст на английском языке. Ray Database Viewer Этот раздел еще не переведен на русский язык. Смотри текст на английском языке. 12 -92 Chapter 12: NON-SEQUENT IAL COMPON NTS
Defining Polygon Objects Определение объектов типа "Polygon Object Объекты типа "Polygon Object" - это объекты, определяемые пользователем; они образуются из группы треугольников, размещенных определенным образом в трехмерном пространстве. Координаты треугольников задаются в простом ASCII- файле, имя которого имеет расширение РОВ (от Polygon Object). РОВ-файп может быть создан и отредактирован в любом текстовом редакторе. Файл содержит ряд строк с данными. Каждая строка начинается с одной буквы, или символа, за которыми следуют числовые данные, относящиеся к этому символу. Описание используемых символов и их значений дано ниже. The comment symbol:! Символ комментария:! Символ Т используется для определения линии с комментарием. Синтаксис: ! Какой-либо текст комментария Пример: ! A dove prism The vertex symbol: V Символ вершины: V Символ "Г используется для определения вершины: за символом следуют числа, определяющие номер и координаты вершины х, у и 2. Синтаксис: V номер_вершины х у z Пример: у 1 -1.0 -1.0 0.0 Обратите внимание на то, что номер вершины должен задаваться целым числом, а координаты вершины - числами с десятичной точкой. Числа должны быть разделены пробелами. The triangle symbol: T Символ треугольника: Т Символ "Т" используется для соединения трёх вершин треугольника. Синтаксис: Т номес_зер:ш:ны_1 ис:.:ер_верп1:кы__2 номер__вер":икь:_3 флаг Номера вершин должны соответствовать вершинам, определенным ранее в этом же файле. Значения флага -1, 1 и 0 задают поглощающее отражающее и преломляющее свойство (данной поверхности) соответственно. Обратите внимание на то, что разные Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12 -93
поверхности объекта типа "Polygon Object" могут иметь различные свойства: поглощающее, отражающее или преломляющее. Пример: т 1 2 3 О Эта строка определяет треугольную поверхность (образованную соединением вершин под номерами 1. 2 и 3) с преломляющим свойством. The rectangle symbol: R Символ четырёхугольника: R Символ "R" используется для соединения четырёх вершин четырёхугольника. ZEMAX автоматически преобразует четырехугольник в два треугольника. Синтаксис: R вершмка_1 вершика__2 вершина_3 зершина_4 флаг Номера вершин должны соответствовать вершинам, определенным ранее в этом же файле. Значения флага -1, 1 и 0 задают поглощающее, отражающее и преломляющее свойство (данной поверхности) соответственно. Пример: П23П Эта строка определяет четырёхугольник (образованный соединением вершин под номерами 1, 2, 3 и 4) с отражающим свойством. Maximum triangles in the polygon object Максимальное количество образующих треугольников у объекта типа "Polygon" Не существует фиксированного числа, ограничивающего количество образующих треугольников для объекта типа "Polygon", Предельное количество треугольников ограничивается количеством доступной реальной или виртуальной оперативной памяти компьютера. Данные для каждого треугольника занимают примерно 100 байт памяти. Однако, ZEMAX часто сохраняет большое число копий каждой оптической схемы одновременно, так что для каждого треугольника может понадобиться около 500 байт. Объект, образованный из 2000 треугольников, потребует около 1 Мб свободной оперативной памяти. Другим практическим ограничением на число треугольников является быстродействие компьютера. Быстродействие ZEMAX заметно снижается, когда число треугольников становится очень большим. Example РОВ file Пример РОВ-Файла В следующем ниже РОВ-файле определён куб из преломляющего материала. Этот файл включён в ZEMAX в качестве примера под именем CUBE.РОВ. ! Простой куб ! Фирма FSI, 14 декабря 1998 г ! Вершины передней грани куба: V 1 -1 -1 0 12 -94 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
V 2 1-10 v з х 1 о V 4 -1 10 ! Вершины задней грани куба: V 5-1-12 V 6 1-12 V 7 1 1 2 V 8 -1 12 ! Передняя грань: R 1 2 3 4 0 ! Задняя грань: R 5 6 7 8 О ! Верхняя грань: R 4 3 7 8 О ! Нижняя грань: R 1 2 б 5 О ! .Гевая грань: R 1 --3 8 5 О ! Правая грань: Я 2 3 7 б О Bocer/ь команд с символом "V" определяют координаты вершин 8 углов куба Шесть команд с символом "R" определяют каждую из 6 граней куба. Обратите внимание на то, что ширина граней равна двум е^ницам, a Z координаты вершин задней грани также равны 2 единицам, так что образуется куб. Все координаты задаются относительно опорной точки объекта, которой в данном случае является центральная точка передней грани Чтобы расположить опорную точку объекта в центре куба, измените определение вершин следующим образом: V 1 -I -1 -I V 2 1-1-1 v 3 1 1-1 v <; -: i -1 v 5 -1 -: 1 v - 1 -: : v 1 1 : 1 •-■■ е -: 1 1 Defining STL Objects Определение STL-объектов STL-формат поддерживается большинством "механических" CAD-программ, позволяющих моделировать объекты произвольной формы. Объекты моделируются в виде набора треугольников, глобальные вершины которых записываются в выходном файле. STL - это удобный формат для изображения граненых объектов. Для гладких искривленных объектов, таких как линзы STL является приближением, которое мо>,{ет иметь приемлег/ую точность для некоторых типов не изображающих систем STL-фаипы могут иметь двоичный или ASCII форматы; ZEMAX оба формата Глава 12: НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-95
Для использования STL-объекта просто выберите в качестве типа объекта "STL Object" и введите в соответствующую колонку "Comment" имя нужного файла (без записи расширения STL). STL-файл должен находиться в поддиректории \OBJECTS. Maximum triangles in STL objects Максимальное число образующих треугольников у STL-объектов Не существует фиксированного числа, ограничивающего количество образующих треугольников для STL-объекта. Предельное количество треугольников ограничи- ограничивается количеством доступной реальной или виртуальной оперативной памяти компьютера. Данные для каждого треугольника занимают примерно 100 байт памяти. Однако, ZEMAX часто сохраняет большое число копий каждой оптической схемы одновременно, так что для каждого треугольника может понадобиться около 500 байт. Объект, образованный из 2000 треугольников, потребует около 1 Мб свободной оперативной памяти. Другим практическим ограничением на число треугольников является быстродействие компьютера. Быстродействие ZEMAX заметно снижается, когда число треугольников становится слишком большим. Example STL files Примеры STL-файлов Несколько примеров STL-файлов даны в поддиректории 2EMAXVOBJECTS. Special considerations for faceted objects Особые замечания по граненым объектам Через объекты, образованные из граней, лучи трассируются в основном в прямом математическом смысле за исключением особого случая, когда производится трассировка лучей, попадающих "точно" на общий край двух соприкасающихся граней. В этом контексте слово "точно" означает - в пределах числовой точности, ограничиваемой компьютером. Все алгоритмы ZEMAX, используемые для трассировки лучей, работают 64-битными числами двойной точности, что позволяет получить точность до 12 десятичного знака после запятой. Однако, так как при расчетах часто используются такие математические операции, как извлечение из числа квадратного корня, практическая точность вычислений будет несколько ниже. Когда лучи попадают на край двух граней, ZEMAX в основном работает таким образом, будто луч попадает только на одну из граней - ту, которая будет найдена первой в процессе математического решения задачи. Другие решения игнорируются. Для многих оптических систем, таких как гранёные рефлекторы и призмы, это обычно не вызывает каких-либо проблем. Но для некоторых систем игнорирование одного из решений может привести к существенным ошибкам при трассировке через объект определенного ключевого луча. Наиболее часто встречаемая трудность - это трассировка лучей через призму с крышей или через угол куба, когда ребро, образуемое соединением двух соседних граней, располагается точно вдоль осей х или у падающего пучка лучей. В случае призмы с крышей трассировка лучей, идущих прямо вдоль края крыши, лучи будут скорее отклоняться на 90 градусов, а не повторно отражаться как это должно быть. Эта проблема просто решается путём введения очень небольшого смещения ребра крыши вправо или влево; так что лучи будут "видеть" только какую-пибо одну из 12 -96 Chapter 12: NON-SEQUENTIAL COMPONENTS
граней. Смещение по оси х на 1е "в единицы измерения (что соответствует только одному нанометру при использовании в качестве единицы измерения миллиметров) обычно является достаточным. Обычно использование ряда случайно генерированных лучей, как это делается при анализе изображения или при построены и и диаграммы пятна рассеяния на основе трассировки случайных лучей, устраняет эту проблему. Обратите внимание на то, что любая реальная призменная крыша или угол физически не могут "правильно" отражать или преломлять лучи, падающие на их ребро, из-за технологических ограничений и из-за интерференции лучей. Comments about DLLs Comments about DLLs ZEMAX supports several different types of DLLs for extending the capabilities of the non- nonsequential features, including DLLs for sources, gradient index media, diffraction, and scattering. To create a user defined DLL source, a suitable compiler or development tool that can generate 32 bit Windows compatible DLL?s is required. It is also assumed that the user can write the required code, and most importantly, insure that the code Is reliable and bug-free. To maximize speed, ZEMAX performs very little error checking on data returned by the DLL. and so buggy DLL's are quite capable of bringing ZEMAX to a crash. For this reason, technical support on the implementation of DLL's is strictly limited to illustrating that the provided sample files work correctly. If you need a DLL, and do not possess the desire or ability to write them yourself, please feel free to contact Focus Software. Inc. for a quote on developing* a custom DLL to meet your requirements. Focus Software, Inc. has considerable experience in developing algorithms, and can generally write DLLs at competitive rates on short notice. The best way to learn the use of the various DLL types is to study an existing DLL. The sample DLLs provided with ZEMAX include extensive documentation and comments on the data format; see any of the sample source 6code files for examples. Глава 12: "НЕПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ" КОМПОНЕНТЫ 12-97
SOLVES ФУНКЦИИ "SOLVES" Introduction Введение "SOLVES" - это специальные функции, которые позволяют быстро отъюстировать величины параметров оптической системы, к которым эти функции применяются. Эти функции могут быть применены к кривизне поверхности, толщине поверхности, стеклам, величинам полудиаметров, величине конической постоянной и к параметри- . ческим данным. Solves можно вызвать и установить, дважды кликнув мышкой на ту - ячейку таблицы редактора данных, к которой Вы хотите применить одну из этих функций. На экране появится диалоговое окно, с помощью которого устанавливаются ( функции solve. Выберите из списка нужную функцию. Для некоторых функций нужно задать величины их параметров. Типы функций solve и их параметры перечислены в нижеследующей таблице. В список функций solves включены также команды, с помощью которых параметрам оптической схемы может быть присвоен статус постоянной ("fixed") или переменной ("variable") величины; эти установки не являются функциями solve, но они перечислены в таблице для полноты. Для того, чтобы снять с параметра функцию solve, установите для этого параметра статус "FIXED". Заметьте, что при установке этого статуса на параметр с него просто снимается функция solve, но его последнее значение сохраняется. Двойное нажатие на клавиши Ctrl-Z также снимает и устанавливает функцию solve на тот параметр, на котором установлен курсор в таблице редактора данных; это можно использовать для быстрого переключения. SUMMARY OF SOLVES СПИСОК ФУНКЦИЙ SOLVE ТИП ФУНКЦИИ SOI VI- (ПОВЕРХНОСТЬ ДОЛЖНА ЮСТИРОВАТЬСЯ В СООТВЕТСТВИ С УСЛОВИЕМ...) ПЕРВЫЙ ПАРАМЕТР второй параметр ТРЕТИЙ ПАРАМЕТР КОД ЦЕЛОК ЧИСЛО Curvature (Кривизна поверхности) Fixed Фиксированная Variable Переменная Marginal ray angle Угоп крайнего луча Chief ray angle Угол главного луча Pick up Взять от... Marginal ray normal Конфокально Величина угла Величина угла Номер поверхности Масштабный коэффициент V м с р N 0 1 2 3 4 5 Глава 13: ФУНКЦИИ "SOLVES* 13-1
ТИП ФУНКЦИИ SOI VE ПЕРВЫЙ ПАРАМЕТР ВТОРОЙ ПАРАМЕТР ТРЕТИЙ ПАРАМЕТР кол ЦЕЛОЕ ЧИСЛО Curvature (Кривизна поверхности) Chief ray normal Перпендикулярно главному лучу Apianatic Апланатично Element power Оптическая сила Concentric with surface... Концентрично с поверхностью... Concentric with radius... Кривизна: Концентрично с радиусом... F/# F/# Величина оптич. силы Номер поверхности, относительно которой данная поверхность должна быть концентрична Номер поверх- поверхности, из центра которой должна быть описана данная поверхность Параксиальное F/# N А X S R F 6 7 8 9 10 11 Thickness (Расстояние до следующей поверхности) Fixed Постоянная Variable Переменная Marginal ray height Высота крайнего луча Chief ray height Высота главного луча Edge thickness Краевая толщина Pick up Взять от... Optical path difference Разность хода (оптического пути) Высота Высота Толщина Номер поверхности Величина OPD З.она зрачка Радиаль- Радиальная высота; "О" - для полудиа- полудиаметра Масштаб- Масштабный коэф- коэффициент Зона зрачка Прибав- Прибавляемая величина V М С Е Р О 0 1 2 3 4 5 6 13-2 Ch pter 13: SOLVES
ШПФЧ1кЦШ1801ЛЬ UFI'BMft II \Г AM HP И ГОРОЙ ПМ'АМГГР ТРЕТИЙ IIVPVMETP код т-лок число Thickness (Расстояние до следующей поверхности) Position Положение Compensator Компенсатор Center of curvature Центр кривизны Номер поверхности Номер поверхности Центр кривизны данной поверхности должен находиться на поверхности номер ... Расстоя- Расстояние от поверх- поверхности Суммар- Суммарная толщина поверх- поверхностей т S X 7 8 9 Glass (Стекло) Fixed Фиксировано Model Модель Pick up Взять от... Substitute Можно использовать Offset Смещение Величина Nd Номер поверхности Имя каталога Отклонение Nd Число A66eVd Отклоне- Отклонение Vd Dpgf Р S О 0 1 2 3 4 Semi-Diameter (Полудиаметр) Automatic Автоматически Fixed Фиксировано Pick up Взять от... Maximum Максимум Номер поверхности и Р м 0 1 2 3 Conic (Коническая постоянная) Fixed Постоянная Variable Переменная V 0 1 Глава 13: ФУНКЦИИ "SOLVES'
ТИП ФУНКЦИИ SOI VE ПЕРВЫЙ ПАРАМЕТР ВТОРОЙ ПАРАМЕТР третий параметр код ЦЕЛОЕ ЧИСЛО Conic (Коническая постоянная) Pick up Взять от... Номер поверхности Масштаб- Масштабный коэффи- коэффициент р 2 Parameter (Параметр) Fixed Постоянная Variable Переменная Pick up Взять от... Chief ray Главный луч Номер поверхности Номер поля Масштаб- Масштабный коэффи- коэффициент Номер длины волны Смеще- Смещение V Р С 0 1 2 3 Curvature : Marginal ray angle Кривизна : Угол крайнего луча Если эту функцию применить к кривизне поверхности, предшествующей поверхности изображения, то можно, задав величину угла для параксиального краевого луча, контролировать эффективную фокальную длину системы. Например, предположим, что диаметр входного зрачка системы равен 20 мм, и желательно ограничить эффективную фокальную длину системы величиной 100 мм. Для этого требуется, чтобы краевой луч покидал последнюю поверхность под углом -0.1 (половину 20 поделить на 100; знак "минус", так как луч - сходящийся, то есть идет вниз в сторону поверхности изображения). Смотри функцию solve "F-число". Curvature : Chief ray angle Кривизна : Угол главного луча Функция "Chief ray angle" работает таким же образом как функция "Marginal ray angle", за исключением того, что угол задается для параксиального главного луча. Эта функция полезна для поддержания заданного увеличения системы или для сохранения пучка коллимированным. Буква "С" будет появляться в ячейке кривизны для обозначения, что для этого параметра используется solve "Chief ray angle". Curvature : Pick up Кривизна : Взять от ... Эта функция используется для того, чтобы установить равенство или определенное соотношение меаду величиной радиуса кривизны данной поверхности (к которой применяется solve) и величиной радиуса кривизны какой-либо другой указанной поверхности. Заданное соотношение между величинами этих двух радиусов устанав- устанавливается с помощью масштабного коэффициента. Это полезно, например, в 13-4 Chapter 13; SOLVES
системах, у которых свет проходит дважды через одни и те же элементы (в таких системах, как "null lens"). Эта функция позволяет связать вместе величины нескольких переменных параметров, так что они будут изменяться одновременно и согласованно под воздействием других функций solve, при редактировании данных или при оптимизации. Функции "Pick up" должны использоваться только для поверхностей, которые следуют за поверхностью, от которой берутся данные; присваивание данных предыдущим поверхностям от последующих ведет к непредсказуемым результатам! Буква "Р" будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что для этого параметра используется solve "Pick up". Curvature : Marginal ray normal Кривизна : Конфокальная Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы параксиальный краевой луч падал на поверхность по нормали. Такой тип поверхности называется также "конфокальной поверхностью" (описанной - оптически - из центра изображения). Этот особый тип поверхностей не вносит сферической аберрации и комы. Буква "N" будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что для этого параметра используется solve "Normal ray angle". Curvature : Chief ray normal Кривизна : Концентричная ^__, Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы параксиальный главный луч был нормален к поверхности. Такой тип поверхности называется также "концентричной поверхностью" (оптически концентричной). Этот особый тип поверхностей не вносит комы, астигматизма и дисторсии. Буква "Nw будет появляться в ячейке кривизны для обозначения, что для этого параметра используется solve "Normal ray angle1. Curvature : Aplanatic Кривизна : Апланатическая ^ Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы она была апланатичной по отношению к параксиальному краевому лучу. Этот особый тип поверхностей не вносит сферической аберрации, комы и астигматизма. Буква "А" будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что для этого параметра используется solve "Aplanatic". Curvature : Element power Кривизна : Оптическая сила элемента Оптическая сила элемента определяется как с,(иэ -и,)-с,(и, -И| Эта функция подбирает величину сг так. чтобы создать определенную оптическую силу элемента. Эта функция должна применяться ко второй поверхности Глава 13: ФУНКЦИИ 'SOLVES" 13-5
юстируемого элемента. Эта функция игнорируется, если число поверхностей меньше двух или если пЗ и п2 идентичны для главной длины волны. Curvature : Concentric with surface Кривизна : Концентрично с поверхностью ... Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы поверхность стала (и оставалась) концентричной (оптически!) по отношению к другой предшествующей поверхности. Буква "S" будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что для этого параметра используется solve "Surface concentric". Curvature : Concentric with radius Кривизна : Концентрично относительно заданной точки Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы поверхность стала (и оставалась) концентричной (геометрически) той точке, относительно которой концентрично расположена другая предшествующая поверхность. Буква "R1 будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что дли этого параметра используется solve "Radius concentric". Curvature : F number Кривизна: F-число Эта функция воздействует на кривизну поверхности таким образом, чтобы угол покидающего ее краевого луча оставался равным -1/2F, где F - параксиальное F/#. Буква "F" будет появляться в ячейке кривизны, обозначая, что для этого параметра используется solve "F/#". Thickness : Marginal ray height Толщина : Высота крайнего луча Наиболее часто используемая функция solve для толщины поверхности - это функция "Marginal ray height", с помощью которой можно удерживать плоскость изображения в параксиальном фокусе. Для совмещения плоскости изображения к параксиальному фокусу дважды кликните мышкой на толщину поверхности, предшествующей поверхности изображения, и в открывшемся диалоговом окне "Thickness solve" выберите из списка функцию "Marginal ray height*'. Так как высота краевого луча в точке его пересечения с параксиальной плоскостью изображения равна нулю (предполагается, что система обладает осевой симметрией), мы хотели бы установить толщину последней поверхности (перед поверхностью изображения) такой, чтобы плоскость изображения переместилась к точке на оси, где высота краевого луча равна нулю. В диалоговом окне "Thickness solve" высота краевого пуча уже по умолчанию установлена равной нулю, и поэтому после выбора функции нужно просто нажать на электронную клавишу ОК. Функция "Marginal ray height" немедленно установит требуемую толщину. В общем случае для высоты краевого луча можно установить какое-либо другое, отличное от нуля, значение. Заметьте также, что эта функция может устанавливаться на толщины других поверхностей, а не только на толщину поверхности, предшествующей поверхности изображения. Параметр "Height" (Высота) определяет 13-6 Chapter 13: SOLVES
высоту краевого луча на следующей поверхности по отношению к той, для которой применяется эта функция. С помощью параметра "Pupil Zone" (Зона зрачка) можно задать координату краевого луча на зрачке. По умолчанию этот параметр равен нулю; это означает, что используется параксиальный краевой луч. Любое другое значение этого параметра будет означать, что используется реальный краевой луч; величина этого параметра должна задаваться в пределах от -1 до 1 - это Ру координата зрачка, или нормированная координата входного зрачка в направлении Y. Функция "Marginal ray height" может быть использована, например, для подгонки толщины поверхности таким образом, чтобы определенный луч (такой, например, как пересекающий зону 0.7) имел нулевую поперечную аберрацию на оси. Буква "М" будет появляться в ячейке толщины, обозначая, что для нее используется solve Marginal ray height". Thickness : Chief ray height Толщина : Высота главного луча Эта функция подобна предыдущей, за исключением того, что используется параксиальный главный луч. Эта функция полезна для позиционирования поверхности в плоскости зрачка. Буква "С" будет появляться в ячейке толщины, обозначая, что для нее используется solve "Chief ray height". * Thickness : Edge thickness Толщина : Краевая толщина ==^_^^^__^_^_^^^_ Эта функция поддерживает заданную величину расстояния между двумя поверхностями на определенном радиальном расстоянии. Это полезно для предотвращения отрицательных или очень острых краев у элементов. Буква "Ея будет появляться в ячейке толщины, обозначая, что для нее используется solve "Edge thickness". Если величина радиального расстояния (на котором поддерживается заданное расстояние между поверхностями) будет установлена равной нулю, то будет использоваться текущая величина полудиаметра. Смотри главу "Conventions and Definitions", в которой дано определение краевой толщины. Thickness : Pick up Толщина : Взять от ... Рассмотренная ранее функция "Pick up1 применима также и к толщинам. Величина толщины, которая берется от другой поверхности, определяется соотношением: где Т - толщина поверхности, от которой берутся данные, S - масштабный коэффициент и О - смещение. Смотри раздел "Curvature: Pick up". Thickness : Optical path difference Толщина : Разность хода Эта функция воздействует на толщину поверхности таким образом чтобы создать заданную разность оптических путей для реального луча, проходящего через определенную зону зрачка, и реального главного луча. Эта функция задается двумя Глава 13; ФУНКЦИИ "SOLVES" . 13-7
параметрами: величиной OPD для главной длины волны и зоной зрачка, для которой вычисляется OPD. Например, для определения положения фокуса, при котором реальный краевой луч имел бы такую же длину оптического пути, как и реальный главный луч, нужно применить функцию "Optical path difference" к толщине поверхности, предшествующей поверхности изображения, установить величину параметра OPD равной нулю, а для зоны зрачка ввести 1.0; обратитесь после этой операции к графику OPD, чтобы убедиться, что OPD равно нулю на краю зрачка. Для этой функции рассматриваются только главная длина волны и только осевая точка поля! Более сложные ограничения на величину OPD можно задать при использовании процедуры оптимизации схемы, описание которой дано в отдельной главе. Буква "О" будет появляться в ячейке толщины, обозначая, что для нее используется solve "OPD". Thickness : Position Толщина: Положение . Функция "Position" поддерживает определенное расстояние до поверхности от заданной опорной поверхности. Если опорная поверхность предшествует поверхности, к которой применяется эта функция, то заданное расстояние будет рассматриваться как сумма толщин от опорной поверхности до поверхности, которая следует непосредственно за рассматриваемой поверхностью. Если опорная поверхность расположена после поверхности, к которой применена функция, то заданное расстояние будет рассматриваться как сумма толщин от рассматриваемой поверхности до опорной поверхности. Если опорная поверхность является той же самой поверхностью, к которой применена данная функция, то заданное расстояние будет рассматриваться как толщина данной поверхности. Эта функция особенно полезна для поддержания постоянной длины определенной части zoom-системы. Эта функция может быть также использована для ограничения полной длины оптической системы. В каждом из этих случаев функция "Position" позволяет сократить число переменных и операторов при проведении оптимизации схемы, увеличив сходимость процесса оптимизации и его скорость. Буква Т" будет появляться в ячейке толщины, обозначая, что для нее используется solve "Position". Об использовании этой функции для zoom-систем смотри главу "Advanced topics". Thickness : Compensator Толщина : Компенсатор ^ _^_^__ Эта функция подобна предыдущей. Она поддерживает толщину поверхности такой, чтобы сумма толщин этой поверхности и другой "опорной" поверхности была постоянной величиной. Это условие можно записать в форме следующего уравнения: Т = S - R, где S - сумма толщин двух поверхностей и R - толщина опорной поверхности. Опорная поверхность должна предшествовать поверхности, к которой применяется эта функция. Thickness : Center of curvature Толщина : Центр кривизны Эта функция воздействует на толщину поверхности таким образом, чтобы расположить следующую за ней поверхность в центре кривизны какой-либо 13-8 Chapter 13: SOLVES
предыдущей поверхности. Буква "Xй будет появляться в ячейке топицины для обозначения, что для нее используется solve "Center of curvature". Glass: Model Стекло : Модель Эта установка не является функцией solve. Установка "Model" используется для описания стекла (хода его дисперсии) тремя параметрами: величиной показателя преломления для d-линии, числом Аббе и величиной, описывающей частную дисперсию. Смотри главу "Optimization". ■ Glass : Pick up Стекло : Взять от ... Функция "Pick up" может быть применена и к стеклам. Смотри раздел "Curvature : Pick up". Glass : Substitute Стекло : Можно использовать Эта установка не является функцией solve. Если к стеклу применить эту установку, то это будет означать, что данное стекло может быть использовано в качестве альтернативного стекла в процессе оптимизации стекол (смотри главу "Global Optimization"). Для того чтобы установить запрет на использование некоторых марок стекол, установите для этих стекол флажок "Exclude Substitution" в диалоговом окне "Glass catalog" (см. главу "Using Glass Catalogs"). Glass : Offset Стекло : Смещение ^=== Эта функция позволяет программе вносить небольшие изменения в величины показателя преломления и числа Аббе, вычисленным по дисперсионным формулам и каталожным данным. Главное назначение этой функции - использование ее при анализе допусков. Если минимальная из используемых длин волн больше 0.3 мкм и максимальная длина волны меньше 1.0 мкм, а базовая величина показателя преломления больше 1.0, то величина изменения показателя преломления определяется разницей между модельными значениями показателя преломления, вычисленными для базовых величин nd и Vd и для смещенных значений n<j и V<j (см. выше расположенный раздел Model"). В виде уравнения это условие выглядит следующим образом: где функции п() - функции модели стекла. Заметьте, что модель стекла добавляет разные величины смещения к базовым значениям показателя преломления для разных длин волн. Глава 13: ФУНКЦИИ "SOLVES" 13-9
Если указанное выше ограничение для ширины спектральной полосы не выполни- ется то величина смещения для показателя преломления просто прибавляется к базовым значениям: Смещение для величины числа Аббе в таком случае игнорируется. Semi-Diameter : Pick up Полудиаметр : Взять от ... Функция "Pick up" может быть применена и к полудиаметрам. Смотри раздел 'Curvature : Pick up". Semi-Diameter: Maximum Полудиаметр : Максимум Эта функция используется для установки величины полудиаметра, равной макси- максимальной величине из требуемых для разных конфигураций системы. Например, в zoom-системе, имеющей три конфигурации, в общем случае будут три разных значений полудиаметров для каждой поверхности при вычислении их величин в автоматическом режиме ("automatic"). Функция "Maximum" будет вычислять величины полудиаметров для каждой конфигурации и использовать наибольшую из них для данной поверхности. Conic : Pick up Коническая постоянная : Взять от ... ^ Функция "Pick up" может быть применена и к коническим постоянным. Смотри раздел "Curvature : Pick up". Parameter: Pick up Параметр : Взять от ... Функция "Pick up" может быть применена также ко всем 8 параметрам. Величина параметра, которая берется от другой поверхности, определяется соотношением: где Р - значение параметра для поверхности, от которой берутся данные, S - масштабный коэффициент и О- смещение. Смотри раздел "Curvature: Pick up". Parameter: Chief ray Параметр : Главный луч Эта функция работает только с поверхностями типа "Coordinate break" и может быть использована только для первых четырех параметров. Если эта функция применяется к параметрам, определяющим децентрировку по координатам X и Y, то децентрировка устанавливается таким образом, чтобы реальный главный луч с заданной длиной волны (используйте нулевое значение для главной длины волны). 13-10 Chapter 13: SOLVES
исходящий от заданной позиции поля, проходил через нулевые координаты X и Y на поверхности "coordinate break", соответственно. Если эта функция применяется к параметрам, определяющим наклоны поверхности "coordinate break", то наклоны этой поверхности юстируются таким образом, чтобы угол покидающего поверхность главного луча был равен нулю относительно осей X и Y, соответственно. Флаг "order" для поверхности "coordinate break" определяет порядок, в котором происходит юстировка параметров, так что решение может быть не единственное. Координаты покидающего поверхность главного луча можно проконтролировать с помощью программы "Analysis, Calculation, Ray Trace": это полезно для проверки правильности работы этой функции "solve". Могут быть случаи, когда углы и координаты покидающего поверхность главного луча будут иметь небольшие величины, а не точно равные нулю. Это случается из-за неортогональности поворотов. Решить эту проблему можно двумя путями: 1) Попытайтесь изменить флаг "order" от 1 к 0, или от 0 к 1, а затем дайте команду "update" для вашей системы; посмотрите, при какой из этих установок координаты трансформируются лучше. 2) Используйте две смежные поверхности "coordinate break" с идентичными функциями "solve* для главного луча. Это просто сделать путем копирования всей поверхности "coordinate break" и добавления в схему еще одной такой же поверхности. Вторая поверхность "coordinate break" обычно дает на много порядков величины более близкие к нулю значения координат и углов наклонов. Suggestion for use Советы по использованию функций solve Установлена иерархия функций solve, определяющая последовательность их вычисления. Эти функции вычисляются последовательно от первой поверхности до поверхности изображения в следующем порядке: curvature, thickness, glass, semi- diameter, conic и затем parameters. Так как функции curvature и thickness-могут воздействовать на положение входного зрачка, ZEMAX не допускает применение функций solve, рассчитанных на трассировку луча, таких как "marginal ray height", к поверхностям, которые находятся перед апертурной диафрагмой системы (поверхностью "stop"). Это позволяет избежать неопределенности или некорректной установки параметров для функций solve. Нельзя предсказать результаты воздействия на систему функций solve, установлен-ных на поверхности, предшествующие апертурной диафрагме системы. Подобная проблема возникает также, когда функция "marginal ray" используется на последней поверхности для контроля фокальной длины, - для получения единственного решения апертура поверхности в таком случае должна быть определена диаметром входного зрачка, а не через F/#. Функции solve очень эффективны и должны использоваться, когда это возможно, вместо переменных параметров в процессе оптимизации. Например, обычно бывает более эффективным применить функцию "curvature" к последней поверхности для контроля эффективной фокальной длины, чем оптимизировать фокальную длину явным образом. Глава 13- ФУНКЦИИ "SOLVES' 13-11
OPTIMIZATION ОПТИМИЗАЦИЯ Introduction Введение ZEMAX обладает очень мощной способностью оптимизировать и улучшать опти- оптические системы, если их схемы заданы более или менее разумными и если заданы переменные параметры. Переменными могут быть кривизна поверхностей, толщины (расстояния между поверхностями), марки стекол, конические постоянные поверхностей, параметрические данные, дополнительные данные и любые численные данные для систем с изменяющейся конфигурацией. Алгоритм оптимизации способен минимизировать оценочную функцию (Merit function), состоящую из взвешенных значений целевых параметров оптической системы; эти целевые параметры называются операторами («operands»). ZEMAX содержит несколько запрограммированных оценочных функций, описание которых дано в следующем разделе. Эти разные оценочные функции могут очень просто выбираться Вами через меню Merit Function Editor (Редактор оценочной функции). Более подробно об этой процедуре смотри в разделе «Modifying the merit function» (Модификация оценочной функции). Для выполнения оптимизации необходимо сделать три шага: 1) задать разумную оптическую схему, которая может быть трассирована лучами; 2) задать переменные параметры; 3) выбрать или задать оценочную функцию. Разумная система - это довольно расплывчатое понятие, которое просто означает, что очень мала вероятность трансформировать плохо задуманную схему в хорошую схему посредством алгоритма оптимизации (хотя есть и исключения). Переменные параметры (должен быть задан по меньшей мере один переменный параметр, чтобы алгоритм оптимизации мог произвести какой-то прогресс) задаются с помощью реда- редактора, описание которого дано в следующем разделе. Для вывода на экран окна опти- оптимизации войдите последовательно в меню Tools, Optimization. Вы должны опре- определить, какие из параметров схемы будут переменными величинами. Алгоритм, используемый для оптимизации и описанный в этой главе, сконструирован для поиска «локального» минимума заданной оценочной функции. Однако редакции ZEMAX-XE и ZEMAX-EE обладают также способностью поиска «глобального» минимума оценочной функции. Глобальный минимум - это наименьшее возможное значение оценочной функции, и если оценочная функция задана правильно, то достигается наилучшее из возможных решений. Процедура глобальной оптимизации не предназначена для начинающих пользователей ZEMAX и не может быть использо- использована для проектирования схем в режиме взаимодействия пользователя с програм- программой; для более детального ознакомления смотри главу «Global Optimization» (Глобальная оптимизация). Selecting variables Задание переменных Переменные параметры для оптимизации задаются путем высвечивания в Таблице редактора данных (Lens Data Editor) нужного параметра и нажатия клавиш Ctrl-Z (заметьте, что обе клавиши должны нажиматься одновременно). Точно также назначаются переменные параметры в редакторах Multi-Configuration Editor и Extra Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 1
Data Editor. Марки стекол не могут быть сделаны переменными параметрами, так как это дискретные величины; о том, как проводить оптимизацию стекол смотри раздел «Optimizing glass selection» далее в этой главе. Defining the default merit function Выбор оценочной функции Оценочная функция - это некоторая численная оценка того, как близко данная оптическая система находится к заданному набору ее характеристик. ZEMAX исполь- использует список операторов, каждый из которых представляет различные ограничения на параметры системы или ее характеристики. Операторы представляют такие характе- характеристики системы, как качество изображения, фокальное расстояние, увеличение и многие другие. Оценочная функция пропорциональна корню квадратному из взвешенной суммы квадратов разностей между действительным и требуемым значением каждого из рассматриваемых операторов. Оценочная функция определена таким образом, что ее нулевое значение соответствует "идеальной' схеме. Алгоритм оптимизации будет уменьшать числовое значение оценочной функции насколько возможно, так что оценочная функция должна выражать те цели, которые вы хотите достигнуть. Если вы не хотите использовать встроенные оценочные функции, вы можете создать свои собственные оценочные функции, как это будет описано в следующем разделе. Простейший путь выбора одной из встроенных оценочных функций - это выбрать из главного меню команду Tools" и из открывшегося редактора оценочной функции (Merit Function Editor) выбрать опцию Default Merit Function (встроенная оценочная функция). Открывшееся диалоговое окно позволит вам выбрать подходящую оценочную функцию. Подробное описание каждой из этих функций дано в последую- последующих подразделах. Selecting the type of optimization Выбор типа оптимизации Имеется несколько встроенных типов оценочных функций. Все они перечислены в нижеследующих таблицах. DEFAULT OPTIMIZATION TYPES ТИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ Наименование RMS PTV ■ Описание RMS (CK3) - сокращенное название выражения "Root-Mean- Square" (СреднеКвадратическое Значение). Оптимизация по величине RMS используется наиболее часто. RMS - это корень квадратный из средней величины квадратов всех отдельных ошибок. PTV - сокращенное название от выражения "Peak-To-Valfey*. Бывают случаи, когда величина СКЗ не так важна, как максималь- максимальный размах аберраций. Например, если все лучи должны попасть в пределы определенного кружка детектора или оптического волокна. В таких случаях величина PTV может лучше характеризовать схему, чем величина RMS. Этот тип оценочной функции предназначен для минимизации PTV- ошибок. 14-2 Chapter 14: OPTIMIZATION
DEFAULT OPTIMIZATION DATA КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ Наименование Wavefront Spot Radius SpotX SpotY Spot X и Y Описание Это аберрации, измеренные в волнах. Полная (радиальная) поперечная аберрация (лучей) в плоскости изображения. Поперечные аберрации лучей (в плоскости изображения) в направлении оси X. Поперечные аберрации лучей (в плоскости изображения) в направлении оси Y. Суммарная поперечная аберрация (лучей) в плоскости изображения как по оси X, так и по оси Y; Х- и Y-компоненты рассматриваются отдельно, но оптимизируются вместе. Этот вид оптимизации подобен оптимизации "Spot Radius", за исключением того, что учитываются знаки аберраций; это дает более правильные оценки размера пятна рассеяния. Заметьте, что при вычислении радиуса аберраций ("Spot Radius") информация об их знаке теряется. DEFAULT OPTIMIZATION REFERENCE POINTS ОПОРНЫЕ ТОЧКИ. ОТНОСИТЕЛЬНО КОТОРЫХ ПРОВОДИТСЯ ОПТИМИЗАЦИЯ Наименование Centroid Chief Mean Описание Величины RMS и PTV вычисляются относительно центра тяжести аберраций для всех лучей, исходящих от данной точки поля. Использование в качестве опорной точки центра тяжести данных в общем наиболее предпочтительно, особенно при оптимизации по ошибкам волнового фронта. При оптимизации по ошибкам волнового фронта (Wavefront) производится вычитание среднего смещения волнового фронта, а также его х- и у- наклонов, которые не влияют на качество изображения. Вычисления относительно центра тяжести дают также более значимые результаты, когда в системе присутствует кома, так как последняя смещает центр тяжести в сторону от положения главного луча. Исторически такие вычисления производились относительно положения главного луча, так как они выполняются более просто, но для ZEMAX это не существенно. Вычисления RMS и PTV проводятся относительно положения главного луча для главной длины волны. Эта опция доступна только в том случае, если оптимизация проводится по ошибкам волнового фронта. Вычисления относительно среднего (Mean) значения данных подобны вычислениям относительно центра тяжести, за исключением того, что производится вычитание только среднего смещения волнового фронта, но не вычитаются наклоны волнового фронта. Когда точное положение точки, в которой величина OPD равна нулю, является неопределенным, вычисления относитепьно среднего более предпочтительны перед вычислениями относи- относительно главного луча (если по каким-либо причинам вычисления относительно центра тяжести менее предпочтительны). Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-3
Physically significant merit functions Физический смысл оценочной функции Заметьте, что чисповые значения оценочной функции имеют физический смысл. Так, например, числовая величина оценочной функции "RMS-Wavefront-Centroid" представляет собой СКЗ ошибок волнового фронта, выраженное в волнах. Если величина оценочной функции "RMS-Spot Radius-Chief равна 0.145, то это значит, что СКЗ размера пятна рассеяния равно 0.145 в линейных единицах, установленных для текущей схемы; если единицами измерения являются миллиметры, то это соответствует 145 мкм СКЗ. Начинающие пользователи ZEMAX часто" спрашивают, почему использование оценочной функции "RMS-Spot Radius" может приводить к другому оптимальному решению, чем при использовании оценочной функции "RMS-Wavefront". Основная причина, по которой получается это различие, заключается в том, что эти две функции являются разными - лучевые аберрации лучей пропорциональны производ- производным волновых аберраций. Поэтому нельзя ожидать, что минимум одной функции будет соответствовать минимуму другой функции. Главное правило для успешного использования этих функций заключается в следующем: если система близка к дифракционному пределу (скажем, PTV ошибка волнового фронта меньше двух волн), то используйте оптимизацию по ошибкам волнового фронта. В других случаях используйте оптимизацию по величине радиуса пятна рассеяния. Вообще говоря, оценочные функции, в которых в качестве опорных точек использу- используется центр тяжести пятна рассеяния, превосходят по своей эффективности оценоч- оценочные функции, в которых в качестве опорных точек используется точка пересечения главного луча с плоскостью изображения. Большинство измеряемых дифракционных характеристик оптической системы, таких как МПФ (MTF) или размер кружка с заданной концентрацией энергии, улучшаются с уменьшением СКЗ ошибок волнового фронта, отнесенных к центру тяжести изображения. Однако всегда полезно провести реоптимизацию окончательной схемы с разными оценочными функциями для проверки, какая функция приводит к лучшим характеристикам для данной схемы. Например, оптимизация по СКЗ ошибкам волнового фронта относительно центра тяжести часто приводит к более высоким значениям МПФ на низких пространс- пространственных частотах и к меньшим значениям МПФ на средних пространственных частотах, чем при оптимизации по СКЗ относительно главного луча. Selecting the pupil integration method Выбор метода интегрирования по площади зрачка Существуют два разных «метода» интегрирования по площади зрачка: гауссовой квадратуры (Gaussian quadrature, GQ) и прямоугольной матрицы (Rectangular array, RA). GQ алгоритм во много раз предпочтительнее для большинства практических случаев. GQ алгоритм использует тщательно выбранный и взвешенный ряд лучей для точного вычисления RMS или PTV ошибки по области однородно освещенного входного зрачка (строго говоря, PTV алгоритм не есть GQ алгоритм, но они очень похожи). Взвешивание всех лучей производится в соответствии с "весами", заданными для всех длин волн и всех точек поля в соответствующих диалоговых окнах, а также посредством алгоритма, заложенного в GQ оценочную функцию. Для RMS-оценочных функций отбор используемого для вычислений ряда лучей и их взве- взвешивание проводятся по методу, описанному в статье G. W. Forbes, JOSA А 5, р.1943. Для PTV оценочных функций отбор ряда лучей проводится на основе решений полиномов Чебышева, описанных в Numerical Recipes, Cambridge University Press A989). Если вас интересует более подробная информация относительно обоснова- 14 -4 Chapter 14: OPTIMIZATION
ния и томности этих методов обратитесь к этим первоисточникам GO алгоритм во много раз более томный метод, чем все другио известные методы, и требует относи- относительно небольшого числа лучей GQ эпгоритм требует (для определения диаграммы распределения лучей по площади входного зрачка) задания числа «Rings» (количество окружностей на входном зрачке) и числа «Arms» (количество радиальных линии на входном зрачке); как определяются эти величины, описано в следующих разделах Недостатком GQ алгоритма является только то. что он не работает, если в оптической системе имеются апертуры на поверхностях или если зрачок освещен неоднородно Для таких систем GQ алгоритм, по-видимому, не является лучшим выбором по сравнению с RA апгоритмом. GQ алгоритм работает прекрасно при использовании коэффициентов виньетирования, так как диаграмма лучей в этом случае легко перераспределяется. RA алгоритм основан на трассировании сетки лучей, распределенных по площади входного зрачка. Формат сетки («Grid») определяет число трассируемых лучей, как это описано в следующем разделе. Опция «Delete Vignetted» (также описанная в следующем разделе) позволяет убрать виньетируемые лучи из числа трассируемых лучей; виньетируемые лучи в этом контексте - это такие лучи, которые задерживаются апертурами на поверхностях, а не те лучи, которые были определены коэффициентами виньетирования (смотри главу «Conventions and Definitions»). Преимуществом RA алгоритма является его способность точного учета в оценочной функции эффектов виньетирования. Это полезно в таких системах, как телескопы с центральным виньетированием и объективы камер, а которых намеренно обрезают лучи с большими аберрациями. К недостаткам RA алгоритма относятся меньшая скорость и меньшая точность вычислений. Обычно для достижения заданной степени точности необходимо трассировать больше лучей, чем при использовании GQ алгоритма. Основное правило: не используйте RA алгоритм, если в системе нет апертур на поверхностях! Rings Окружности Число окружностей («Rings») устанавливается только при использовании GQ алгоритма. Это число определяет количество лучей, трассируемых от каждой точки поля для каждой длины волны. Для точки поля на оси (угол поля равен нулю для систем, обладающих вращательной симметрией) чиспо трассируемых лучей равно числу заданных окружностей (rings). Для всех других точек поля в осесимметричных системах число лучей, трассируемых на одну окружность, равно половине числа «arms» (определяется в следующем разделе): трассируется только половина лучей, так как рассматривается симметричная система. Каждый ряд лучей трассируется для каждой определенной длины волны. Например, если вы имеете одну точку поля на оси, две внеосевые точки поля, три длины волны, и задали четыре окружности (rings = 4). то число трассируемых лучей будет- ЗхD+4хЗ+4хЗ) = 84 (по умолчанию arms = 6 и, следовательно, для внеосевых точек поля число трассируемых лучей на одну окружность 6/2=3. см. следующий раздел). Для систем, не обладающих вращатель- вращательной симметрией, чиспо трассируемых лучей на одну окружность равно числу «arms» независимо от точки поля. Для предыдущего примера это число равно 3x3x4x6 = 216 лучей. ZEMAX автоматически вычисляет эти числа, мы описали эти расчеты только для того, чтобы вы понимали, каким образом определяются заложенные в программу оценочные функции. Процесс оптимизации длится тем дольше, чем большее число лучей трассируется. Глава 14- ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 5
Arms Радиальные линии Установка числа «Arms» производится также только при использовании GQ алгоритма. Это число определяет количество лучей, трассируемых через радиальные линии зрачка. По умолчанию устанавливается шесть равнорасположенных по углу радиальных линий (три для систем с вращательной симметрией). Это число может быть установлено 8, 10 или 12. Для большинства обычных оптических систем достаточно 6. Вы должны выбрать число rings и число arms в соответствии с порядком присутствую- присутствующих в вашей системе аберраций. Простой путь определения правильного числа rings - это выбрать минимальное число, 1. Затем вызовите диалоговое окно оптимизации и заг/етьте величину оценочной функции. Теперь вернитесь к опции tool в редакторе оценочной функции и установите 2 rings. Посмотрите снова на величину оценочной функции. Если она изменилась больше, чем.на несколько процентов, установите 3 rings, и так далее до тех пор, пока величина оценочной функции не будет заметно изменяться (около 1%). Повторите эту же процедуру для числа arms (шести arms почти всегда достаточно). Выбор большего числа rings и arms не улучшит результат оптимизации; это только замедлит скорость оптимизации. Трассирование большего, чем требуется числа лучей не поможет вам найти лучшее решение задачи. Выбор большего, чем требуется, числа rings и arms не улучшит результат оптимизации, а только сделает этот процесс более медленным! Grid Сетка Число «Grid» используется только для RA алгоритма и определяет число трассируе- трассируемых лучей. Формат сетки (grid) может быть 4x4 A6 лучей на одну точку поля и на одну длину волны), 6x6 C6 лучей на поле и на длину волны) и так далее. Лучи, проходящие за пределами входного зрачка, автоматически исключаются из рассмо- рассмотрения, так что действительное число трассируемых лучей будет несколько меньше. чем квадрат числа "Grid". Выбор большого формата сетки обычно приводит к более высокой точности при меньшей скорости вычислений. Однако может быть выгодным сначала выбрать сетку с большой плотностью, а затем выбрать опцию «Delete Vignetted» (описана в следующем разделе). Смысл этого заключается в том, что большая плотность сетки позволит заполнить входной зрачок лучами, а лишние лучи, проходящие через входной зрачок, но обрезаемые диафрагмами на поверхностях, будут стерты из таблицы оценочной функции. В результате будет получено разумное количество лучей, которое достаточно точно отображает апертуру системы. Delete Vignetted Опция «Delete Vignetted» Опция «Delete Vignetted» используется только вместе с RA алгоритмом. Если она выбрана, то каждый луч будет трассирован через систему, но те лучи, которые будут обрезаны какой-либо диафрагмой, или пройдут мимо какой-либо поверхности, или испытают на какой-либо поверхности полное внутреннее отражение» будут стерты из таблицы оценочной функции. Это сводит число лучей в таблице оценочной функции к минимуму. Недостатком этой опции является то обстоятельство, что в процесс оптимизации виньетирование может измениться, и это потребует переопределения оценочной функции. Если возможно, то лучше в этих случаях использовать коэффи- коэффициенты виньетирования и GQ алгоритм. Если требуется, коэффициенты виньети- 14 -6 Chapter 14: OPTIMIZATION
рования могут подстраиваться, в процессе оптимизации, - путем использования оператора оптимизации SVIG (смотри дальше таблицу операторов). Setting thickness boundary values Установка ограничений на толщину Если установить флажки "Glass" и/или "Air" то в оценочную функцию автоматически будут включены операторы, задающие ограничения на изменения толщин "стеклянных" поверхностей и воздушных промежутков. В таблицу оценочной функции будут введены операторы MNCG, MXCG и MNEG, ограничивающие минимальную центральную толщину, максимальную центральную толщину и минимальную краевую толщину "стеклянных" поверхностей соответственно. В таблицу будут введены также операторы MNCA, МХСА и MNEA, ограничивающие минимальную центральную толщину, максимальную центральную толщину и минимальную краевую толщину воздушных промежутков соответственно. Эта опция предназначена для введения простых ограничений. Для более сложных схем, включающих в себя зеркальные поверхности, поверхности типа "coordinate break", а также для мультиконфигура- ционных схем обычно требуется введение дополнительных ограничений. Start at Старт с... 4 Опция «Start at» используется для того, чтобы указать, с какой позиции должна стартовать встроенная оценочная функция, чтобы не стереть введенные вами перед ней операторы ограничения; ZEMAX разместит встроенную оценочную функцию после вашего собственного списка операторов. Однако алгоритм определения стартовой позиции может работать неэффективно, если во встроенную оценочную функцию вы внесли перед этим какие-либо ограничения. В таких случаях для контроля за стартовой позицией встроенной оценочной функции используйте оператор DMFS (смотри дальше таблицу операторов). Assume Axial Symmetry Использовать осевую симметрию Опция «Use Symmetry» указывает на то, как ZEMAX допжен трактовать симметрию текущей схемы. Если выбрана эта опция, то встроенная оценочная функция будет учитывать лево-правостороннюю и вращательную симметрию системы. Будет трассировано меньшее число лучей, ускоряя процесс оптимизации без потери точности. Для систем, в которых имеются поверхности типа «coordinate breaks», или для систем, не обладающих вращательной симметрией, по умолчанию не предусмотрен такой выбор; это означает, что симметрия схемы не будет учитываться. Однако использование симметрии полезно даже в тех случаях, когда ваша схема воспринимается ZEMAX как несимметричная, но отсутствие симметрии не вносит дополнительных аберраций. Например, если в вашей системе имеются наклонные, но плоские зеркала, эти зеркала не нарушают лево-правосторонней симметрии системы, но ZEMAX будет считать, что симметрии нет. Некоторые поверхности с градиентом показателя преломления часто используются таким образом, что в уравнении, описывающем вариации показателя преломления, члены, вносящие ассиметрию. равны нулю (эти члены используются только для анализа допусков) Используйте в таких случаях опцию 'Use Symmetry" для ускорения вычислений. Смотри также описание оператора USYM' Если вы не понимаете эту особенность, то работайте только с установкой, которая задается "по умолчанию"! Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 7
Ignore Lateral Color Игнорировать хроматизм увеличения По умолчанию ZEMAX для всех полей выполняет вычисления всех величин RMS или PTV относительно одной общей опорной точки. Все лучи трассируются на всех длинах волн для кавдого поля и главный луч для главной длины волны или центр тяжести всех лучей используются как опорные точки. Если выбрать опцию "Ignore Lateral color1, то ZEMAX будет производить вычисления относительно независимых опорных точек для каждой длины волны. Это полезно для систем, у которых лучок лучей разделяется по длинам волн, как, например, у спектрометров. При исполь- использовании этой опции оценочная функция будет сконструирована таким образом, что оптимизация будет производиться по каждому цветному пятну рассеяния независимо. Relative X Weight Относительный вес для Х-компоненты Эта опция позволяет ввести в оценочную функцию веса х- и у- компонент поперечных аберраций при вычислении PTV или RMS SPOT X+Y. Эта установка не действует на другие типы оценочных функций. Если установить X вес меньше 1, то Y- вес будет значительно больше, чем Х-вес; если установить Х-вес больше единицы, то Х-вес будет значительно больше, чем Y-вес. Если оставить значение равное 1, установленное по умолчанию, то веса компонент будут равными. Такой контроль полезен для систем, в которых используются щели, как, например, у спектрометров. Pitfalls with the default merit function Возможные ошибки при работе с оценочными функциями Встроенные оценочные функции очень легко устанавливаются, очень эффективны и подходят для большого числа задач оптимизации. Однако большинство оптических схем требуют расширения или модификации запрограммированных оценочных функций. ZEMAX предоставляет большую гибкость в создании собственных оценоч- оценочных функций, как это буде описано в последующих разделах. Имейте в виду, что каждый раз, когда вы вносите изменения в данные полей, длин волн или их весов, встроенная оценочная функция должна быть определена заново. Если вы используете RA алгоритм, то оценочная функция должна заново опреде- определяться, если в процессе оптимизации происходит заметное изменении виньетиро- виньетирования. Каждый раз. когда Вы вносите изменения в данные полей и длины волн когда Вы изменяете их количество или веса, необходимо заново определить оценочную функцию) Optimization with apodized beams Оптимизация при аподизации пучков Если не была задана аподизация зрачка (смотри раздел «System», в котором описана процедура задания аподизации зрачка), то при "конструировании11 оценочной функции ZEMAX предполагает, что зрачок освещен однородно. Если зрачок освещен неоднородно, то при определении оценочной функции пучи взвешиваются в соответствии с заданными величинами коэффициентов аподиэации. Так как метод гауссовой квадратуры разработан для работы с однородно освещен- 14-8 Chapter 14: OPTIMIZATION
ным зрачком то для систем с аподизацией может быть использован только RA алгоритм. Так как выбранное вами число лучей может быть недостаточным для адекватного представления аподизированного пучка, используйте большее число пучей (как это было описано выше), когда вы работаете с аподизацией. Смотрите главу «Conventions and definitions» для более детального ознакомления с аподизацией. Modifying the merit function Модификация оценочной функции Оценочная функция может быть модифицирована пользователем. Дпя изменения оценочной функции войдите через главное меню в Editors. Merit Function. Новые операторы могут быть добавлены в таблицу или стерты из нее с помощью клавиш Insert и Delete. Численная величина оценочной функции или величины отдельных операторов могут быть пересчитаны с помощью опций Tools, Update. Новый оператор вводится в таблицу путем набора (печати) его наименования в первую колонку таблицы и последующего заполнения остальных полей данных в этой строке. В таблице имеется восемь полей, которые могут потребоваться для доопределения оператора: Intl. Int2, Нх, Ну, Рх. Ру. target (цель) и weight (вес). Величины !nt - целочисленные параметры, значения которых зависят от типа определяемого оператора; обычно Int1 - номер поверхности, a Int2 - номер длины волны, но это не всегда так. Не для всех операторов используются все поля строки. Int 1 и Int 2 Для операторов, которые используют колонку Int1 для индикации номера поверх- поверхности, этот параметр определяет, для какой оптической поверхности должна вычис- вычисляться данная величина. Таким же образом значение Int2 , когда оно используется для определения длины волны, задает ту длину волны, которая должна быть использована при вычислении данного оператора; значение Int2 должно быть целым числом, равным порядковому номеру данной длины волны. В некоторых операторах параметры Int1 и Int2 могут быть использованы для других целей, как это будет описано ниже. Нх. Ну, Рх и Ру У многих операторов используются параметры Нх. Ну. Рх и Ру; это нормированные координаты поля и зрачка (смотри раздел «Normalized field and pupil coordinates» в главе «Conventions and defenitions»). Заметьте, что ZEMAX не проверяет, находятся ли заданные Нх. Ну. Рх и Ру координаты в пределах единичного круга. Например, зрачковые координаты A,1) в действительности находятся за пределами входного зрачка, но ZEMAX не сообщит вам об ошибке до тех пор, пока лучи физически не смогут быть трассированы. Target (цель) - это желаемая величина параметра, который выражается данным оператором. Разница между целевым значением и величиной оператора возводится в квадрат, а суммирование этих значений для всех операторов дает величину оценочной функции. Численные значения цели и оператора сами по себе для оптими- оптимизации не важны; для оптимизации важна только разность между ними Чем больше эта разность, тем больше вклад этого оператора в величину оценочной функции. Weight (вес) - это относительная важная величина для данного параметра. Численное значение веса может быть любым числом, положительным или отрицательным Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 9
Однако оптимизатор будет работать по-разному, когда вес оператора задан отрицательным, нулевым или положительным числом. Operand weights less than zero Операторы с отрицательными весовыми коэффициентами Если вес оператора задан отрицательным числом, то 2ЕМАХ трактует это число как множитель Лагранжа. Множители Лагранжа форсируют работу алгоритма оптимизации в направлении поиска решения, которое точно соответствовало бы заданному ограничению, не считаясь с действием других операторов. Это бывает полезным, например, для точного удовлетворения требования к величине фокусного расстояния или к величине увеличения. В каком-то смысле, это подобно установке "бесконечно" большого веса для данного оператора, однако таким образом обеспечивается более стабильное численное решение. Так как между переменными величинами и заданными целями оператора, вообще говоря, имеется нелинейное соотношение, ZEMAX не может достичь точного целевого значения оператора за один цикл оптимизации; однако за несколько циклов оптимизации обычно достигается сходимость решения для "лагранжевых" целей с очень высокой точностью, если, конечно, решение существует. Однако возможно, что заданные лагранжевые цели не будут достигнуты при заданном наборе переменных величин, особенно в случаях, когда задано несколько лагранжевых целей. Для вычисления значения всей оценочной функции ZEMAX использует абсолютные величины весов. Для получения наилучшего результата расчетливо используйте лагранжевые множители. Наилучшая оптимизация и адекватная точность обычно достигаются просто с помощью увеличения весов тех операторов, для которых нужно получить точные (или близкие к точным) значения. Если для операторов с лагранжевыми множителями не удается достичь точного решения при умеренных весах, таких как—1, попытайтесь дать этому оператору еще большее отрицательное значение, такое как -1000. Это создаст возможность для дальнейшего уменьшения величины оценочной функции при приближении к точному целевому значению оператора. Лагранжевые множители не должны использоваться с операторами ограничения, такими как CTGT, так как для операторов этого типа не всегда можно вычислить соответствующие производные. Operand weights equal to zero Операторы с весовыми коэффициентами, равными нулю Если вес оператора равен нулю, то алгоритмоптимизации вычисляет величину этого оператора, но игнорирует ее при вычислении величины оценочной функции. Это бывает очень полезно, когда величина оператора сама по себе не имеет значения, но используется где-либо в другом месте в оценочной функции, например, для вычисления величины какого-либо другого оператора. Это также полезно, когда нужно просто контролировать или осуществлять мониторинг величины какого-либо параметра. Operand weights greater than zero Операторы с положительными весовыми коэффициентами Если вес оператора больше нуля, то разность между текущей величиной оператора и его целевым значением трактуется как «отклонение от нормы», которая должна быть минимизирована вместе со всей оценочной функцией. Для большинства операторов должны быть заданы веса с положительными величинами. 14 -10 Chapter 14: OPTIMIZATION
Merit function definition Определение оценочной функции Оценочная функция определяется как: MF7 = Суммирование по i производится только для операторов с положительным весом, а суммирование по j производится только для операторов с лагранжевыми множи- множителями. Для лагранжевых множителей используются абсолютные величины весов. Эта условность выбрана с тем, чтобы лагранжевы множители, контролирующие условия ограничений на величину какого-либо параметра, переставали влиять на величину оценочной функции, как только эти условия удовлетворяются. Optimization operands Операторы оптимизации В нижеследующих таблицах описаны все доступные операторы оптимизации. Первая таблица предназначена для получения «быстрой справки» об операторах, относящихся к разным категориям. Во второй таблице дано детальное описание каждого оператора (в алфавитном порядке) и указано, какие данные и в какие поля должны быть занесены в таблицу оценочной функции для данного оператора. Обратите внимание на то, что у некоторых операторов (таких, как SUMM) параметры Int1 и Int2 служат не для введения данных о поверхностях и длинах волн, как у большинства других операторов, а для введения других характеристик. Если у опера- операторов какое-либо поле не используются, то для этого поля указан знак «-» (прочерк). OPTIMIZATION OPERANDS BY CATEGORY ОПЕРАТОРЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПО КАТЕГОРИЯМ Категория First-order optical properties Оптические свойства первого порядка Aberrations Аберрации MTF data Данные МПФ Encircled energy Концентрация энергии Conraints on lens data Ограничения на параметры оптической схемы/элементов Соответствующие операторы EFFL, PIMH. PMAG. AMAG. ENPP, ЕХРР. LINV. WFNO, POWR. EPDI, ISFN, OBSN. EFLX. EFLY, SFNO. TFNO SPHA. COMA. ASTI, FCUR, DIST, DIMX, АХСЦ LACL. TRAR. TRAX, TRAY. TRAI, OPDC. PET2, РЕТС, RSCH. RSCE, RWCH, RWCE. ANAR. ZERN, TRAC, OPDX. RSRE. RSRH. RWRE, TRAD. TRAE, TRCX, TRCY. DISG, FCGS. FCGT. DISC. OPDM. RWRH. BSER. BIOC. BIOD, OSCD. MTFT. MTFS. MTFA. MSWT, MSWS. MSWA. GMTA, GMTS, GMTT DENC, DENF, GENC. XENC TOTR, CWA. CVGT, CVLT. CTVA. CTGT, CTLT, ETVA. ETGT. ETLT. COVA. COGT. COLT, DMVA, DMGT. DMLT. TTHI, VOLU. MNCT, MNET. MXCT. MXET, MNCG, MNEG. MXCG. MXEG, MNCA, MNEA. MXCA. MXEA. ZTHI. SAGX. SAGY. CVOL. MNSD. MXSD, XXET, XXEA. XXEG. XNET, XNEA. XNEG. TTGT. TTLT, TTVA, TMAS. MNCV. MXCV. MNDT, MXDT Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-11
Категория Constraints on parameter data Ограничения на параметрические данные Constraints on extra data Ограничения на внешние данные Constraints on glass data Ограничения на данные стекол Constraints on paraxial ray data Ограничения на данные для параксиального луча Constraints on real ray data Ограничения на данные для реального луча Constraints on element positions Ограничения на положение элементов Changing system data Изменение параметров системы General math operands Основные математические операторы Multi-configuration (zoom) data Параметры системы с изменяю- изменяющейся конфигурацией Gaussian beam data Параметры гауссового пучка Gradient index control operands Операторы, контролирующие градиент показателя преломления Ghost focus control Fiber coupling operands Операторы волоконной оптики Relative illumination operand Оператор освещенности Optimization with ZPL macros Оптимизация с ZPL макросами User defined operands Операторы пользователя Merit function control operands Операторы контроля оценочной функции Constraints on non-sequential object data Операторы ограничения на данные для непоследовательных объектов Соответствующие операторы PMVA, PMGT, PMLT XDVA. XDGT, XDLT MNIN. MXIN, MNAB. MXAB. MNPD, MXPD, RGLA GCOS. GTCE. (NDX PARX. PARY. PARZ. PARR, PARA, PARB. PARC, PANA, PANB, PANC. PATX, PATY. YNIP REAX, REAY. REAZ. REAR. REAA. REAB, REAC, RENA, RENB. RENC, RANG. OPTH. DXDX, DXDY, DYDX, DYDY, RETX, RETY. RAGX. RAGY. RAGZ. RAGA. RAGB, RAGC. RAIN, PLEN. HHCN, RAID. RAEN. RAED, IMAE. CENX, CENY GLCX. GLCY, GLCZ. GLCA. GLCB, GLCC CONF, PRIM, SVIG ABSO. SUMM. OSUM. DIFF, PROD. DIVI, SQRT. OPGT, OPLT, OPVA, CONS. QSUM. EQUA, MINN. MAXX. ACOS, ASIN, ATAN. COSI, SINE, TANG. LOGE, LOGT CONF, ZTHI. MCOV. MCOL. MCOG GBPS, GBPW. GBPP, GBPR. GBPD. GBSS, GBSW. GBSP. GBSR, GBSD 11GT. 12GT. I3GT. I4GT, I5GT, 16GT, 11LT. I2LT, 13LT. I4LT, I5LT. I6LT. I1VA, I2VA, I3VA, I4VA, I5VA. I6VA. GRMN, GRMX, LPTD. DLTN GPIM FICL. FICP, POPD RELI ZPLM UDOP BLNK, ENDX, USYM, DMFS, SKIS, SKIN. GOTO NPXG, NPXL, NPXV, NPYG. NPYL, NPYV, NPZG. NPZL, NPZV. NTXG. NTXL. NTXV, NTYG, NTYL, NTYV, NTZG, NTZL, NTZV, NPGT, NPLT. NPVA 14-12 Chapter 14: OPTIMIZATION
Категория Non-sequential ray tracing and detector operands. Операторы контроля непоследовательной трассировки луча и NSC-детекторов Constraints on construction optics for optically fabricated holograms Операторы конструкционной оптики для голограмм, изготовленных оптическим путем Constrain on optical coating Операторы ограничения на оптические покрытия Physical Optics Propagation (POP) results Результаты POP-анализа Соответствующие операторы NSDD. NSTR CMFV CODA, CMGT, CMLT, CMVA POPD OPTIMIZATION OPERANDS AND DATA FIELD USAGE ОПЕРАТОРЫ ОПТИМИЗАЦИИ И НАЗНАЧЕНИЕ ПОЛЕЙ В ТАБЛИЦЕ РЕДАКТОРА Имя ABSO ACOS AMAG ANAR ASIN ASTI ATAN AXCL Описание Абсолютное значение. Arccos от величины указанного оператора. Если флаг = 0. то в радианах; при других значениях - в градусах. Угловое увеличение. Это отношение углов главных параксиальных лучей в пространстве изображений и в пространстве объектов. Не работает для непараксиальных систем. Радиус угловой аберрации, измеренной в плоскости изображения относительно главного луча для главной длины волны. Эта величина определяется как A - cosO), где 0 - угол между главным и трассируемым лучами. Смотри оператор TRAR. Arcsin от величины указанного оператора. Если флаг = 0. то в радианах; при других значениях - в градусах. Астигматизм указанной поверхности в длинах волн. Если вместо номера поверхности указано число «0». то используется суммарная величина астигматизма для всей системы. Это а - астигматизм третьего порядка, вычисляемый по коэффициентам Зейделя. Не работает для непараксиальных систем. Arctan от величины указанного оператора. Если флаг 0. то в радианах; при других значениях - в градусах. Хроматизм положения в используемых линейных единицах. Это величина промежутка между параксиальными фокальными расстояниями для двух крайних длин волн из числа заданных. Расстояние вычисляется вдоль оси Z Не работает для непараксиальных систем. Int1 Номер Операт. Номер операт. Номер оперэт. Номер поверх- поверхности Номер операт. Int2 — Флаг Номер длины волны Номер длины волны Флаг Номер длины волны Флаг Нху. Рху — — " Да (исполь- (используются) - — Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-13
Имя BIOC BIOD BLNK BSER CENX Описание Biocular Convergence. Returns the convergence between two eye configurations in milliradians. The left and right eye configurations are selected using {he Int1 and Int2 values. The other parameters are: Wave: The wavelength number to use. Usea: Use angles, if 0 field units are degrees otherwise radians. Xang/Yang: The X and Y angle or cosines a! which to compute the convergence. If the chief rays from both* configurations at the specified angles do not pass through to the image without vignetting, an error is reported. See "Dipvergence/ Convergence' on page 122 for more information and important assumptions. Biocular Dipvergence. Returns the dipvergence between two eye configurations in milliradians. See BIOC above for details. Этот оператор не производит никакого действия. Используется для разделения разных групп операторов в таблице оценочной функции. Справа от имени оператора может быть записана строка с комментариями; этот комментарий будет высвечен в редакторе, а также записан в текстовом файле оценочной функции (Merit function listing). Ошибка хода осевого луча. Определяется как частное от деления величины радиальной координаты главного луча (в плоскости изображения), трассированного от осевой точки объекта, на эффективную фокальную длину. Это мера углового отклонения изображения. Этот оператор вычисляет Х-координату центроида пятна рассеивания для сетки лучей, исходящих от заданной точки поля, с учетом аподизации и апертур, и (при желании) поляризации. Размер сетки лучей задается с помощью параметра "Samp"; число 10 даст сетку 10 х 10 лучей. Параметр "Wave" используется для задания номера длины волны; 0 - для полихроматических вычислений. Параметр Нх используется для задания номера поля, а параметр Ну для учета поляризации: 0 -для игнорирования и 1 - для учета поляризации. Когда оператор CENX следует за оператором CENY с идентичными установками, значения обоих операторов вычисляются одновременно для одной и той же сетки лучей. Inti Left Eye Config Left Eye Config Размер сетки лучей Int2 Right Eye Config Right Eye Config Номер длины волны Номер длины волны Нху,Рху Right Eye Config Right Eye Confiy Смотри описание в левой колонке 14-14 Chapter 14. OPTIMIZATION
Имя CENV Описание Inti lnt2 Hxy. Pxy Этот оператор вычисляет Y-координату центроида для заданной сетки лучей. Смотри CENX. Размер сетки лучей Номер длины волны Смотри левую колонку CMFV Этот оператор принимает значение, равное величине одной из двух оценочных функций (или одно го из операторов этих функций), определенных для двух конструкционных оптических систем, используемых для построения оптически изготовленных голограмм. Параметру Соп# присваиваются значения 1 или 2 для вызова первой или второй конструкционной системы, соответственно. Если параметру Орг# присвоить значение 0, то оператор CMFV принимает значение, равное полной величине оценочной функции данной конструкционной системы. Если параметру Орг# присвоить значение, равное порядковому номеру какого-либо оператора из таблицы оценочной функции (для данной конструкционной системы), то оператор CMFV принимает значение, равное величине этого оператора. Например, если Сол# = 2 и Opr# = 7, CMFV принимает значение оператора 7 из таблицы оценочной функции, определенной для конструкционной системы 2 (из конструкционного файла № 2). Если в оптимизируемой воспроизводящей системе используется несколько поверхностей типа "Optically fabricated hologram", то для вызова оценочных функций, определенных для второй поверхности, параметру Соп# нужно присвоить значения 3 или 4 - для первой или второй конструкционной системы, соответ-ственно. Для третьей поверхности параметру Соп# нужно присвоить значения 5 или 6 и т.д. Например, Соп# = 7 вызовет конструкционную систему №1 для четвертой имеющейся в системе поверхности типа "Optically fabricated hologram". Соп# Opr# смет Boundary operand that constrains the coating multipler of a surface or all surfaces to be greater than the target value. Use Surf = 0 for all surfaces, Layr = 0 for all layers. ____ Surf Layr CMLT Boundary operand that constrains the coating multipler of a surface or all surfaces to be less than the target value. Use Surf = 0 for all surfaces. Layr = 0 for all layers. Surf Layr CMVA Boundary operand that constrains the coating multipler of a surface to be equal to the specified target value. ; Surf Layr CODA Coating Data. This feature traces a polarized ray using the system global polarization state (see "Polarization" on page 68) from any field point in object space to any point in the pupil, and stops at the specified surface If the suiface is zero, the ray is Iraced to the image surface Use Hx to select the field#. Ну to select the data#. and Px and Py to define the pupil coordinate The absolute value of the data number determines Surf Wave See left Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14- 15
COGT COLT COMA CONF CONS COS! COVA CTGT CTLT what data is returned as follows: 0: The relative transmitted intensity 1: The intensity reflectance R 2: The intensity transmiitance T 3: The intensity absorption A 4.5' The field amplitude transmittance real, imaginary 6.7. The field amplitude reflectance real, imaginary 101, 102: E field out X real, imaginary 103. 104: E field out Y real, imaginary 105. 106: E field out 2 real, imaginary If the data is related to the coating, and the data number isnegative. the data is for the "S" polarization, otherwise the datais for the "P" polarization. Other coating and polarization datamay be added to this fisl upon request. Оператор, ограничивающий минимальную вели- величину конической постоянной указанной поверх- поверхности: вепичина конической постоянной должна быть больше указанной в колонке «target» величины. Оператор, ограничивающий максимальную вели- величину конической постоянной указанной поверх- поверхности: величина конической постоянной должна быть меньше указанной в колонке «target» величины. Кома указанной поверхности в длинах волн. Если вместо номера поверхности указано число «0», то используется суммарная величина комы для всей системы. Это кома третьего порядка, вычисля- вычисляемая по коэффициентам Зейдепя. Не работает для непараксиальных систем. Конфигурация. Этот оператор используется для изменения номера конфигурации мультисистемы в процессе ее оптимизации, что позволяет проводить оптимизацию по всем конфигурациям. Для этого оператора не используются колонки «target» и «weight». Величина константы. С помощью этого оператора вводится числовое значение постоянной, которое будет использоваться другими вычислительными операторами. Косинус величины оператора указанного номера. Если флаг 0. то в радианах; при других значениях - в градусах. Величина конической постоянной. Определение величины конической постоянной для указанной поверхности. Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину центральной толщины указанной поверхно- поверхности: центральная толщина должна быть больше указанной в колонке «target» величины. См. также оператор «MNCT», Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину центральной толщины указанной поверх- поверхности: центральная толщина должна быть меньше указанной в колонке «target» величины. См. также оператор «МХСТ>. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Новый номер конфи- конфигурации *** Номер операт. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер длины волны Флаг — — — 14-16 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя CTVA CVGT CVLT CVOL CWA DENC DENF Описание Этот оператор устанавливает требуемую вели- величину центральной толщины указанной поверх- поверхности: центральная толщина должна быть равна указвнной в колонке «target» величине. Этот оператор ограничиват минимальную вели- величину кривизны поверхности: кривизна указанной поверхности должна быть больше указанной в колонке «target» величины. Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину кривизны поверхности: кривизна указанной поверхности должна быть меньше указанной в колонке «target» величины Этот оператор вычисляет {в кубических линейных единицах) объем наименьшего цилиндра, ограни- ограничивающего заданное количество поверхностей. Учитываются только координаты вершин поверхностей и их полудиаметры; стрелка прогиба не учитывается. В заданную область поверхностей не должны входить поверхности типа «coordinate breaks». Этот оператор устанавливает требуемую вели- величину кривизны поверхности: кривизна указанной поверхности должна быть равна указанной в колонке «target» величине. Этот оператор вычисляет радиус кружка в мкм (или полуширину щели по X или Y, или размер квадратной области), в пределах которого/ой концентрируется заданная доля энергии дифракционного пятна для указанного поля. С помощью параметра 1п11 задается размер сетки отсчетов: 1 соответствует сетке 32x32, 2 - сетке 64x64 и т.д. Параметр Inl2 указывает номер длины волны @ - для полихроматических вычислений). Параметр Нх используется для задания номера поля; а параметр Ну - для задания доли энергии, концентрируемой в анализируемой области; его величина должна быть в пределах от 0.0 до 1.0. С помощью параметра Рх устанавливается тип анализа: 1 -для кружка, 2-для полущирины щепи по X. 3 - для полуширины щели по Y, 4 - для квадратной области. Параметр Ру используется для задания опорной точки: 0 - для центроида. 1 - для главного луча. 2 - для вершины распределения. Если количество отсчетов недостаточно, то величина радиуса принимает значение 1е+10. См. также DENF. GENC and XENC. Этот оператор вычисляет долю энергии дифракционного пятна, сконцентрированную в заданной области: в кружке заданного радиуса, в щели с заданной полушириной по X или Y. в квадратной области. Радиус кружка и полуширина щели отсчитываются от выбранной опорной точки. Опции и установки для этого оператора идентичны опциям и установкам, используемым с оператором DENC, за исключением параметра Ну. который в 1л!1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Первая поверх- поверхность Номер поверх- поверхности Плот- Плотность сетки отсче- отсчетов A,2,...) К-во отсчетов Ш ~ ~ После- Последняя поверх- поверхность Номер длины волны Номер длины волны Нху, Рху ■ Смотри описа- описание, данное в левой колонке Смотри левую колонку Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14- 17
DIFF DIMX DISC DISG DIST DIVI DLTN DMFS данном случае используется для задания размера области концентрации энергии. См. также DENC, GENCandXENC. Этот оператор вычисляет разность величин двух других указанных операторов: (Олерат. №1 - Операт. №2). Этот оператор подобен оператору DIST. за исключением того, что он устанавливает верхний предел на абсолютную величину дисторсии. Параметр Inti определяет номер поля; если этот параметр равен 0. то будет использована макси- максимальная координата поля. Заметьте, что макси- максимальная величина дисторсии не всегда будет при максимальной величине поля. Дисторсия всегда вычисляется в процентах для всей системы. Этот оператор может не работать для систем, не имеющих вращательной симметрии. Этот оператор вычисляет величину «калиброван- «калиброванной» дисторсии по всему полю зрения и устанавливает абсолютную величину максималь- максимального отклонения от линейности при "f-theta" условиях. Этот оператор очень полезен при проектировании f-theta объективов. Этот оператор вычисляет стандартную дистор- сию для луча, исходящего от заданной точки поля и проходящего через заданную точку входного зрачка, для заданной длины волны, относительно центральной точки заданного поля. Использован- Использованный метод вычисления и принятые приближения те же, как при вычислении графика сетки дисторсии. олисанные в главе "Analysis Menu". Этот оператор вычисляет дисторсию в длинах волн для заданной поверхности. Если номер поверхности будет равен 0, то будет вычисляться суммарная дисторсия для всей системы в процентах. Это дисторсия третьего порядка, вычисляемая по коэффициентам Зейделя; не работает для непараксиальных систем. Этот оператор вычисляет отношение величин двух указанных операторов: (Опер. №1 /Опер. №2) Этот оператор вычисляет разницу между макси- максимальной и минимальной величинами показателя преломления на оси для поверхностей с градиен- градиентом показателя преломления. Используемые минимальная и максимальная Z-координаты поверхности вычисляются по стрелкам прогиба на обоих концах поверхности. Смотри раздел «Using gradient index operands» (Использование операторов градиентных поверхностей). Этот оператор просто указывает на то место в таблице оценочной функции, куда должна присое- присоединяться встроенная оценочная функция, если оценочная функция создается последовательно. Номер строки, следующей за этим оператором в таблице оценочной функции, будет высвечи- высвечиваться в диалоговом окне «Default merit function» в графе «Start At». Операт. №1 Номер поля Номер поля Номер поверх- поверхности Операт. №1 Номер поверх- поверхности Операт. №2 Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Операт. №2 Номер длины ВОЛНЫ - Да - 14-18 Chapter 14 OPTIMIZATION
Имя DMGT DMLT DMVA DXDX DXDY DYDX DYDY EFFL EFLX EaY ENDX ENPP EPDI EQUA Описание Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину диаметра указанной поверхности: величина диаметра должна быть больше установленной в колонке «target» величины. Диаметр равен удвоенной величине полудиаметра, высвеченной в таблице главного редактора данных. Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину диаметра указанной поверхности: величина диаметра должна быть меньше установленной в колонке «target» величины. Диаметр равен удвоенной величине полудиаметра, высвеченной в таблице главного редактора данных. Этот оператор устанавливает требуемую вели- величину диаметра указанной поверхности. Диаметр равен удвоенной величине полудиаметра, высве- высвеченной в таблице главного редактора данных. Этот оператор вычисляет производную попереч- поперечной х-аберрации при заданной Х-координате зрачка. Это наклон графика лучевых аберраций в заданной координате зрачка. Этот оператор вычисляет производную попереч- поперечной х-аберрации при заданной Y-координате зрачка. Это наклон графика лучевых аберраций в заданной координате зрачка. Этот оператор вычисляет производную попереч- поперечной у-аберрации при заданной Х-координате зрачка. Это наклон графика лучевых аберраций в заданной координате зрачка. Этот оператор вычисляет производную попереч- поперечной у-аберрации при заданной Y-координате зрачка. Это наклон графика лучевых аберраций в заданной координате зрачка. Эффективное фокальное расстояние системы. Это параксиальная величина фокального рассто-яния. и она может быть неточной для непаракси-альных систем. Эффективное фокальное расстояние в локальной Х-плоскости для выбранной част» оптической системы для главной длины волны. Эффективное фокальное расстояние в локальной Y-ллоскости для выбранной части оптической системы для главной длины волны. Этот оператор служит для ограничения оценочной функции: все последующие операторы будут игнорироваться. Расстояние до входного зрачка от первой поверх- поверхности, выраженное з принятых линейных едини цах. Это параксиальная величина действитель- действительная только для центрированных систем Диаметр входного эрачча в пр/ндтых линейных единицах Этот оператор устанавливает дспуск на разброс величин указанной группы огератороз Лоп>с-, определяется в графе «target». Велич/на этсго оператооа вычисляется путем нахожен/ч Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности ^— " ^^ Номер первой поверхн Номер первой поверхн — - Чо»»ер -еозэго ~"е~а- T0D3 Ш12 Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номвр длины волны Номер длины волны Номер послед поверх. Номер послед поверх — — H^vep послел- г«его о~ерзт Нху Рху Да Да Да Да — — — _ Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ
ETGT ETLT ETVA EXPP FCGS FCGT FCUR среднего значения всех указанных операторов и суммирования абсолютных величин отклонения каждого оператора от среднего значения, если эти отклонения превышают установленный допуск. Смотри SUMM и OSUM. Этот оператор ограничивает минимальную краевую толщину указанной поверхности: краевая толщина должна быть больше указанной в графе «target» величины. Краевая толщина вычисляется на радиусе, равном полудиаметру поверхности и направленном: вдоль оси +Y, если указан код 0; вдоль оси +Х, если указан код 1; вдоль оси -Y. если указан код 2; вдоль оси -X. если указан код 3. Толщина - это расстояние до следующей поверхности на том же полудиаметре. См. также MNET. Этот оператор ограничивает максимальную краевую толщину указанной поверхности: краевая толщина должна быть меньше указанной в графе «target» величины. Краевая толщина вычисляется на радиусе, равном полудиаметру поверхности и направленном: вдоль оси +Y, если указан код 0; вдоль оси +Х, если указан код 1; вдоль оси -Y. если указан код 2; вдоль оси -X, если указан код 3. Толщина - это расстояние до следующей поверх- поверхности на том же полудиаметре. См. также МХЕТ. Этот оператор устанавливает заданную величину краевой толщины указанной поверхности: краевая толщина должна быть равна указанной в графе «target» величине. Краевая толщина вычисляется на радиусе, равном полудиаметру поверхности и направленном: вдоль оси +Y. если указан код 0; вдоль оси +Х, если указан код 1; вдоль оси -Y, если указан код 2; вдоль оси -X, если указан код 3. Толщина - это расстояние до следующей поверхности на том же полудиаметре. См. также MNET. Расстояние до выходного зрачка от плоскости изображения в принятых линейных единицах. Это параксиальная величина, действительная только для центрированных систем. Этот оператор вычисляет сагиттальную кривизну поля для заданной точки поля и заданной длины волны. Приемлемый результат получается даже для систем, не обладающих вращательной симметрией; смотри описание характеристики Field Curvature в главе Analysis Menu. Тангенциальная кривизна поля; см. FCGS. Кривизна лоля. вносимая указанной поверхно- поверхностью. Выражена в длинах волн. Если номер поверхности указан равным 0, то вычисления проводятся для всей системы. Это аберрация третьего порядка, вычисляемая по коэффици- коэффициентам Зейделя. Не действительна для непаракси- непараксиальных систем. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности — Номер поверх- поверхности Код Код Код Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Н», Ну 14-20 Chapter 14. OPTIMIZATION
Имя FICL F1CP FOUC 6BPD GBPP 6BPR GBPS Описание Эффективность оптического волокна. Параметр •sampling" определяет формат сетки отсчетов, по которым будет проводиться интегрирование: если ввести 1, то размер сетки будет 32x32; для 2 - 64x64 и так далее. Вычисления проводятся только для одной длины волны, номер которой указывается в колонке Int2. Fiber coupling as computed using the Physical Optics Propagation (POP) algorithm, using whatever the current default settings are for the POP feature. To use this operand, first define the settings on the POP analysis feature as desired, then press Save on the settings box. The operand FICP will return the same efficiency as computed by the POP feature. This operand is redundant with the more general POPD. See "Computing Fiber Coupling" on page 454. See also FICL. Этот оператор принимает значение величины СКЗ разности между отсчетами вычисленной и опорной теневых диаграмм, вычисляемой в программе анализа методом Фуко (по умолчанию - для текущих установок). Для использования этого оператора сначала определите желаемые установки в программе анализа методом Фуко и запишите их нажатием на электронную клавишу "Save" (в диалоговом окне "Foucault Analysis", "Settings"). В этом же окне в меню "Data" ДОЛЖНА быть выбрана установка "difference4. Используя этот оператор, можно оптимизировать аберрации волнового фронта с целью приближения теневой диаграммы анализируемой системы к опорной диаграмме. Расходимость (параксиального) гауссова пучка в оптическом пространстве за указанной поверхностью. Если параметр Нх не равен нулю, то вычисления производятся для х-направления; в противном случае - для у-направления. Параметр Ну используется для определения перетяжки входного пучка, а параметр Рх - для определения расстояния от поверхности 1 до места положения перетяжки. См. описание программы "Gaussian beam". Положение (параксиального) гауссова пучка - расстояние от перетяжки до поверхности в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры Нх , Ну , Рх и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBPD. Радиус кривизны (параксиального) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры Н, , Ну > Р, и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBPD. Размер (параксиального) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры Н, . Ну . Р« « Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBPD. Int1 Число отсче- отсчетов Surf Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 Номер длины волны Номер длины волны Номер ДЛИНЫ волны Номер длины волны Ног/ер длины ВО1"*!* Нху, Рху Смотри данное левее описание See left Смотри данное левее описание Смотри данное левее описание Смотри данное левее ОП/СЭ1 '» CVQT&/ данное леве* описание Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ К-21
Имя GBPW GBSD GBSP GBSR GBSS GBSW GCOS GENC Описание Перетяжха (параксиального) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры Н,, Ну . Рж и Ру имеют такое жв назначение, как и для оператора GBPD. Расходимость (ассиметричного) гауссова пучка в оптическом пространстве за указанной поверхностью. 1п# - номер поверхности, от которой начинается распространение пучка. Out# - номер поверхности. для которой производятся вычисления данных (Skew Gaussian Beam data). Hx - номер длины волны; Ну - номер поля; Рх - расстояние от стартовой поверхности до перетяжки в установленных для схемы единицах измерения; Ру - размер перетяжки в установлен- установленных для схемы единицах измерения. Если Ру - положительная величина, то вычисления произво- производятся для у-направления пучка; в противном случае - для х-направления. Входной пучок центрируется вдоль главного пуча, идущего от заданного поля. См. описание программы "Skew Gaussian Beam". Положение (ассиметричного) гауссова пучка - расстояние от перетяжки до поверхности в оптическом пространстве за заданной поверхностью. Параметры Нх , Ну , Рх и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBSD. Радиус кривизны (ассиметричного) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверхностью. Параметры Н*, Ну . Рх и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBSD. Размер (ассиметричного) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры Нк, Ну , Р„ и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBSD. Перетяжка (ассиметричного) гауссова пучка в оптическом пространстве за заданной поверх- поверхностью. Параметры К , Ну , Рх и Ру имеют такое же назначение, как и для оператора GBSD. Этот параметр принимает значение относи- относительной стоимости стекла, используемого для указанной поверхности; в соответствии с дан- данными, указанными в каталогах стекол. Геометрическое распределение энергии. Этот оператор вычисляет размер области (в микронах), содержащей заданное количество энергии, для заданной позиции поля и заданной длины волны. Параметр 1п11 используется для установки числа отсчетов в зрачке: 1 для 32x32, 2 для 64x64 и т.д. Параметр Int2 используется для указания номера длины волны; 0 - для полихроматических вычислений. Нх - номер поля. Ну - желаемое количество концентрируемой энергии в относи- относительных единицах (должно находиться в пределах от 0 до 1) Рх определяет форму рассматриваемой области; 1 - радиус круга; 2 - размер по оси X; 3 - размер по оси Y; 4 - размер квадрата. См. DENC. Int1 Номер поверх- поверхности ln# Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Кодовое число для коли- количества отсчетов в зрачке Int2 Номер длины волны Out# Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны ** Номер ДЛИНЫ волны Нху, Рху Смотри дэнное левее описание Смотри дэнное певее описание Смотри данное певее описание Смотри данное левее описание См данное певее описание См данное левее описание Смотри данное левее описание 14-22 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя GLCA GLCB GLCC GLCX GLCY GLCZ GMTA GMTS GMTT GOTO GPIM Описание Проекция единичного вектора нормали на ось X для указанной поверхности (направляющий косинус) в глобальной системе координат. Проекция единичного вектора нормали на ось Y для указанной поверхности- (направляющий косинус) в глобапьной системе координат. Проекция единичного вектора нормали на ось 2 для указанной поверхности (направляющий косинус) в глобальной системе координат. Х-координата вершины указанной поверхности в глобальной системе координат. Y-координата вершины указанной поверхности в глобальной системе координат. Z-координата вершины указанной поверхности в глобальной системе координат. Средняя величина геометрической МПФ для сагиттальной и меридиональной плоскостей. Параметр Int1 должен быть целым числом A, 2,...), равным числу используемых гексаполярных окружностей; обычно требуется число 8 или более. Параметр Int2 определяет номер исполь- используемой длины волны; лри значении 0 вычисляется полихроматическая МПФ. Значение параметра Нх определяет номер лоля A, 2, ...). Значение параметра Ну определяет пространственную частоту в линиях на мм. См. далее в этой главе дискуссию в разделе «Using MTF operands» (Использование операторов MTF). Значение геометрической МПФ в сагиттальной плоскости. Детали смотри в описании оператора GMTA (выше). Значение геометрической МПФ в меридиональной плоскости. Детали смотри в описании оператора GMTA. Перепрыгивание через все операторы от линии GOTO к указанному оператору. Оценочная функ- функция будет стартовать с линии Ор#. Ложное изображение зрачка. Этот оператор контролирует положение ложных зрачков (и по желанию ложных изображений) относительно плоскости изображения. Двойные отражения (туда и обратно) от поверхностей оптических элементов образуют ложные изображения зрачка, и если эти изображения образуются вблизи фокальной плоскости, они могут "загрязнить" изображение паразитным светом. Это подобно появлению "солнечных бликов", когда камера наводится близко к Солнцу. Оператор вычисляет положение какого-либо одного определенного ложного изображения зрачка или положения всех лохных изображений зрачка и принимает значение абсолютной величины расстояния от плоскости изображения до ближайшего к ней ложного зрачка. Этот оператор может быть использован лри оптимизации схемы для снижения эффекта ложных зрачков; для этой цели необходимо Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверхн. Номер поверхн. Номер поверхн. Коли- Количество окруж- окружностей См. GMTA См GMTA Ор# Номер первой поверх- поверхности Int2 - — — — — — Номер длины волны @ для ПОЛИ - хромат) См. GMTA См. GMTA Номер второй поверх- поверхности Нху Рху — — — — — — Нх-номер проля, Ну - про- пространств. частота См. GMTA См. GMTA Смотри данное левее описание Глава 14:0 ТИМИЗА1 мя 14-23
GRMN GRMX GTCE HHCN установить для него отличный от нуля весовой коэффициент и задать его целевое значение равным нулю Параметры Int1 и Int2 используются для указания номеров поверхностей, для которых должен быть рассмотрен эффект двойного отражения и образования ложного зрачка. Если значение одного из этих параметров (или обоих) будет установлено равным -1, то будут произве- произведены вычисления для всех возможных комбина- комбинаций поверхностей. Например, если Int1=12 и Int2 = -1. то будут рассмотрены все двойные отражения с первым отражением от поверхности 12 и вторым отражением от поверхностей 11, 10, 9 и т. д. Если значения обоих равны -1, то будут рассмотрены все возможные комбинации поверхностей. Этот же оператор может быть использован для обнаруже- обнаружения ложных изображений (которые появляются от ложных зрачков) путем изменения величины флага "mode" в колонке Нх с 0 на 1; или на 2 для контроля увеличения ложного зрачка. В колонках WFB и WSB указываются наихудшие из найден- найденных комбинаций поверхностей для их дальней- дальнейшего анализа. В качестве генераторов ложных изображений рассматриваются только те поверхности, на которых происходит 'изменение величины показателя преломления. Зеркала не рассматриваются в качестве первой отражающей поверхности в парных комбинациях поверхностей Этот оператор устанавливает минимальную величину показателя преломления для указанной длины волны у заданной градиентной поверх- поверхности. Величина показателя преломления контро- контролируется в шести точках: около передней верши- вершины поверхности, около верхнего края +у, около верхнего края +х, около задней вершины, около заднего края +у и около заднего края +х. См. также «InGT». «InLT» и «GRMX» . Этот оператор устанавливает максимальную вели- величину показателя преломления для указанной длины волны у заданной градиентной поверхно- поверхности. Величина показателя преломления контроли- контролируется в шести точках: около передней вершины поверхности, около верхнего края +у, около верхнего края +х, около задней вершины, около заднего края +у и около заднего края +х. См. также «InGT», «InLT» и «GRMN» . Этот оператор принимает значение величины теплового коэффициента расширения а1 для стекла указанной поверхности; в соответствии с данными, указанными в каталогах стекол. Тест для контроля полусферы. ZEMAX трассирует заданный луч к заданной поверхности и вычисля- вычисляет координаты X, Y и 2 точки пересечения луча с поверхностью; затем вычисленные величины координат X и Y используются в уравнении про- прогиба этой поверхности для вычисления Z коорди- координаты для этой точки Если полученная величина Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Да 14-24 Chapter 14: OPTIMIZATION
IMAE V iNDX InGT InLT InVA ISFN ISNA LACL координаты Z отличается от .вычисленной при трассировке пуча, то оператор HHCN принимает значение 1, в других случаях - значение 0 Этот оператор может быть использован для прекраще- прекращения оптимизации, когда форма поверхности начинает переходить через полусферу (т. е. становится гиперлолусферой). Эффективность анализа изображения. Этот оператор принимает значение эффективности, вычисленное программой геометрического анали- анализа изображения (с использованием ее текущих установок). Для использования этого оператора сначала сделайте желаемые установки для программы геометрического анализа изображе- изображения, а затем нажмите на имеющуюся в этом окне клавишу "Save". Оператор IMAE примет значение вычисленной эффективности (нормированной к единице). См. данное ниже обсуждение "Optimizing with the IMAE operand". Этот оператор принимает значение величины показателя преломления заданной поверхности на заданной длине волны. Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину показателя преломления для указанной длины волны, указанной поверхности и указанной точки градиентной поверхности. Для п =1 A1GT) - около передней вершины, для п = 2 (I2GT) - около переднего края +у, для п = 3 - около переднего края +х. для п = 4 - около задней вершины, для п = 5 - около заднего края +у, для п = 6 - около заднего края +х. Во всех этих случаях оператор указывает, что показатель преломления в заданной точке должен быть больше, чем указанная в графе «target» величина. Этот оператор подобен оператору InGT, но он ограничивает максимальную величину показателя преломления в заданной точке. См. описание оператора InGT. Этот оператор подобен оператору InGT. но он устанавливает заданное значение показателя преломления в указанной точке. См. описание оператора InGT. Величина параксиального F-числа в пространстве изображений для системы, работающей с бесконеченого расстояния. См. WFNO. Величина параксиальной числовой апертуры в пространстве изображений для системы работающей при конечном сопряжении. См ISFN Хроматизм увеличения Это расстояние по оси Y между точками пересечения с фокальной плоско- плоскостью двух параксиальных главных лучей для максимальной и минимальной длин волн из числа установленных. Не работает' для непаракси- непараксиальных систем. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности — — Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны _ — — — — Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-25
Имя LINV LOGE LOGT LPTD MAXX MCOG MCOL MCOV MINN MNAB MNCA Описание Вепл-ма нива^/акта Лагранжа в принятых л/~ейнэ)х единицах Для вычисления этой вел/^/ны исполвзуются данные для краевого и глазного параксиальных лучей. Вбяич/на натурального логарифма от числового значения указанного оператора (строки). Если числовое значение указанного оператора меньше /ли равно нулю, то оператор LOGE принимает нулевое значение Величина десятичного логарифма от числового значения указанного оператора (строки). Если числовое значение указанного оператора меньше или равно нулю, то оператор LOGT принимает нулевое значение Этот оператор ограничивает наклон профиля аксиального градиента показателя преломления от изменения знака, используется в компонентах с градиентом показателя преломления. Смотри раздел "Using gradient index operands". Определяет максимальное числовое значение операторов заданной группы. См. MINN. Этот оператор позволяет ограничить минималь- минимальную величину указанного оператора мультикоифи- гурации. Величина оператора мультиконфи- гурации должна быть больше указанной в графе «target» величины. Этот оператор позволяет ограничить максималь- максимальную величину указанного оператора мультиконфи- гурации. Величина оператора мультиконфи- гурации должна быть меньше указанной в графе «target» величины. Используется для указания желаемой точной величины оператора мультиконфигурации (или просто для вычисления его значения). Величина оператора мультиконфигурации должна равняться указанной в графе «target» величине. Определяет наименьшее числовое значение у заданной группы операторов. См. МАХХ. Этот оператор ограничивает минимальное значения числа Аббе для заданной группы поверхностей: число Аббе должно быть больше указанной в графе «target» величины. См. также МХАВ. Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину толщин воздушных промежутков между элементами для указанной части системы: центральные воздушные промежутки должны быть больше установленной в графе «target» величины. Этот оператор одновременно контролирует все воздушные промежутки от первой до последней из указанных поверхностей См также MNCT и MNCG. 1п11 Ор# Ор# Номер поверх- поверхности Номер первого операт. Номер опера- оператора МС Номер опера- оператора МС Номер опера- оператора МС Номер первого операт. Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Int2 Номер длины волны Номер послед, операт. Номер конфи- конфигурации Номер конфи- конфигурации Номер конфи- конфигурации Номер послед- последнего операт. Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Нху. Рху ■ — 14-26 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя MNCG MNCT MNCV MNDT MNEA MNEG MNET Описание Этот оператор ограничивает минимальную величину толщин стеклянных элементов для указанной части системы: центральные толщины для стекол должны быть больше установленной в графе «target» величины. Этот оператор одновременно контролирует все стеклянные толщины от первой до последней из указанных поверхностей. См. также MNCT и MNCA. Этот оператор ограничивает минимальную величину всех толщин для указанной части системы: центральные топщины должны быть больше установленной в графе «target» величины. Этот оператор одновременно контролирует все центральные толщины от первой до последней из указанных поверхностей. См. также MNCA и MNCG. Этот оператор ограничивает минимальную величину кривизны всех указанных поверхностей: кривизна поверхностей должна быть больше уста- установленного значения. Этот оператор контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MXCV. Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину отношения диаметров поверхностей к цен- центральным толщинам. Принимаются во внимание только поверхности с отличающимся от 1 показа- показателем преломления. Этот оператор контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MXDT. Этот оператор ограничивает минимальную краевую толщину воздушных промежутков между элементами для указанной части системы: краевые толщины воздушных промежутков должны быть больше установленной в графе «target» величины, Этот оператор одновременно контролирует все воздушные краевые толщины от первой до последней поверхностей из указанного ряда. См. также MNET. MNEG и ETGT. Этот оператор ограничивает минимальную толщину на краю стеклянных элементов для указанной части системы: краевые толщины стеклянных элементов должны быть больше установленной в графе «target» величины Этот оператор одновременно контролирует все воздуш- воздушные краевые толщины от первой до поспедней из указанного ряда поверхностей См. также MNET. MNEA и ETGT. Этот оператор ограничивает минимальные краевые толщины всех поверхностей для указан- указанной части системы; краевые топщины всех поверхностей должны быть больше установлен- установленной в графе «target» величины Этот оператор одновременно контролирует краевые толщины всех поверхностей от первой до последней из указанного ряда Оператор контролирует нижний, верхний, левый и правый края поверхности, если она наклонена к оптической оси. См. также MNEA MNEG и ETGT Inti Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Int2 Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер поспед- поспедней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Нху Рху Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-27
Имя MNIN MNPD MNSD MSWA MSWS MSWT MTFA MTFS MTFT MXAB MXCA Описание Этот оператор ограничивает минимальную величину показателя преломления Na для заданного ряда поверхностей: показатель преломления Nc должен быть больше указанной величины. См. также «MXIN». Этот оператор ограничивает величину отклонения частной дисперсии aPbF для заданного ряда поверхностей величина частной дисперсии должна быть больше установленной величины. См. также «MXPD». Этот оператор ограничивает минимальную вели- величину полудиаметров указанных поверхностей: полудиаметры должны быть больше установлен- установленного значения, контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MXSD. Числовое значение модуля передаточной функции для прямоугольной решетки; средняя величина для тангенциальной и сагиттальной плоскостей. См. описание оператора «MTFT». Числовое значение модуля передаточной функции для прямоугольной решетки; в сагиттальной плоскости. См. описание оператора «MTFT». Числовое значение модуля передаточной функции для прямоугольной решетки; в меридиональной плоскости. См. описание оператора «MTFT». Среднее числовое значение модуля передаточ- передаточной функции для сагиттальной и меридиональной плоскостей. См. описание оператора «MTFT». Численное значений модуля передаточной функции для сагиттальной плоскости. Смотри описание оператора «MTFT». Числовое значение модуля передаточной функции для меридиональной плоскости. Параметр Int1 должен быть целым числом A.2....), где 1 соответствует формату сетки отсчетов 8x8. 2 - 16x16 и так далее. Параметр Int2 указывает на номер ислользуемой длины волны; 0 - для поли- полихроматической МПФ, Величина Нх указывает номер используемого поля, а величина Ну исполь- используется для определения величины пространствен- пространственной частоты в линиях на мм. Смотри ниже в этой главе раздел «Using MTF operands» (Использова- (Использование операторов MTF). Этот оператор ограничивает максимальную величину числа Аббе для указанного ряда поверх- поверхностей: величина числа Аббе должна быть меньше указанного значения. См. также «MNAB». Этот оператор ограничивает максимальную величину (центральной) толщины воздушных промежутков между элементами в указанной области оптической системы: толщины должны быть меньше установленной величины. Этот оператор контролирует одновременно несколько поверхностей. См. также «МХСТ» и «MXCG». Int1 Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Формат сетки отсчетов Формат сетки отсчетов Формат сетки отсчетов Формат сетки отсчетов Формат сетки отсчетов Формат сетки отсчетов Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Int2 Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер длины волны Номер ДЛИНЫ ВОЛНЫ Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер послед- последней поверх. Номер послед- последней поверх- поверхности Нху.Рху См. описание «MTFT» См. описание «MTFT» См. описание «MTFT» См. описание «MTFT» См. описание «MTFT» См. левее описание «MTFT» 14-28 Chapter 14: OPTIMIZATIOS
Имя MXCG МХСТ MXCV MXDT МХЕА MXEG МХЕТ MXIN Описание Этот оператор ограничивает максимальную величину (центральной) толщины стеклянных поверхностей для указанного ряда поверхностей: центральные толщины стекол должны быть меньше установленной величины. Этот оператор контролирует одновременно " указанный ряд поверхностей. См. также «МХСТ» и «МХСА». Этот оператор ограничивает максимальную величину толщины всех поверхностей для указанного ряда поверхностей: центральные толщины поверхностей допжны быть меньше установленной величины. Этот оператор контро- контролирует одновременно весь указанный ряд поверхностей. См. также «MXCG» и «МХСА». Этот оператор ограничивает максимальную величину кривизны всех указанных поверхностей: кривизна поверхностей должна быть меньше уста- установленного значения. Этот оператор контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MNCV. Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину отношения диаметров поверхностей к цен- центральным толщинам. Принимаются во внимание только поверхности с отличающимся от 1 показа- показателем преломления. Этот оператор контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MNDT. Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину краевой толщины воздушных промежутков между элементами в указанной области оптичес- оптической системы: толщины должны быть меньше установленной величины. Этот оператор контро- контролирует одновременно несколько поверхностей. Для наклонных поверхностей это ограничение устанавливается на верхний, левый, правый и нижний края поверхности. См. также «МХЕТ», «MXEG» и «ETLT». Этот оператор ограничивает максимальную вели- величину толщины стекол на краю в указанной области оптической системы: толщины должны быть меньше установленной величины. Этот оператор контролирует одновременно несколько поверхностей. Для наклонных поверхностей это ограничение устанавливается на верхний, левый, правый и нижний края поверхности. См. также «МХЕТл. «МХЕА» и «ETLT». Этот оператор ограничивает максимальную величину краевой толщины всех поверхностей в указанной области оптической системы все толщины должны быть меньше установленной величины Этот оператор контролирует одновре- одновременно несколько поверхностей См. также «МХЕА». «MXEG» и «ETLT». Этот оператор ограничивает максимальную величину показателя препомпения N. для задан- заданного ряда поверхностей показатель преломления N3 должен быть меньше указанной величины. См также «MNIN». Inl1 Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Hovep первой поверх- поверхности Int2 Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Ногиер послед- НВЙ поверх- поверхности Ноу ер послед- последней поверх- поверхности Нху Рху Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-29
Имя MXPD MXSD NPXG NPXL NPXV NPYG NPYL NPYV NPZG NPZL NPZV NSDD NSTR Описание Этот оператор ограничивает вепичину отклонения частной дисперсии ЛР3 F для заданного ряда поверхностей' величина частной дисперсии должна быть меньше установленной величины. См. также «MNPD». Этот оператор ограничивает максимальную величину полудиаметров указанных поверхностей: полудиаметры должны быть меньше установлен- установленного значения. Контролирует сразу несколько поверхностей. См. также MNSD. Х-координата объекта типа 'Non-sequential object" должна быть больше указанной в колонке "target" величины. Х-координата объекта типа "Non-sequential object" должна быть меньше указанной в колонке "target" величины. Х-координата объекта типа "Non-sequential object" должна равняться указанной в колонке "target". Y-координата объекта типа "Non-sequential object" должна быть больше указанной в колонке "target*1 величины. Y-координата объекта типа "Non-sequential object" должна быть меньше указанной в колонке ''target* величины. Y-координата объекта типа "Non-sequential object" должна равняться указанной в колонке "target" величине. Z-координата объекта типа "Non-sequential object4 должна быть больше указанной в колонке "target" величины. Z-координата объекта типа "Non-sequential object" должна быть меньше указанной в колонке target" величины. Z-координата объекта типа "Non-sequential object" должна равняться указанной в колонке "target" величине. Non-sequential detector data. Detector refers to the object number of the desired detector. If the object number is zero, then all detectors are cleared. If the object number corresponds to a detector object, then the data from the specified pixel is returned. If the pixel number is zero, then the sum of the flux or flux/area for all pixels for that detector object is returned. If the pixel number is -1, then the Maximum flux or flux/area is returned. If the pixel number is -2, then the minimum flux or flux/area is returned. Data is 0 for flux, 1 for flux/area, and 2 for flux/solid angle pixel. See "Optimizing with sources and detectors in non-sequential mode" on page 340 for complete details. Non-sequential trace. Source refers to the object литЬег of the desired source. If source is zero, all sources will be traced. If Spit is non-zero, then splitting is on. If Scat is non-zero, then scattering is on. If Upol is non-zero then polarization will be used. If splitting is Int1 Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверхн. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Surf Surf Int2 Номер послед- последней поверх- поверхности Номер послед- последней поверх- поверхности Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Detect or Source Нху. Рху — — — — — — — — — See left See left 14-30 Chapter 14: OPTIMIZATION
NTXG NTXL NTXV NTYG NTYL NTYV NTZG NTZL NTZV NPGT NPLT NPVA OBSN OFF on polarization Is automatically selected. If IgEr Is non- nonzero, then errors will be ignored. See "Optimizing with sources and detectors in non-sequential mode" on page 340 for complete details. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси X должен быть больше указанной в колонке "target1 величины. Наклон обьекга типа "Non-sequential object" относительно оси X должен быть меньше указанной в колонке "target" величины. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси X должен быть равен указанной в колонке "target" величине. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси Y должен быть больше указанной в колонке "target" величины. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси Y должен быть меньше указанной в колонке larger величины. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси Y должен быть равен указанной в колонке "target" величине. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси Z должен быть больше указанной в колонке "target" величины. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси Z должен быть меньше указанной в колонке "target" величины. Наклон объекта типа "Non-sequential object" относительно оси 2. должен быть равен указанной в колонке "target" величине. Величина параметра объекта типа "Non-sequential object" должна быть больше указанной в колонке "target" величины. Номер параметра указывается в колонке Нх. Величина параметра объекта типа "Non-sequential object" должна быть меньше указанной в колонке 'target" величины. Номер параметра указывается в колонке Нх. Величина параметра объекта типа "Non-sequential object" должна быть равна указанной в колонке "target" величине. Номер параметра указывается в колонке Нх. Числовая апертура в пространстве объектов. Этот оператор полезен только для систем, работающих с конечного расстояния; вычисляется на оси для главной длины волны. Этот оператор указывает на то, что данная строка в таблице оценочной функции не использована. Введение оператора автоматически преобразу- преобразуется в оператор BLNK при вычислении оценои«ой функции. Оператор OFF используется только для обозначения, что в этой строке тип оператора не указан. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект Объект — — — — — — — — Смотри данное левее описание Смотри данное левее описание Смотри данное левее описание *** Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-31
Имя OPDC OPDM OPDX OPGT OPLT OPVA OPTH OSCD OSUM PANA PANB PANC Описание Оптическая разность хода между заданным и главным лучами в длинах волн. Оптическая разность хода (OPD) менаду заданным лучом и средним значением OPD для всех лучей в зрачке. На этот оператор распространяются те же ограничения, что и для оператора TRAC; см. описание оператора TRAC. Оптическая разность хода ме>еду заданным лучом и сферической поверхностью (смещенной и накло- наклоненной к оси), для которой минимизированы среднеквадратические ошибки волнового фронта: ZEWAX строит эту поверхность, когда вычисля- вычисляются аберрации относительно центроида пятна рассеяния. На этот оператор распространяются те же ограничения, что и для оператора TRAC; см. описание оператора TRAC. Этот оператор используется для ограничения минимальной величины какого-либо другого оператора: числовое значение указанного опера- оператора должно быть больше заданной величины. Этот оператор используется для ограничения максимальной величины какого-либо другого оператора: числовое значение указанного опера- оператора должно быть меньше заданной величины. Operand value. This operand constrains the value of г prior operand to be equal to the target value. Длина оптического хода. Это расстояние (в уст. ед. изм.), которое проходит заданный луч от объекта (если объект находится на конечном расстоянии) до указанной поверхности; если объект удален на бесконечно большое расстояние, то длина оптического хода измеряется от поверхности № 1. Offense against the sine condition. OSC is defined here as the ratio of the real to paraxial image heights minus 1.0. The heights are measured at the real marginal focal plane. This operand has no meaning if the system is not axially symmetric. Сумма числовых значениий всех операторов от первого указанного номера до поспеднего указанного номера. Это величина проекции на ось X нормали к поверхности (направляющий косинус) в точке пере- пересечения этой поверхности с заданным параксиаль- параксиальным лучом; в локальной системе координат. Это величина проекции на ось Y нормали к поверхности (направляющий косинус) в точке пере- пересечения этой поверхности с заданным параксиаль- параксиальным лучом; в локальной системе координат. Это величина проекции на ось Z нормали к поверхности (направляющий косинус} в точке пересечения этой поверхности с заданным параксиальным лучом; в локальной системе координат. Int1 — Номер операт. Номер операт. Номер оперзт. Номер поверх- поверхности Номер первого операт. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 Номер ДЛИНЫ волны Номер длины волны Номер длины волны — Номер длины волны Wave Номер последи операт. Номер ДЛИНЫ волны Номер длины волны Номер длины волны Нху, Рху Да Да Да — Да - Да Да Да 14-32 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя PARA PARB PARC PARR PARX PARY PARZ PATX PATY PETC PETZ PIMH PLEN PMAG Описание Проекция единичного вектора заданного паракси- параксиального луча на ось X после преломления на указанной поверхности; в локальной системе координат. Проекция единичного вектора заданного паракси- параксиального луча на ось Y после преломления на указанной поверхности; в локальной системе координат. Проекция единичного вектора заданного параксиального луча на ось Z после преломления на указанной поверхности; в локальной системе координат. Радиальная координата (в установленных едини- единицах измерения) точки пересечения заданного параксиального луча с указанной поверхностью. Отсчитывается от локальной оси; е локальной системе координат. Х-координата параксиального луча для указанной поверхности; в используемых единицах измерения. Y-координата параксиального луча для указанной поверхности; в используемых единицах измерения. Z-координата параксиального луча для указанной поверхности; в используемых единицах измерения. Тангенс угла параксиального луча в плоскости X-Z после преломления на указанной поверхности. Тангенс угла параксиального луча в плоскости Y-Z после преломления на указанной поверхности. Кривизна Петцваля в обратных единицах измере- измерения. Оператор не работает для непараксиальных систем. Радиус поверхности Петцваля в используемых единицах измерения. Оператор не работает для непараксиальных систем. Параксиальная высота изображения в параксиаль- параксиальной плоскости изображения для указанной длины ВОЛНЫ. Этот оператор вычисляет полную длину (с учетом показателей преломления) оптического пути заданного луча между двумя указанными поверх- поверхностями. Трассирование луча всегда произво-дится для главной длины волны. См. ОРТН. Параксиальное увеличение. -Это отношение высоты главного параксиального луча в парэкси- апьной плоскости изображения к высоте объекта. Этот оператор используется только для систем, работающих с конечного расстояния. Заметьте, что параксиальная плоскость изображения используется для вычисления этой величины даже в том случае, если плоскость изображения не находится в параксиальном фокусе. Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности - — - Номер первой поверх- поверхности Int2 Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины ВОЛНЫ Номер послед- последней поверх- поверхности Номер длины волны Нху, Рху Да Да Да Да Да Да Да Да Да — - - Да Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-33
Имя PMGT PMLT PMVA PnGT PnLT PnVA POPD Описание Этот оператор ограничивает минимальное значе- значение указанного параметра для указанной поверх- поверхности параметр должен быть больше установлен- установленного значения. Величины параметров имеют различный смысл для разных типов поверхностей; см. главу "Surface Types*. Этот оператор ограничивает максимальное значе- значение указанного параметра для указанной поверх- поверхности: параметр должен быть меньше установлен- установленного значения. Величины параметров имеют различный смысл для разных типов поверхностей; см. главу 'Surface Types". Этот оператор требует, чтобы указанный пара- параметр для указанной поверхности был равен уста- установленному значению. Величины параметров имеют различный смысл для разных типов поверхностей; см. главу "Surface Types". Вышедший из употребления оператор. Используйте вместо него оператор PMGT. Вышедший из употребления оператор. Используйте вместо него оператор PMLT. Вышедший из употребления оператор. Используйте вместо него оператор PMVA. Physical Optics Propagation Data. For important details see "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" on page 441. To use this operand, first define the settings on the POP analysis feature as desired, then press Save on the settings box. The operand will return data based upon the selected settings. If Surf is zero, then the saved ending surface number will be used; otherwise, the specified surface will be used as the ending surface. If Wave# is zero, then the saved wavelength number will be used; otherwise, the specified wavelength number will be used. If Field# is zero, then the saved field number will be used; otherwise, the specified field number will be used. The data number determines what data the POP feature will compute and return as follows: 0: The total fiber coupling 1: The system efficiency for fiber coupling 2: The receiver efficiency for fiber coupling 3: The total power 4: The peak irradiance 5: The pilot beam z position 6: The pilot beam Rayleigh range 7: The pilot beam waist 11, 12, 13: The local X, Y, Z coordinates of the center of the beam array on the stop surface (this is a reference point and is not related to the amplitude of the beam). 21, 22: The X, Y coordinates of the centroid of the intensity distribution in local coordinates relative to the Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх* ности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Surf Int2 Номер пара- параметра Номер пара- параметра Номер пара- мвтра — — — Wave Hxy.Pxv — _ — See left 14-34 Chapter 14: OPTIMIZATION
POWR PRIM PROD QSUM RAED RAEN RAGA center of the beam. Undefined data numbers will return 0. 30, 31. 32: The mean, RMS and PTV irradiance variation, respectively, of the non-zero amplitude portion of the beam. These operands should only be used when the beam has nearly uniform irradiance and has just been clipped by a surface aperture. 33. 34. 35: The mean, RMS and PTV phase variation in radians, respectively, of the non-zero amplitude portion of the beam. These operands should only be used when the beam has nearly uniform irradiance and has just been clipped by a surface aperture. 40. 41: The fraction of the total power enclosed within a circle of radius specified by the Extrai value in lens units, referenced to the beam centroid D0) or chief ray center D1). The Extrai and Extra2 values are only used by selected data numbers which are reserved for future expansion of this feature. If adjacent POPD operands all have the same surface #, wave #, field # , Extrai, and Extra2 values, then the POP analysis is done just once and all data returned at one time. Note the POPD operands must be on adjacent rows in the MFE for this efficiency to be implemented. Оптическая сила указанной поверхности в обрат- обратных единицах измерения. Этот оператор работает только для стандартных поверхностей. Главная длина волны. Этот оператор использу- используется для изменения номера главной длины волны во время вычисления величины оценочной функции. Для этого оператора не указываются величины цели и веса (колонки Target и Weight). Произведение двух указанных операторов. Указы- Указываются номера операторов в таблице редактора. Корень квадратный из суммы квадратов. Этот оператор возводит в квадрат все указанные опера- операторы (от первого до последнего), суммирует полученные величины, а затем извлекает квадратный корень из суммы квадратов. Этот параметр принимает значение величины угла (в градусах) между нормалью к поверхности и направлением реального луча после его преломления или отражения (угол преломле- преломления/отражения). Смотри также RAID. Этот параметр принимает значение величины косинуса угла между нормалью к поверхности и направпением реального луча после его преломления или отражения (косинус угла преломления/отражения). Результат будет ошибочен, если луч выходит из среды с градиентом показателя преломления. Смотри также RAIN. Это направляющий косинус заданного луча относительно оси X для заданной поверхности в глобальной системе координат. Начало глобаль- Номер поверх- поверхности Номер одного операт. Номер первого операт. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер длины волны Номер длины волны Номер другого операт. Номер послед- последнего операт. Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны — — Да Да Да Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-35
RAGB RAGC RAGX RAGY RAGZ RAID RAIN RANG REAA REAB REAC REAR REAX REAY ной системы координат находится на глобальной поверхности, которая определяется через окно Advanced в System Menu (см. раздел System Menu. Advanced. Global Coordinate Reference Surface). Это направляющий косинус заданного луча относительно оси Y. См. RAGA. Это направляющий косинус заданного луча относительно оси Z. См. RAGA. Это Х-координата заданного луча в глобальной системе координат в используемых единицах измерения. Начало глобальной системы координат находится на «global reference surface" (см. раздел System Menu, Advanced, Global Coordinate Reference Surface). Это Y-координата. См. RAGX. Это Z-координата. См. RAGX. Этот параметр принимает значение величины угла {в градусах) между нормалью к поверхности и направлением падающего луча (угол падения). Смотри также RAED. Этот параметр принимает значение величины косинуса угла между нормалью к поверхности и падающим лучом (косинус угла падения). Результат будет ошибочен, если луч падает из среды с градиентом показателя преломления. Смотри также RAEN. Величина угла в радианах между заданным лучом и локальной осью Z. Это направляющий косинус реального луча относительно оси X после преломления на указанной поверхности в локальной системе координат. Это напраеляющий косинус реального луча относительно оси Y после преломления на указанной поверхности в локальной системе координат. Это направляющий косинус реального луча относительно оси Z после преломления на указанной поверхности в локальной системе координат. Радиальная координата реального луча на указанной поверхности е используемых единицах измерения. Х-координата реального луча на указанной поверхности в используемых единицах измерения. Y-координата реального луча при указанной поверхности в использувмых единицах измерения. Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер длины волны Номер длины ВОЛНЫ Номер длины ВОЛНЫ Номер ДЛИНЫ еолны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины еолны Номер длины волны Номер длины волны Номер ДЛИНЫ волны Номер ДЛИНЫ волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да 14-36 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя REA2 RELI RENA RENB RENC RETX RETY RGLA RSCE RSCH Описание Z-координата реального луча на указанной поверхности в используемых единицах измерения. Relative illumination. This operand computes the relative illumination of any field point relative to the @, 0) field point. Note that in some systems, the illumination increases off axis, and for these systems the Rl may be greater than one since the RELI operand uses @, 0) as a reference field point. Samp is the grid size, where 10 would yield a 10 x 10 rid of rays. Wave is the integer wavelength number, and Hx is used to define the field number. Величина проекции на ось X нормали к указанной поверхности в точке пересечения заданного реального луча с этой поверхностью. Величина проекции на ось X нормали к указанной поверхности в точке пересечения заданного реального луча с этой поверхностью. Величина проекции на ось X нормали к указанной поверхности в точке пересечения заданного реального луча с этой поверхностью. Тангенс угла наклона реального луча относитель- относительно оси X. Тангенс угла наклона реального луча относитель- относительно оси Y. Этот оператор ограничивает отклонение величин показателя преломления, числа Аббе и парциаль- парциальной дисперсии: значения этих величин должны соответствовать реальным маркам стекол, содер- содержащимся в одном из текущих (загруженных) каталогов. См. раздел "Optimizing glass selection" для более полного ознакомления. Этот оператор действует на указанный ряд поверхностей. СКЗ размера пятна рассеяния (аберрации лучей) относительно геометрического центра тяжести изображения; в используемых единицах измере- измерения. Этот оператор подобен оператору RSCH, за исключением того, что для данного оператора аберрации относятся не к главному лучу, а к центроиду изображения. См. RSCH. СКЗ размера пятна рассеяния (аберрации лучей) относительно главного луча; в используемых единицах измерения. Для вычисления этого оператора для определенной координаты поля и заданной длины волны используется метод гауссовой квадратуры. Этот метод дает точный результат только для систем с круглыми зрачками Колонка Inti используется для опредепения числа окружностей на зрачке, через которые трассируют- трассируются лучи (используйте не более, чем требуется для сходимости результата). Для определения точки поля используются только величины Н,. Н„ ; Р. и Ру - не используются. Если номер длины волиъ указан равным 0. то вычисления выполняются для 1п11 Номер поверх- поверхности Samp Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Первая поверх- поверхность Кол-во окружное тейна зрачке (Rings) Кол-во окружное тей нз зрачке (Rings) Int2 Номер длины волны Wave Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины ВОЛНЫ Номер длины волны Послед няя поверх- поверхность Номер длины волны Номер длины волны Нху, Рху Да See Text Да Да Да Да Да н,. ну н,.н, Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-37
RSRE RSRH RWCE RWCH RWRE RWRH SAGX SAGY SFNO SINE SKIS SKIN полихроматического пятна рассеяния с учетом весов волн См. RSCE. СКЗ размера пятна рассеяния (аберрации лучей) относительно геометрического центра тяжести изображения; в установленных единицах измере- измерения Этот оператор подобен оператору RSCE. за исключением того, что при вычислении оператора используется не метод гауссовой квадратуры, а прямоугольная сетка лучей. Этот оператор всегда учитывает виньетирование. При указании 1 для решетки (grid) будут трассированы 4 луча, при 2 - 2x2 лучей на квадрант A6 лучей), при 3 - 3x3 лучей на квадрант C6 лучей) и так далее. Принимается во внимание симметрия. См. RSRH. Этот оператор подобен RSRE, за исключением того, что вычисления проводятся относительно главного луча, а не центроида изображения. См. RSRE. СКЗ ошибки волнового фронта относительно центроида дифракционного пятна. Этот оператор полезен для минимизации изменений волнового фронта, которые пропорциональны числу Штреля и площади под кривой МПФ. Единицы измерения - длины волн. См. RWCH. См. RSCH для деталей. СКЗ ошибки волнового фронта относительно главного луча. Единицы измерения - длины волн. Эта величина СКЗ действительно относится к стандартному отклонению волнового фронта, так как при вычислении оператора вычитается среднее значение оптической разности хода (OPD). См. RWCE. См. RSCH для деталей. Этот оператор подобен RSRE. за исключением того, что относится к ошибкам волнового фронта, а не к размеру пятна. Этот оператор подобен RSRH, за исключением того, что относится к ошибкам волнового фронта, а не к размеру пятна. Прогиб указанной поверхности в плоскости XZ на расстоянии лолудиаметра; в используемых единицах измерения. Прогиб указанной поверхности в плоскости YZ на расстоянии полудиаметра; в используемых единицах измерения. Рабочее F-число (F/#) в сагиттальной плоскости; вычисляется для любой указанной точки поля и любой длины волны. См. TFNO. Синус от величины указанного оператора. Если флаг равен 0, то единицы измерения - радианы, при других значениях флага - градусы. Это оператор условия: если оптическая система обладает вращательной симметрией, то все операторы, стоящие после него, игнорируются вплоть до указанного номера, с которого должно быть продолжено вычисление оценочной функции. Это оператор условия: если оптическая система не обладает вращательной симметрией, то все операторы, стоящие после него, игнорируются Размер сетки отсчетов (Grid) Размер Сетки отсчетов (Grid) Число окружи о стей на зрачке (Rings) Число окружно стей на зрачке (Rings) Размер сетки (Grid) Размер сетки (Grid) Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поля Номер операт. Номер операт. Номер операт. Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны — — Номер длины волны Флаг Нх. Ну Н* Ну НХ, Ну Нх. Ну нх, ну — — — — 14-38 Chapter 14: OPTIMIZATION
SPHA SQRT SSAG SUMM SVIG TANG TFNO TGTH TMAS TOTR TRAC вппоть до указанного номера, с которого должно быть продолжено вычисление оценочной функции. См. SKIS. Величина сферической аберрации, вносимой указанной поверхностью; в длинах волн. Если вместо номера поверхности указано число 0, то вычисляется сферическая аберрация для всей системы. Величина корня квадратного из значения указанного оператора. Величина прогиба указанной поверхности в XZ плоскости в точке с указанными координатами х, у; в установленных для схемы линейных единицах измерения. См. также SAGX, SAGY. Сумма значений двух указанных операторов. См. OSUM. Этот оператор вызывает обновление коэффициентов виньетирования для текущей конфигурации оптической системы. Величина тангенса от значения указанного опера- оператора. Если флаг равен 0. то единицы измерения - радианы, при других значениях флага - градусы. Рабочее F-число (R#) в тангенциальной плоско- плоскости; вычисляется для любой указанной точки поля и любой длины волны. См. SFNO. Сумма толщин стеклянных поверхностей между указанными первой и последней поверхностями. Заметьте, что это сумма включает в себя толщину последней поверхности; то есть это не расстояние между двумя поверхностями. Смотри TTHI. Этот оператор вычисляет полную массу стеноп в пределах указанной области поверхностей. Действует только для круглых элементов с плоскими и сферическими поверхностями. См. главу "Reports Menu", в которой дано описание методики вычисления. Полная длина оптической системы в установлен- установленных единицах измерения. Поперечные аберрации, измеренные в радиаль- радиальном направлении в плоскости изображения относительно центроида изображения. В отличие от большинства других операторов правильная работа этого оператора критически зависит от местоположения других операторов TRAC в таблице оценочной функции. TRAC операторы должны группироваться вместе по полям и длинам волн. ZEMAX трассирует сразу все TRAC лучи. относящиеся к данному полю, и использует полученные данные для вычисления положения центроида изображения. Затем положение каждого луча соотносится с вычисленным положением центра тяжести Этот оператор должен вводится в таблицу оценочной Функции только посредством операции Default Merrt Номер поверх- поверхности Номер операт. Номер поверх- поверхности Номер одного операт. — Номер операт. Номер поля Первая поверх- поверхность Первая поверх- поверхность — Номер длины волны — Номер другого операт. — Флаг Номер длины волны Послед- Последняя поверх- поверхность Послед- Последняя поверх- поверхность — Номер длины волны — Коорди- Координаты — — — — - Да Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-39
TRAD TRAE TRAI TRAR TRAX TRAY TRCX TRCY TTGT TTHI TTLT TTVA UDOP Function; не рекомендуется его введение непосредственно пользователем. Х-компонента TRAR. Этот оператор имеет те же ограничения, что и TRAC. См. TRAC. Y-компонента TRAR. Этот оператор имеет те же ограничения, что и TRAC. См. TRAC. Радиус поперечной аберрации, измеренный при указанной поверхности относительно главного луча. Этот оператор подобен TRAR. за исключе- исключением того, что вычисления могут быть проведены для любой поверхности, а не только для поверхно- поверхности изображения. Поперечная аберрация, измеренная в радиальном направлении в плоскости изображения относительно главного луча. См. ANAR. Поперечная аберрация, измеренная в -направле- -направлении оси X в плоскости изображения относительно главного луча. Поперечная аберрация, измеренная в направле- направлении оси Y в плоскости изображения относительно главного nv4a. Поперечная аберрация, измеренная в направле- направлении оси X в плоскости изображения относительно центроида изображения. См. TRAC. Этот оператор должен вводится в таблицу оценочной функции только посредством операции Default Merit Function; не рекомендуется его введение непосредственно пользователем. Поперечная аберрация, измеренная в направле- направлении оси Y в плоскости изображения относительно центроида изображения. См. TRAC. Этот оператор должен вводится в таблицу оценочной функции только посредством операции Default Merit Function; не рекомендуется его введение непосредственно пользователем. Этот оператор ограничивает полную (включая прогибы передней и задней поверхностей) минимальную толщину указанной поверхности: полная толщина поверхности должна быть больше установленной величины. Толщина вычисляется при радиусе, равном полудиаметру поверхности вдоль оси +у, если кодовое число равно 0; вдоль оси +х, если кодовое число равно 1; вдоль оси -у, если кодовое число равно 2; и вдоль оси -х, если кодовое число - равно 3. Суммарная толщина указанных поверхностей. Заметьте, что эта сумма включает в себя толщины указанных поверхностей (это не расстояние между двумя поверхностями). Этот оператор ограничивает максимальную полную толщину поверхности. См. TTGT. Величина полной толщины указанной поверхности. Оператор, определяемый пользователем. Используется для оптимизации числовых результатов, полученных при выполнении внешних Номер поверх ности — — — Номер поверх НОСТИ Первая поверх ность Номерп оверх. Номер поверх. Macro # Номер дл. вол. Номер дл. вол. Номер длины волны Номер длины волны Номер длины волны Номер ДЛИНЫ волны Номер длины волны Номер длины волны Код Послед- Последняя поверх- поверхность Код Код Data# Да Да Да Да Да Да Да Да - — Да 14 -АО Chapter 14: OPTIMIZATION
USYM VOLU WFNO XOGT XDLT XDVA XENC XNEA программ. См. раздел "User defined operands". См. также оператор ZPLM. Если этот оператор будет введен в таблицу оце- оценочной функции, то ZEMAX будет считать систему осесимметричной даже в том случае, если сам он обнаруживает отсутствие такой симметрии. Этот оператор может быть использован в некоторых специальных случаях для ускорения вычислений оценочной функции. См. раздел "Assume Axial Symmetry" в описании оценочной функции (Default merit function), данном в этой главе ранее. Объем элемента (элементов) в кубических санти- сантиметрах. Этот оператор работает только для круглых элементов с плоскими или сферическими поверхностями. Полный объем. Вычисляется сум- суммарный объем оптических элементов и простран- пространства между ними для заданной области поверхно- поверхностей. См. главу "Reports Menu", в которой описана методика вычисления объемов и масс. Рабочее F-число (F/#). Вычисляется по величине угла, образуемого реальным краевым лучом и главным лучом в пространстве изображений. Этот оператор служит для выбора значений внешних (дополнительных) данных: значение должно быть больше, чем указанная величина. Для выбора значений внешних данных исполь- используется колонка Int2. Число в этой колонке должно быть между 1 и 200. Этот оператор служит для выбора значений внешних данных: значение должно быть меньше, чем указанная величина. Для выбора значений внешних данных используется колонка Int2. Число в этой колонке должно быть между 1 и 200. Этот оператор служит для выбора значений внешних данных: значение должно быть равным указанной величине. Для выбора значений внешних данных используется колонка Int2. Число в этой колонке должно быть между 1 и 200. Extended source encircled energy. This operand computes the radius in microns to the specified fraction of extended source geometric encircled energy, using whatever the current default settings are. To use this operand, first define the settings on the extended source encircled energy feature as desired, then press Save on the settings box. The only setting that is overwritten is the type, which is 1 for encircled, 2 for x only. 3 for у only, and 4 for ensquared. Hx is the fraction of energy desired, and must be between zero and 1, exclusive See also DENC and GENC. Минимальная краевая толщина воздушных промежутков между оптическими элементами, не обладающими вращательной симметрией Этот оператор контролирует краевую толщину з ряде точек по периметру поверхностей и обеслечивае", чтобы для всех точек краевая толщина была he менее заданной величины. См. MNEA Первая поверх ность — Номерп оверхно сти Номерп оверхно сти Номерп оверхно сти Тип Перваяп свеохно сть Послед- Последняя поверх- поверхность — Число Число Число Лослед- НРП поверх- поверхность — Смотри левую колонку Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14-41
Имя XNEG XNET XXEA XXEG XX ET YNIP ZERN ZPLM Описание Минимальная краевая толщина оптических эле- элементов, не обладающих вращательной симметри- симметрией. Этот оператор контролирует краевую толщину в ряде точек по периметру поверхностей и обеспе- обеспечивает, чтобы для эсех точек краевая толщина была не меньше заданной величины. См. MNEG. Минимальная краевая толщина для систем, не обладающих вращательной симметрией. Этот оператор контролирует краевую толщину в ряде точек по периметру всех указанных поверхностей (как стекол, так и воздушных промежутков) и обеспечивает, чтобы для всех мест краевая толщина была не меньше заданной величины. См. MNET. Максимальная краевая толщина для воздушных промежутков между оптическими элементами, не обладающими вращательной симметрией. Этот оператор контролирует краевую толщину в ряде точек по периметру указанных поверхностей и обеспечивает, чтобы для всех мест краевая толщи- толщина была не больше заданной величины. См. МХЕА. Максимальная краевая толщина для оптических элементов, не обладающих вращательной симме- симметрией. Этот оператор контролирует краевую толщину в ряде точек по периметру указанных поверхностей и обеспечивает, чтобы для всех точек краевая толщина была не больше заданной величины. См. MXEG. Максимальная краевая толщина для систем, не обладающих вращательной симметрией. Этот оператор контролирует краевую толщину в ряде точек по периметру всех указанных поверхностей (как стекол, так и воздушных промежутков) и обеспечивает, чтобы для всех точек краевая толщина была не больше заданной величины. См. МХЕТ. Параксиальная величина параметра YNI. Это произведение параксиальной высоты краевого луча, показателя преломления и угла падения. Величина этого произведения пропорциональна вкладу данной поверхности в эффект нарциса. Смотри статью в Applied Optics. Vol. 21, 18, р3393. Коэффициенты Цернике. Величины в колонках Intl. 1п12, Нх и Ну используются соответственно для определения номера коэффициента Цернике @ - 36), номера длины волны, плотности отсчетов {1 => 32x32, 2=>64х64, и т.д.) и точки поля. Заметьте, что при использовании нескольких операторов ZERN. отличающихся только номерами коэффициентов, то эти операторы должны быть расположены в соседних строках таблицы; в противном случае вычисления сильно замедляются. Этот оператор используется для оптимизации численных результатов, вычисляемых в про- программах "ZPL macros". См. раздел "User defined operands". См. также UDOP. Int1 Перва яповер хность Первая поверх НОСТЬ Первая поверх НОСТЬ Первая поверх НОСТЬ Первая поверх НОСТЬ Коэф. Macro* Int2 Послед- Последняя поверх- поверхность Послед- Последняя поверх- поверхность Послед- Последняя поверх- поверхность Послед- Последняя поверх- поверхность Послед- Последняя поверх- поверхность Номер длины волны Data# Нху, Рху Нх-ПЛОТ- Нх-ПЛОТНОСТЬ отсчетов Ну- номер поля Да 14-42 Chapter 14: OPTIMIZATION
Имя ZTHI Описание Этот оператор контролирует вариации полной толщины указанной области поверхностей по всем конфигурациям. Этот оператор подобен TTHI, за исключением того, что этот оператор контролирует разницу между толщинами у разных конфигура-ций; целевое значение оператора есть максималь-ная допускаемая разность между TTHI для каждой конфигурации. Например, если имеется три кофигурации, у которых оценки TTHI 3 8 равны соответственно 17, 19 и 18,5 соответственно, то величина оператора ZTHI будет равна 2, если целевое значение меньше 2. В противном случае величина оператора будет равна целевому значению. Чтобы привести все конфигурации к одной длине, используйте целевое значение 0. Int1 Первая поверх ность Int2 Послед- Последняя поверх- поверхность Hxv, Рху Математические операторы (SUMM, OSUM, DIFF, PROD. DM, SQRT) вместе с параметрическими операторами (CVGT, CVLT, CTGT, CTLT, и т. д.) могут быть использованы для определения комплексных операторов оптимизации» как это показано в следующем ниже разделе "Defining complex operands". Так как размерность величин различна у разных параметров, таких как эффективная фокальная длина (десятки миллиметров или более) и СКЗ пятна рассеяния (микроны), то существенную роль играет взвешивание этих параметров при используемых единицах измерения. Однако маловероятно, что остаток - разница между полученным и желаемым значением эффективной фокальной длины - будет равен нулю. С увеличением веса результат будет приближаться к желаемой величине эффективной фокальной длины. Этот эффект часто проявляется при введении оператора ETGT (краевая толщина больше, чем). При целевом значении этого оператора равном 0 часто будут получаться значения несколько меньше нуля. В таких случаях вместо увеличения веса этого оператора проще задать его цепевое значение, несколько превышающее нулевое значение, например, 0.1. После проведения каких-либо изменений в таблице операторов их текущие значения можно получить путем команды Update (Tools, Update). Это полезно для того чтобы узнать текущее значение каждого оператора и определить оператор, который вносит наибольший вклад в текущее значение оценочной функции. Вклад кавдого оператора в оценочную функцию в процентах вычисляется как %contrib; = юо где индекс j указывает, что суммирование производится ло всем операторам. Оценочная функция записывается автоматически при записи файла с данными оптической схемы Understanding boundary operands Понимание операторов ограничения Операторы ограничения, такие как MNCT, CTGT. DIMX и другие, ведут себя несколько другим образом, чем специальные целевые операторы, такие ка* TRAR и REAY Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ
Когда вы накладываете ограничение на какой-либо параметр, вы указываете значение цели для определения требуемого ограничения. Например, для поддержания минимальной центральной толщины поверхности 5 равной 10 мм. вы можете использовать такую команду, как CTGT 5 10. где число 5 записывается в колонке Intl. а число 10 - в колонке цели (Target). Если вы затем дадите команду на перевычисление оценочной функции (update (he merit function), то в колонке "value*1 (значение) появится величина этого оператора, которая может иметь два возможных значения: 1) если ограничение не выполняется, то есть центральная толщина меньше 10 мм, то будет указано действительное текущее значение толщины, или 2) если ограничение выполняется, то есть центральная толщина больше 10 мм, то будет указано значение 10. Правило простое: еспи ограничение не выполняется, то показывается действитель- действительное значение параметра; если ограничение выполняется, то показывается целевое значение параметра, и алгоритм оптимизации в дальнейшем будет игнорировать этот оператор. Но если во время дальнейшей оптимизации ограничение вновь нарушается, то алгоритм оптимизации автоматически начнет учитывать этот оператор для коррекции соответствующего ему параметра. Операторы, которые накладывают ограничения на целую область поверхностей, ведут себя несколько более сложно. Эти многоцелевые операторы принимают значения, которые представляют полный эффект от нарушения условия ограничения на всех указанных поверхностях. Например, оператор MNCT 110 будет ограничивать минимальную центральную толщину поверхностей от 1 до 10. Если для этого опера- оператора установлено целевое значение 3.0, 'которое определяет ограничение, то разность меаду значением оператора и целевой величиной - это сумма разностей меаду числом 3.0 и толщиной каждой из указанных поверхностей (от 1 до 10), для которых центральная толщина меньше 3.0. Если в указанной области поверхностей только одна из них имеет толщину меньше 3.0 (скажем. 2.5) то оператор примет значение 2.5. Если добавится еще одна поверхность с толщиной, меньше 3.0 (скажем, 2.2) то оператор будет иметь уже значение 1.7 B.5 минус 0.8; 0.8 - это разность [3.0 - 2.2]). Разность меаду целью оператора и его значением будет равна 3.0 - 1.7 = 1.3 . Эта разность обусловлена нарушением ограничения на 0.5 мм на первой поверхности и на 0.8 мм на второй поверхности. Если вычисление значений этих операторов представляется вам сложным, то не беспокойтесь; ZEMAX сделает для вас все необходимые вычисления. Вы должны только определить тип ограничения (такой, как MNCT или MNET), область поверхностей, на которую будет распространяться это ограничение (например, от поверхности 1 до 10), и желаемое значение (например, 3.0 мм). Если ограничение выполняется для всех указанных поверхностей, то оператор принимает значение, равное установленной целевой величине; в противном случае значение оператора будет другим и оценочная функция будет возрастать с увеличением этого различия. Возросшее значение оценочной функции направит работу алгоритм оптимизации на поиск решения, при котором вклад этого оператора в полную величину оценочной функции будет снижен. Если вам представляется, что оператор ограничения не работает, то проверьте: 1) Установили ли вы статус переменной величины на все те параметры, которые влияют на введенное вами ограничение. Частая ошибка - это введение опера- оператора MNCT и "замораживание" толщины какой-либо из поверхностей в указан- указанной области поверхностей. Если условие ограничения не выполняется для какой-либо поверхности, а ее толщина не определена как переменный пара- 14 -44 Chapter 14: OPTIMIZATION
метр, то ZEMAX ие может установить это. При этом операторы не игнорируют нарушение ограничения, а замораживают эти ограничения. 2) Если имеются небольшие остаточные ошибки, попробуйте увеличить величину ограничения. Например, если оператор MNCT используется с целевым значе- значением 0.0, а его величина получается несколько меньше этого значения (например, -0.001), то дело не в том, что оператор не работает, а просто в том, что остаточная ошибка слишком мала для значительного увеличения оценочной функции. В таких случаях обычно лучше несколько увеличить значение цели до 0.1 (или какой-либо другой величины) вместо увеличения веса оператора. Увеличение веса оператора приведет только к уменьшению остаточной ошибки (например, до -0.0000001), а не к точному удовлетворению условия ограничения. 3) Проверьте, имеет ли этот оператор значимый вклад в полную величину оценоч- оценочной функции. Это легко сделать, посмотрев на величину процентного вклада этого оператора, которая показана в последней колонке таблицы ("percent"). Если вклад этого оператора очень мал, то он будет оказывать небольшое влияние на работу алгоритма оптимизации. В таком случае можно увеличить вес этого оператора или последовать совету об изменении целевого значения, как это рекомендовалось выше. Понимание работы операторов ограничения является существенным моментом для проведения оптимизации с помощью ZEMAX, и при небольшой практике вы убедитесь, что эти операторы очень эффективны и обладают большой гибкостью. Using MTF operands Использование операторов MTF (МПФ) __ MTF операторы (такие, как MTFT, MTFS и MTFA) предоставляют возможность прямой оптимизации модуля передаточной функции (MTF). Это очень мощное средство, но использование этих операторов требует определенного внимания со стороны пользователя. Для систем, схемы которых далеки от дифракционного предела, эквивалентными операторами служат операторы геометрической МПФ: GMTT, GMTS и GMTA. Эти операторы следует использовать вместо дифракционных операторов для систем с аберрациями больше 2-5 длин волн. MTF операторы вычисляют общую дифракционную или геометрическую модуляцион- модуляционную передаточную функцию точно такого же вида, как они представляются на графиках, доступ к которым открывается через меню Analysis. Diffraction. Поэтому для любых оптических систем, для которых график MTF будет давать неправдоподобные результаты (обусловленные чрезмерно большой оптической разностью хода в зрачке; см. главу "Analysis", в которой этот вопрос обсуждается более детально), такие же бессмысленные данные будут производится и при оптимизации. Например, бессмысленно оптимизировать схему no MTF. стартуя с плоскопараллельной пластинки, так как MTF для таких систем, конечно, не может быть вычислена точно. Также процесс оптимизация no MTF идет значительно медленнее, чем оптимизация по СКЗ размера пятна рассеяния (RMS spot size) или оптимизация по СКЗ ошибки волнового фронта (RMS wavefront error), - обычно от 5 до 50 раз медленнее Заметьте, что если вы используете как MTFT. так и MTFS операторы для одного и того же поля и одной и той же длины волны, эти операторы дол- мы быть расположены в таблице редактора оценочной функции в соседних строчках, е Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 45
противном случае MTF вычисляется дважды. Если плотность отсчетов на зрачке слишком мала то операторы будут принимать скорее всего нулевые значения, а не какие-то бессмысленные числа. Низкая скорость вычисления может наблюдаться, когда на экране высвечена и постоянно обновляется (update) таблица оценочной функции (Merit Function Editor), a также в моменты введения и выведения диалогового окна оптимизации. В эти моменты оценочная функция вычисляется заново (обновляется). Если введено несколько операторов MTF. то для компьютера с низким быстродействием может потребоваться несколько минут только для обновления экранного изображения. Хороший подход для взаимодействия с проектируемой вами схемы - это исполь- использовать СКЗ ошибок волнового фронта. Кратко говоря, системы с малыми ошибками волнового фронта будут иметь хорошие MTF-. После того, как схема почти доведена до желаемых характеристик, попробуйте переключиться на оптимизацию no MTF для "последнего мазка". Хорошая идея состоит также в том, чтобы полностью стереть программную оценочную функцию, а затем создать новую таблицу и ввести в нее только MTF операторы, оставив, конечно, в ней необходимые операторы ограничения (такие, как MNCT). Для операторов MTF в колонки таблицы (такие, как Intl. Int2 и Нх), вводятся другие данные, чем для большинства других операторов. Колонка Int1 используется для введения плотности отсчетов. Значение 1 определяет, что при вычислениях должна быть использована сетка 32 х 32 отсчетов, значение 2 определяет сетку 64 х 64 и так далее. Используйте наименьший размер сетки, при котором данные вычисляются с достаточной точностью; снова обратитесь к главе "Analysis", в которой этот вопрос обсуждается более детально. Как и для большинства других операторов, колонка Int2 используется для определения длины волны, для которой будут проводиться вычисления. Однако, для операторов MTF в эту колонку может быть введено значение 0 для вычисления полихроматической MTF. В этом случае вычисляется взвешенная по длинам волн величина полихроматической MTF. Обычно вычисления полихроматической MTF идут медленнее, чем вычисления монохроматической MTF. Колонка Нх используется для определения точки поля, для которой будут проводиться вычисления MTF. Число в этой колонке должно быть целым и находиться в пределах между 1 и числом введенных в систему полей (то есть в эту колонку должен вводиться порядковый номер соответствующего поля). Колонка Ну используется для определение пространственной частоты, для которой будут проводиться вычисления; пространственная частота всегда задается в линиях на миллиметр, - независимо от используемых линейных единиц измерения. Может быть введено любое значение; оператор примет значение 0 при переходе за (некогерентную) частоту среза. Вводимые значения пространственной частоты не обязательно должны быть рациональными числами; точные значения MTF вычисляются путем подгонки кубическими сплайнами между ближайшими точками данных, также как и для графиков MTF. Другими словами, вы можете вводить любые вещественные числа. Колонки для указания целевого значения и веса оператора используются точно таким же образом, как и для всех других операторов. Конечно, если указана цель 1 и частота отлична от нулевого значения, то значение оператора никогда не сможет достигнуть целевого значения. 14 -^6 Chapter 14: OPTIMIZATION
Performing an optimization Выполнение оптимизации Дли начала оптимизации выберите из главного меню Tools, Optimization. На экране появится диалоговое окно со следующими опциями. OPTIMIZATION OPTIONS ОПИЦИИ ОПТИМИЗАЦИИ Позиция Automatic 1 Cycle 5 Cycles 10 Cycles 50 Cycles Inf. Cycles Terminate Exit Auto Update # CPU's Описание Выполнение процесса оптимизации до наступления некоторого порога, при котором характеристики системы дальше перестают существенно улучшаться. Выполнение одного цикла оптимизации. Выполнения 5 циклов оптимизации. Выполнение 10 циклов оптимизации. Выполнение 50 циклов оптимизации. Выполнение бесконечно большого чиспа циклов оптимизации вплоть до прерывания процесса путем нажатия на клавишу "Terminate". Остановка процесса оптимизации и возвращение к диалоговому окну оптимизации. Закрытие диалогового окна оптимизации. Если эта опция задействована, то 2ЕМАХ будет автоматически обновлять все открытые окна после каждого цикла оптимизации. Установка числа CPU's (процессоров), по которым будет распределена задача оптимизации. Более одного можно установить даже для компьютера с одним процессором; в этом случае процессор будет делить время между многими одновременно решаемыми задачами. По умолчанию число процессоров обнаруживается операционной системой. При выборе опции "Automatic" процесс оптимизации будет выполняться до тех пор. пока характеристики системы перестанут существенно улучшаться. При других опциях будет выполняться установленное число циклов. Очень рекомендуется автоматический режим. Время, требуемое на выполнение данного цикла оптимизации варьируется очень сильно в зависимости от числа переменных параметров, сложности системы, числа установок solve, числа введенных операторов и. конечно, быстродействия ког-лпьютера. Если цикл дпится слишком долго или если кажется, что процесс оптимизации остановился, или вы чувствуете, что схема больше не улучшается, нажмите электронную клавишу "Terminate" для прерывания процесса оптимизации. Когда начинается процесс оптимизации. 2ЕМАХ сначала заново вычисляет оценочную функцию системы (Merit function). Если какой-либо из операторов не может быть вычислен, процесс оптимизации не может начаться и на экране появляется сообщение об ошибке. Операторы не могут быть вычислены, если они требуют трассирования лучей, которые идут мимо поверхностей, или которые претерпевают полное внутренне отражение (TIR) при ограничении на изменение показателя преломления. Если появляется сообщение о такой ошибке, то обычной причиной является ошибочное задание исходных данных на схему или неправильное задание направления луча (этого не случается при использовании программной оценочной функции, но может случиться, когда ход лучей определяется пользователем). ZEMAX может автоматически исправить ошибку, если оценочная Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ U -47
функция не может быть оценена при выполнении оптимизации; однако исходная система должна быть определена адекватно всем вычисляемым операторам. Defining complex operands Создание сложных операторов Хотя заложенная в программу оценочная функция вместе с несколькими добавлен- добавленными операторами полностью подходит для оптимизации большинства типичных оптических схем, бывают случаи, когда необходимо ввести в оценочную функцию какие-либо необычные ограничения. Вместо того, чтобы дополнить ZEMAX очень большим числом специальных операторов. ZEMAX предоставляет вам возможность простым путем создавать свои собственные операторы. ZEMAX позволяет определять очень сложные операторы Эти операторы создаются в два шага. Сначала используются уже существующие операторы с нулевыми весами для определения необходимых параметров. Затем используются (также уже существующие) математические операторы для определения соотношений между рассматриваемыми параметрами. Например, предположим, вам требуется, чтобы сумма толщин поверхности 3 и поверхности 4 была равна 10. В ZEMAX уже существует оператор, с помощью которого можно определить это условие, - это оператор TTHI. Командная строка с этим оператором будет выглядеть следующим образом: Number Номер 1 Туре Тип опера т. TTHI Int1 Параметр 1 3 Int2 Параметр 2 4 Target Цель 10 Weight Вес 1 Однако (только с целью иллюстрации способа создания новых операторов) можно указать альтернативный способ определения этого же условия: Number Номер 1 2 3 Туре Тип операт. CTVA CTVA SUMM Int1 Параметр 1 3 4 1 Int2 Параметр 2 2 Target Цель 0 0 10 Weight Вес 0 0 1 Первый оператор CTVA (величина центральной толщины) используется для извлече- извлечения из программы числового значения толщины поверхности 3, а второй оператор CTVA используется для извлечения числового значения толщины поверхности 4. Нулевой вес этих операторов означает, что введенные этими операторами ограниче- ограничения на толщины поверхностей будут игнорироваться алгоритмом оптимизации; эти операторы используются толко как промежуточный шаг. Третий оператор в данном случае вычисляет сумму двух операторов: оператора №1 и оператора №2. В резуль- результате значение оператора №3 будет равно сумме толщин поверхностей 3 и 4. и это значение имеет ненулевой вес. Алгоритм оптимизации будет учитывать этот оператор и приводить величину суммы к числу 10. Зачем устраивать все эти хлопоты с трехступенчатым процессом, если один опера- оператор TTHI может решить эту задачу? Смысл в том, что этот же подход может быть распространен на разработку очень сложных операторов. Например, предположим, что вы хотите, чтобы радиус кривизны поверхности 5 располагался на ввршнне поверхности 8. Изучите следующие команды, чтобы увидеть, понимаете ли вы как это делается: 14-48 ChaptBr 14: OPTIMIZATION
Number Номер 1 2 3 Type Тип операт. CWA TTHI PROD Int1 Параметр 1 5 5 1 Int2 Параметр 2 7 2 Target Целеуказание 0 0 1 Weight Bee 0 0 1 Оператор CWA 5 извлекает величину кривизны поверхности 5, кривизну мы хотим контролировать. Оператор TTHI 5 7 вычиспяет расстояние от поверхности 5 до поверхности 8 (обратите внимание на то, что мы суммируем толщины только до поверхности 7, чтобы получить величину расстояния до поверхности 8, так как при прибавлении толщины поверхности 8 мы получим расстояние до поверхности 9). Так как кривизна поверхности является обратной величиной по отношению к ее радиусу, то произведение кривизны на расстояние должно равняться единице; следовательно целевым значением для оператора №3 должна быть 1. В этой последовательности операторов только третий оператор имеет вес, отличный от нуля. Теперь рассмотрим требование, чтобы толщина поверхности 5 была равна сумме удвоенной величины радиуса кривизны поверхности 4 и величины конической посто- постоянной поверхности 2 (это, конечно, бессмыслица, но иллюстрирует гибкость подхода к созданию сложных операторов): Number Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 Туре Тип операт. CTVA CWA CONS DIVI COVA SUMM DIFF OPGT Int1 Параметр 1 5 4 3 2 4 1 7 Int2 Параметр 2 2 5 6 Target Цель 0 0 2 0 0 0 0 0 Weight Вес ,_ 0 0 0 0 0 0 0 1 Оператор №1 извлекает величину (центральной) толщины поверхности 5 Оператор №2 извлекает величину кривизны поверхности 4. Оператор №3 определяет величину постоянной, равной 2, а оператор №4 делит это число на величину кривизны (вычисляя величину удвоенного радиуса кривизны). Оператор COVA извлекает вепичину конической постоянной поверхности 2, а оператор SUMM складывает значения операторов №4 и №5 Оператор №7 вычисляет разность толщины поверхности 5 и величины оператора №6. Так как мы хотим, чтобы эта разность была больше нуля, то мы вводим оператор ограничения OPGT, который требует, чтобы величина оператора №7 была больше 0 (эта величина указана в колонке цели): только этот последний оператор имеет вес. отличный от нуля. Optimizing glass selection Оптимизация стекол Оптимизация стекол проводится несколько другим обэазом чем ошуу/зэцуя nt параметров. Прямая оптимизация с подбором разных марок стекол рвлр^т я трудным и непредсказуемым проиессог. так ка*. не существует стекол с * прерывно изменяющимися характеристиками. Суиестаует zsa способа для z> и*- я т проблемы: с использованием моделей стекол и с и^-о"&г ващ*е»/ за е ы (ГС л Второй способ рзлсетс? 5or.ee гредгочт^ег^- v •* о одде •вз./'-я * • редакциями ZEMAX-XE и 2ЕМАХ-ЕЕ Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ '£.. «
Using model glasses Использование моделей стекол Способ с использованием моделей стекол заключается в аппроксимации дисперсии стекол некоторой формулой с несколькими простыми числовыми параметрами и оптимизации этих параметров с некоторыми ограничениями на их значения с тем, чтобы эти параметры примерно соответствовали реальным маркам стекол. Это метод моделей стекол. Модели стекол детально описаны в главе "Using Glass Catalogs". Одним из недостатков этого метода является то, что величины оптимизированных параметров и полученная величина показателя преломления могут не соответствовать реальным оптическим материалам. Другой недостаток этого метода состоит в том, что модели стекол достаточно точны только для видимой области спектра. Оптимизация стекол этим методом производится обычным образом, как это описано в этой главе. Для оптимизации стекол необходимо сделать несколько шагов. Сперва нужно изменить статус стекла от "Fixed" (фиксированное) на "Model" (модель). Эта операция производится через опцию "Solve" в гленю редактора Lens Data Editor. (Описание моделей стекол вы можете найти в главе "Using Glass Catalogs"). Как только вы произвели такую замену. ZEMAX подберет подходящие для данного стекла величины показателя преломления, числа Аббе и частной дисперсии и высветит их в открывшемся окне "Glass solve"; если хотите, вы можете изменить эти значения. Далее все эти три величины могут быть вами определены как переменные с помощью флажков "Vary", высвеченных в конце каждой строки этого окна; можно использовать также клавиши Ctrl-Z - при этом величины показателя преломления, числа Аббе и частной дисперсии автоматически получат статус переменных величин. Теперь значения переменных параметров могут быть оптимизированы обычным образом. Если оптимизацию проводить без установки ограничений на параметры стекла, то это обычно ведет к очень большим величинам показателя преломления. Это понятно, так как поверхности с большой преломляющей способностью (большой разностью показателей преломления на границе) требуют меньшей кривизны поверхности для получения необходимой оптической силы, чем поверхности с низкой преломляющей способностью. В свою очередь поверхности с малой кривизной имеют меньшие аберрации. К сожалению, материалы с высоким показателем преломления являются более дорогими, более тяжелыми, труднее обрабатываются и могут быть хрупкими, мягкими, легко покрываться пятнами и царапинами. Кроме того, может просто не существовать стекол с очень высоким показателем преломления; существует только несколько марок стекол (для видимой области спектра) с Nd более 1.9. Значения Vd также ограничены областью примерно от 20 до 80. Поэтому при оптимизации необходимо ограничить величины Nd и Vd разумной областью допускаемых значений. Отклонения частной дисперсии также следует ограничить допустимой областью. Имеется две возможности для ограничения значений Nd , Vd и APg.F. Наиболее простой способ - это добавить в какое-либо место в таблицу оценочной функции оператор RGLA Этот оператор измеряет "расстояние" на диаграмме Аббе между величинами показателей преломления, числами Аббе и частных дисперсий для модельного стекла и ближайшего реального каталожного стекла (из загруженного каталога стекол). Например, если вы оптимизируете показатель преломления и число Аббе и загрузили каталоги Shott и Ноуа (загрузка каталогов производится через окно General Data), то оператор RGLA будет вычислять "расстояние" до каждого стекла из 14 -50 Chapter 14; OPTIMIZATION
этих каталогов. Если наименьшее из вычисленных "расстояний" будет меньше, чем установленное вами значение для оператора RGLA, то условие ограничения будет выполнено и значение оператора будет равно указанной вами цели. Если характеристики ближайшего стекла будут выходить за указанное вами значение цели, то значение оператора будет равно фактическому "расстоянию" до ближайшего стекла. "Расстояние" определяется путем умножения числа Аббе на коэффициент 0.01 и величины отклонения частной дисперсии - на коэффициент 10. "Расстояние" между двумя стеклами вычисляется по формуле: где Wn, Wa и Wp - варьируемые весовые коэффициенты. Пользователь может задавать величины этих весовых коэффициентов, изменяя значения соответствующих параметров оператора RGLA; если величины этих параметров оставить равными нулю, то по умолчанию будут использоваться следующие значения весовых коэффициентов: 1,0,1Е-04 и 1Е+02, соответственно. Наилучший путь использования оператора RGLA- определить область ловерхностей, покрывающую все поверхности, которые вы хотите оптимизировать. Начинать лучше со значения цели 0.05. После оптимизации уменьшите значение цели до 0.02 и вновь оптимизируйте схему. Это позволяет удерживать величины показателя преломления и числа Аббе вблизи их значений для реальных стекол. Другой метод ограничения значений показателя преломления и числа Аббе - это использование контроля с помощью олераторов MNIN, MXIN, MNAB и МХАВ. Зти операторы позволяют устанавливать допустимые минимальные и максимальные значения показателей преломления и чисел Аббе; описание этих операторов дано в предыдущей таблице. Эти операторы .могут быть использованы для задания на карте стекол прямоугольной области, в пределах которой должен проводиться процесс оптимизации. Может быть полезным использование оператора RGLA вместе с опера- оператором MXIN, например, для подбора стекла из числа существующих с показателем преломления, меньшим некоторого значения. В какой-то момент вы захотите вернуться от полученных при оптимизации значений параметров модельного стекла к значениям этих параметров для реального стекла. Обычно не бывает точного совпадения между полученными при оптимизации значениями Nd и числа Аббе и значениями этих величин для реальных стекол из загруженного каталога. Однако ZEMAX методом наименьших квадратов будет искать в каталоге стекло с параметрами, наиболее близкими к полученным (за исключением величины частной дисперсии). Из каталога будет выбрана марка стекла, параметры которого меньше всего отличаются от полученных при оптимизации. Марка этого стекла будет высвечена в колонке Glass, если вы вновь установите для этого стекла статус "Fixed" (для этой цели опять же можно воспользоваться клавишами Ctrl-Z). Характеристики модели стекла и марка ближайшего стекла будут указаны также в списке данных для данной поверхности (этот список выводится посредством команд Reports, Surface Data). Указанная в этом списке величина показателя преломления вычислена из приведенных в этом же списке значений Nfl и числа Аббе. а не для подобранного реального стекла. После того, как вы вернулись к реальному стеклу, необходимо выполнить оптимизацию повторно. Для систем с тонким балансом хроматических аберраций, возможно, таким путем никогда не удастся найти оптимальную марку стекла, так как модельное представление дисперсии стекла никогда не будет идентичным дисперсии реального стекла Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 51
Using grass substitution Использование замены стекол Второй способ - это последовательный перебор различных марок стекол и реолтими- зация схемы (с каждым новым стеклом) с целью подбора наиболее подходящего стекла Смена стекол может быть произведена вручную, а затем с помощью реолтммизации схемы можно увидеть, какое стекло дает наилучшее решение. Можно также всю эту процедуру произвести в автоматическом режиме с помощью программы глобальной оптимизации, описание которой дано в (следующей) главе "Global Optimization" При глобальной оптимизации используются только реальные материалы, имеющиеся в каталогах стекол, и в этом смысле это наилучший метод. Смотри раздел "Optimization Glass Selection" в главе "Global Optimization". Optimizing zoom and multi-configuration lenses Оптимизация zoom- и мультиконфигурационных систем Оптимизация zoom-систем фактически идентична оптимизации обычных оптических систем (с неизменной конфигурацией). Детально этот вопрос рассмотрен в главе "Multi-Configuration". Optimizing extra data Оптимизация дополнительных (внешних) данных Эта программа доступна только для редакции ZEMAX-EE Для некоторых типов поверхностей, поддерживаемых редакцией ZEMAX-EE, таких как Zernike, Zernike phase, extended polynomial и binary optic, используются дополнительные внешние данные. Эти дополнительные данные могут редакти- редактироваться, загружаться из ASCII файлов и определяться как переменные параметры для их оптимизации. Указания по редактированию этих данных можно найти в главе "Editors menu". Чтобы определить значения дополнительных данных как переменные величины, откройте редактор Extra Data Editor. После открытия этого редактора переместите курсор к ряду со значением, которое вы хотите оптимизировать, и нажмите клавиши Ctrl-Z (эта же команда используется для установки статуса переменной величины и в основном редакторе). Эти переменные величины теперь будут оптимизироваться при выполнении процесса оптимизации. Имеется несколько ограничительных операторов для внешних данных. Операторы XDVA, XDGT и XDLT служат для установки требуемого, минимального и максимального значений для дополнительных данных соответственно. В колонке Int1 таблицы оценочной функции указывается номер поверхности, к которой применяется оператор, а в колонке Int2 указывается какое именно значение должно быть оптимизировано. Optimizing objects in a non-sequential group Оптимизация объектов из группы "непоследовательных" элементов Оптимизация параметров "непоследовательных" элементов не отличается существенным образом от оптимизации других численных величин. Статус 14-52 Chapter 14: OPTIMIZATION
переменной величины для этих параметров устанавливается точно так же, как и для всех других параметров через редактор Lens Date Editor. Трудность оптимизации свойств этих элементов состоит в непредсказуемости пути» по которому лучи могут (или не могут) пройти через группу "непоследовательных" элементов. Для "непоследовательных" объектов, таких как призмы, небольшие изменения в их положении или размере обычно не влияют сильно на путь луча. Однако, для некоторых объектов, таких как световоды, небольшие изменения их положения и/или размеров могут сильно исказить путь луча. Лучи, которые раньше свободно проходили через объект, могут пройти мимо объекта, если его положение и наклон слегка изменились. Это обычно приводит к большим ошибкам при вычислениях производных, и оптимизация производится либо плохо, либо она совсем невозможна. Для этих систем оптимизация может быть произведена более эффективно при использовании алгоритма глобальной оптимизации, который не полагается исключительно на вычисления производных. Другая проблема для некоторых систем с "непоследовательными" элементами состоит в том, что выходной зрачок у этих систем может не быть корректным изображением входного зрачка. С этой точки зрения для неиэображающих систем, у которых не образуется изображение входного зрачка на месте выходного зрачка, лучше использовать прямоугольную сетку трассируемых лучей вместо гауссового распределения. Optimizing with sources and detectors in non-sequential mode Оптимизация схемы с источниками и детекторами в режиме NSC Оптимизация осветительных систем или других оптических систем, в которых используются NSC источники и детекторы, производится с помощью операторов NSDD и NSTR. Типичная для этого случая оценочная функция содержит три группы операторов : Во-первых, должны быть использованы операторы NSDD для обнуления детекторов. Для обнуления сразу всех детекторов установите величину аргумента "Detector' этого оператора равной нулю. Обычно бывает достаточным введение только одного оператора NSDD в первую строку таблицы оценочной функции. При использовании этого оператора для обнуления детекторов его величина принимает нулевое значение и не влияет на величину оценочной функции. Во-вторых, для трассировки лучей от NSC источников должен быть использован оператор NSTR. Оператор "NSTR Г трассирует анализируемые лучи от i-ro источника: оператор "NSTR 0" трассирует анализируемые лучи сразу от всех источгников. Заметьте, что задаваемое в NSC редакторе количество анализируемых лучей определяет количество трассируемых лучей и, соответственно, время, необходимое для оценки оператора NSTR. Оператор NSTR всегда принимает нулевое значение и не влияет на величину оценочной функции. Оператор NSTR поддерживает опции расщепления, рассеивания и поляризации лучей. В-третьих, должна быть использована еще одна группа операторов NSDD для считывания данных с детекторов. Оперэтор NSDD имеет четыре аргумента: surface, detector, pixel, and data. Аргумент "Surface" используется для задания номера поверхности в NSC группе (при работе программы в режиме NSC используйте для этого аргумента значение 1). Аргумент "Detector* используется для задания номера Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 53
детектора. Детекторами могут служить как специальные детекторные объекты, так и граненые объекты, играющие роль детекторов. Аргумент "Pixel" используется для задания номера детекторного пиксела и/или характера выполняемых энергетических вычислений. Если установить величину этого аргумента равной -1, то оператор NSDD примет значение, равное пиковой величине мощности (flux) или ликоеой величине освещенности (flux/area) на детекторе. Если установить величину этого аргумента равной 0, то оператор NSDD примет значение, равное суммарной величине мощности (flux) или освещенности (flux/area) на детекторе. Если установить величину этого параметра равной номеру какого-либо пиксела (положительное целое число), то оператор NSDD примет значение, равное величине мощности (flux), освещенности (flux/area) или интенсивности (flux/solid angle) для данного пиксела детектора (какая из этих трех величин должна быть вычислена определяется значением аргумента "Data": О, 1 или 2 - для мощности, освещенности и интенсивности, соответственно). Описание системы единиц измерения энергетических величин дано в главе • System Menu в разделе General, Irradiance/Mluminance Units. Для граненых детекторных объектов и/или при значениях аргумента "Pixel" 0 или -1 аргумент "Data" может принимать только два значения: 0 и 1. Практическая трудность оптимизации таких систем состоит в трудности вычисления производных по переменным параметрам от функции детектируемой энергии, так как последняя вычисляется с относительно большой неопределенностью. Даже дпя приближенного вычисления диаграмм освещенности необходимо трассировать очень большое количество лучей. Optimizing with the IMAE operand Оптимизация с оператором IMAE IMAE оператор оценивает эффективность оптической системы путем запуска большого количества лучей во входной зрачок; затем вычисляется часть лучей, которая прошла через все поверхностные апертуры к рассматриваемой поверхности. Оптимизация с этим оператором может не проходить гладко, если в системе используются только поверхностные апертуры с "твердым краем", такие как круглая апертура. Причина этого в том, что ZEMAX оценивает величины производных от операторов, производя очень небольшие дифференциальные изменения значений каждой переменной величины, и лишь затем вычисляет конечную разность для величины оператора. Для оператора IMA небольшие изменения в величине переменной могут не привести к изменению величины оценки эффективности, - если нет лучей, проходящих достаточно близко к краю апертуры, чтобы могли произойти изменения от их виньетирования к невиньетированию или наоборот. Эта проблема может быть решена путем замены апертур с "твердым краем*1 на апертуры с "мягким краем" (созданные на поверхностях типа "определяемых пользо- пользователем"). Апертуры с "мягким краем" имеют пропускание, равное единице почти по всей их площади, но у края пропускание снижается не резко, как у апертур с "твердым краем", а постепенно в пределах небольшой области. Функциональные фильтры, позволяющие произвести такую замену, включены в 2ЕМАХ в качестве примеров DLL файлов; смотри раздел "User Defined Surface" в главе "Surface Types". Смотри, в частности, обсуждение примера US_FILT4.DLL. 14 -54 Chapter 14: OPTIMIZATION
Using gradient index operands Использование операторов, контролирующих материалы с градиентом показателя преломления Имеется несколько операторов оптимизации, которые используются для контроля свойств материалов с градиентом показателя преломления. Описание некоторых из них дано ниже. DLTN Этот оператор служит для контроля в процессе оптимизации величины полного диапазона изменения показателя преломления в пределах элемента с градиентом показателя преломления. Колонка Int1 используется для указания номера поверх- поверхности, а колонка Int2 - для определения номера используемой длины волны. Оператор DLTN определяется формулой: DLTN = п^ - п Минимальное и максимальное значения показателя преломления вычисляются при экстремальных значениях 2-координат - 2min и Zmax. Zmin и Zma* - это Z-координаты заготовки, из которой будет сделан элемент (до образования его формы). Для выпуклых поверхностей они соответствуют их вершинам. Для вогнутых поверхностей они соответствуют точкам в местах максимального прогиба. LPTD Этот оператор используется для контроля профиля градиента внутри материала. Используется только колонка Int1 - для указания номера поверхности с градиентом показателя преломления. LPTD - акроним от LightPath Technology Delta, и исполь- используется для поддержания монотонности либо возрастания, либо убывания нелиней- нелинейного наклона профиля показателя преломления в материале. Это необходимо только при квадратичной или кубической зависимости осевого градиента. Этот оператор действует только для поверхностей типа GRIN 5. Целевым значением оператора LPTD должен быть 0. Определяемое этим операто- оператором ограничение описывается следующими условиями: дп Л дп л дп л дп > 0 и > 0 .или < 0 к < 0 , где zmjn и Zmax - 2-координаты передней и задней поверхностей заготовки, исполь- используемой для изготовления линзы (до образования формы поверхностей). Для выпуклых поверхностей они соответствуют их вершинам. Для вогнутых поверхностей они соответствуют точкам, в которых величина прогиба максимальна. Если остаточное значение оператора будет меньше нуля, то целевое значение можно немного увеличить (попробуйте 0.1). Изменение целевого значения обычно бывает более эффективным, чем увеличение веса оператора. Значение оператора должно равняться нулю для заготовки, которая будет изготовлена. Всегда проверяйте профиль градиента, чтобы быть уверенным, что знак наклона не изменяется. Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ ' 14-55
User defined operands Операторы, определяемые пользователем Эта программа доступна толькб для редакции ZEMAX-EE Бывают случаи, когда должны быть выполнены очень сложные вычисления и их результаты необходимо оптимизировать. 2ЕМАХ уже поддерживает некоторые из таких вычислений, таких как MTFA оператор, который трассирует большое число лучей, вычисляет MTF (МПФ) и записывает полученное значение в колонку "value" таблицы редактора "Merit Function Editor". Некоторые вычисления могут быть выполнены с помощью самой оценочной функцией; см. например, данное в этой главе ранее описание комплексных операторов в разделе "Defining complex operands". Однако, существуют проблемы, для решения которых пользователь должен иметь возможность создавать собственные программы и с их помощью проводить необхо- необходимые вычисления. Имеется два пути для достижения этого: 1) С помощью макроязыка ZPL; 2) Путем использования дополнительно определенных и компилированных программ. Использование ZPL языка - довольно просто, хорошо увязывается с ZEMAX и требует очень небольшого опыта программирования. Однако ZPL язык имеет ограниченные возможности, а его машинная интерпретация приводит к замедлению выполнения сложных вычислений. Оптимизация ZPL макросов является обычно лучшим выбором для простых макрокоманд, которые выполняются довольно быстро. Внешние программы труднее программировать, они требуют компилятора для С или какого-либо другого языка и некоторого опыта программирования. Однако внешние программы могут быть значительно более сложными, чем ZPL-программы, и так как они компилируются, они выполняются значительно быстрее. Разница в скорости выполнения очень высока, так что более сложные вычисления выгоднее выполнять с внешними программами. Действительно, можно определить очень сложные внешние операторы, которые позволят трассировать миллионы лучей или производить другие длительные вычисления перед передачей данных в ZEMAX. Заметьте, этот интерфейс может быть использован для оптимизации схем на основе данных, вычисленных другими анализирующими программами, такими как программы по анализу рассеянного света. Как язык ZPL, так и методы UDO (User Defined Operands), позволяющие использовать внешние компилированные лрограммы, описаны ниже. Optimizing with ZPL macros Оптимизация с использованием ZPL - программ Если макроязык ZPL является достаточным для выполнения требуемых вычислений, то можно использовать оператор ZPLM для обращения к макросу (лодпрограмме на языке ZPL) из какого-либо места таблицы оценочной функции. Макрос выполняет требуемые вычисления, а затем результаты вычислений записываются путем использования ключевого слова ZPL — OPTRETURN. 14 -56 Chapter 14: OPTIMIZATION
Оператор 2PLM используется просто. Значения параметров Int1 и Int2 используются дпд определения номера выполняемого макроса и номера поля в матрице данных в которое помещена вычисленная величина, соответственно. Номер макроса используется для указания макроса, который должен быть выполнен, в то время как номер поля указывает на величину, которая должна оптимизироваться. Номер макроса должен быть целым числом между 0 и 99. Если, например, значение toll для оператора ZPLM установлено равным 17, то номер макроса будет равен 17 и выполняемая подпрограмма должна иметь наименование ZPL17.ZPL. Имя макроса всегда должно содержать две цифры, определяющие его номер. Если номер макроса равен 6, то его имя должно записываться ZPL06.ZPL. Файлы с программами ZPL должны помещаться в установленном для них директории для ZPL макросов; смотри главу "File Menu", в которой дано более детальное описание. • Номер поля данных может быть любым числом между 0 и 50 включительно. Это число отсылает к определенной позиции в глобальной матрице данных, ассоциируе- ассоциируемой сданной схемой в памяти компьютера. Во время выполнения макроса ключевое слово OPTRETURN определяет, в какое именно поле матрицы должен быть записан результат вычислений. Имеется 51 разных полей данных, так что один макрос может быть использован для оптимизации 51 разных величин одновременно. Например, предположим, что вам нужен макрос, который вычисляет полную длину оптической системы от поверхности 1 до плоскости изображения ( этот макрос будет действовать также, как оператор TOTR). Такой макрос может иметь следующий вид: n = nsur() х=0 for i = 1, п. 1 x = x + thic(i) next optreturn 0 = x Обратите внимание на использование ключевого слова OPTRETURN. Это ключевое слово записывает результирующую величину V в глобальную матрицу в позицию 0. Предположим, что этому макросу было дано имя ZPL15.ZPL. Для оптимизации величины х в таблицу оценочной функции должен быть добавлен оператор ZPLM с параметрами Int1 = 15, Int2 = 0. После команды Update для таблицы оценочной функции величина этого оператора будет такой же, как и у оператора TOTR, и эта величина может оптимизироваться таким же образом, как и все другие. Оператор ZPLM позволяет также использовать в таблице оценочной функции поля Н*. Ну , Рх и Ру. Данные, записанные в этих полях, могут считываться ZPL макросом с помощью ZPL функций PVHX, PVHY, PVPX и PVPX соответственно; "PV" - сокращение от "Pass Value". Имеется одна очень важная деталь, которую нужно знать относительно номера поля данных. Если номер поля равен 0, то макрос выполняется и значение из OPTRETURN 0 записывается. Однако, если номер поля не равен 0. то макрос не выполняется, а в указанное поле записывается соответствующее значение от предыдущего выполнения макроса. Преимущество этого условия весьма существенно. Если с помощью макроса производится вычисление многих разных величин и все они должны оптимизироваться, то достаточно только один раз обратиться к данному макросу, а доступ к вычисленным значениям может быть осуществлен с помощью нескольких ZPLM операторов. Это более эффективно, чем многократный вызов одного и того же макроса для вычисление каждой отдельной величины. Глава 14: ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 57
Например, предположим, что макрос под именем ZPL11.ZPL вычисляет три разных величины, кааедая из которых требует оптимизации. В макросе эти величины записываются с помощью оператора OPTRETURN: OPTRETURN 0 = х OPTRETURN 1 = у OPTRETURN 2 = z Затем три ZPLM оператора, записанные в таблицу оценочной функции, могут быть использованы для извлечения вычисленных значений этих величин: ZPLM 11 О ZPLM11 1 ZPLM11 2 Макрос ZPL11. ZPL вызывается и выполняется только один раз при обращении к оператору ZPLM 11 0. Заметьте, что значения полей Нх, Ну, Рх и Ру могут быть использованы только в том случае, если значение Int2 = 0, так как только в этом случае макрос выполняется. Наконец, очень важно, чтобы при выполнения макроса не происходило изменений в данных оптической схемы. Эти изменения могут мешать последующим вычислениям других олераторов. ZEMAX не восстанавливает схему, измененную ранее выполнен- выполненным макросом. Также, оператор ZPLM не должен располагаться в середине таблицы оценочной функции, а должен быть помещен либо до, либо после части таблицы, в которой записана определенная ZEMAX оценочная функция. Если во время выполне- выполнения макроса происходят изменения параметров схемы, то ZEMAX не может узнать об этих изменениях и не может восстановить схему к ее прежнему виду. Этого можно было бы избежать, если бы макрос выполнялся на копии оптимизируе- оптимизируемой схемы, а оригинальная схема оставалась бы без изменения; однако в настоящей редакции ZEMAX не поддерживает эту процедуру. Смысл этого в том, что могут быть случаи, когда макрос должен производить изменения параметров оптической схемы до оценки последующих операторов. В таком случае необходимо использовать два макроса. Первый должен модифицировать схему как это требуется, а второй должен восстанавливать данные, устанавливая их первоначальные значения. Оба макроса могут быть записаны в таблицу оценочной функции с промежуточными операторами, вычисляемыми для измененных данных. Optimizing with externally compiled programs Оптимизация с использованием внешних компилированных программ Этот раздел на русский язык не переведен. Смотри Руководство на английском языке. Suggestions for use Советы по использованию программы оптимизации Если вы имеете не очень быстродействующий комльютер, вы можете существенно уменьшить время на вычисления путем ограничения числа используемых лолей зрения и длин волн при оптимизации. На стадии предварительной разработки схемы редко требуется трассировать все лучи для всех длин волн. Тот же эффект может быть достигнут при удалении некоторых из этих лучей. Также разумно использовать 14 -58 ' Chapter 14: OPTIMIZATION
на ранней стадии только три поля зрения. Наличие в компьютере числового сопроцессора существенно ускоряет работу программы. Имеется несколько других приемов для улучшения работы программы. Избегайте установки операторов ограничения на переменные до тех пор, пока в процессе оптимизации сохраняется малоправдоподобная схема. Операторы ограничения добавляют вычислительные трудности. Используйте функции "solves" вместо точно определенных операторов, когда это возможно. Например, используйте функцию, воздействующую на кривизну поверхности для контроля фокальной длины, вместо явного оператора фокальной длины, если это возможно. Процесс оптимизации неотделим от искусства проектирования современных схем, и только практика сделает конструктора мастером оптимизации. Пользователи, хорошо знающие алгоритмы оптимизации других оптических программ, вероятно, найдут, что ZEMAX в этом отношении очень прост в использовании, и при небольшой практике механизм использования интерфейса будет у вас только в подсознании, а вы сможете сконцентрировать свое внимание только на самой схеме. Если вы только начинаете осваивать компьютерную оптимизацию оптических схем, то нет лучшего пути для изучения этого процесса, чем практика. The global optimum Глобальный оптимум Когда оценочная функция принимает наименьшее из всех возможных значений для данной схемы, то говорят, что достигнут "глобальный" оптимум, и такая схема по определению является наилучшей из возможных. Однако пока не известен такой алгоритм оптимизации, который мог бы во всех случаях находить глобальный оптимум, - кроме алгоритма "прямого поиска" (говоря другими словами, необходимо опробовать все бесконечное множество возможных решений, чтобы увидеть наилучшее). Искусство проектирования оптических схем с помощью компьютера состоит из двух главных компонентов. Во-первых, конструктор должен быть способен определить более или менее подходящую стартовую схему и, во-вторых, он должен играть роль контролера во время процесса оптимизации. Хороший контролер знает, когда и как вернуться обратно и направить работу программы в более подходящем направлении. К сожалению, это часто требует значительного опыта и еще чаще - чрезмерного утомления. Опытный конструктор использует комбинацию интуиции, анализа и удачи в поиске новой, лучшей схемы. ZEMAX обеспечивают возможность автоматического поиска глобального оптимума; эта особенность описана в следующей главе. Глава 14; ОПТИМИЗАЦИЯ 14 - 59
GLOBAL OPTIMIZATION ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ Introduction Введение Эта программа поддерживается тблько редакциями 2ЕМАХ-ХЕ и ZEMAX-EE. Понимание материала этой главы критически зависит от усвоения материала, представленного в предыдущей главе ("Оптимизация"). Общепринятым методом оптимизации оптических схем в последние десятилетия являлся алгоритм наименьших квадратов с демпфированием (Damped Least Squares - DLS). DLS имел много привлекательных особенностей; он эффективен и очень хорош для поиска "локального" минимума оценочной функции. В этом контексте слово "локальный" означает наименьшее значение оценочной функции, которое может быть достигнуто в пространстве возможных решений, исходя из текущего положения, при непрерывном уменьшении значения оценочной функции (в действительности это является некоторой идеализацией, так как DLS может перепрыгнуть небольшую область, в которой величина оценочной функции возрастает). Чтобы образно обрисовать эту проблему, представьте себе, что Вы прогуливаетесь по холмистой местности и, находясь на возвышенности, хотите спуститься вниз, в долину. Вы хотели бы спуститься в самую низкую точку долины. Но из-за тумана Вы не можете увидеть только ближайшее от Вас окружение и не можете увидеть саму долину. Тогда Вы определяете направление, в котором идет спуск вниз, и идете в этом направлении до места, где снова начинается подъем в гору; в этом месте Вы находите новое направление, в котором путь снова идет вниз. Повторяя эту процедуру снова и снова, Вы, наконец, достигаете места, в котором во всех направлениях пути идут только вверх. Эта самая низкая точка и является локальным минимумом, дном, по крайней мере, какой-то долины. Проблема этого метода заключается в том, что, достигнув локального минимума, мы не знаем, существует ли где-либо еще более глубокий минимум (это главная проблема оптимизации). Например, если Вы поднимаетесь из этого места в гору в каком-либо направлении до достижения локального пика, а затем спускаетесь в следующую долину, Вы в конце концов достигните нового локального минимума. Является ли этот минимум ниже или выше предыдущего? Единственный путь узнать это- предпринять путешествие по всей окружающей местности I Вы можете спросить: раз компьютер работает так быстро, то почему он не может рассмотреть каждую из всех возможных конфигураций схемы, чтобы найти наилучшую? Чтобы ощутить масштаб этой проблемы, рассмотрим схему простого склеенного дублета с шестью степенями свободы (степени свободы проявляются как переменные величины для оптимизации). Если Вы примете, что каждая переменная величина может принимать 100 возможных значений (грубых отсчетов), то имеется 1Е+12 различных возможных систем. Если для оценки каждой системы требуется трассировка 100 лучей (низшая оценка) и Вы можете трассировать 1.000.000 (один миллион) лучей на поверхность в секунду, то потребуется время около ЗЕ+07 секунд, или около 2.5 лет. Для четырехэлементной схемы A6 переменных), анализируемой Глава 15: ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 15 -1
для трех полей зрения и трех длин волн, потребуется оценить около 1Е+32 систем. что при использовании 100 лучей займет время во многие миллиарды раз превышающее возраст Вселенной. Существуют подходы к решению проблемы глобальной оптимизации, которые (к счастью) не требуют таких безрассудных вычислительных усилий. Эти методы включают алгоритмы с "закалкой" модели, с использованием мультистарта, экспертных систем, нейрокомпьютеров и другие. Все эти алгоритмы имеют свои преимущества и недостатки, рассмотрение которых находится за рамками настоящей главы. Capabilities of ZEMAX Возможности ZEMAX _ ZEMAX снабжен двумя разными алгоритмами глобальной оптимизации, каждый из которых предназначен для разных целей. Первый алгоритм, который Вы. вероятно. захотите использовать, называется "Global search" ("глобальный поиск"), и он используется для нахождения новых форм оптической системы, определяемых только заданной оценочной функцией и стартовой схемой. При глобальном поиске используется комбинация генетических алгоритмов, мультистарт. обычный метод наименьших квадратов с демпфированием и некоторая экспертная система для поиска новых форм оптической системы. Алгоритм глобального поиска очень хорош для нахождения перспективных форм оптической системы, однако он обычно не приводит к "конечным" схемам. Для этой цели используется второй алгоритм. Второй алгоритм называется "Hammer optimization" (оптимизация "методом постукивания"). Конструкторы оптических систем часто говорят относительно оптимизации этим методом как о выколачивании из схемы последнего остатка ее неиспользованных возможностей. Алгоритм "hammer optimization" используется при окончательном поиске оптимального решения для достаточно хорошей стартовой схемы, найденной либо на основании имеющегося опыта, либо с помощью алгоритма глобального поиска. Для использования алгоритма "hammer optimization" требуется только частичная (предварительная) оптимизация схемы и запись оценочной функции в формате ZMX -файла. Хотя алгоритмы глобальной оптимизации очень полезны, важно понимать, что нет гарантии того, что во всех случаях будет найден истинный глобальный оптимум или что он будет найден хотя бы случайно. Конечно, нет даже способа определить, что какое-либо решение соответствует глобальному оптимуму, даже в том случае, если это решение является наилучшим из найденных Вами (вспомните о масштабе проблемы, сопоставимом с временем жизни Вселенной). Важно понимать, что нет никакой гарантии того, что во всех случаях будет найден истинный глобальный оптимум или что он будет найден хотя бы случайно. Оба алгоритма - глобального поиска и оптимизации "методом постукивания"- требуют большого объема вычислений, чтобы быть эффективными. Эти алгоритмы не предназначены для использования в интерактивном режиме, то есть во взаимо- взаимодействии с конструктором! (Такое взаимодействие обеспечивается при работе с DLS алгоритмом). Если Вы начали процесс глобальной оптимизации и будете наблюдать за работой компьютера, Вы непременно будете разочарованы; процесс глобальной оптимизации высокоэффективен только в том случае, когда Вы поставили задачу и 15 -2 Chapter 15: GLOBAL ОРТ IMI2ATION
оставили работать компьютер на много часов или даже на несколько дней, а не на десять минут. Идеальная ситуация - это поставить задачу на ночь, и пусть компьютер осуществляет глобальный поиск или "hammer optimization" в зависимости от Ваших требований всю ночь. А утром Вы можете увидеть полезные результаты. The Global Search algorithm Алгоритм глобального поиска ____ Глобальный поиск Вы можете начать с очень грубой стартовой схемы. "Очень грубой" означает, что в схеме задано правильное число поверхностей, положение апертурной диафрагмы системы и сделан выбор исходных марок стекол. Должны быть определе- определены поля (зрения) и длины волн. Вы также должны определить оценочную функцию {см. главу "Optimization" для детального ознакомления с этой процедурой). Очень грубая схема может состоять из плоскопараллельных стеклянных пластин и всего одного условия, наложенного на кривизну последней поверхности для контроля фокальной длины. Если такое условие не наложено и фокальная длина не контро- контролируется, то исходная система должна иметь хотя бы примерно требуемую величину фокальной длины. Также необходимо определить переменные параметры. Исходная схема должна быть записана в файл перед началом глобального поиска. ZEMAX использует стартовую величину фокального расстояния в качестве масшта- масштабирующего параметра, так что исходная схема должна иметь корректную величину фокального расстояния! Из главного меню выберите команду Tools и из появившегося списка выберите команду Global Search (Глобальный поиск). В появившемся диалоговом окне (Global Search) высвечены четыре электронные клавиши: Start. Stop, Resume и Exit. Выберите команду Start. Поиск начнется, хотя может показаться, что в течение нескольких минут ничего не происходит. ZEMAX будет перебирать различные комбинации параметров схемы из заданной Вами области их допустимых значений. После того, как будет найдено соответствие схемы установленному критерию, ZEMAX запишет схему в файл с именем GLOPT01.ZMX. Затем цикл поиска повторится и будет произведена другая схема. Если эта новая схема будет иметь большую величину оценочной функции, чем предыдущая схема, то она будет записана в файл под именем GLOPT_02.ZMX. Если же новая схема будет иметь меньшую величину оценочной функции, чем предыдущая схема, то файл под именем GLOPTJ11.ZMX будет переименован и получит новое имя GLOPT_02.ZMX. а новая схема будет записана под именем GLOPT_01.ZMX. Первые десять файлов, произведенных таким образом, записываются и сортируются в порядке от GLOPT_01.ZMX до GLOPT.J0.ZMX. В правой стороне окна Global Search высвечиваются имена этих файлов вместе с соответствующим им величинами оценочной функции. После того, как будет произведена одиннадцатая схема, ZEMAX сравнит величину ее оценочной функции с величинами оценочных функций первых десяти схем и располо- расположит ее в соответствующем месте списка, переименовав все файлы в соответствии с их новым положением в списке из десяти лучших схем. Если новая схема будет иметь большую величину оценочной функции, чем схема под именем GLOPTjIO.ZMX, то эта новая схема просто игнорируется. Циклы повторяются неограниченно. Ка>кдый раз. когда будет произведена схема с меньшей величиной Глава 15: ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 15 -3
оценочной функции, чем у схемы под именем GLOPT_10.ZMX (наихудшее значение из записанных десяти), новая схема будет размещена в соответствующем месте таблицы, а схема GLOPT_10.ZMX будет исключена из списка. После того, как через список лучших десяти схем пройдут сотни различных схем (для чего может потребоваться оценка десятков тысяч различных схем), можно надеяться, что в результирующем списке будут находиться очень хорошие схемы или, по меньшей мере многообещающие формы схем Алгоритм глобального поиска периодически возвращается к записанным десяти лучшим схемам с тем. чтобы проверить, нельзя ли их улучшить. Улучшенные схемы вновь возвращаются в список. Если это происходит, то старые схемы выбраковы- выбраковываются, если они имеют ту же основную форму, что и новая схема. Это позволяет сохранить в списке из десяти лучших схем некоторое разнообразие схемных форм. При ограниченном времени поиск алгоритм удаляет из списка многие хорошие схемы. Для прерывания поиска нажмите на клавишу Stop. В зависимости от того, какую задачу в данный момент решает алгоритм, остановка процесса поиска может произойти мгновенно или для этого может потребоваться несколько секунд. После остановки работы алгоритма нажмите на клавишу Exit. Вы можете теперь обычным образом открыть любой из записанных файлов от GLOPT_01.ZMX до GLOPT_10.ZMX. Команда Resume подобна команде Start, однако, по команде Resume сначала загружаются существующие файлы от GLOPT_01.ZMX до GLOPT_10.ZMX (значения их оценочных функций высвечиваются в диалоговом окне), а затем начинается новый поиск с того состояния, на котором он был закончен. Команда Resume не стирает первые десять файлов, в то время как команда Start стирает их и поиск начинается сначала. Если команда Resume дается, когда в редактор LDE загружен файл, совершенно не имеющий отношения к предыдущему глобальному поиску, то ZEMAX будет оптимизировать схему на основе текущих данных, загруженных в редакторы "Lens Date Editor" и "Merit Function Editor", но будет использовать соответствующие оценочные функции старых GLOPT-файлов для целей сравнения. Глобальный поиск сам по себе редко позволяет найти глобальный оптимум. Это связано с тем, что алгоритм глобального поиска концентрирует свои усилия на нахождении новой, перспективной формы схемы, а не на поиске наилучшего из возможных решений дпя каждой отдельной формы. Эту последнюю задачу решает отдельный алгоритм под названием "Hammer Optimization", описание которого дано в следующем разделе. The Hammer algorithm Алгоритм "Hammer Optimization" После просмотра схем, созданных при глобальном поиске, Вы, вероятно, захотите исследовать одну или две из них. Схема, имеющая наименьшую величину оценочной функции, не всегда будет наилучшей (хотя именно она должна быть наилучшей при правильном определении оценочной функции). Например, схема, имеющая второе наилучшее решение, может быть проще в изготовлении. Какой бы критерий Вы не использовали для определения "наиболее хорошей" схемы, Вы захотите использовать выбранные Вами схемы в качестве исходных для дальнейшей их оптимизации и нахождения наилучшей из них. 15-4 Chapter 15: GLOBAL OPTIMIZATION
Диалоговое окно "Hammer dialog box" поддерживает следующие контрольные функции: Hammer: Команда на начало цикла Hammer-олтимизации. Алгоритм "Hammer optimization" попытается всесторонне усовершенствовать схему путем ее тонкой юстировки и оптимизации. Каждый раз, когда схема будет улучшена, она будет записана на диск во временный файл. Auto DLS: Вызывает обычный (локальный) DLS-алгоритм, который выполняет оптимизацию схемы в автоматическом режиме. Иногда бывает полезным оптимизировать схему перед выполнением Hammer-олтимизации, если она не была ранее оптимизирована. Stop: Команда на остановку процесса Hammer-оптимизации. Exit: Команда на закрытие диалогового окна. Auto Update: Если активизировать эту установку, то все открытые окна будут обновляться каждый раз, когда будет найдено меньшее значение оценочной функции. #CPU: Число процессоров, которое используется для выполнения Hammer- оптимизации. Алгоритм "Hammer optimization" требует только, чтобы исходный файл имел имя с расширением ZMX. В диалоговом окне "Hammer optimization" показаны исходная величина оценочной функции и ее наилучшее текущее значение. Хотя бывает, что хорошие результаты получаются в течение нескольких минут, нужно дать поработать алгоритму в течение нескольких часов, а лучше всего в течение всей ночи. Для прекращения процесса оптимизации выберите команду "Stop", а затем команду "Exit". Если работа ZEMAX прекращается ненормальным образом, то последний hammer- файл записывается на диск как "временный" файл. Имя временного файла образуется от имени стартового файла. Например, если данные оптимизируемой схемы были записаны в файл под именем C:\ZEMAX\SAMPLES\MYFILE.ZMX ,- то временный файл будет иметь имя C:\ZEMAX\SAMPLES\MYFILE_HAMMER.ZMX. Алгоритм "Hammer optimization" может быть также эффективно использован для частично оптимизированных схем, не обязательно произведенных при глобальном поиске. Чувствуйте себя свободно при использовании алгоритма "Hammer optimization для оптимизации любых схем! Optimizing glass selection Оптимизация стекол Если используется "модель" стекла, описываемая величиной показателя преломления, числом Аббе и величиной отклонения частной дисперсии, то эти параметры модели могут быть определены как переменные величины и оптими- оптимизированы точно таким же образом как любые другие численные параметры. Однако Глава 15: ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 15 5
метод с использованием модели стекла имеет один серьезный недостаток. После того, как будет найдено хорошее решение с использованием модели стекла, необходимо будет вернуться назад от модели к реальному стеклу. После этого схема должна пройти новый процесс оптимизации с использованием новой марки стекла. К сожалению, для многих систем в процессе последующей оптимизации схемы с реальной маркой стекла будет получен результат хуже, чем для схемы с моделью стекла. Более того, оптимальная схема с реальным стеклом может иметь другую форму, чем форма, найденная с моделью стекла. Обычно для нахождения наилучшей комбинации марок стекол конструктор подбирает альтернативные марки стекол по диаграмме Аббе. производит последовательно их замену и реоптимизизацию схемы. Если новое решение будет лучше предыдущего, то выбранное стекло сохраняется; в противном случае должна быть опробована новая комбинация стекол. Эта процедура продолжается так долго, насколько хватит сил у конструктора. Using glass substitution Использование замены стекол ZEMAX позволяет автоматизировать эту процедуру путем установки для стекол статуса "substitute" (можно использовать). Если для стекла установлен (с помощью диалогового окна "Glass solve1) статус "substitute", то алгоритмы глобальной оптимизации (Hammer и Global Search) 'автоматически выполняют процедуру итеративного замещения подобных марок стекол в процессе оптимизации. Это позволяет оптимизировать не только численные величины, но и проводить прямую оптимизацию по реальным маркам стекол, без обращения к идеализированной кривой дисперсии стекла. Для использования опции "substitute" просто установите статус каждого стекла как "substitute" (разрешенный для замены) с помощью диалогового окна Glass solve (дважды кликните на нужное имя стекла для быстрого доступа к этому окну). Затем обратитесь к процедуре глобальной оптимизации. ZEMAX будет производить замену марок стекол в процессе оптимизации с целью поиска наилучшего схемного решения. По умолчанию ZEMAX будет выбирать стекла из текущих каталогов стекол, которые указаны в диалоговом окне "General" (меню "System"). Restricting selected glasses Ограничения на выбор стекол Обычно бывает необходимо ввести некоторые ограничения на выбор стекол из каталогов по следующим соображениям: Многие стекла являются очень дорогими, тяжелыми, хрупкими или имеют другие нежелательные механические свойства. Возможно, что стекло для данного элемента должно быть выбрано только из определенных каталогов, в то время как для других элементов схемы могут быть использованы стекла и из других каталогов. Для введения таких ограничений можно использовать следующие способы: Для любой поверхности можно выбрать отдельный каталог стекол. 15-6 . Chapter 15: GLOBAL OPTIMIZATION
С помощью спецификатора стекол "Glass Substitution Template" (см. главу "Tools Menu") можно ввести ограничения на стоимость и физико-химические свойства используемых в схеме стекол. Можно временно исключить - из рассмотрения некоторые марки стекол, установив для них в каталоге стекол флаг "Exclude Substitution" (исключить взаимозаменяемость). Можно ввести в оценочную функцию ограничения, препятствующие выбору стекол с нежелательными свойствами. Диалоговое окно "Glass Solve" позволяет через опцию "Substitute" для каждого стекла указать те каталоги стекол, из которых можно подбирать стекла для замены. Если каталоги не указаны (то есть строка "Catalog:" осталась незаполненной), то стекла будут подбираться из всех каталогов, которые были выбраны для данной оптической схемы (меню "System", диалоговое окно "General"). Если имя каталога указано, то стекла для данной поверхности будут выбираться только из этого каталога. Это полезно также для ограничения количества рассматриваемых стекол. Заметьте, что следует указывать имена каталогов без расширения - ZEMAX автоматически добавляет к именам каталогов расширение .AGF. С помощью спецификатора стекол " "Glass Substitution Template" можно ввести ограничения на стоимость и физико-химические свойства (кодовые обозначения AR, SR, FR, CR и PR) используемых для замены стекол. Смотри раздел "Glass Substitution Template" в главе "Tools". Для исключения из рассмотрения (в процессе оптимизации) конкретных марок стекол следует установить в диалоговом окне "Glass Catalog" флаг "Exclude Substitution" для данного стекла. Преимущество этого способа заключается в том, что только некоторые стекла исключаются из рассмотрения, в то время как другие стекла этого каталога могут быть использованы в процессе оптимизации. См. главу "Using Glass Catalogs". Для ограничения взаимозаменяемости стекол можно ввести в оценочную функцию такие операторы, как GCOS, GTCE и INDX. Эти операторы будут в процессе оптимизации увеличивать величину оценочной функции, если выбранные стекла будут иметь неприемлемые характеристики. Это менее эффективный способ, так как нежелательные стекла все же будут приниматься в рассмотрение. Однако этот способ полезен для установления определенных соотношений меаду стеклами, таких как минимизация разницы коэффициентов теплового расширения (GTCE) у двух находящихся в контакте стекол (для предотвращения их поломки в результате возникновения теплового напряжения). Suggestions for use Полезные^оветы по использованию алгоритма глобального поиска Есть несколько способов, позволяющих добиться максимальной эффективности алгоритмов глобальной оптимизации (как алгоритма глобального поиска так и опти- оптимизации "методом постукивания ): 1) Если это возможно, то установите апертурную диафрагмы систеуы на первую поверхность. Если входной зрачок Вашей системы находится вну-ри схемы. Вы Глава 15: ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 15 -7
можете моделировать это путем введения фиктивной первой поверхности для установки на ней апертурной диафрагмы, а затем использовать отрицательную толщину до поверхности 2. Это способствует улучшению выполнения процесса оптимизации . так как в таком случае для ZEMAX отпадает необходимость в постоянном вычислении положения входного зрачка. Вы можете сделать эту толщину переменным параметром, если это нужно. Этот способ плохо работает для систем, которым внутренне присуща дисторсия входного зрачка, например, - для широкоугольных систем. 2} Для контроля эффективной фокальной длины используйте, когда это возможно, вместо оператора EFFL функцию ""marginal ray angle solve", контролирующую величину угла крайнего луча на последней стеклянной поверхности (marginal ray angle solve). Для вычисления оператора EFFL требуется трассировка одного дополнительного луча, что замедляет скорость вычисления оценочной функции. Кроме того, выбрасывание даже одного переменного параметра значительно уменьшает диапазон проблемы. 3) Используйте функцию marginal ray height solve", контролирующую высоту крайнего луча (с установкой нулевой высоты луча) на последней толщине перед плоскостью изображения. Большинство схем хорошо исправлены на оси для зоны зрачка 0.7. Вы можете использовать также другие зоны зрачка, если Ваша интуиция подсказывает Вам это. Это условие гарантирует, что каждая новая схема, произведенная в процессе глобального поиска, будет сфокусирована. - также как условие curvature solve, контролирующее кривизну последней поверхности, гарантирует правильную величину фокального расстояния. Эти два условия вместе могут улучшить выполнение глобального поиска на несколько порядков величины. При выполнении hammer-оптимизации эти два условия нужно снять и сделать кривизну и толщину последней поверхности переменными параметрами для создания возможности оптимальной фокуси- фокусировки. 4) Используйте операторы MNCT и MNET. Эти операторы позволяют избежать получения отрицательных значений для центральной и краевой толщин линз. ZEMAX использует эти ограничения при поиске новых схемных решений для определения допустимой области изменения каждого переменного параметра. Если Вы не ограничите пространство возможных решений, то решения будут попадать и в недозволенную область. 5) Старайтесь сделать Вашу оценочную функцию как можно более простой. Часто бывает достаточно использовать только две или три окружности (rings) на входном зрачке при создании оценочной функции (См. главу "Optimization"). Вы всегда можете увеличить количество окружностей при проведении hammer- оптимизации. 6) Проводите по несколько длительных циклов глобального поиска; возможно, после первого цикла у Вас возникнет какая-либо новая идея по форме схемы, последующие циклы позволят обнаружить различные варианты многообеща- многообещающих схем, а последний цикл - для гарантии, что разработанная Вами схема не может быть больше улучшена (для решения этой последней задачи, в частности, можно использовать hammer-оптимизацию). 7) При оптимизации стекол используйтв лучше опцию "Substitute* (взаимо- (взаимозаменяемость) вместо модели стекла, особенно при hammer-оптимизации. Нет 15 -8 Chapter 15: GLOBAL OPTIMIZATION
большого смысла в проведении hammer оптимизации для схем, у которых используются модели стекол, так как в конце концов модели стекол придется заменить на реальные стекла и снова проводить оптимизацию схемы. Опция substitute очень полезна, особенно на последней стадии проектирования, когда форма схемы уже определена. S) Вы можете снизить яркость Вашего монитора или совсем выключить его на время выполнения длительного, многодневного цикла глобального поиска. 9) Hammer-оптимизация может быть прервана и затем возобновлена вновь без значительной потери информации. При выполнении этого алгоритма каждая улучшенная схема автоматически записывается на диск. 10) Если прерывается выполнение алгоритма глобального поиска, то диалоговое окно, контролирующее этот процесс, должно закрываться перед тем, как будет начат новый поиск. При новом поиске список лучших файлов создается вновь, так что найденные в предыдущем поиске схемы будут утеряны, если они не были прежде скопированы Вами в файлы под другими именами! 11) В ходе процесса оптимизации основные ресурсы компьютера будут исполь- использоваться прежде всего для выполнение этой задачи. Другие программы также будут выполняться, но менее эффективно. При работе с операционной системой NT/2O00 можно уменьшить ресурсы, отводимые для работы ZEMAX. Это производится следующим образом: войдите в меню 'Task Manager", кликните правой клавишой мышки на программу EMAX.EXE Process" и выберите для нее установку Set Priority ~> LOW.. 12) Программа может быть составлена также таким образом, чтобы некоторые вычисления выполнялись (вместе с работой ZEMAX) в режиме ожидания, или "sleep mode". Summary Заключение ^ Наконец, опять подчеркиваем, что алгоритм глобального поиска не всегда приводит к нахоэдению глобального оптимума для всякой частной задачи Он очень хорош для поиска альтернативных схем. что очень утомительно делать вручную. Это очень мощное средство для пополнения Вашего набора приемов проектирования; он незаменим для развития навыков проектирования оптических систем. Алгоритму глобального поиска присущ сильный случайный компонент, и поэтому его повторные выполнения не обязательно будут каждый раз приводить к одним и тем же решениям. Иногда новые решения будут хуже, иногда - лучше предыдущих, но обычно они отличаются друг от друга даже при выполнении циклов одинаковой длительности. Глава 15: ГЛОБАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 15 9
TOLERANCING ДОПУСКИ Introduction Введение ====^ ZEMAX обеспечивает простое в использовании, но очень гибкое и мощное средство для расчета допусков и анализа чувствительности схемы к этим допускам. Это включает анализ вариаций таких конструктивных параметров, как кривизна поверх- поверхности, толщины и положение элементов, показатель преломления, число Аббе, коэффициенты асферичности и многие другие. ZEMAX также позволяет анализировать влияние на схему децентрировки отдельных поверхностей или группы элементов, наклонов отдельных поверхностей или группы элементов относительно любой заданной точки, нерегулярности формы поверхности и вариаций значений любых параметров или дополнительных внешних данных. Так как значения параметров и внешних данных могут описываться с помощью коэффициентов асферичности, коэффициентов градиента показателя преломления и других, любые из этих величин могут быть также сделаны предметом расчета и анализа допусков. Различные допуски могут быть использованы в любой комбинации для оценки влияния ошибок юстировки и изготовления на характеристики системы. Допуски определяются с помощью простых операторов, таких как TRAD, который определяет допуск на величину радиуса. Операторы допусков автоматически записываются в файл вместе со схемой. Операторы допусков редактируются с помощью редактора Tolerance Data Editor, доступ к которому производится через команду Editors из главного меню. Оценка величин допусков может быть произведена по нескольким критериям качества оптической системы, включая среднеквадратический размер пятна рассеяния (RMS spot size), среднеквадратическую ошибку волнового фронта (RMS wavefront error), модуляционную передаточную функцию (MTF), величину угла отклонения главного луча от механической оси (boresight error), а также определенную пользователем оценочную функцию (merit function). В дополнение к этому в схему могут быть включены компенсаторы для моделирования допустимых ошибок юстировки, допущенных при изготовлении системы. ZEMAX также позволяет ввести ограничения на диапазон работы компенсатора. Допуски могут быть вычислены двумя путями: Sensitivity Analysis Анализ чувствительности схемы к допускам; Для каждого заданного допуска вычисляется соответствующее ему измененение качества системы (по заданному критерию). Inverse Sensitivity Обратный анализ: Для заданной допустимой величины снижения качества систе- системы (по заданному критерию) вычисляются соответствующие этому изменению величины отдельных допусков. Глава 16: ДОПУСКИ 16-1
Как при прямом, так и при обратном анализе допусков учитывается влияние на качество системы каждого допуска в отдельности. Совокупное влияние на качество системы всех заданных допусков оценивается как корень квадратный из суммы квадратов рассматриваемых величин. ZEMAX обеспечивает также альтернативный способ оценки суммарного воздействия всех допусков - методом Монте-Карло. При использовании этого метода генери- генерируется серия случайных схем в пределах указанных допусков. Учет всех заданных допусков одновременно позволяет получить точную оценку ожидаемого качества системы. Метод Монте-Карло позволяет генерировать любое число схем, необходимое для использования нормальной, однородной и параболической статистик. The basic procedure Основная процедура Анализ допусков содержит следующие шаги: 1) Определяется соответствующий ряд допусков для схемы. Обычно генерация допусков с помощью ZEMAX, описанная в этой главе, хорошо подходит для начала анализа. Величины допусков устанавливаются и изменяются с помощью редактора Tolerance Data Editor, войти в который можно из главного меню через подменю Editors. 2) Добавить компенсаторы и установить для них допустимые области изменения. Заложенный в программу компенсатор - это компенсатор back focal distance (заднее фокальное расстояние), контролирующий положение плоскости изобра- изображения. Другие компенсаторы, такие как image plane tilt (наклон плоскости изобра- изображения), могут быть определены пользователем. Использование только одного компенсатора, контролирующего положение плоскости изображения, обеспечи- обеспечивает наибольшую скорость процесса вычисления допусков, так как в этом случае может быть использован режим "Fast Tolerance" (Быстрый расчет допусков"). Нет ограничения на число компенсаторов, которые вы можете определить. 3) Выберите подходящий критерий, такой как RMS spot size или MTF. 4) Выберите желаемый способ анализа: прямой (Sensitivity Analysis) или обратный (Inverse Sensitivity). 5) Измените установленные программой допуски или добавьте новые для удовпе- творения требованиям, предъявляемым к вашей системе. 6) Выполните процедуру анализа допусков. 7) Просмотрите данные выполненного анализа и общий бюджет допусков. Если требуется, вернитесь к пункту 5. Детали этой основной процедуры будут рассмотрены в последующих разделах 16 -2 Chapter 16: TOLERANCING
Tolerance operands Операторы допусков Операторы допусков имеют четырехбуквенную символику, такую, например, как TRAD для допуска на величину радиуса (Tolerance Radius). Три целых числа, указан- указанных в колонках Int1, 1п12 и Int3, служат для обозначения номера поверхности или номеров нескольких поверхностей в схеме, к которым относится этот допуск. У некоторых операторов числа в этих колонках используются для других целей. Кавдый оператор допуска имеет также свое минимальное и максимальное значения (minimum and maximum value); эти величины определяют допустимую область отклонения величины данного параметра от ее номинального значения. Все операторы допусков перечислены в нижеследующей таблице и описаны далее. TOLERANCE OPERANDS ОПЕРАТОРЫ ДОПУСКОВ Surface tolerance Допуски на параметры поверхностей Name Имя TRAD TCUR TFRN TTHI TCON TSDX TSDY TSTX TSTY Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 — — — Comp# — — — — Int 3 — — — — — — — — Description Описание Допуск на радиус в установленных для схемы линейных единицах измерения Допуск на кривизну (в обратных единицах измерения) Допуск на радиус в интерференционных полосах Допуск на толщину или положение в схеме в установленных единицах измерения Допуск на величину конической постоянной Допуск на децентрировку стандартной поверхности по оси X в установленных единицах измерения. Допуск на децентриировку стандартной поверхности по оси Y в установпениых единицах измерения Допуск на наклон стандартной поверхности (TIR) относитель-но оси X в градусах Допуск на наклон стандартной поверхности (TtR) относитепь-но оси Y в градусах Глава 16: ДОПУСКИ 16-3
Имя T1RX TIRY TIRR TEXI TEZI TPAR TEDV TIND TABB Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 — — — Степень полинома Степень полинома Номер парам. Номер внешних данных — Int 3 - — — — — — — — Описание Допуск на наклон стандартной поверхности (TIR) относительно оси X в линейных единицах измерения Допуск на наклон стандартной поверхности (TIR) относительно оси Y в линейных единицах измерения Допуск на нерегулярность формы стандартной поверхности. Допуск на нерегулярность поверхности, описываемой полиномами Цернике (ряд Fringe). Допуск на нерегулярность поверхности, описываемой полиномами Цернике (стандартный ряд). Допуск на величину параметра поверхности. Допуск на величину дополнительных данных. Допуск на показатель преломления для d-линии (смотри примечание). Допуск на число Аббе (смотри примечание). Element tolerances Допуски на установку элементов Имя TEDX TEDY ТЕТХ TETY Int1 Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Номер первой поверх- поверхности Int2 Номер последи, поверх- поверхности Номер последи, поверх- поверхности Номер последи, поверх- поверхности Номер последи, поверх- поверхности Int3 — — — Описание Допуск на децентрировку элемента по оси X в установленных единицах измерения Допуск на децентрировку элемента по оси Y в установленных единицах измерения ДогТуск на наклон элемента относительно оси X в градусах Допуск на наклон элемента относительно оси Y в градусах 16-4 Chapter 16: TOLERANCING
Имя TETZ Int1 Номер первой поверхн ости Int2 Номер последи, поверх- поверхности Int3 Описание Допуск на наклон элемента относительно оси Z в градусах User defined tolerances Допуски, определяемые пользователем Имя TUDX TUDY TUTX TUTY TUTZ Int1 Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 — — — — — Int3 — — — — — Описание Допуск на установленную пользователем децентрировку по оси X Допуск на установленную пользователем децентрировку по оси Y Допуск на установленный пользователем наклон относительно оси X Допуск на установленный пользователем наклон относительно оси v Допуск на установленный пользователем наклон относительно оси Z Non-Sequential Component Tolerances Допуски на параметры непоследовательных компонентов Имя TNPS TNPA Inti Номер поверх- поверхности Номер поверх- поверхности Int2 Номер объекта Номер объекта Int3 Код данных Параметр Описание Допуск на положение NSC объекта. Коды данных: 1-6 для координат х. у. z и наклонов относительно осей X, Y, Z. соответственно Допуск на величину параметра NSC объекта Multi-Configuration Value Tolerances Допуски на параметры мультиконфигурационной схемы Имя тмсо Inti Номер строки в таблице Int2 Номер конфигурации 1nt3 — Описание Допуск на величину параметра, заданного в таблице редактора "Multi-Configuration Editor" В таблице редактора допусков (Tolerance Data Editor) должны быть указаны верхние и нижние величины допусков для кавдого оператора Более детальное описание операторов допусков дано ниже. Глава 16: ДОПУСКИ 16-5
TRAD: Tolerance on radius TRAD: Допуск на радиус Устанавливается непосредственно на радиус кривизны. Минимальное (Min) и максимальное (Мах) значения оператора - это максимальные ошибки, выраженные в установленных линейных единицах измерения. Например, если номинальная величина радиуса поверхности равна 100 мм, а минимальное и максимальное значения оператора TRAD указаны -0.5 мм и +0.5 мм, то при анализе допусков будут использованы величины радиуса 99.50 и 100.50. TCUR: Tolerance on curvature TCUR: Допуск на кривизну Этот допуск устанавливается в единицах кривизны (обратных линейных единицах), которые непосредственно относятся к оптической силе. Min и max значения оператора это максимальные отклонения в обратных единицах измерения. Например, если номинальный радиус поверхности равен 100 мм, то номинальная кривизна равна 0.01 обратных миллиметров A/мм). Если min и max значения оператора установлены -0.001 и +0.001 [1/мм], то при анализе будут использованы величины радиуса 111.11 мм и 90.909 мм. TFRN: Tolerance on fringes TFRN: Допуск на количество интерференционных полос Долуск в полосах очень полезен, когда контролируются плоские поверхности или поверхности с большим радиусом кривизны. Min и max значения оператора - это ошибки в полосах (безразмерные величины); для определения контрольной длины волны ислользуется оператор TWAV. Изменения в прогибе поверхности при небольших изменениях определяются по формуле где г - радиальная апертура поверхности. Изменения в прогибе соответствуют величине ошибке в полосах согласно соотношению где N - число полос. Коэффициент 1/2 учитывает двойной проход кольцами при тестировании. Для более детального ознакомления с этим видом тестирования смотри книгу Malacara "Optical Shop Testing". TTHI: Tolerance on thickness TTHI: Допуск на толщину Этот оператор используется для определения допуска как на абсолютное положение элементов, так и на их толщину внутри группы элементов. По умолчанию принимается, что все вариации в толщине относятся только к данной поверхности и к положению последующих элементов, находящихся в прямом контакте с первым. Например, если толщина первой линзы склеенного дублета 16 -6 Chapter 16: TOLERANCING
изменяется на +1.0 мм, то передняя и задняя вершины второй линзы также смещаются на +1.0 мм. Поскольку ZEMAX определяет положение всех поверхностей посредством суммирования длин отрезков от каждой предыдущей поверхности, то простое добавление к толщине какой-либо поверхности одного миллиметра приведет к смещению всех последующих элементов также на один миллиметр. Однако, при изготовлении системы более вероятны случаи, когда изменение толщины склейки компенсируется первым воздушным промежутком, следующим после этой группы элементов (за счет уменьшения воздушного промежутка); при использовании оператора TTHI можно учесть такой случай с помощью введения и определения компенсатора поверхности (compensator surface). По умолчанию компенсация изменений толщины данной поверхности производится за счет первого (следующего за этой поверхностью) воздушного промежутка. Для иллюстрации сказанного представим себе схему, в которой поверхность 3 сделана из стекла ВК7, поверхность 4 - из стекла F2 , а поверхность 5 является воздушным промежутком. Пусть номинальные толщины этих поверхностей равны 3, 4 и 6 мм, соответственно. Если оператор TTHI был определен для поверхности 3 с помощью встроенного алгоритма (по умолчанию), то компенсатор будет расположен на поверхности 5. Если величина допуска была +0.1 мм, то при анализе толщины будут изменены и установлены равными 3.1, 4.0 и 5.9, соответственно. Таким образом положение поверхности 6 относительно плоскости изображения останется неизменным после изменения толщины поверхности 3. Использование компенсатора не является обязательным; для его устранения установите его на ту же поверхность, на которую устанавливается допуск, например, 8 нашем примере определите оператор как TTHI 3 3. В некоторых системах, например, собранных в трубе с применением промежуточных колец, использование компенсатора может быть нежелательным. Параметр Inl1 используется для указания номера поверхности, на которую устанав- устанавливается допуск, а параметр Int2 - номера компенсирующей поверхности. Min и max значения оператора - это величины нижнего и верхнего допусков, выраженные в установленных единицах измерения. TCON: Tolerance on conic TCON: Допуск на коническую постоянную Оператор TCON используется для установки допуска на коническую постоянную поверхности. Min и max значения оператора - это экстремальные ошибки в безразмерных единицах. TSDX, TSDY: Tolerance on surface decenters TSDX, TSDY: Допуск на децентрировку поверхностей Операторе TSDX и TSDY используются для анализа децентрировки стандартных поверхностей (Standard surface) по осям X и Y соответственно. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, и эта поверхность должна относиться к поверхностям стандартного типа" допуски на децентрировку поверхностей других типов устанавливаются операторар/и TEDX и TEDY, которые будут описаны ниже. Min и max значения операторов устанавливаются в принятых единицах измерения. Глава 16: ДОПУСКИ 16-7
При анализе допусков, установленных операторами TEDX и TEDY, происходит автоматическая замена стандартных типов поверхностей на поверхности нерегулярного типа. Смотри разъяснения, данные в разделе "Tolerancing with the irregular surface type" этой главы. TSTX, TSTY: Tolerance on surface tilts TSTX. TSTY: Допуск на наклоны поверхностей Операторы TSTX и TSTY используются дпя анализа наклонов поверхностей стандартного типа относительно осей X и Y соответственно. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, и эта поверхность должна относиться к поверхностям стандартного типа; наклоны поверхностей других типов анапизируются с помощью операторов ТЕТХ и TETY, описание которых дано ниже. Min и max значения операторов - наклоны поверхности (в градусах) относительно локальных осей X и Y. Смотри описание TIR-операторов - TIRX и TIRY. При анализе допусков, установленных операторами TSTX и TSTY, происходит автоматическая замена стандартных типов поверхностей на поверхности нерегупярного типа. Смотри разъяснения, данные в разделе "Tolerancing with the irregular surface type" этой главы. TIRX, TIRY: Tolerance on surface TIR TIRX, TIRY: Допуск на завал поверхности Операторы TIRX и TIRY используются для анализа наклонов стандартных поверхностей, выраженных через величину завала поверхности вдоль осей X и Y, соответственно. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, и эта поверхность должна относиться к поверхностям стандартного типа. Наклоны поверхностей других типов анализируются с помощью операторов ТЕТХ и TETY, описание которых дано ниже. Операторы TIRX и TIRY используются для определения допуска на полную величину показателя завала (total indicator runout, TIR), которая служит мерой "клиновидности" линзы. Min и max значения - это удвоенная величина "прогиба" в линейных единицах, измеренного при максимальной величине радиальной апертуры поверхности; максимальная радиальная апертура поверхности определяется на расстоянии полудиаметра поверхности. Изменение прогиба в зависимости от х или у нормированных (к единице) координат ( рх, ру) выражается соотношениями: TIRX ._ TIRY Например, если допуск TIRX равен 0.10 мм, то изменение в прогибе при максимуме +х-апертуры линзы будет равно 0.05 мм, отклонение при максимуме -х-апертуры будет равно -0.05 мм, а "полный" завал (TIR) будет равен 0.10 мм. То же самое относится и к оператору TIRY. Min и max значения оператора используются просто для моделирования наклонов поверхности в разных направлениях. Углы действительных наклонов поверхности определяются выражениями: 16 -8 Chapter 16: TOLERANCING
Л = tan у J где S - полудиаметр поверхности. Обратите внимание на то, что прогиб вдоль оси Y обусловлен поворотом поверхности вокруг оси X, а прогиб вдоль оси X - поворотом поверхности вокруг оси Y. При анализе допусков, установленных операторами TIRX и TIRY, происходит автоматическая замена стандартных типов поверхностей на поверхности нерегулярного типа. Смотри разъяснения, данные в разделе "Tolerancing with the irregular surface type" этой главы. TIRR: Tolerance on surface irregularity TIRR: Допуск на нерегулярность формы поверхности Оператор TIRR используется для анализа нерегулярности формы поверхности. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, и эта поверхность должна относиться к поверхностям стандартного типа. Анализ нерегулярности поверхностей других типов непосредственно программой не поддерживается (смотри данное ниже обсуждение оператора TEXI, где дано больше информации о моделировании нерегулярности). Моделирование нерегулярности (неровности) формы поверхности до некоторой степени более проблемвтично, чем моделирование других допусков. Это обусловлено в основном тем. что нерегулярность по своей природе является случайной, а не детерминированной величиной, - как, например, изменения радиуса. Поэтому для выполнения анализа необходимо сделать некоторые приближения относительно природы нерегулярности. При использовании оператора TIRR ZEMAX делает следующее приближение: считается, что нерегулярность вносит ошибки, равные половине сферической аберрации и половине астигматизма. Это в меньшей степени ограниченная модель, чем при принятии ошибок, равных 100% астигматизму, так как астигматизм не может быть компенсирован дефокусировкой и поэтому представляет собой более серьезный дефект. Min и max значения оператора - это нерегулярность, выраженная в числе интерференционных полос, измеренном при максимуме радиальной апертуры поверхности, где максимум радиальной апертуры определяется как величина, равная полудиаметру поверхности. Оператор TWAV используется для определения контрольной длины волны. ZEMAX предполагает, что число полос измеряется путем тестирования по кольцам Ньютона. Например, если величина оператора TIRR установлена равной "W" полос, то это будет соответствовать изменениям прогиба поверхности где U - контрольная длина волны (определяемая оператором TWAV), p - нормиро- нормированная радиапьная координата и ру - нормированная радиальная координата в направлении оси у. Изменение оптического пути (волнового фронта) связано с изменениями в величине прогиба и показателями преломления двух сред, разделяемых поверхностью; величина этого изменения выражается формулой: Гпава 16: ДОПУСКИ 16-9
При анализе TIRR используется поверхность нерегулярного тила. Когда анализ проводится методом Монте-Карло, угол астигматизма выбирается случайным образом в пределах от 0 до 360 градусов. Это позволяет моделировать случайно ориентированную астигматическую ошибку, которая является менее жесткой и более реалистичной, чем если бы астигматизм каждого элемента бып отнесен к одной оси у. Более детальная информация дана в разделе "Toierancing with the irregular surface type" этой главы. TEXI: Tolerance on surface irregularity using the Zernike model TEXI: Допуск на нерегулярность формы поверхности, моделируемую полиномами Мернике (для ряда Fringe). Смотри также описание оператора TEZI. TEZI является лучшей альтернативой оператора TEXI. Оператор TEXI используется для анализа небольшой случайной нерегулярности формы поверхности; применяется к поверхностям типа "Standard", "Even Aspheric surface" или "Zemike Fringe Sag". Для поверхностей других типов этот оператор непосредственно не поддерживается программой. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, а параметр Int2 - для указания количества используемых членов полинома Цернике, с помощью которого моделируется нерегулярность поверхности. Оператор TEXI подобен оператору TIRR, за исключением того, что у первого для моделирования неровностей поверхности используется полином Цернике, а у второю - формулы аберраций третьего порядка. Полное описание поверхности Цернике дано в главе "Surface Types" (Типы поверхностей). При использовании оператора TEXI min и max значения допуска интерпретируются как величины, примерно равные ошибке поверхности peak to valley (PTV) в интерференционных полос (двойного прохождения) для контрольной длины волны. Ошибка PTV является грубым измерением нерегулярности поверхности. ZEMAX вычисляет коэффициенты отдельных членов полинома Цернике, которые определяют величины отклонения формы поверхности, по формуле: и* где f - число полос двойного прохождения, п - число членов полинома, используемого для моделирование нерегулярности, а X - контрольная длина волны. Коэффициенты полинома масштабируются множителем I из-за того, что случайный набор С.) членов полинома будет, как правипо, суммироваться как корень из суммы квадратов; так что вепичина ошибки PTV нелинейно зависит от числа членов полинома. Так как 16 -10 Chapter 16: TOLERANCING
это подходит для приблизительного определения полной ошибки PTV, коэффициен- коэффициенты каждого члена полинома вычисляются по указанной выше формуле. Обратите внимание на то, что вычисляемая величина "с" относится как к min, так и max величине допуска в полосах. При выполнении анализа чувствительности системы к допускам (sensitivity analyse) поверхность преобразуется в поверхность типа Цернике (Zernike surface), и все коэффициенты полинома Цернике устанавливаются равными либо min, либо шах значению "с", вычисленному по указанному выше уравнению. Обратите внимание на то, что так как величина прогиба деформированной поверхности является одной и той же для всех членов полинома на краю апертуры, значение "с", равное 0.001, при использовании полинома с 20 членами будет соответствовать максимальное отклонение прогиба, равному 20с. При анализе методом Монте-Карло тип поверхности преобразуется таким же образом, но величины коэффициентов для ка>едог члена полинома определяются случайным образом в пределах от min до max значения допуска "с". Случайные значения выбираются с использованием статистической модели, выбранной для оператора; смотри обсу>едение команды STAT. Количество членов полинома Цернике по умолчанию принимается равным 37, т.е. максимальному числу. Вообще говоря, если используется полином с небольшим числом членов, то нерегулярность будет низкочастотной, с несколькими "выпуклостями" на поверхности. При использовании большего числа членов появятся высокочастотные составляющие в нерегулярности поверхности, с большим числом "выпуклостей" на поверхности. Обратите внимание на то, что с помощью оператора TIRR моделируются неровности только с самыми низкими пространственными частотами на поверхности, т.е. только с квадратичными и четвертой степени отклонениями от формы поверхности. С помощью оператора TEXI можно моделировать более высокочастотные отклонения от формы поверхности, и при использовании полинома с 37 членами обычно можно видеть до 5 - 15 "выпуклостей" на поверхности. Оператор TEXI не использует члены ряда Цернике, определяющие общее смещение, х-наклоны или у-наклоны поверхности. Так как выражение для прогиба поверхности Цернике содержит как прогиб поверх- поверхности стандартного типа (Standard surface), так и прогиб поверхности типа четной асферики (Even Aspheric), оба этих типа поверхностей могут быть моделированы поверхностью Цернике с помощью оператора TEXI. Если поверхность уже является поверхностью Цернике. то величины, определяющие отклонения от формы поверхности, просто прибавляются к соответствующим членам полинома. Если поверхность относится к стандартному типу или является поверхностью типа четной асферики. то радиус поверхности Цернике нормируется к величине полудиаметра поверхности. Если же поверхность уже является поверхностью Цернике. то принимается, что min и max значения допуска относятся к уже определенному нормированному радиусу. Оператор TEXI всегда игнорирует нулевой чпен ряда Цернике. и член, опредепяюший общее смещение, принимая их величины равными нулю. Глава 16: ДОПУСКИ 16-11
TEZI: Tolerance on surface irregularity using the Zernike model TEZI: Допуск на нерегулярность формы поверхности, моделируемую полиномами Цернике (для стандартного ряда). Смотри также описание оператора TEXI. Оператор TEZI является лучшей альтернативой оператора TEXI. Оператор TEZI используется для анализа небольшой случайной нерегулярности формы поверхности; применяется к поверхностям стандартного типа (Standard surface) и поверхностям типа четной асферики (Even Aspherrc surface). Для поверхностей других типов этот оператор непосредственно не поддерживается программой. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, а параметр Int2 - для указания количества используемых членов полинома Цернике, с помощью которого моделируется нерегулярность поверхности. Оператор TEZI использует поверхность типа "Zernike Standard Sag1 для моделирования неровностей поверхности Полное описание поверхности Цернике дано в главе "Surface Types" (Типы поверхностей"). При использовании оператора TEXI величина max допуска точно равна RMS ошибки поверхности в единицах измерения, установленных для схемы. Величина min допуска автоматически устанавливается равной отрицательной величине max допуска. Это делается для того, чтобы получить как положительные, так и отрицательные коэффициенты для поверхности 'Zernike Standard Sag". Результирующая величина RMS является, конечно, всегда положителным числом, равным значению max допуска. При "анализе чувствительности" рассматриваемая поверхность преобразуется в поверхность типа "Zernike Standard Sag" и значения всех коэффициенов полинома Цернике, для членов полинома старше первого ("piston" term), устанавливаются такими, чтобы сумма их квадратов была равна заданному значению RMS. При анализе методом Монте-Карло тип поверхности преобразуется таким же образом, как при анализе чувствительности, но величины коэффициентов для каиедого члена полинома определяются случайным образом в пределах от 0 до 1 и результирующие значения коэффициентов затем нормируются таким образом, чтобы произвести заданное значение RMS допуска. Случайные значения выбираются с использованием статистической модели, выбранной для оператора; смотри обсуждение команды STAT. Количество членов полинома Цернике может быть от 0 до 231, максимум. Вообще говоря, если используется полином с небольшим числом членов, то нерегулярность будет низкочастотной, с несколькими "выпуклостями" на поверхности. При использовании большего числа членов появятся высокочастотные составляющие в нерегулярности поверхности, с большим числом "выпуклостей" на поверхности. Обратите внимание на то, что с помощью оператора TIRR моделируются неровности только с самыми низкими пространственными частотами на поверхности, т.е. только с квадратичными и четвертой степени отклонениями от формы поверхности. С помощью оператора TEZI можно моделировать более высокочастотные отклонения от формы поверхности. Так как выражение для прогиба поверхности Цернике содержит как лрогиб поверх- поверхности стандартного типа (Standard surface), так и прогиб поверхности типа четной 16 -12 Chapter 16: TOLERANCING
асферики (Even Aspheric), оба этих типа поверхностей могут быть моделированы i поверхностью Цернике с помощью оператора TEZI. Величина нормированного > радиуса поверхности "Zernike Standard Sag" устанавливается равной величине ; полудиаметра поверхности. Оператор TEZI всегда игнорирует нулевой член ряда Цернике, и член, определяющий общее смещение ("piston" term), принимая их значения равными нулю. TPAR: Tolerance on parameter data TPAR: Допуск на параметрические данные Оператор TPAR используется для установки допусков на величины параметров. Число Inti - номер поверхности. Число Int2 указывает номер параметра, на который i устанавливается допуск, и должно быть целым числом между 1 и 8. Смотри главу ' "Surface Types" (Типы поверхностей), в которой перечислены номера и типы i параметров, используемых при моделировании разных типов поверхностей. Оператор TPAR полезен для установки допусков на коэффициенты асферики и многих других параметров. Min и max значения оператора - отклонения в единицах, принятых для данного параметра. TEDV: Tolerance on Extra Data Values TEDV: Допуск на дополнительные (внешние) данные С помощью оператора TEDV устанавливаются допуски на значения внешних данных. Внешние данные вводятся с помощью редактора внешних данных (Extra Data Editor), имеющегося в редакции 2ЕМАХ-ЕЕ, и используются для определения коэффици- коэффициентов асферики, коэффициентов дифракционных элементов и других данных. Параметр Int1 исполь-зуется для указания номера поверхности, параметр Int2 - для указания номера в списке внешних данных, a min и max значения параметра - максимальные ошибки в тех же единицах, в которых выражены внешние данные. В главе "Surface Types" приведена таблица с номерами внешних данных, используемых для каждого типа поверхности. TIND: Tolerance on Index TIND: Допуск на показатель преломления С помощью оператора TIND устанавливается допуск на величину показателя прелом- преломления. Параметр Int1 используется для указания номера поверхности, a min и max значения оператора - это максимальные ошибки величины показателя преломления. Ошибка показателя преломления моделируется как "смещение", которое не зависит от длины волны. - за исключением тех случаев, когда стекло представлено "моделью*" с определенными значениями показателя преломления дпя d-линии, числа Аббе и частной дисперсии cfPgF или когда используется каталожная марка стекла и все заданные длины волн находятся в диапазоне от 0.3 до 1.0 мкм. В этих двух послед-них случаях оператор TIND интерпретируется как изменения в величине показателя преломления для d-линии, а изменения показателя преломления на всех других волнах будут производиться нелинейным образом ТАВВ: Tolerance on Abbe ТАВВ: Допуск на число Аббе С помощью оператора ТАВВ устанавливается допуск на величину числа Аббе. или Vd-чнсло. Int1 указывает номер поверхности, a min и max значения оператора - это Глава 16: ДОПУСКИ -1 <j
максимальные ошибки е величине числа Аббе. Если характеристики стекла описаны с помощью "модели" стекла с заданной величиной показателя преломления для d- линии. величиной числа Аббе и величиной dPgF или если используется каталожная марка стекла и все заданные длины волн находятся между 0.3 и 1.0 мкм. оператор ТАВВ интерпретируется как допуск на изменение величины числа Аббе. что будет приводить к изменениям показателя преломления на всех длинах волн нелинейным образом. В других случаях оператор ТАВВ игнорируется. Изменения величины показателя преломления определяются путем оценки дифференциального изменения величины показателя преломления для заданных длин волн в зависимости от величины показателя преломления для d-линии, числа Аббе и dPgF. TEDX, TEDY: Tolerance on element decenters TEDX. TEDY: Допуски на децентрировку элементов Операторы TEDX и TEDY используются для анализа децентрировки элементов по осям X и Y соответственно. Параметры Inti и Int2 служат для указания номеров первой и последней поверхностей в рассматриваемой группе линз. Min и max значения операторов - это величины децентрировки в установленных для схемы единицах измерения. Для этих допусков ZEMAX автоматически вводит в схему две поверхности типа coordinate break - перед и после анализируемой группы элементов, с помощью которых вся группа элементов децентрируется как целое. Поэтому операторы TEDX и TEDY не используют уже существующие в схеме поверхности типа coordinate break. Если вам это необходимо, то обратитесь к описанию операторов TUDX и TUDY. Операторы TEDX и TEDY могут быть также использованы для моделирования децентрировки отдельных поверхностей, то есть как операторы типа TSDX и TSDY. Операторы TEDX и TEDY будут работать с поверхностями любого типа, включая стандартные и нестандартные поверхности, в то время как операторы TSDX и TSDY работают только с поверхностями стандартного типа. Для децентрировки одной поверхности с помощью оператора TEDX или TEDY просто установите для параметров Int1 и Int2 один и тот же номер этой поверхности. Чтобы проконтролировать, то ли делает ZEMAX, что Вы хотите, или нет, обратитесь к команде SAVE, обсуждаемой в разделе "Trouble shooting the tolerance results" (Диа- (Диагностика резупьтатов вычисления допусков). Операторы TEDX и TEDY могут иметь встроенную структуру. Например, можно одновременно анализировать децентрировку большой группы элементов от поверхности 5 до 20, децентрировку отдельных небольших групп, расположенных в пределах первой группы ( 5 - 8. 8 - 12, 14 - 20 ), и децентрировку любой одной поверхности от 5 до 20. Это позволяет моделировать ошибки юстировки отдельных элементов в общей сборке, а также ошибку юстировки самой сборки как целого. Правила создания встроенной структуры операторов подробно описаны в разделе "Nesting rules for Monte Carlo analysis" (Правила создания встроенной структуры операторов для анализа методом Монте-Карло). 16 -14 Chapter 16: TOLERANCING
TETX, TETY, TETZ: Tolerance on element tilts TETX. TETY, TETZ: Допуски на наклоны элемента Операторы TETX, TETY и TETZ используются для анализа наклонов либо одной поверхности, либо группы элементов относительно осей X, Y и Z соответственно. Числа Int1 и Int2 указывают номера первой и последней поверхностей в рассматри- рассматриваемой группе. Min и max значения операторов - углы наклонов в градусах. Для этих допусков ZEMAX автоматически вводит поверхности типа "coordinate break" перед и после указанной группы элементов и использует в конце группы фиктивную поверхность (dummy surface) для возврата к вершине первой поверхности (при этом автоматически производится перенумерация поверхностей и соответствующий пересчет их толщин; см. описание оператора SAVE, который позволяет увидеть как изменяется схема). В результате вся группа указанных элементов может поворачиваться как единое целое- относительно заданной точки. Поскольку поверхности типа coordinate break вводятся автоматически, то операторы TETX, TETY и TETZ не должны устанавливаться на уже существующие по краям группы поверхности coordinate break. Если это необходимо, то обратитесь к описанию операторов TUTX, TUTY и TUTZ. Операторы ТЕТХ и TETY могут быть также использованы для моделирования наклонов какой-либо одной поверхности, так называемой "клиновидности", то есть как операторы типа TSTX и TSTY. Операторы ТЕТХ и TETY будут работать с поверхностями любого типа, включая стандартные и нестандартные поверхности, в то время как операторы TSTX и TSTY работают только с поверхностями стандартного типа. Для наклона одной поверхности с помощью операторов ТЕТХ или TETY просто установите для параметров Int1 и Int2 один и тот же номер поверхности. По умолчанию операторы ТЕТХ и TETY осуществляют поворот группы элементов относительно вершины первой поверхности этой группы. Однако часто бывает полезным произвести поворот относительно другой точки. Например, хорошо сконструированная оправа линз будет при сборке поворачиваться относительно главной точки системы для сохранения фокуса при юстировке. Этот случай легко моделируется с помощью ZEMAX путем введения в схему фиктивной поверхности, расположенной в главной плоскости системы. (Вы должны сами ввести эту фиктив- фиктивную поверхность в схему и использовать для нее отрицательную или положительную толщину для возврата к вершине первой оптической поверхности в исследуемой группе). Установите эту фиктивную поверхность первой в группе (измените Int1), и поворот будет осуществляться относительно этой точки. Эта фиктивная поверхность может располагаться в пюбом месте по отношению к покоящейся группе элементов, и тогда наклон может производиться относитепьно любой точки системы. Операторы ТЕТХ. TEDY и TETZ могут иметь встроенную структуру. Например, можно одновременно анализировать наклон большой группы эпементов от поверхности 5 до 20, наклоны отдельных небольших групп, расположенных в пределах первой группы E - 8, 8 - 12. 14 - 20 ), и наклон любой одной поверхности от 5 до 20. Это позволяет моделировать ошибки юстировки отдельных элементов в общей сборке, а также ошибку юстировки самой сборки как целого. Правила создания встроенной структуры операторов подробно описаны 8 раздепе "Nesting rules for Monte Carlo analysis' (Правила создания встроенной структуры операторов для анализа методом Монте- Карло). Глава 16: ДОПУСКИ 16-15
TOFF: Tolerance off {can be used for comments) TOFF: Отсутствие допуска (может быть использован для комментария) Этот оператор резервирует свободную строку в таблице допусков и не воздействует на алгоритм анализа допусков. Он может быть использован для введения в таблицу строки с комментариями. TUDX, TUDY, TUTX. TUTY, TUTZ: User Defined Tilts/Decenters TUPX, TUDY. TUTX, TUTY, TUTZ: Определяемые пользователем наклоны и децентрировки Эти пять операторов - TUDX, TUDY, TUTX, TUTY и TUTZ - используются для более общего определения наклонов и децентрировок самим пользователем. Они очень похожи на операторы TEDX, TEDY, ТЕТХ и TETY. Различие заключается лишь в том, что для рассматриваемых операторов ZEMAX не вводит автоматически необходимые для децентрировок и наклонов поверхности coordinate break. Для выполнения команд TUDX, TUDY, TUTX, TUTY и TUTZ Вы должны сами ввести в схему поверхности типа coordinate break на место поверхностей, определямых параметрами Int1 и Int2. Это позволяет произвести какой-либо сложный поворот и децентрировку относительно произвольных точек с некоторыми тонкими требованиями. Важно, чтобы номиналь- номинальные значения для наклонов и поворотов поверхностей coordinate break (введенных для этих операторов) были равны нулю. Min и max значения операторов TUDX и TUDY задаются в линейных единицах, а операторов TUTX, TUTY и TUTZ- в градусах. TNPS, TNPA: Tolerances on non-sequential data TNPS. TNPA: Допуски на параметры NSC объектов Оператор TNPS используется для задания допусков на положение NSC объектов. Для этого оператора требуется ввести три целых числа: номера NSC-поверхности (используйте 1, если режим работы - NSC), номера объекта и кодового числа. Кодовые числа 1.2, or 3 используются для задания допусков на координаты объекта - X, Y, или Z, соответственно; кодовые числа 4, 5, или 6 для задания допусков на наклоны объекта относительно осей X, Y ипи Z, соответственно. Оператор TNPA используется для задания допусков на параметры NSC объекта. Номер NSC поверхности и номер объекта определяются таким же образом, как для оператора TNPS; третье целое число вводится для указания номера параметра, для которого задается допуск. Смотри в главе "Non-Sequential Components" раздел 'NSC Objects", в котором дано описание параметров NSC объектов. ТМСО: Tolerance on multi-configuration data TMCO: Допуски на параметры мультиконфигурационных схем Оператор ТМСО используется для задания допусков на числовые данные, введенные в таблицу редактора "Multi-Configuration Editor". Для этого оператора нужно задать два аргумента: номер строки в таблице редактора и номер конфигурации. Этот оператор игнорируется, если допуски заданы не для всех конфигураций. 16 -16 Chapter 16: TOLERANCING
Tolerancing with the Irregular surface type Использование поверхностей нерегулярного типа для анализа допусков Для моделирования допусков, определяемых операторами TSDX, TSDY, TSTX, TSTY и TIRR, производится автоматическая замена заданных типов поверхностей на поверхности нерегулярного типа. Детальное описание поверхностей нерегулярного типа дано в главе "Surface Types" (Типы поверхностей). Огромное преимущество использования поверхностей нерегулярного типа - это простота и гибкость моделирования допусков и высокая скорость их анализа. Во- первых, при замене поверхностей стандартного типа на поверхности нерегулярного типа отпадает необходимость введения в схему дополнительных фиктивных поверхностей или поверхностей типа coordinate break. Далее, эффекты наклона, децентрировки и нерегулярности поверхности могут моделироваться одновременно с использованием метода Монте-Карло. Причиной того, что операторы TSDX, TSDY, TSTX, TSTY и TIRR могут быть применены только к поверхностям стандартного типа, является как раз то обстоятельство, что ZEMAX производит преобразование именно стандартных поверхностей в поверхности нерегулярного типа. Tolerance control operands Операторы, контролирующие анализ допусков Имеется также несколько контролирующих операторов, которые могут быть введены в Таблицу редактора допусков (Tolerance Data Editor). Эти операторы используются не для определения допусков, а для определения компенсаторов, записи промежуточных результатов анализа, определения статистических свойств полученных результатов и установки контрольной длины волны для допусков, выраженных в интерференционных полосах. TOLERANCE CONTROL OPERANDS КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ОПЕРАТОРЫ Имя CEDV СМСО СОМР CPAR SAVE Int1 Номер поверх- поверхности Номер оператора Номер поверх- поверхности Номер поверхности Номер файла Int2 Номер внешних данных Номер конфигу- конфигурации Код Номер параметра - Описание Устанавливает для указанной поверхности в качестве компенсатора указанные внешние данные. Устанавливает в качестве компенсатора указанный оператор мультиконфигурациии. Устанавливает компенсатор. Для толщины код - 0. для радиуса -1, дпя конической постоянной - 2. Определение параметра компенсатора. Записывает файп, использованный для оценки допуска, указанного в предыдущем ряду редактора допусков См. описание ниже. Глава 16: ДОПУСКИ 16-17
Имя STAT TWAV InM Тип статистики Int2 Ширина разброса в стандартных отклонениях Описание Устанавливает тип статистики при анализе методом Монте-Карло. Число 0 - для нормального распределения, 1 - для однородного распределения и 2 - для параболического распределения. Этот оператор устанавливает контрольную длину волны. Длина волны определяется в колонке "Min". Детальное описание контролирующих операторов дано ниже. CEDV: Define extra data value compensator СЕРУ: Определение компенсатора с использованием внешних данных Оператор CEDV используется для указания номера поверхности и номера внешних данных, величина которых будет использоваться в качестве компенсатора (для данной поверхности) при анализе допусков. Int1 используется для указания номера поверхности в схеме, a Int2 - для указания номера внешних данных. Например, для установки компенсатора на поверхности 9 с величиной, равной значению внешних данных под номером 17. используйте оператор CEDV с параметрами Int1 = 9. Int2 = 17. Таблица с указаниями, с какими типами поверхностей используются внешние данные, дана в главе "Surface Types". Значения min и max работают таким же образом, как для оператора СОМР. Нет ограничений на чиспо заданных компенсаторов. СМСО: Define multi-configuration operand compensator CMCO: Определение компенсатора с использованием "multi-confiq''-оператора Оператор СМСО используется для указания номера конфигурации и номера опера- оператора (мультиконфигурации), величина которого будет использоваться в качестве компенсатора при анализе допусков. Int1 используется для указания номера оператора, a Int2 - для указания номера конфигурации. Например, для установки в качестве компенсатора оператора (мультиконфигурации) под номером 6 из конфигурации 4, используйте оператор СМСО с параметрами Int1 = 6, Int2 = 4. Информацию по использованию операторов мультиконфигурации можно найти в главе "Multi-Configurations". Значения min и max работают таким же образом, как для оператора СОМР. Нет ограничений на число заданных компенсаторов. СОМР: Define compensator СОМР: Определение компенсатора Оператор СОМР используется для указания' номера поверхности и типа компенса- компенсатора, который должен использоваться при анапизе допусков. Int1 используется для указания номера поверхности в схеме, a Int2 - для указания типа компенсатора. Для указания типа компенсатора в колонке Int2 используются следующие "коды": Int2 = 0 - компенсатор толщины Int2 = 1 - компенсатор радиуса кривизны Int2 = 2 - компенсатор конической постоянной 16-18 Chapter 16: TOLERANCING
С помощью min и max значений оператора указываются максимальные допустимые изменения компенсатора. Например, если номинальное значение компенсатора равно 50, a min и max значения установлены -1.0 и 1.0, то значения компенсатора будут находиться между 49.0 и 51.0. Это ограничение на область значений компенсатора игнорируется, если в качестве критерия анализа допусков выбрана определенная пользователем оценочная функция ("user defined merit function"); хотя компенсаторы будут все еще использоваться и в этом случае (снимается лишь ограничение на их изменение). Нет ограничения на количество используемых компенсаторов. CPAR: Define parameter compensator CPAR: Определение параметров компенсатора Оператор CPAR используется для указания номера поверхности и номера параметра компенсатора, которые должны быть использованы при анализе допусков. Int1 используется для указания номера поверхности, а 1п12 - для указания номера параметра. Например, при необходимости определить компенсатор с парамером 2 для поверхности 5, используйте оператор CPAR с Int1 = 5 и Int2 = 2. Смотри главу "Surface Types" (Типы поверхностей), в которой дана таблица параметров, которые используются с разными типами поверхностей. Min и max значения оператора используются таким же образом, как и для оператора СОМР. Нет ограничения на количество устанавливаемых компенсаторов. SAVE: Save sensitivity analysis lenses SAVE: Запись схемы с результатами анализа Процесс анализа допусков не всегда совершенно ясен, особенно для систем, в которых используются поверхности типа "coordinate break" или необычные оценочные функции. Чтобы увидеть, что в действительности делает программа, используйте оператор SAVE. Оператор SAVE вводится после того оператора допуска, действие которого вы хотите рассмотреть более детально. Например, предположим, что вы установили в Таблице редактора допусков (Tolerance Data Editor) оператор TEDX. После рассмотрения результатов анализа вам кажется, что оценочная функция не так чувствительна к этому допуску, как ожида- ожидалось. Введите в Таблицу редактора допусков оператор SAVE после оператора TEDX. Для оператора SAVE установите Int1 равным 0 ипи какому-либо другому числу. При выполнении повторного анализа 2ЕМАХ запишет созданный им для вычисления допуска TEDX файл под именем TSAVOOOn. где п - целое число, указанное вами в колонке Intl. Файл с преобразованной схемой будет записан в тот же директорий, в котором находится файл с вашей анализируемой схемой. ZEMAX запишет схему, испопьзованную для оценки допуска, установленного в предыдущей (по отношению к оператору SAVE) строке таблицы, в файл с форматом ZMX. Загрузите этот файл обычным образом. Он покажет вам все данные преобразованной ( для анализа данного допуска) схемы, введенные допопнитепьно поверхности типа coordinate break и дополнительные усповия. наложенные на параметры схемы (pickups, variables) для оптимизации компенсаторов, а также оценочную функцию, испопьзованную для преобразованной схемы (обычно для максимального значения Глава 16: ДОПУСКИ 16-19
допуска) Это позволит вам проконтролировать, что Вы создали именно ту модель, которую хотели, и увидеть, как ZEMAX трансформировал ваши установки для анализа допусков. STAT: Define statistics STAT: Определение статистики Оператор STAT используется для определения статистики при выполнении анализа методом Монте-Карло. Команда STAT имеет два целых аргумента. Int1 определяет тип статистики - 0. 1 или 2 для нормального, однородного и параболического распределений соответственно. Типы статистик детально определены в следующем разделе. Параметр Int2 используется только с нормальным распределением и служит для определения величины отклонения максимальной величины параметра от номинальной величины в единицах стандартного отклонения. Типы статистик детально описаны в разделе "Monte Carlo analysis". TWAV: Test wavelength TWAV: Контрольная длина волны С помощью этого оператора устанавливается контрольная длина волны. При уста- установке допусков по умолчанию, ZEMAX вводит оператор TWAV со значением 0.6328 мкм (He-Ne) для контрольной длины волны. Если оператор TWAV не определен, то ZEMAX использует для анализа главную длину волны! В таблицу допусков может быть введено более одного оператора TWAV; каждый оператор TWAV определяет контрольную длину волны для операторов, стоящих в таблице после него. Этот оператор воздействует только на те операторы, для которых значения min и max измеряются в интерференционных полосах. Колонка "Min" в Редакторе допусков используется для редактирования и индикации контрольной длины волны. Defining default tolerances Автоматическое задание допусков Допуски могут быть установлены автоматически командами Tools, Default Tolerances, выбранными из меню таблицы редактора допусков (Tolerance Data Editor). Сама Таблица редактора допусков может быть активизирована командами Editors, Tolerance Data Editor, выбранными из главного меню. Диалоговое окно для автоматической установки допусков (Default Tolerances) содержит несколько секций, в которые допуски сгруппированы по их типу: Surface tolerances Допуски на поверхности Radius (Радиус): Если активизировать эту ячейку, то будут установлены допуски на величины радиусов кривизны для всех оптических поверхностей в системе. Две опции позволяют вам выбрать единицы измерения: либо линейные единицы, либо число интерференционных полос для контрольной длины волны (определенной оператором TWAV). Допуск на радиус кривизны поверхности устанавливается только на оптические поверхности, обладающие оптической силой, что исключает фиктивные поверхности, имеющие по обеим сторонам один и тот же показатель преломления. Если поверхность плоская, то автоматически устанавливается допуск в интерференционных полосах, еспи даже вы выбрали линейные единицы! 16 -20 Chapter 16: TOLERANCING
Thickness (Толщина): Если активизировать эту ячейку, то будут установлены допуски на толщины всех оптических поверхностей. Предполагается, что допуск воздействует только на изменения толщины данной поверхности и положение всех последующих элемнтов, находящихся в контакте с данным элементом; поэтому, первый же воздушный промежуток после данного элемента используется как компенсатор толщины. Смотри данное в этой главе выше описание оператора TTHI. Decenter X/Y (Децентрировка по X/Y): Если активизировать эту ячейку, допуски на децентрировку будут установлены для ка>едой оптической поверхности. Допуски устанавливаются в линейных единицах. ZEMAX устанавливает операторы TSDX и TSDY для стандартных поверхностей (Standard surface) и операторы TEDX и TEDY для нестандартных поверхностей. Tilt (TIR) X/Y (Наклон X/Y): При активизации заклон вводится либо в линейных единицах, либо в числе интерференционных полос для контрольной длины волны. ZEMAX устанавливает операторы TSTX и TSTY для стандартных поверхностей при задании допуска в интерференционных полосах, операторы TIRX и TIRY - для стандартных поверхностей при задании допуска в линейных единицах для хода индикатора (наклон или клиновидность) и операторы ТЕТХ и TETY для нестандартных поверхностей. При установке операторов ТЕТХ и TETY (значения которых задаются в градусной мере) ZEMAX автоматически переводит выше указанные единицы измерения (линейные или в полосах) в градусы. Преобразование от полной величины заклона в градусы производится по формуле: - \ нд. —.where S - величина полудиаметра поверхности ид- величина полного заклона; подобная формула используется также для 0у. В этой формуле предполагается, что величины углов относительно невелики. Заметьте, что заклон в X направлении соответствует наклону относительно оси Y, а заклон в Y направлении - наклону относительно оси X. S + A Irreg (Сфер. + Астигм. нерегулярность): Если установить эту опцию, то для каждой поверхности стандартного типа будут определены сферическая и астигматическая нерегулярности . Смотри данное ранее описание оператора TIRR. Zern Irreg (Нерегулярность Цернике): Если активизировать эту ячейку, то на каждую стандартную поверхность будет определена нерегулярность по Цернике. Смотри данное выше описание оператора TEXI. Index (Показатель преломления): Оператор TIND используется для моделирования отклонений величины показателя преломления. Abbe (Число Аббе): Оператор ТАВВ используется для моделирования изменений величины числа Аббе. Element tolerances Допуски на установку элементов Decenter X/Y (Децентрировка по X/Y): Если активизировать эту ячейку то на каждую блок элементов будет установлен допуск на деиентрировку. Допуски определяются как фиксированная величина децентрировки в линейных единицах Глава 16: ДОПУСКИ 16-21
Tilt X/Y (Наклон X/Y): Если активизировать эту ячейку, то на каждый блок элементов будет установлен допуск на наклон в градусах. Важно отметить, что по умолчанию блок элементов наклоняется относительно вершины первой поверхности в данном блоке элементов! О тори, как можно произвести наклон блока элементов относительно какой-либо другой точки, смотри данное выше описание операторов ТЕТХ и TETY. Диалоговое окно по установке допусков содержит также еще две дополнительные опции: Srart At Row (Старт со строки): Цифра в этой ячейке указывает на строку таблицы допусков (Tolerance Data Editor), начиная с которой должны стартовать допуски, установленные по умолчанию. Если будет указан номер строки больше 1, то установленные по умолчанию допуски будут помещены в таблицу, начиная с указанного номера строки. Use Focus Comp (Использовать компенсатор фокусного расстояния): Если эту ячейку активизировать, то будет установлен компенсатор на положение заднего фокуса (толщина перед плоскостью изображения, последний отрезок). Используя по крайней мере один компенсатор , можно сильно смягчить некоторые допуски, но нужно ли или нет использовать компенсатор, зависит от конкретной схемы. Могут быть определены также другие компенсаторы. Смотри раздел "Defining compensators". Диалоговое окно устанавливаемых по умолчанию допусков содержит также шесть электронных клавиш: ОК: Принимаются все указанные установки и генерируются допуски. Cancel: Закрытие диалогового окна. Save: Запись установок в файл для их последующего вторичного использования. Load: Загрузка файла с ранее записанными установками. Reset: Восстановление установок, заданных по умолчанию. Help: Открытие окна оперативной помощи. При выполнении анализа методом Монте-Карло ZEMAX генерирует случайные величины с использованием гауссового ("нормального") распределения. Если допуски определены, то они автоматически записываются вместе с файлом схемы. Если в схему вводится дополнительная поверхность, то перенумерация поверхностей с установленными на них допусками производится автоматически. Defining compensators Определение компенсаторов Несколько различных типов компенсаторов может быть введено в схему: на толщину (наиболее часто используемый), на кривизну, на коническую постоянную ипи на любой параметр какой-либо одной или нескольких поверхностей. Параметры полезны при использовании наклонов и децентрировок отдельных компонентов для их компенсации. Чтобы произвести наклон поверхности, должны быть введены поверхности типа coordinate break с соответствующими значениями pick up. Положение поверхности изображения устанавливается как компенсатор фокуса по умолчанию. Вы можете добавить или стереть компенсаторы, чтобы провести анализ допусков в соответствии с вашей конкретной задачей, и можете использовать для этого любое число 16-22 ■ Chapter 16: TOLERANCING
компенсаторов. Обычно при использовании большого числа компенсаторов происходит смягчение допусков и усложняется юстировка системы. Все компенсаторы определяются с помощью операторов допусков СОМР, CPAR, CEDV и СМСО. Определение компенсаторов описано в этой главе ниже в разделе 'Tolerance control operands" (Операторы контроля допусков). При использовании программы "Script", определяющей процедуру анализа допусков, компенсаторы могут быть изменены и на разных этапах анализа допусков использованы разные компенсаторы (для моделирования процедуры отладки схемы). Описание программы "Script" дано в этой главе ниже в разделе "Using Tolerance Script". Preparing the lens for tolerancing Подготовка схемы к анализу допусков В общем, никаких особых изменений в схеме для проведения анализа допусков не требуется. Однако есть несколько исключений. Алгоритм анализа допусков работает наиболее надежно, если исползуемая оценочная функция содержит только операторы, служащие для оценки качества изображения, такие, например, как RMS spot radius. RMS wavefront, or MTF merit functions. Если используется оценочная функция, отредактированная пользователем, необходимо уделить внимание используемым в оценочной функции опраторам. Использование оценочной функции с операторами ограничения на конструкционные параметры отдельных поверхностей, может привести к ошибочному результату. Эта проблема возникает из-за того, что ZEMAX должен вводить в схему фиктивные поверхности для автоматического изменения наклонов и децентровок отдельных поверхностей или групп поверхностей. Это требует перенумерации операторов в оценочной функции, которая может быть корректной или некорректной. Например, для наклона группы поверхностей ZEMAX должен ввести в схему 3 фиктивные поверхности, а затем толщину последней поверхности в группе скопировать для следующей за группой новой фиктивной поверхности. Это может привести к нарушению условия на ограничение толщины поверхности, которое было напожено соответствующим оператором ограничения. Подобная проблема возникает, когда отрицательные или очень небольшие значения толщин не допускаются операторами ограничения, введенными в оценочную Функцию; при введении в схему фиктивных поверхностей это условие может быть нарушено. Для решения этой проблемы рекомендуется использовать только такие оценочные функции, которые не содержат операторов ограничения на конструкционные параметры поверхностей. Если такие операторы все же должны использоваться, то поверхности, на которые накладываются ограничения, должны быть пустыми поверхностями, расположенными между оптическими элементами (з не поверхностями, входящими в оптическую схему). Заметьте, что при анализе допусков обычно не занимаются рассмотрением ограничений на отрицательную краевую толщину или на отрицательную центральную толщину линзы, или на какие-либо другие механические параметры оптической системы. Эти физически не осуществимые условия должны быть исключены ране*> Глава 16: ДОПУСКИ 16-23
при оптимизации схемы, а не являться предметом рассмотрения в процессе изготовления оптической системы. Performing the tolerance analysis Выполнение анализа допусков Как только все операторы допусков и компенсаторы будут определены, можно выполнить анализ допусков. Для выполнения анализа выберите из главного меню команды Tools и Tolerancing. На экране появится диалоговое окно с несколькими контрольными командами, описание которых дано ниже. Fast Tolerance Mode (Быстрый режим): По существу, при быстром режиме анализа учитывается только ошибка в изменении величины заднего фокального отрезка, который служит компенсатором; все другие компенсаторы игнорируются. Быстрый режим полезен для грубой оценки допусков; он выполняется более, чем в 50 раз быстрее, чем стандартный режим. Merit (Критерий качества): Это окно используется для установки критерия, который будет использован при анализе допусков. Выпадающее меню содержит следующие критерии: RMS spot radius (CK3 радиуса пятна рассеяния): это наилучший критерий для систем, качество которых далеко от дифракционного предела (например, для систем, аберрации которых больше одной длины волны). С этим критерием анализ производится быстрее всего. Вычисления всегда производятся относи- относительно "центра тяжести "пятна рассеяния! RMS wavefront (C.K.3. волнового фронта): это наилучший критерий для систем, качество которых близко к дифракционному пределу; например, для систем, аберрации которых меньше одной длины волны. С этим критерием анализ производится почти также быстро, как с предыдущим критерием. Вычисления всегда производятся относительно "центра тяжести" пятна рассеяния! Merit Function (Оценочная функция): в качестве критерия используется оценочная функция, определенная для данной оптической схемы. Это опция может быть использована, когда анализ допусков должен быть проведен по критерию, установленному пользователем. Использование в качестве критерия определенных пользователем оценочных функций может также потребоваться при анализе систем с несимметричными направлениями в поле зрения или с апертурными поверхностями, ограничивающими лучи. При использовании определенной пользователем оценочной функции ограничивающие условия на компенсаторы к ней автоматически не добавляются. MTF (geometric or diffraction) (МПФ-геометрическая или дифракционная): Это наилучший выбор для систем, технические условия для которых определяют требования к МПФ. Если выбрана геометрическая МПФ, ZEMAX использует такое приближение МПФ, которое позволяет проводить быстрое вычисление и обеспечивает достаточную точность для целей анализа допусков. Анализ допусков на основе дифракционной МПФ может быть достаточно 16 -24 Chapter 16: TOLERANCING
проблематичным при слишком широких допусках, так как дифракционная МПФ не может быть вычислена или выражена при слишком больших ошибках OPD (оптическая разность хода). Это особенно верно, если пространственная частота достаточно высока и МПФ стремится к нулевому значению на некоторой частоте, которая меньше анализируемой. При использовании критерия МПФ анализ допусков производится наиболее медленно; при этом анализ по дифракционной МПФ идет несколько медленнее, чем по геометрической МПФ. Вычисляемое значение МПФ - зто среднее значение для сагиттальной и меридиональной плоскостей. Пространственная частота, для которой производятся вычисления МПФ, устанавливается в контрольном окне UMTF Frequency" (Частота МПФ). Boresight error (Ошибка хода осевого луча): Эта ошибка определяется как величина углового отклонения главного осевого луча от местной механической оси. ZEMAX моделирует эту ошибку с помощью только одного оператора RANG, который вычисляет угол луча, стартующего на оси и проходящего через центр зрачка. В радиально симметричной системе этот луч должен на выходе из оптической системы идти точно вдоль оси Z в пространстве изображений. Децентрировка или наклон любого элемента или оптической поверхности приводят к отклонению главного луча от этого направления. Эта ошибка всегда измеряется в радианах и для главной длины волны! Этот критерий должен использоваться только для систем, обладающих радиальной симметрией. Заметьте, что эта ошибка не характеризует качество системы; это просто величина угла отклонения осевого луча. User Script (Использование программы "Script"): Программа "Script" - зто программа (написанная пользователем на макроязыке), служащая для определения процедуры выполнения анализа допусков; позволяет моделировать отладку схемы и получать промежуточные оценки ее характеристик при выполнении анализа допусков. Описание программы "Script" дано в этой главе ниже в разделе "Using Tolerance Script". Mode (Метод): С помощью этого контрольного окна определяется метод анализа допусков: либо Sensitivity (Чувствительность к допускам), либо Inverse (Обратный анализ). При использовании метода Sensitivity производятся вычисления изменений величины оценочной функции для каждого экстремального значения допусков. При использовании метода обратного анализа (Inverse), производятся вычисления величины каждого из установленных допусков, при которой характеристики системы ухудшаются в пределах, установленных критерием Мах Criteria. При анализе обратным методом производятся изменения min и max значений операторов допусков. Смотри описания "Max Criteria" и "Inverse Sensitivity", данные в этой главе. Script (Программа "Script"): Имя файла с записью программы "Script™, если используется оценочная функция, указанная в этой программе. Файл должен быть записан в формате ASCII и его имя должно иметь расширение TSC; файл должен быть помещен в главный директорий 2ЕМАХ. MTF Frequency (Частота МПФ): Если в качестве критерия установлена МПФ. то активизируется окно, в котором устанавливается пространственная частота, для Глава 16: ДОПУСКИ 16-25
которой должна вычисляться величина МПФ. Пространственная частота всегда определяется в единицах «Число пар линий на мм» в пространстве изображений! Max Criteria (Критерий для максимального допуска): Это контрольное окно активизируется при выполнении обратного анализа (Inverse) и используется для определения приемлемого предела ухудшения характеристик системы для вычисления допусков. Например, предположим, что используется критерий RMS Spot Size и номинальное значение RMS для системы равно 0,035 мм. Если установить для Max Criteria установить значение 0,050. то ZEMAX вычислит min и max значения для каждого допуска, которые приведут к увеличению величины СКЗ пятна рассеяния на 0.050 мм. Величина Max Criteria должна представлять собой изменение номинального качества системы в сторону ухудшения. Когда в качестве критерия используется МПФ, то величина Max Criteria — это нижняя граница для значения МПФ, так как уменьшение величины МПФ означает ухудшение качества системы. Смотри описания "Mode" и "Inverse Sensitivity", данные в этой главе. Номинальная величина МПФ для установленного критерия может быть вычислена нажатием на электронную клавишу "?", раслоложенную рядом с окном Max Criteria. Fields (Поля): Вообще говоря, задание полей, используемых для оптимизации и анализа системы, не является адекватным для анализа допусков. Например, для схем, обладающих вращательной симметрией, можно определить поля 0. 7 и 10 градусов. Такое несимметричное задание полей может при анализе допусков привести к ошибочным результатам, - когда анализируются допуски на наклоны и децентрировки. При задании оценочной функции для целей анализа допусков можно использовать три различных вида определения полей: Y-Symmetric (Y-симметрия): При выборе этой опции ZEMAX сначала вычисляет максимальную координату поля, а затем автоматически вводит новые точки поля, равные максимальной координате, умноженной на коэффициенты +1.0, +0.7, 0.0, -0.7 и -1.0, только в направлении оси Y. Все значения полей в направлении оси X устанавливаются равными нулю. При этом подразумевается, что анализируемая схема обладает вращательной симметрией. XY-Svmmetric (XY-симметрия): Эта опция подобна предыдущей (Y-Symmetric), за исключением того, что вводится уже 9 полей. В дополнение к 5 полям, установленным для Y-симметрии добавляется еще четыре поля в направле- направлении оси X с коэффициентами —1.0, -0.7, +0.7 и +1.0. User Defined (По определению пользователя): При этой опции используются поля, уже определенные в анализируемой оптической схеме. Эта опция требуется, когда используются коэффициенты виньетирования; она также очень рекомендуется, когда проводится анализ допусков для схем, не обладающих вращательной симметрией, или для схем, у которых поля заданы с весовыми коэффициентами. При использовании опции "User Defined" корректировка весовых коэффициентов для позиций поля не проводится. При использовании опции Y-Symmetric устанавливаются весовые коэффициенты 2.0 для центральной точки поля и 1.0 для всех других точек поля. Для случая XY-Symmetric устанавливаются весовые коэффициенты 4.0 для центральной точки поля и 1.0 для всех других точек поля. 16-26 Chapter 16: TOLERANCING
Sampling (Выборка): Эта опция используется для определения количества трассируемых лучей, используемых для вычисления оценочной функции допусков. Чем большее число Sampling устанавливается, тем больше лучей трассируется и тем более точные результаты получаются; однако при этом время анализа увеличивается. Обычно, числа 3 бывает достаточно для качественных оптических систем; для систем с большими аберрациями требуется большее число Sampling, чем для систем с небольшими аберрациями. Наиболее надежный метод определения необходимого числа Sampling - выполнить анализ допусков, установив Sampling равным 3, а затем повторить анализ при Sampling равном 4. Если при этом результаты изменились незначительно, то используйте число 4. Если результаты изменились сильно, то установите еще большее число Sampling. Если результаты почти не изменились, то вернитесь назад к меньшему числу Sampling. При установке числа Sampling больше, чем это требуется, просто увеличивается время вычислений, а точность результатов не возрастает. Perform Sensitivity (Выполнение анализа): Если это окошко активизировать, то будет выполняться анализ чувствительности или обратный анализ. Если это окошко не активизировано, то программа анализа будет пропущена и ZEMAX перейдет прямо к моделированию методом Монте-Карло. # Opt Cycles (Число циклов оптимизации): С помощью этого окна определяется, насколько тщательно ZEMAX должен пытаться оптимизировать значения компенсаторов. Если установить опцию Auto, то ZEMAX будет выполнять оптимизацию в автоматическом режиме (режим "Auto"), при котором оптимизация будет выполняться до тех пор, пока не сойдутся результаты оптимизации компенсаторов. Для грубого анализа допусков можно использовать небольшое число циклов оптимизации (такие, как 1, 2 или 3). Если компенсаторы трудны для оптимизации, то большее число циклов может улучшить точность. Если установлено недостаточное число циклов оптимизации, то величины допусков будут пессимистическими; предсказуемые характеристики системы будут хуже, чем характеристики реальной системы. Режим "Auto" наиболее надежен. При большом числе циклов улучшается точность анализа, но увеличивается время анализа. Такие установки используются только при отключении режима «Fast tolerance". Show Descriptions (Показать описание): Если это окошко активизировать, то в документе с результатами анализа допусков будет приведен список с названием и описанием назначения каждого оператора допусков. Если это окошко не активизировано, то в документе будет дана только аббревиатура операторов допусков. Show Compensators (Показать компенсаторы): По умолчанию значения компенсаторов не печатаются при выполнении анализа в режиме чувствитель- чувствительности. Если это окошко активизировать, то значения каждого компенсатора будут пвчататься вместе с величинами изменений оценочной функции для каждого допуска. Monte Carlo (Монте-Карло): С помощью этого контрольного окошка устанавли- устанавливается число генерируемых методом Монте-Карло модельных схем. По умолча- умолчанию в этом окошке установлено число 20, при котором будет генерировано 20 Глава 16: ДОПУСКИ : 16-27
случайных схем в пределах установленных допусков Смотри раздел "Monte Carlo simulations" {Моделирование методом Монте-Карло). При установке числа моделей равным нулю анализ методом Монте-Карло не производится' Statistics (Статистика): С помощью этой опции можно выбрать нужную статисти- статистическую модель для выполнения анализа методом Монте-Карло: нормальное (гауссовское) распределение ("normal"). однородное распределение (uniform) или параболическое распределение («parabolic»). Эти установки используются только при анализе методом Монте-Карло. Смотри раздел "Monte Carlo" и данное выше описание оператора "STAT, с помощью которого осуществляется детальный контроль над используемой статистической моделью. Save MC Runs (Запись файлов, генерированных методом Монте-Карло): Эта опция используется для записи определенного количества схем, генерированных методом Монте-Карло. Установленное в этом окошке число определяет макси- максимальное количество записываемых файлов. Например, предположим, что установлено число 20. После того, как будет генерирована первая схема, файл с этой схемой будет записан под именем MC_T0001.ZMX; вторая схема будет записана под именем MC_T0002.ZMX и так далее. Будут записаны только первые 20 схем (поспедняя схема будет записана под именем MC_T0020.ZMX). Если генерируется меньше 20 схем. то соответственно будет записано меньшее чиспо файлов. Имейте в виду, что эти файлы автоматически перезаписываются после каждого нового цикла моделирования вместе с записью каждой новой анапизи- руемой схемы под теми же именами! Смысл записи этих файлов заключается в том, чтобы можно было изучить схемы, генерированные методом Монте-Карло. Configuration # (Номер конфигурации): Для схем с изменяемой конфигурацией эта опция служит для указания номера конфигурации, для которой должен быть проведен анализ допусков. Анализ будет выполнен только для указанной конфигурации, и номер этой конфигурации будет указан в документе анализа. Если выбрать опцию "АН"(Все), то проанализированы будут все конфигурации сразу; в таком случае должны быть испопьзованы только определенные пользователем оценочная функция и позиции поля. Hide All But Worst (Убрать все данные, кроме наихудших): Если активизировать это окошко, то в выходном документе не будут печататься данные анализа по каждому оператору допусков, а будут выводиться только наихудшие данные. Это полезно, когда нужно уменьшить объем выходного документа. Эта опция обычно используется в соединении с опцией "Show worst" (Показать худшее). С помощью окошка "Show worst" осуществляется сортировка операторов допусков по их вкладу в изменение оценочной функции и ограничивается число выводимых значений операторов на печать; это позволяет ограничить объем печати только наиболее жесткими допусками. Show worst (Показать худшее): Смотри данное выше описание опции "Hide All But Worst". List Fields Individually (По каждому полю отдепьно): Если эта опция выбрана, то ZEMAX выдаст списки ожидаемых характеристик системы ло каждой точке поля в отдельности. Это позволит исследовать зависимость характеристик системы от направления в поле зрения. При анализе методом Монте Карло для каждой 16-28 * Chapter 16: TOLERANCING
определенной точки поля будут перечислены критерий и значения наилучшего, наихудшего и среднего отклонений, а также величина стандартного отклонения от среднего. Force Ray Aiming On (Принудительное включение Ray Aiming): Если в анализи- анализируемой схеме уже была задействована операция Ray Aiming, то эта операция будет использована при оценке допусков. Если же эта операция не была ранее задействована, то она будет использоваться только в случае, если вы активизи- активизируете это окошко. Вообще говоря, использование операции "Ray Aiming" приводит к более точным результатам анализа допусков, но замедляет скорость анализа. Для предварительной или грубой оценки допусков оставьте эту операцию незадействованной (опция "off1) . но включите ее ("оп") в анализ для получения окончательных или точных результатов. Overlay MC Graphics (Аппликация графиков при анализе методом Монте-Карло): Если активизировать эту опцию, то все открытые графики (такие как диаграмма аберраций или график МПФ) будут постоянно обновпяться, отражая данные каждой новой схемы, генерированной методом Монте-Карло. Это позволяет просмотреть всю область изменений характеристик моделируемой схемы. Особенно полезны графики, масштаб которых не изменяется автоматически или для которых можно установить фиксированную шкалу. Окна, установленные в статичное состояние ("Static"), а также окна "Text" и "Editor" не обновляются при использовании этой опции. После завершения анализа допусков обновленные графики переходят в статичного состояние. Поскольку для вычисления и обновления каждого графика требуется определенное время, то процедура анализа допусков замедляется. Status (Состояние): Это контрольное окошко используется для индикации выполненного объема вычислений при анализе допусков. Имеется также еще шесть электронных клавиш в нижней части диалогового окна: ОК: Команда на выполнение анализа допусков с текущими установками. Cancel: Выход из диалогового окна без выпопнения анализа. Terminate: Прекращение уже начатых вычислений. Save: Запись установленных опций для их будущего использования. Load: Загрузка ранее сохраненной установки опций. Reset: Восстановление опций, устанавливаемых по умолчанию. После того, как все опции будут установлены, нажмите на электронную клавишу ОК для выполнения анализа. Детальное описание методов вычислений дано в спедую- щем раздепе. Глава 16: ДОПУСКИ 16-29
How ZEMAX computes the tolerance analysis Как ZEMAX вычисляет анализирумые допуски Перед началом вычислений ZEMAX переписывает файл с анализируемой схемой в другой, временный файл, который будет использован для восстановления схемы после завершения анализа. Все схемные изменения, которые произойдут во время анализа, будут полностью устранены и исходный файл будет восстановлен в его первоначальном виде. ZEMAX убирает все установленные переменные и функции 'solves", за исключением "pickup solves'. Pickup solves могут вызвать некоторые проблемы во время анализа допусков; смотри в этой главе ниже раздел "Tblerancing with solves' Операторы допусков прочитываются и компенсирующие параметры, определенные операторами СОМР и CPAR. устанавливаются как переменные величины. Если опция "Ray aiming" установлена в анализируемой схеме или если эта опция задействована командой "Force Ray Aiming ОгГ, то эта опция будет использована при анализе допусков; в противном случае она не будет использована. Допуски, вычисля- вычисляемые с использованием HRay aiming", будут более точными, но время анализа при этом замедляется. Смотри главу "System Menu", в которой описана опция "Ray aiming". Затем ZEMAX использует установленные в диалоговом окне опции Merit, Field, MTF Frequency и Sampling для определения подходящей оценочной функции для анализа допусков. Так как эта оценочная функция записывается только во временный файл, то оригинальная оценочная функция, определенная для схемы, при этом не разрушается. Некоторые ограничивающие условия прибавляются к оценочной функции для ограничения изменений величин компенсирующих параметров (компенсаторов) допускаемыми min и max отклонениями, установленными командами СОМР и CPAR. При использовании оценочной функции, определенной пользователем, или при проведении анализа в режиме Fast mode установленные на компенсаторы ограниче- ограничения игнорируются. Затем ZEMAX обращается к функции оптимизации для нахождения наилучших значений для компенсаторов. Результирующая схема затем записывается для последующего ее обсчета с помощью алгоритма допусков. При работе в режиме Fast mode (см. ниже) вместо оптимизации схемы просто юстируется величина заднего фокусного расстояния. Оценочная функция этой схемы рассматривается как «номинальная» оценочная функция. Заметьте, что величина номинальной оценочной функции обычно не совладает с величиной, которая сообщается в окне оптимизации или в окне редактора оценочной функции, так как ZEMAX создает новую оценочную функцию только для использования в анализе допусков. Затем ZEMAX выполняет либо прямой, либо обратный анализ, либо анализ методом Монте Карло как это описано в последующих разделах. 16 -30 Chapter 16: TOLERANCING
Fast tolerance modo Режим быстрого анализа допусков ZEMAX позволяет проводить анализ допусков двумя методами: fast (быстрый) и standard (стандартный). Если выбран режим "Fast Tolerance", то используется несколько приближений, позволяющих ускорить процесс оценки допусков. Во-первых, игнорируются все определенные компенсаторы и установленные на них ограничения. Величина заднего фокусного расстояния выполняет роль компенсатора ошибки фоку- фокусировки. Это означает, что положение фокуса юстируется таким образом, чтобы сохранить фокусировку (исходную величину дефокусировки) номинальной схемы без проведения точной реоптимизации заднего фокусного расстояния. Это приближение сильно ускоряет процедуру анализа допусков - скорость увеличи- увеличивается примерно в 50 раз. Режим Fast дает достаточно точные результаты в случаях, когда для анализа необходимо использовать только один компенсатор - заднее фокусное расстояние; в этих случаях результаты анализа в быстром режиме отличаются от результатов значительно более медленного стандартного режима всего на несколько процентов. Если режим fast не используется, то ZEMAX использует алгоритм оптимизации для нахождения наилучших значений для всех компенсаторов. Режим Fast Tolerance очень быстр, точен и должен использоваться в случаях, когда компенсатором является только заднее фокусное расстояние, а также для систем, хорошо описываемых в параксиальном приближении, таких как системы с враща- вращательной симметрией. Режим Fast Tolerance не должен использоваться для сильно несимметричных систем и систем, имеющих много компенсаторов. Если вы сомневаетесь в правильности выбора режима, выполните анализ в каждом режиме и сравните их результаты. Алгоритмы прямого (sensitivity) и обратного (inverse sensitivity) анализа, а также алгоритм Монте-Карло - все могут работать как в Fast режиме, так и в стандартном режиме. Так при анализе в быстром режиме не осуществляется точная оптимизация компенсаторов, то результаты этого анализа несколько более пессимистичны, чем результаты, получаемые при анализе в стандартном режиме. Sensitivity analysis Анализ чувствительности При проведении анализа чувствительности (Sensitivity analysis) каждый допуск оцени- оценивается независимо от других с использованием следующего алгоритма: ZEMAX обращается к временно записанной схеме (temporary lens). Величины параметров, допуски на которые должны быть оценены, устанав- устанавливаются равными их допустимому минимальному значению. Например, если оценке подлежит допуск TRAD, и его номинальная величина равна 100 мм, а допуск в сторону минимума равен -0.1 мм. то величина радиуса устанавливается равной 99.9 мм. Если установлен допуск на наклон или децентрировку элемента, то в схему автоматически вводятся фиктивные поверхности типа coordinate breaks, как это требуется для моделирования соответствующих отклонений. Для моделирования наклонов и децентрировок поверхностей, задаваемых такими операторами, как TSDX, TSDY, TSTX, TSTY, TIRX или TIRY, производится замена Глава 16: ДОПУСКИ 16-31
имеющихся в схеме поверхностей стандартного типа (Standart surface) на поверхности нерегулярного типа (irregular surface). Производится подюстироека компенсаторов. Используемый для этого метод зависит от того, в каком режиме (быстром или стандартном) проводится анализ; смотри предыдущий раздел. Производится запись результирующей величины оценочной функции в выходной документ анализа Вся эта процедура вновь повторяется для max допуска. Этот основной алгоритм повторяется для каждого заданного оператора допуска. Ценность анализа чувствительности (прямой анализ допусков) заключается в том, что слишком широкие допуски, в общем, дают больший вклад в возрастание оценочной функции, чем другие допуски. Это позволяет конструктору идентифицировать поверхности, которые слишком чувствительны к некоторым ошибкам, таким как наклоны и децентрировки. Различные поверхности также, в общем, имеют разную чувствительность к разным ошибкам. Анализ чувствительности помогает идентифицировать допуски, которые должны быть ужесточены или. наоборот, могут быть ослаблены. Такой анализ также полезен для определения оптимального (и минимального) числа компенсаторов и требуемого диапазона для юстировки. Существует и много других применений для такого анализа; например, конструирование оправы объектива для максимизации способов компенсации. Анализ чувствительности позволяет выявить, какие допуски должны быть ужесточены и какие могут быть смягчены Количество выходных данных можно сократить, особенно для схем с большим числом элементов и, соответственно, с большим числом допусков. Часто чувстви- чувствительность к допускам варьируется в широких пределах. Контроль "Show worst" очень полезен для выявления допусков, наиболее сильно ухудшающих характеристики системы, так как при таком контроле производится сортировка допусков по их вкладу в оценочную функцию, а затем они выводятся на печать в нисходящем порядке. Контроль "Hide all but worst" ограничивает объем печати, когда представляют интерес Только наихудшие данные. После вычисления всех допусков в отдельности ZEMAX вычисляет их статистичес- статистические характеристики, из которых наиболее важной является оценка величины изменения оценочной функции и соответствующие этому критерию изменения характеристик системы. Для приблизительной оценки этих изменений ZEMAX использует величину Root Sum Square (RSS, корень квадратный из суммы квадратов). Для каждого допуска вычисляются отклонения характеристики от ее номинального значения для min и max значений допуска, полученные величины возводятся в квадрат и усредняются. Затем полученные значения средних квадратов суммируются для всех допусков и из полученной Суммы берется корень квадратный. Средние значения для min и max величин допусков берутся потому, что эти значения не могут реализоваться в схеме одновременно, и суммированные таким образом квадраты дадут в результате чрезмерно пессимистическую оценку. Результирующая величина RSS представляет собой оценку изменения характеристик системы. 16-32 Chapter 16: TOLERANCING
Inverse sensitivity analysis Обратный анализ чувствительности При выполнении обратного анализа чувствительности допуски вычисляются таким же образом, как и при прямом анализе. Однако вычисления выполняются итеративным методом с корректировкой min и max значений допусков. Итерация выполняется до тех пор, пока величина оценочной функции не станет равной значению Max Criteria, установленному в диалоговом окне допусков. Например, если в качестве критерия используется среднеквадратический размер пятна рассеяния (RMS spot size), номинальная величина которого равна 0.035, а установленная величина Max Criteria равна 0.050, ZEMAX будет подгонять min и max значения допусков до тех пор, пока СКЗ пятна рассеяния не станет равным 0.05 при двух экстремальных значениях допусков. Из этого правила есть исключения: Величина Max Criteria должна соответствовать более плохим характеристикам системы, чем при номинальной величине критерия. В противном случае анализ допусков не будет выполняться, а на экране появится сообщения об ошибке. Если в результате подгонки min и max значений допусков характеристики системы улучшаться по сравнению с номинальной схемой, то установленные допуски не корректируются, а в выходном документе будет указано наилучшее значение оценки характеристик системы. Это может случиться, когда система улучшится в результате увеличения F/числа (F/#) при анализе допуска на радиус поверхности. Если стартовое значение допуска обеспечивает лучшие характеристики, чем задано величиной Max Criteria, то допуски не корректируются. Это означает, что допуски никогда не расширяются; они могут быть только ужесточены при выполнении обратного анализа. Например, если номинальная величина используемого критерия равна 0.035. а величина Max Criteria равна 0.050, и начальные допуски дают величину 0.040, то допуски не будут увеличены. Для вычисления действительного предела допуски сначала нужно увеличить в редакторе допусков (Tolerance Data Editor), а затем повторить обратный анализ. Это сделано для предотвращения расширения допусков больше, чем это необходимо. Вообще говоря, расширение допусков свыше некоторого разумного значения не приводит к уменьшению стоимости изготовления. * Оценки изменений характеристик системы вычисляются тем же путем, как и при пря- прямом анализе, но с изменяемыми величинами допусков. Обратный анализ чувствительности помогает уменьшить отдельные допуски настолько, чтобы ни один из них не ухудшал в значительной мере характеристики всей анализируемой системы. Заметьте, что при обратном анализе пределы для максимальной величины критерия вычисляются для каждого допуска отдельно. Оценка общей деградации характери- характеристик системы производится по-прежнему вычислением СКЗ (RSS) для всех отдель- отдельных увеличений критерия. Глава 16: ДОПУСКИ 16-
Monte Carlo Анализ методом Монте-Карло В отличие от прямого и обратного анализа чувствительности анализ методом Монте- Карло производится с целью моделирования одновременного воздействия на есе установленные допуски Анализ методом Монте-Карло моделирует эффект одновременного воздействия на всю систему допусков. Для каждого Монте-Карло цикла все параметры, для которых установлены допуски, изменяются случайным образом в соответствии с одним из трех статистических распределений. По умолчанию дпя всех параметров принимается один и тот же закон нормального распределения с полной шириной (между минимальным и максималь- максимальным значениями параметра), равной четырем стандартным отклонениям. Например, если номинальная величина радиуса равна 100.00 мм и величина допуска установлена +4.0/-00 мм. то величина радиуса будет изменяться случайным образом от 100.00 до 104.00 мм по нормальному закону с центром распределения - 102.00 мм и стандартным отклонением -1.0 мм. Эта модель может быть изменена с помощью команды STAT. Для каждого оператора может быть задана своя отдельная статистика или операторы, для которых используется одна и та же статистика, могут быть объединены в одну группу. Все операторы, к которым была применена команда STAT, подчиняются заданной этой командой статистике. В редакторе допусков может быть задано столько команд STAT, сколько нужно. Команда STAT имеет два аргумента: Int1 и Int2. Аргумент Int1 используется для задания типа статистики: 0 - для нормального распределения, 1 - для однородного распределения, 2 - для параболического распределения и 3 - для распределения, заданного пользователем. Параметр Int2 используется только для нормального распределения; этот параметр служит для задания числа стандартных отклонений от среднего до экстремальных значений параметра. Доступные статистические распределения описаны ниже. Normal statistical distribution Нормальное распределение По умолчанию используется модифицированное гауссово, или «нормальное» распределения в формуле: -—ехр \2па X 2 , , -П<7<>Х£ПСГ Модификация заключается в том, что случайно выбираемые значения х (измеряемые как отклонение от средней точки между двумя экстремальными допусками) ограни- ограничены областью в пределах "п" стандартных отклонений от нуля. По умолчанию п = 2, однако величина "п" может быть изменена с помощью ранее описанной команды STAT. Это сделано для страховки от того, чтобы выбранное значение не превосхо- превосходило установленные допуски. Величина стандартного отклонения устанавливается равной одной "п'-ой части A/п) от половины мвксимальнои области допусков* 16 -34 . Chapter 16: TOLFRANCING
Например, если п=2, а номинальная величина толщины равна 100 мм с допусками +3 и -1 мм, то случайные значения толщины будут выбираться из нормального распределения с средним значением 101 мм в области отклонений ± 2 мм и величиной стандартного отклонения 1.0. Еспи для этого случая будет п=5, то величина стандартного отклонения будет равна 0.4. Чем больше величина "п", тем с большей вероятностью выбранные значения будут находиться вблизи среднего значения максимальных допусков. Uniform statistical distribution Однородное распределение Уравнение для однородного распределения имеет вид: Величина Д равна Уг разности между max и min значениями допуска. Заметьте, что случайно выбираемые величины будут лежать между заданными экстремальными допусками с равной вероятностью. Parabolic statistical distribution Параболическое распределение Уравнение для параболического распределения имеет вид: —. .V, -Л<х<Л, где Д определяется точно так же, как и для однородного распределения. Параболи- Параболическое распределение генерирует случайные величины, которые с наибольшей вероятностью находятся около границ допусков, а не около их среднего значения как при нормальном распределении. User defined statistical distribution Определяемое пользователем распределение Пользователь может определить свое собственное статистическое распределение, создав ASCII файл с записью табулированных данных распределения. В общем случае функция распределения плотности вероятности может быть определена как = Tiy 0.0<л-, <1.0, где значения Т - табулированные значения для некоторого числа точек х распределе- распределения. Это общее распределение может быть численно интегрировано и с помощью полученного интеграла можно генерировать случайные значения х и соответ- соответствующие им оценки вероятности для табулированного распределения. Формат файла представляет собой две колонки числовых данных. XIТ1 Х2Т2 ХЗТЗ и так далее, Глава 16: ДОПУСКИ 16-35
где значения X - монотонно возрастающие числа с плавающей запятой и значени- значениями между 0.0 и 1.0. включительно; Т - значения вероятности, соответствующие этим значениям X. Заметьте, что ZEMAX использует распределение плотности вероятности в области от 0.0 до 1.0, так что первое значение Х1 ДОЛЖНО равняться 0.0 (для этой точки вероятность Т1 может иметь любое значение, включая 0.0), а последнее заданное значение Хп должно равняться 1.0. Для определения распределения можно использовать до 200 точек между Х=0.0 и Х-1.0; предупреждение будет появляться на экране, если будет задано слишком много точек. Для каждой определенной последовательности операторов допусков (идущей до следующей команды STAT) заданные минимальное (min) и максимальное (max) значения параметров будут определять область изменения случайной переменной X Например, если значение 100.00 имеет допуски -0.0 и +2.0, то распределение вероятности будет покрывать область от 100.0 до 102.0. Файл с записью данных должен быть помещен в главный директорий ZEMAX, а имя файла (с расширением) должно быть указано в таблице редактора допусков - в колонке комментария в строке команды STAT. Команда STAT должна иметь аргумент Int1 =3. Имя файла (с расширением), содержащего данные определенного пользователем распределения, должно быть записано в колонке комментария для оператора STAT. Одино из возможных распределений может выглядеть следующим образом: 0.0 0.0 0.1 0.5 0.2 1.0 0.3 0.5 0.4 0.0 0.5 0.5 0.8 4.0 1.0 5.0 Заметьте, что значения X не обязательно должны изменяться случайным образом или с равномерным шагом; небольшой шаг можно использовать в области быстрого изменения функции распределения вероятности. Это распределение имеет два максимума, наибольший из которых сильно смещен в сторону максимальных значений X. Определяемое пользователем распределение может быть использовано для моделирования любого вида распределения, включая сильно ассиметричные распределения, распределения со многими максимумами или экспериментально полученные распределения. Много разных типов распределения можно использовать при проведении одного и того же анализа допусков. Discussion of Monte Carlo analysis method Обсуждение анализа методом Монто Карло Заметьте, что при переходе от нормального распределения к однородному и далее к параболическому будут производиться все более осторожные оценки допусков. rvn
В кавдом выполненном цикле производится подгонка компенсаторов, а затем выво- выводятся на печать величины оценочной функции и компенсатора. После выполнения всех циклов выводится общая статистика анализа. Ценность анализа методом Монте-Карло состоит в том, что оценка характеристик оптической системы производится при одновременном рассмотрении всех допусков. В отличие от метода Sensitivity analysis, при котором идентифицируются наиболее критические параметры схемы, при анализе методом Монте-Карло производится оценка реальных характеристик схемы, соответствующих установленным допускам. Общая статистика анализа может быть очень полезна для систем, изготовляемых в массовом производстве. Единичные образцы, конечно, не подчиняются этим статистикам из-за ограниченной выборки. Однако и в этих случаях анализ методом Монте-Карло все же может быть полезен, так как он позволяет определить вероятность того, что данная единственная система соответствует заданным требованиям. Nesting rules for Monte Carlo analysis Правила вложения операторов допусков при анализе методом Монте-Карло Когда выполняется анализ методом Монте-Карло, все допуски рассматриваются одновременно. При этом существует возможность, что операторы наклона и децентрировки элемента могут конфликтовать между собой, если не следовать некоторым правилам их записи. Для таких операторов допусков, как TEDX. TEDY, ТЕТХ и TETY. ZEMAX вводит поверхности типа coordinate breaks первд и после указанной группы поверхностей, а затем с помощью этих поверхностей производит заклон или децентрировку всей группы как целого. Наклоны и децентрировки, произведенные с помощью первой поверхности coordinate break, должны быть "отменены" с помощью второй поверхности coordinate break. Это может быть сделано корректно только в том случае, если вершины первой и второй поверхностей coordinate break будут располо- расположены в одной и той же точке в трехмерном пространстве. ZEMAX обеспечивает это условие путем использования установок pickup и position. Этот метод не будет работать, если заданные разными операторами допусков области поверхностей будут частично перекрываться. Например, если установлен оператор ТЕТХ на группу поверхностей 3 - 8 , а следующий оператор ТЕТХ установлен на группу поверхностей 5 - 12, то первая поверхность coordinate break» которая произведет наклон группы 5-12. произведет также изменение положения поверхностей 5-8. что приведет к смещению второй поверхности coordinate break первой группы. В таком случае ZEMAX не может обеспечить совг/естную работу введенных пар поверхностей coordinate break. Фактически, перекрывающиеся пары поверхностей coordinate break нельзя интерпретировать однозначно, и трудно даже вообразить себе такую физически осуществимую оптическую систему. Операторы допусков, однако, могут - быть вложенны друг в друга так как при вложении не нарушается порядок наклонов и децентрировок. Например, последова- последовательность операторов ТЕТХ 5-12. ТЕТХ 5 - 9 и ТЕТХ 10-12 является вполне разумной. Эта последовательность будет моделировать наклон всей сборки со всеми невозмущенными элементами, каждый из которых может быть, в свою очередь, наклонен внутри сборки. Глава 16: ДОПУСКИ 16-37
Правила вложения операторов очень просты: 1) Все операторы наклонов и децентрировок элементов должны быть вложенными 2) Операторы с наиболее отдаленными от центра (сборки) поверхностями должны записываться первыми в каждой вложенной группе. Вот пример правильной записи последовательности операторов: ТЕТХ ТЕТХ ТЕТХ А вот ТЕТХ ТЕТХ ТЕТХ 5 5 11 12 10 12 пример н 5 9 5 12 15 15 В последнем примере второй оператор записан неправильно, так как его область поверхностей частично перекрывается с областью поверхностей первого оператора (нарушение первого правила). Третий оператор также записан неправильно; хотя он и является вложенным по отношению к первому оператору, его область поверхностей является более широкой, чем для второго оператора (нарушение второго правила). Второй оператор должен быть удален или исправлен, а третий оператор должен быть записан перед первым оператором, чтобы последовательность операторов была правильной: ТЕТХ 5 15 ТЕТХ 5 12 Заметьте, что оператор является вложенным, если даже одна или обе его граничные поверхности совладают с граничными поверхностями предьщущего оператора, так что за оператором ТЕТХ 5-15 может следовать Другой оператор ТЕТХ 5-15 или ТЕТХ 5-12 или ТЕТХ 13 - 15, но не оператор ТЕТХ 4 - 13. Using Tolerance Scripts Использование программы "Tolerance Script" при анализе допусков Эта процедура доступна только для редакции ZEMAX-EE. Tolerance Script overview Общее описание программы "Tolerance Script" Tolerance Script" - это программа (составленная на макроязыке и записанная в отдельный файл), позволяющая в процессе анализа допусков моделировать сложную юстировку схемы и получать промежуточные оценки ее характеристик. В частности, с помощью программы "Tolerance Script" в# процессе анализа допусков можно производить следующие действия: - Добавлять новые и устранять ненужные компенсаторы. - Загружать новые оценочные функции. 16-38 Chapter 16: TOLERANCING
Оптимизировать компенсаторы с использованием какой-либо оценочной функции. - Производить мониторинг вычисляемых данных (это относится ко всем вычисляемым величинам, поскольку все они могут быть вызваны с помощью 2PL макросов). - Производить запись промежуточной схемы в ZMX файл на любой стадии ее анализа. Любое число таких операций может содержаться в программе "Tolerance Script". В частности, можно использовать много разных оценочных функций и много разных компенсаторов. Программа "Tolerance Script" выполняется при анализе допусков неоднократно: - Один раз при вычислении номинальных данных. - Дваады при вычислении каадого оператора допусков при прямом анализе (при обратимом анализе может потребоваться итерационный процесс). - По одному разу для каадой схемы, генерированной методом Монте-Карло. * Программа "Tolerance Script" должна быть записана в ASCII файл, а ее имя должно иметь расширение TSC; файл должен быть помещен в главный директорий ZEMAX. Все файлы с записью используемых оценочных функций (имена этих файлов имеют расширение MF) также должны быть помещены в этот директорий. The Tolerance Script commands Макрокоманды "Tolerance Script" Ниже дано определение и описание макрокоманд "Tolerance Script": I Синтаксис: ! строка с комментариями Символ Т используется для определения строки с комментариями: эта строка игнорируется при выполнении программы. СЕРУ Синтаксис: CEDV Номер_поверхности Номер_внешних_данных Команда CEDV вводит новое значение внешних данных для компенсатора. Аргумент "Номер_поверхности" используется для указания номера поверхности в исходной схеме. ZEMAX автоматически производит перенумерацию всех поверхностей схемы, если в процессе выполнения программы анализа допусков в не были введены дополнительные поверхности типа "coordinate break" или другие "пустые" поверхности. Аргумент "Номер_внешних_данных" используется для указания номера внешних данных для поверхности. CLEARCOMP Синтаксис: CLEARCOMP Глава 16: ДОПУСКИ 16-39
Команда CLEARCOMP удаляет все текущие компенсаторы. Перед командой OPTIMIZE должны быть определены новые компенсаторы. CLOS£FIL£ Синтаксис: CLOSEFILE Команда CLOSEFILE закрывает текущий файл, в который записываются выходные данные, так что новые данные в него больше не могут быть записаны, вплоть до выполнения последующей команды на открытие выходного файла - OPENFILE Смотри далее OPENFILE. смсо Синтаксис: СМСО Оператор Конфигурация Команда СМСО вводит новый мультиконфигурационный оператор для компенсатора. Аргумент "Оператор1 используется для указания номера (строки) оператора в исходной схеме. Аргумент "Конфигурация4 используется для указания номера конфигурации. СОМР Синтаксис: СОМР Номер_поверхности Номер_кода Команда СОМР вводит новый компенсатор. Аргумент "Номер_ловерхностии используется для указания номера поверхности в исходной схеме. 2ЕМАХ автоматически производит перенумерацию всех поверхностей схемы, если в процессе выполнения программы анализа допусков в не были введены дополнительные поверхности типа "coordinate break" или другие "пустые" поверхности. Аргумент "Номер_кодап используется для указания кода нового компенсатора: 0 - для толщины, 1 -для кривизны, 2-для конической постоянной. CPAR Синтаксис: CPAR Номер_поверхности Параметр Команда CEDV вводит новый параметр компенсатора. Аргумент "Номер_поверхности" используется для указания номера поверхности в исходной схеме. 2ЕМАХ автоматически производит перенумерацию всех поверхностей схемы, если в процессе выполнения программы анализа допусков в не были введены дополнительные поверхности типа "coordinate break" или другие "пустые" поверхности. Аргумент "Параметр" используется для указания номера параметра поверхности. FORMAT Purpose: Specifies the numerical precision format for subsequent REPORT statements. 16-40 Chapter 16: TOLERANCING
Syntax: FORMAT m.n [EXP] Discussion: The integers m and n are separated by a decimal point. The value m refers to the total number of characters to be printed, even though some of them may be blank. The value n refers to the number of places to display after the decimal point. Therefore, FORMAT 8.4 will cause subsequent REPORT statements to print 8 characters, with 4 numbers after the decimal point. FORMAT .5 will cause REPORT to show 5 decimal places, and as many total places as needed. FORMAT only affects numeric output from REPORT. If a number is too large to fit within the m decimal places, then the m portion of the FORMAT statement will be ignored. The optional keyword EXP after the m.n expression indicates exponential notation should be used. The default format is 16.8 EXP. Example: FORMAT 18.9 EXP LOADMERIT Синтаксис: LOADMERIT Имя_файла.гт^ Команда LOADMERIT загружает новую оценочную функцию. MF-файл должен быть помещен в главный директорий ZEMAX. Файл должен иметь надлежащий формат и должен быть записан с использованием опции SAVE в меню редактора оценочной функции (Merit Function Editor). Когда оценочная функция загружается, она заменяет установленную ранее оценочную функцию. ZEMAX автоматически перенумеровывает операторы, относящиеся к поверхностям, если во время анапиза допусков в схему были введены поверхности типа "coordinate break" или другие пустые (фиктивные) поверхности. Номера поверхностей, указываемые при определении операторов оценочной функции, должны соответствовать номерам поверхностей в исходной оптической схеме (не претерпевшей изменений). После загрузки новой оценочной функции производится ее вычисление. Полученный результат будет использоваться при дальнейшем выполнении программы анализа допусков (в качестве величины "merit function") вплоть до того момента пока не последует новая команда LOADMER1T или команда OPTIMIZE. OFENFILE Syntax: OPENFILE "FILENAME" mode FILENAME may be any valid file name, with the full path and extension included, such as "C:\DATA\MyFile.DAT\ The mode parameter should be BIN for a binary file, or ASC for an ASCII file. OPENFILE will open a new data file the first time the script is run for a tolerance analysis run. Each subsequent call to the script will append data to the same file. Data is written to the file whenever the REPORT command is executed. However, the text string is not included; just the numerical data the REPORT command prints to the tolerance output file. If mode is ASC, the file will be ASCII with each REPORT value written on a Глава 16: ДОПУСКИ 16-41
separate line. If mode is BIN. each value will be written out as a 64-bit double precision number. Because data is written out each time the script is called, the amount of data in the file depends upon how many tolerance operands and Monte Carlo runs are being performed. The first call to the script is to compute the nominal merit function, then the sensitivity analysis, then the Monte Carlo analysis. OPENFILE should not be used during an inverse sensitivity run, because there are multiple calls to execute the script and no practical way to discern which data belongs to which operand. The fife is automatically closed after the script is finished executing. Multiple OPENFILE commands may be used within the same file to write different data to different files. See alsoCLOSEFILE. OPTIMIZE Синтаксис: OPTIMIZE n Команда OPTIMIZE вызывает оптимизатор и выполняет "п" циклов оптимизации методом наименьших квадратов с демпфированием. Если параметр п равен нулю или не задан, то оптимизатор работает в режиме "Automatic" и прекращает работать при достижении сходимости результата. PERTURB Syntax: PERTURB type int1 int2 int3 stat nstd min max PERTURB is used to randomly change a numerical parameter in the lens. The integer parameter type must be 0 for surface data, 1 for parameter data, 2 for extra data, 3 for multi-configuration data, 4 for non-sequential component position data, and 5 for non- nonsequential parameter data. The arguments to PERTURB change meaning depending upon the value of type as described below. Type = 0, surface data: int1 is used for the surface number, int2 is 0 for thickness, 1 for radius, 2 for conic, and 3 for semi-diameter. The value of int3 must be set to zero. Type = 1, parameter data: Int1 is the surface number, int2 is the parameter number, int3 must be set to zero. Type = 2, extra data: int1 is the surface number, int2 is the parameter number, int3 must be set to zero. Type = 3, multi-configuration data: int1 is the configuration number, int2 is the operand number. int3 must be set to zero. Type = 4, NSC position data: int1 is the surface number, int2 is the object number. int3 must be 1 for x, 2 for yt 3 for z, 4 for tilt x, 5 for tilt y, or 6 for tilt z. Type = 5, NSC parameter data: int1 is the surface number. int2 is the object number, int3 is the parameter number. 16 -42 Ch lpt г 16: TOLERANCING
The stat integer indicates the statistical model to use: 0 for normal (Gaussian), 1 for uniform, and 2 for parabolic. Only these 3 distributions are currently supported. The nstd is a floating point value that indicates the number of standard deviations from the center of the distribution to either edge. A small value for nstd (less than 1.0) will yield a nearly uniform distribution. Large values of nstd will yield a sharply peaked distribution, with most of the randomly generated values being clustered close to the center of the range. Only the normal distribution uses the nstd value, however, it must be provided and should be set to zero if the other stat types are used. The min and max values indicate the range over which the random values are selected. For example, to randomly perturb the thickness of surface 6 by -0 to +1 with a normal distribution covering plus/minus 3 standard deviations, the syntax would be: PERTURB 0 6 1 0 0 3.0 0.0 1.0 The resulting random value will be between 0.0 and 1.0, and will likely be close to 0.5 because the number of standard deviations is moderately large. This random value will then be added to the current value for the thickness of surface 6. Note that PERTURB works on all values, whether they are compensators or not. To perturb values controlled by multi- configuration operands, use type 3 to perturb the operand directly rather than the parameter under control. The PERTURB command is ignored while evaluating the nominal merit function. REPORT Синтаксис: REPORT "текст" Оператор REPORT uTeKCT"_SZERNIKE term field wave sampling maxorder There are two different ways to use the REPORT command: Syntax 1: REPORT will print any user defined text to the tolerance output window, along with the value of any operand in the currently loaded merit function. The value for operand is an integer corresponding to the operand number (row) of the value to print (note that any value may be computed in a merit function, and if it is not needed for optimization, it may be weighted to zero and is still available for reporting). If operand is zero, then the value of the entire merit function will be printed out. The numeric format is set by the FORMAT command. Syntax 2: REPORT, when followed by a text string and then the keyword SZERNIKE. can be used to compute and report Standard Zernike coefficients (See "Zernike Standard Coefficients" on page 138). If the term number is zero, then the other values for field, wave, sampling, and maxorder are used to define the Zernikes to be computed. The computed values are then saved in a buffer, and no output is generated. If term is between 1 and the most recent maxorder value used in a previous SZERNIKE call, then that Zernike term is reported. A sample session follows: REPORT "Compute Only!" SZERNIKE 0 1114 REPORT "Zernike 1 = " SZERNIKE 1 REPORT "Zernike 2 = " SZERNIKE 2 REPORT "Zernike 3 = " SZERNIKE 3 REPORT "Zernike 4 = " SZERNIKE 4 Гпава 16: ДОПУСКИ 16 -43
Note that only when the term is zero are the Zernikes actually computed; the following calls simply retrieve the computed Zernikes one at a time Команда REPORT выводит на печать (в выходном окне) набранный пользователем текст вместе с вычисленной величиной указанного оператора из загруженной оценочной функции. Аргумент Оператор" используется для указания номера (строки в оценочной функции) того оператора, величина которого должна быть выведена на печать. Если этому оператору присвоить значение 0. то на печать будет выведена полная величина оценочной функции. SAVE Синтаксис: SAVE л Команда SAVE используется дпя записи текущей оптической схемы в ZMX-файл под именем TSAVnnnn.zmx, где пппп - четырехзначное целое число, служащее для нумерации записанных файлов. Например. Если V равно 6, то файл будет записан под именем TSAV0006.ZMX. UPDATE Syntax: UPDATE Updates the current lens file. Use after PERTURB commands. Tolerance Script example Пример записи файла "Tolerance Script" В качестве примера рассмотрим оптическую схему, состоящую из многих элементов. Предположим, что частью процесса отладки схемы и оценки ее характеристик являются следующие этапы юстировки: Элемент под номером 2 децентрируется до тех пор, пока тестовый пучок лучей не будет центрирован в плоскости изображения. Элемент под номером 4 затем смещается вдоль оптической оси до тех пор, пока не будет получено требуемое увеличение. Затем измеряется и регистрируется величина дисторсии. Затем производится оценка величины МПФ для 5 точек поля. Предположим, что децентрировка элемента 2 осуществляется с помощью параметров 1 и 2 поверхности 3, являющейся поверхностью типа "coordinate break"; Предположим также, что положение элемента 4 определяется толщиной поверхности 10, а величина заднего фокусного расстояния определяется толщиной поверхности 15. Далее, предположим, что: оценочная функция, с помощью которой производится центрирование осевого луча в плоскости изображения, записана в файл под именем CENTER.MF; оценочная функция, с помощью которой достигается необходимое увеличение системы, записана в файл под именем MAGNIFY.MF; 16 -44 Chapter 16: TOLERANCING
оценочная функция, с помощью которой производятся вычисления МПФ, записана в файл под именем MTF.MF. оценочная функция, с помощью которой производятся оценки характери- характеристик схемы, записана в файл под именем "EVALUATION.MF. Соответствующий этим предположениям файл "SCRIPT будет выглядеть следующим образом: ! \ брать все установленные компенсатора для старта с "чистой схемы'* CLEARCOMP ! загрузить центрнриощую оценочную функцию LOADMERIT CENTER.MF ! установить два компенсатора для децентрировки элемента 3 CPAR 3 1 CPAR 3 2 ! произвести 4 цнкаа оптимизации OPTIMIZE 4 ! убрать лецентрнровку, загрузить оценочную ф> нкцню xih подгонки ! увеличения и произвести юстиро'вку толщины поверхности 10. CLEARCOMP LOADMERIT MAGNIFY.MF СОМР10 0 OPTIMIZE 4 ! загрузить оценочную функцию для вычисления МПФ и произвести юстировку ! величины заднего фокусного расстояния CLEARCOMP LOADMFRIT MTF.MF СОМР15 0 OPTIMIZE 4 ! наконец, загрузить оценочную функцию для оценки характерце шк схемы: вывесш ! на экран данные о величине днеторсии и значениях МПФ для 5 точек ноля ! в данном примере эго первые шесть операторов в таблице оценочной ф\нкщш. ! записанной в файл FVALUTION.MI*. CLEARCOMP LOADMFRIT EVALU HON.MF REPORT "Цисторсия = " 1 REPORT "МПФаш ноля I =  REPORT "МИФ для ноля 2 =  REPORT "МИФ для поля З =  REPORT "МПФ для ноля 4 =  REPORT "МПФ для поля 5 * По окончании работы этой программы полная величина оценочной функции, полученная в результате выполнения последней команды LOADMERIT или OPTIMIZE, принимает статус величины "merit function", которую ZEMAX в дальнейшем будет сообщать и использовать. Плава 16: ДОПУСКИ 16 -45
Tolerancing multi-configuration (zoom) lenses Анализ допусков систем с изменяющейся конфигурацией (zoom-систем) Анализ допусков может быть выполнен для каждой отдельной конфигурации схемы. Просто установите номер желаемой конфигурации в окошке "Configuration #". Вообще говоря, не обязательно проводить анализ допусков для всех конфигураций, а достаточно его выполнить для наиболее чувствительной к ошибкам конфигурации. При использовании обратного анализа (inverse tolerances) последовательно выпол- выполненные анализы для каждой конфигурации дадут очень близкие результаты, которые применимы ко всем конфигурациям. Tolerancing with solves Анализ допусков при использовании функций "Solve" Вообще говоря, вы должны убрать все установки на параметры схемы (solves) и все перегленные перед выполнением анализа допусков. Наиболее удобно это сделать, записав анализируемую схему во временный файл, предназначенный специально для анализа допусков, с тем, чтобы после стирания всех solves и переменных вы могли их в дальнейшем восстановить. Хотя алгоритм анализа допусков еще будет работать при сохраненных установках (solves) в вашей схеме, результаты анализа могут быть не такими, как вы ожидаете. Это проиходит из-за того, что некоторые solves, такие как "высота параксиального краевого луча" ("paraxial marginal ray height"), не имеют смысла для оптических систем с наклоненными и децентрированными эпементами. Если даже исходная система обпадает вращательной симметрией, большинство операторов допусков, таких как ТЕТХ и TETY, при воздействии на схему нарушают ее симметрию. Установки "pickup" также могут привести к странным результатам, так как алгоритм анализа допусков иногда будет воздействовать на параметры поверхностей (такие как топщина) при введении и стирании поверхностей coordinate break. Есть, однако, случаи, когда установка pickup будет действовать так, как вы хотите. Например, еспи в схеме испопьзуется дублет и наклон одного зпемента предпопа- гает наклон второго элемента, то установка pickup может быть использована для "подхватывания" наклона от первого эпемента. В этом особом спучае вы допжны будете испопьзовать операторы TUTX и TUTY, при которых не работают допуски, установпенные по умопчанию. Еспи в вашей схеме есть такого типа solves, то вы можете проигнорировать появпяющееся на экране предупреждение "Solves should be deleted before tolerancing" ("Solves должны быть стерты перед выпопнением анализа допусков"). Trouble shooting the tolerance results Ошибки, уничтожающие результаты анализа допусков ^^ Смотри раздеп с описанием оператора "SAVE". Если какие-либо вычисленные данные анализа, такие как величина оценочной функции и ее процентное изменение, попучают значение "Infinity" ("Бесконечность") это означает, что величина оценочной функции не может быть вычислена при установленном допуске. Обычно оценочная функция не может быть вычислена, когда 16 -46 Chapter 16: TOLERANCING
в схеме некоторые лучи испытывают полное внутреннее отражение. Статистические данные, которые вытекают из результатов анализа чувствительности (sensitivity analysis), обычно бессмысленны, если для какого-либо допуска величина оценочной функции равна бесконечности. Устранить такое нарушение можно только одним способом - уменьшить в два или большее число раз величину допуска и повторить анализ. ■ Pitfalls when tolerancing "Подводные камни", на которые можно "налететь" при выполнении анализа допусков Одна из возможных ошибок - это физически невозможное распространение лучей при использовании операторов наклонов, таких как ТЕТХ и TETY. Если два элемента разделены очень небольшим воздушным промежутком или фиктивной поверхностью, введенные по умолчанию допуски произведут независимые наклоны каждого элемента. Если промежуток между элементами мал, существует возможность, что наклон одного из элементов приведет к его «наезду» на другой элемент. Этого не может произойти на практике, однако, при небольшом наклоне полученные величины допусков могут еще служить хорошим показателем характеристик системы. Так как программа анализа допусков наклоняет и децентрирует линзы, алгоритм автоматически задействует опцию "ray aiming" (смотри описание опции "ray aiming" в главе "System Menu"). Если номинальная величина оценочной функции, сообщаемая алгоритмом анализа, отличается от ожидаемого значения, то возможно, что опция "ray aiming" не была использована в вашей исходной схеме. Попытайтесь использовать опцию "ray aiming" и заново оптимизировать схему. Обычно, если получается большая разница в величинах оценочной функции при включенной и выключенной опции "ray aiming", то анализируемую схему можно оставить в том же виде. Summary Заключение Программа анализа допусков - очень мощная и гибкая. ZEMAX не использует какие- либо приближения, экстраполяции или приближенные оценки для вычисления допусков. С этой точки зрения ZEMAX производит хорошие результаты как для обычных, так и для сложных систем. Очень важно понимать, что анализ допусков - очень сложная процедура, и используемые ZEMAX алгоритмы для манипулирования данными оптической схемы не являются непогрешимыми. Поэтому проектировщики обязаны проверять разумность вычисленных программой результатов. Глава 16: ДОПУСКИ 16-47
MULTI-CONFIGURATIONS МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Introduction Введение ZEMAX предоставляет большие возможности для описания, анализа и оптимизации оптических систем, работающих с изменяемой конфигурацией Изменение конфигурации используется при проектировании zoom-систем, при оптимизации схем, предназначенных для работы на одной длине волны, а тестируемых на другой длине волны, или для проектирования систем, которые должны работать с разной конфигурацией, - если назвать только несколько применений этой программной особенности. Программа для схем с изменяемой конфигурацией хорошо интегри- интегрирована с другими программами ZEMAX. Однако, как и в случае анализа допусков, требуется повышенное внимание и больше практики для достижения определенного мастерства. В ZEMAX используется простая для освоения процедура замены данных для опреде- определения разных конфигураций. Разные конфигурации отличаются друг от друга различ- различными значениями одного и того же параметра. Например, в zoom-системах расстоя- расстояния мевду различными элементами могут принимать много разных значений. Кавдый ряд совместно установленных значений всех изменяемых параметров образует одну конфигурацию. The first step Первый шаг Самый важный шаг- это описать одну конфигурацию, работая для начала с ZEMAX в обычном режиме. Лучше начинать с самой сложной конфигурации; если все конфигурации имеют одинаковое количество элементов, можно взять любую из них. Как только Вы определили основную конфигурацию, следует перейти к определению новых конфигураций, представляющих собой различные вариации первой. Первая конфигурация не обязательно должна быть оптимизирована. Вы можете позже оптимизировать все конфигурации вместе. Выберите из главного меню команды Select Editors, Mufti-configuration. Появившаяся на экране таблица является Редактором конфигураций (Multi-Configuration Editor, MCE). С помощью команд, которые можно найти в меню этого редактора (команда Edit и выпадающее подменю), можно вводить в эту таблицу (и стирать из нее) дополнительные колонки для новых конфигураций и дополнительные строки для новых операторов. Ввести в таблицу новые или стереть из нее лишние строки можно также с помощью клавиатурных клавиш Insert и Delete соответственно. Введенные в таблицу МСЕ данные будут записываться автоматически каждый раз вместе с записью файла с Вашей схемой. Summary of multi-configuration operands Операторы, используемые в редакторе МСЕ Для записи в таблицу или изменения типа оператора два* ды кликните рлышкои на первую копонку в той строке, в которую Вы хотите записать новый оператор. На экране появится диапоговое окно с выпадаюшим списжо1/ операторов и Глава 17: МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИИ 17 -1
списком их аргументов, с помощью которых Вы можете выбрать и определить нужный оператор. В следующей ниже таблице приведен полный список операторов МСЕ с указанием их аргументов и описанием их назначения. SUMMARY OF MULTI-CONFIGURATION OPERANDS ОПЕРАТОРЫ МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИЙ Type Тип оператора APER APDX APDT APDF APDY APMN АРМХ CONN COTN CRVT CSP1 CSP2 CWGT Number Числовой аргумент Игнорируется Номер поверхности Игнорируется Игнорируется Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Игнорируется Description Описание Величина апертуры системы (для любой текущего способа задания апертуры системы, таких как "Entrance pupil diameter" или F/#). См. также SATP. Децентровка поверхностной апертуры по оси X. Апертура должна быть определена для данной поверхности (это НЕ величина лолудиаметра). Тип аподизации системы. Используйте 0 для системы без аподизации, 1 -для гауссовой аподизации и 2 -для тангенциальной аподизации. См. также APDF. Величина коэффициента аподизации. См. также APDT. Децентровка поверхностной апертуры по оси Y. Апертура должна быть определена для данной поверхности (это НЕ величина лолудиаметра). Минимальная величина поверхностной апертуры. Апертура должна быть определена для данной поверхности (это НЕ величина полудиаметра). Максимальная величина поверхностной апертуры. Апертура должна быть определена для данной поверхности (НЕ полудиаметр). Величина конической постоянной. Имя покрытия для данной поверхности (если покрытие применяется). Кривизна поверхности Параметр 1 для установки Solve на кривизну поверхности. Параметр 2 для установки Solve на кривизну поверхности. Весовой коэффициент конфигурации. Это вес данной конфигурации по отношению к другим конфигурациям. Весовые коэффици- коэффициенты используются при создании оценочной функции, которая будет производить оценку конфигураций в соответствии с их весами. Если вес конфигурации равен нулю, то эта конфигурация будет игнорирована при создании оценочной функции. 17-2 Chapter 17: MULTI-CONFIGURATION
Type Тип оператора EDVA FLTP FLWT FVAN FVCX FVCY FVDX FVDY GCRS GLSS HOLD MABB MCOM MDPG MIND MOFF NGLS NPAR NPOS PAR1 PAR2 PAR3 PAR4 PAR5 PAR6 PAR7 PAR8 Number Числовой аргумент Номер поверхности и номер дополнительных данных Игнорируется Номер поля Номер поля Номер поля Номер поля Номер поля Номер поля Игнорируется Номер поверхности Игнорируется Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Игнорируется Номер поверхности/номер объекта Номер поверхности /объекта/параметра Номер поверхности/ объекта/положение Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Description Описание Этот оператор используется для присвоения множества значений по внешним данным. 1 Этот оператор требует два числовых аргу-1 мента: номер поверхности и номер внешних 1 данных. Способ задания поля: 0 - угоп в градусах, 1 - высота объекта, 2 - высота изображения. Вес поля Коэффициент виньетирования VAN. Коэффициент виньетирования VCX Коэффициент виньетирования VCY Коэффициент виньетирования VDX Коэффициент виньетирования VDY Опорная поверхность в глобальной системе координат. Марка стекла Сохранение данных в буфере; не произво-дит никаких других действий. Позволяет сохранить данные при временном отклю- отключении одного из операторов. Число Аббе для модели стекла. Введение комментария к указанной поверхности. Частная дисперсия dPgF для модели стекла Показатель преломления для модели стекла Нефункциональный оператор. Может быть использован для введения комментария в таблицу редактора. Тип материала NSC объекта в NSC редакторе. Модификация данных в колонках параметров непоследовательных объектов в NSC редакторе. Модификация координат х. у, z и наклонов относительно осей X, Y и 2 непосле- непоследовательных объектов в NSC редакторе. Кодовый флажок - целое число от 1 до 6 для х, у, z, наклона X, наклона Y, наклона 2, соответственно. Параметр 1 Параметр 2 Параметр 3 Параметр 4 Параметр 5 Параметр 6 Параметр 7 Параметр 8 | Глава 17: МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИИ 17-3
Type Тип оператора PRAM PRES PRWV PSP1 PSP2 PSP3 PUCN RAAM SATP Number Числовой аргумент Номер поверхности/ параметра Игнорируется Игнорируется Номер поверхности и номер параметра Номер поверхности И номер параметра Номер поверхности и номер параметра Игнорируется Игнорируется Игнорируется Description Описание Величина параметра. Этот оператор контролирует любые параметры. Давление воздуха в атмосферах. Число 0 означает вакуум, 1 - нормальное атмосфер- атмосферное давление. Номер главной длины волны. Параметр 1 для установленного типа solve (Pickup surface). Этот параметр требует два числовых аргумента: номер поверхности и номер параметра. Параметр 2 для установленного типа solve (Scale factor). Этот параметр требует два числовых аргумента: номер поверхности и номер параметра. Параметр 3 для установленного типа solve (Offset). Этот параметр требует два числовых аргумента: номер поверхности и номер параметра. Используется для извлечения (Pick up) ряда данных из предыдущей конфигурации. Если номер конфигурации задать положительным целым числом, то из этой конфигурации будут извлечены (и перенесены в рассматрива- рассматриваемую) конфигурацию все данные, следующие за оператором PUCN. Если номер конфигура- конфигурации указать со знаком минус (отрицательное число), то из этой конфигурации не будут извлечены данные, следующие за операто- оператором PUCN. Заметьте, что два оператора PUCN можно использовать для выделения области данных, которые должны быть скопированы для рассматриваемой конфигу- конфигурации. Номера всех конфигураций, из которых копируются данные, должны быть меньше номера конфигурации, в которую копируются данные оператором PUCN. Опция "Ray aiming". Используйте 0. если опция не используется, 1 -для параксиаль- параксиального приближения, 2-для реального случая. Тип апертуры системы. Используйте 0 для "Entrance Pupil Diameter" (диаметр входного зрачка), 1 - для "Image Space F/#" (F/# в пространстве изображений), 2 - для "Object Space F/#" (числовая апертура в простран- пространстве объектов), 3 - для "Float By Stop Size" (плавающий размер апертурной диафрагмы), 4 - для "Paraxial Working F/#" (параксиальное рабочвее F/#), 5 - для "Object Cone Angle". 17-4 Chapter 17: MULTI-CONFIGURATION
Type Тип оператора SDIA STPS TEMP THIC TSP1 TSP2 TSP3 WAVE WLWT XFIE YFIE Number Числовой аргумент Номер поверхности Игнорируется Игнорируется Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер длины волны Номер длины волны Номер поля Номер поля Description Описание Величина полудиаметра. Номер поверхности, на которую устанав- устанавливается алертурная диафрагма (АД); АД может быть установлена на любую действующую поверхность (кроме поверхностей объекта и изображения) путем указания номера поверхности для каждой конфигурации. Температура в градусах Цепьсия. Толщина поверхности Параметр 1 для установки Solve на толщину поверхности. Параметр 2 для установки Solve на толщину поверхности. Параметр 3 для установки Solve на толщину поверхности. Длина волны Вес длины волны Величина поля по оси X Величина поля по оси Y Defining the number of configurations Определение числа конфигураций Количество конфигураций (также называемое числом ZOOM-позиций) изменяется путем введения или стирания конфигураций в таблице МСЕ с использованием соответствующих команд, указанных в меню Edit (опция таблицы редактора МСЕ). Defining each configuration Задание каждой конфигурации Для определения операторов МСЕ дважды кликните мышкой на имя оператора, который Вы хотите изменить (имена операторов указаны в крайней левой колонке таблицы МСЕ). Например. Вы хотите ввести разные (для разных конфигураций) значения для толщины поверхности 5. Предположим, Вы хотите это сделать трех конфигураций. Введите в таблицу МСЕ две новые колонки (конфигурации) с помощью меню Edit. Дважды кликните мышкой на первую строку крайней левой колонки таблицы. Из открывшегося диалогового окна выберите из списка операторов оператор ТН!С". В этом же окне выберите из списка числовых аргументов число " (номер поверхности в схеме) и нажмите электронную клавишу "ОКЧ. Теперь введите в таблицу значения нужных толщин для каждой конфигурации. Adding and removing elements Добавление элементов в схему и их удаление Редактор МСЕ может использоваться для задания оптических систем, работающих с убираемым или сменным элементом схемы. Этого можно легко достигнуть путем введения в некоторые конфигурации "элемента-призрака". Для определения такого Глава 17: МУЛЬТИКОНФИГУРАЦИИ 17-5
элемента (фактически - его первой поверхности) используется прием, при котором производится замена марки стекла. Предположим, что е конфигурации #1 элемент присутствует и сделан из стекла ВК7, а в конфигурации #2 этот элемент должен отсутствовать Используя оператор GLSS. укажите для конфигурации #1 марку ВК7, а для конфигурации #2 оставьте соответствующее поле свободным. Хотя поверхности этого элемента еще будут присутствовать в схеме конфигурации #2, они не будут оптически действовать, так как у них было удалено стекло (элемент становится состоящим из пары фиктивных поверхностей). Заметьте, что число поверхностей должно сохраняться одинаковым во всех конфигурациях. * Changing configuration Смена конфигураций Выполнение любого анализа для разных конфигураций схемы производится обычным путем. Все вычисления и построения графиков выполняются программой для активи- активизированной, текущей конфигурации. Для смены конфигурации дважды кликните мышкой на заголовок колонки (в таблице МСЕ) той конфигурации, которую Вы хотите активизировать. Для смены конфигураций (находясь в любом окне) Вы можете также использовать комбинации клавиш Ctrl-A и Shift-Ctrl-A. Optimization with multi configurations Оптимизация схем с изменяющейся конфигурацией ZEMAX выполняет оптимизацию параметров мультиконфигурационных схем таким же образом, как и для обычных схем. Чтобы сделать какой-либо параметр в конфигу- конфигурации переменной величиной, установите "курсор на этот параметр и нажмите клавиши Ctrl-Z. Клавиши Ctrl-Z являются переключателем; повторное нажатие на эти клавиши сделает параметр вновь постоянной величиной (снятие переменности). При вызове программы оптимизации все новые переменные будут автоматически пересчитаны. Вы можете определить столько переменных параметров, сколько хотите. Для выполнения совместной оптимизации всех конфигураций просто войдите в редактор оценочной функции и выберите из его меню Tools команду "Default Merit Function". ZEMAX создаст для Вас подходящую оценочную функцию. Совместная оптимизация для ряда конфигураций выполняется с использованием оператора CONF. Этот специальный оператор производит смену текущих конфигураций при вычислении оценочной функции. Это означает, что все операторы, следующие после оператора CONF, относятся к следующей конфигурации. Оператор CONF может использоваться много раз в последовательности операторов для оценки различных параметров. * Все введенные в мультиконфигурационные оценочные функции операторы (в частности, операторы ограничений) оцениваются и применяются только к той конфигурации, для которой они были определены. Например, если за оператором CONF 1 следуют другие разные операторы, такие как EFFL или REAY, эти операторы будут оцениваться только для конфигурации 1. Для того, чтобы эти же операторы применялись к конфигурации 2, они должны быть повторно введены в таблицу после оператора CONF 2. Преимуществом такой системы введения операторов является то. что она позволяет устанавливать различные целевые значения и разные весовые коэффициенты дпя 17-6 Chapter 17: MULTI-CONFIGURATION
одних и тех же операторов в каждой отдельной конфигурации. Недостатком этой системы является то, что для каждой конфигурации нужно повторно вводить одни и те же операторы. Suggestions for organizing multiple-configuration merit functions Советы по построению мультиконфигурационных оценочных Функций Есть две различные схемы построения мультиконфигурационной оценочной функции. Первый - это добавление нужных операторов в каждую группу запрограммированной (встроенной) оценочной функции: CONF 1: Операторы пользователя для конфигурации 1... Операторы встроенной оценочной функции для конфигурации 1... CONF 2: Операторы пользователя для конфигурации 2... Операторы встроенной оценочной функции для конфигурации 2... CONF 3: Операторы пользователя для конфигурации 3... Операторы встроенной оценочной функции для конфигурации 3... CONF4: и так далее Другая схема выглядит следующим образом. Нужно определить сначала встроенную оценочную функцию, а затем в верхней части таблицы ввести дополнительные операторы для всех конфигураций с тем, чтобы все они располагались в одном месте: CONF 1: Операторы пользователя для конфигурации 1„. CONF 2: Операторы пользователя для конфигурации 2... CONF 3: Операторы пользователя для конфигурации 3... CONF4: и так палее DMFS CONF 1: Операторы встроенной оценочной функции лля конфигурации 1... CONF 2: Операторы встроенной оиеночной функции .цля конфигурации 2... CONF 3: Операторы встроенной оценочной функции лля конфигурации 3~ CCNF-".: шл так лалее Обе эти схемы будут работать одинаково, но первая схема является более быстрой, так как затраты вычислительных ресурсов на изменения между конфигурациями снижаются. Вторая схема удобнее для редактирования и контроля. Обратите внимание на необходимость использования во второй схеме оператора DMFS, который должен быть введен в таблицу после списка введенных Вами операторов Этот оператор играет роль маркера, вводимого для того, чтобы при изменениях Глава 17: МУЛЬТИКОНФИП/РАЦИИ 17-7
встроенной оценочной функции эти изменения производились после этого оператора. не затрагивая введенных Вами операторов. Всегда имейте в виду что если Вы произвели какие-либо изменения позиций поля, высот или весовых коэффициентов, величины длин волн или их весов, или относительных весов разных конфигураций. Вы должны создать (с помощью ZEMAX) новую оценочную функцию. Когда ZEMAX создает оценочную функцию, он использует данные по каждой конфигурации для определения хода лучей и их соответствующего взвешивания. Запомните, что если Вы произвели изменение углов поля, высот или весовых коэффициентов, значений длин волн или их весов, или относительных весов для разных конфигураций. Вы должны ЗАНОВО определить оценочную функцию! Using solves with multi-configuration data Использование функций "solves" с мультиконфигурационными данными Два типа функций "solve1 поддерживаются с мультиконфигурационными данными: "Pick-up" от других операторов и конфигураций (с масштабированием и разностью) и "Thermal Pick-up". MCE Pick up solve Предположим, имеется три конфигурации и в двух из них значения одного из операторов (скажем. THIC или GLSS) должны иметь одинаковые значения. Установка "Pick-up" на этот оператор для одной конфигурации будет гарантировать, что в обоих конфигурациях значения этого оператора всегда будут одинаковыми. Для установки Pick-up solve дважды кликните на строку и конфигурацию, на которую вы хотите установить эту функцию. На экране появится диалоговое окно, которое позволяет определить тип функции "solve", номер конфигурации и номер оператора, а также масштабный коэффициент и арифметическую разность. Новая величина определяется следующим образом: новая_величина = исходная величина * масштабный__коэффициент + разность. Заметьте, что в качестве исходной величины может быть использована любая величина из какой-либо другой графы таблицы МСЕ с одним ограничением: Номер исходной конфигурации и номер исходного оператора должны быть меньше или равны номера текущей конфигурации и номера текущего оператора, соответственно. MCE Thermal pick up solves 2EMAX-EE поддерживает также функцию "Thermal Pick Up", которая позволяет объединить тепловые эффекты: см. главу "Thermal Analysis". 17 -8 Chapter 17: MULTI-CONFIGURATION
USING GLASS CATALOGS ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ Introduction Введение В ZEMAX включено несколько каталогов стекол, и Вы можете создать свои собственные каталоги. Стандартные каталоги можно отредактировать в соответствии с Вашими требованиями. В этой главе описано, как можно добавить новые марки стекол в существующие или новые каталоги и как следует использовать каталоги в Ваших схемах. Число каталогов, которые Вы можете создать сами, не ограничено. ZEMAX вычисляет величины показателя преломления через коэффициенты, введенные в каталоги стекол. Когда Вы в редакторе схемы (LDE) указываете какую- либо марку стекла (например, ВК7) ZEMAX ищет это стекло в каждом из загруженных каталогов. Если ZEMAX находит эту марку стекла, то он с помощью введенных в каталог коэффициентов и аппроксимирующей формулы для данного стекла вычисляет показатели преломления для каждой из установленных длин волн. Важно заметить, что во всех каталогах ZEMAX принимается, что вычисляемые по дисперсионным формулам величины показателей преломления являются относительными величинами, вычисленными как функция от относительной длины волны. Слово "относительный" означает, что эти величины относятся к воздушной среде при давлении в 1 атмосферу и при температуре, указанной в каталогах стекол. В ZEMAX принимается, что величины показателей преломления, вычисленные по дисперсионным формулам, являются относительными величинами, вычисленными как функция относительной длины волны. Этот метод может показаться более сложным, чем простое введение показателей преломления, но он имеет много преимуществ. Одно из них - формулы дают более точные данные, чем данные, вводимые пользователем. Каталог данных также более удобен и требует от пользователя только указания марки стекла. Это особенно полезно на стадии выбора марки стекла для схемы. Кроме того, можно использовать любую длину волны, если даже для этой длины волны нет измеренной величины показателя преломления. Главный недостаток этого метода - это необходимость вычисления коэффициентов для аппроксимирующей формулы, хотя они могут быть либо уже известны, либо могут быть"легко вычислены. Если Вы имеете величины показателей преломления для какого-либо материала, которого нет в каталоге, или если Вы чувствуете, что Ваши данные точнее каталожных, то ZEMAX вычислит соответствующие этим данным новые коэффициенты (см. раздел "Fitting index data" - "Подгонка данных'). Глава 18: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 18 -1
Specifying which glass catalogs to use Задание каталогов, которые должны быть использованы Эта глава посвящена описанию методов загрузки редактирования и обращения с каталогами стекол. Однако для указания названий так каталогов, которые должны быть использованы с данной схемой нужно использовать диалоговое окно General Lens Data (выберита из главного меню команды System. General) В этом окне высвечена стрехе под названием "Glass Catalogs" По умолчанию в этой строке записано слово ""schotf. это означает что загружен каталог SCHOTT AGF. Вы можете заменить этот каталог на другой, просто записав в строку имя файла (без расширения) другого катэпога Бы можете также ввести одновременно несколько каталогов записав в строку имена их файлов через интареэп Например, для использования каталогов ^schotT и "hoya". сделайта в строке 4jlass Catalogs" запись "scTictt hoya", для одновременного использования каталогов ^ohara", "schotT и "infrared" загшиита "оЬагэ sctiott infrared" Еще проще это сделать просто "кликнув мышкой*" на имена нужных каталогов перечисленных ниже строки "Glass Catalogs", Вы должны только налисать в строке имя только того каталога, которого нет в атом списке Все файлы каталогов сгакол должны быть записаны в поддиректорий \GLASSCAT главного директория ZEMAX Смысл этого в том чтобы выбранные имена каталогов стекол записывались с каг+дей отдельной схемой, если Вы запишите саою схему, а летом загрузите ее вновь, указанные вами каталоги (и только эти каталоги) будут загружены вместе со схемой автоматически Вы можете определить резные комбинации каталогов для каэдой Вашей схемы, если это необходимо Прим переводчика: Имейте в виду что б разных каталогах стекол разные го своим характеристикам стекла могут иметь одинаковые имена Например каталоги L2OS AGF и SCHOTT AGF содержат совершенно разные по своим характеристикам стекла под одним и тем же именем - ВК7. Во избежание путаницы необходимо следить за тем. какой именно каталог стекла используется с данной схемой. При необходимости использовать оба каталога, необходимо дать этим стеклам различные имена, например ВК7 и BK7R Editing end reviewing glass catalogs Просмотр и редактирование каталогов стекла ^ _ Для загрузки и редактирования существующего в базе ZEMAX каталога стекол выберите комвнды Toots, Glass Catalogs Б открывшемся диалоговом окне выберите из списка имя нужного каталога После этой операции загрузки каталога Вы мажете вводить, стирать или изменять данные в каталоге, как это будет слиевно в следующем разделе. Вы можете записать (сохранить) отредактированный каталог, но он будет записан под тем ке именем, какой он имел до редактирования Поэтому будьте очень внимательны, когда грсизесдите редактирование стендэртных каталогов; бы можете непреднамеренно внести ошибочные данные, которые при последующем использовании каталога будут приводить к неправильной трассировке лучей 18-2 Chapter 1B USING GLASS CATALOGS
Description of catalog data Описание каталожных данных В сине 'Glass Catalog" показано много данных по каждому отдельному стеклу Эти поля данных описаны в нижеследующей таблице. Позиция Gateleg Каталог Glass Имя стекла Rename Переименований Formula Формула Index IMd Пока каталь преломления Nd AbbeVd Число Аббе Vd Exclude Substitution Запретить использование Ignore Thermal Expansion Игнорировать тепловое расширение K1.L1 :А0.А1. А В, С els Коэффициенты дисперсионной формулы ТСЕ Коэффициент теплового расширения Описание Используется для вывода на экран данных определенного каталога стекол, написанного в формате \AGF)l Используется дли выводе ив экран данным нужной марки стекла из рассматриваемого каталога В случаях, когда стеклу нужно дать другое имя можно использо- использовать это поле для пвреименоввния стекла. Дисперсия каждого стекла описывается одной на формул Это контрольное окно позволяет выбрать нужную формулу Если Вы просто измените существующую установку, то данные дисперсии стенут ошибочными, при изменении формулы Вы должны одновременно ввести соответствующие этой формуле числовые коэффициенты для данной марки стекла- См раздал "The glass dispersion fon7iLjla5_rA"CnepcHCHhbie формулы стекоп ). Показатель преломления для d-пинии @.5В7 мкм} ZEMAX не исоопьзует это число при вычислениях показателем преломления. Это число показано только для справки Занесение этого числа в окно может быть бессмысленным для некоторых материвлов которые плохо пропускают в области около 0.587 мкм. Число Аббе для d-линни Это число не используется ZEMAX при вычислении показателей преломления, дано только для справки Если активизировать это голе, то данная марка стекла бдот исключена из рассмотрения при выполнения глобальной оптими- оптимизации (при замене-модельного стекла реальным стеклом, а также при вычислении оператора оптимизации RGLA) Эта опция позволяет создать точную тепловую модель нетвердс- тельных материалов (таких как газы и жидкости), допускал введении тепловых коэффициентов прямо в таблицу редактора схемы LDE вместо введения их в каталоги стекол. Рассматри- Рассматриваются только краевые эффекты что- касается радиусов кривизны и других тапповых функций "pickup solve", вев они будут исполь- использовать величины ТСЕ для смежных материалов, а не величины ТСЕ для газа или жидкости Первые шесть строк б центральной колонке предназначены для записи числовых коэффициентов дисперсионной формулы Эти коэффициенты имеют различные обозначения в зависимости от вида дисперсионной формулы Смотри раздал The glass dispersion formulas" Величина коэффициента телпо&ого расширения материала для области тампвре1\р от 30 до +70 С Это безразмерный параметр Показе иные или вводимые числа должны быть умножены на 1Е-6 для получения действительного значения Сокращенное обозначение этого коэффициента - ТСЕ (Thermal Coefficient of Expansion) Глава IS ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 1В-3
Позиция Temp Ou.D1.D2.E0. €л Ltk dPgF Mm Wave. Мак Wave Relative Cost Относительная стоимость стекла CR. FR. SR, AR. PR Описание Температура (б градусах Цэльсия), для которой вычисляются величины показателя преломления для ст-екал данного каталога См тэкже в главе "Thermal Analysis" раздал "Defining temperature and pressure4 Эти поля предназначены для квписи числовых коэффициентов формулы, описывающей тампературную зависимость показателя преломления стакла Смотри главу "Thermal Analysis" р - плотность материала в граммах на кубический сантиметр Валичиие отклонения частной дисперсии ст "нормальной" прямой Минимальная и максимальная длины волн, в пределах которых дисперсмоннея формула дает травильные результаты. Это число обозначает примерную относительную стоимость стекла в сравнении со стеклом 6К7 Например, значение 3 5 означает, что данное стекло примерно в 3 5 раза дороже стакла ВК7. Это число служит только для грубой оценки стоимости стекла. Точная стоимость стекла зависит от его качества количестве, формы заготовки и доступности Бопве детальную информацию можно получить у производителя. Это коды, характеризующие устойчивость стекол к различного рода воздействиям со стороны Офужающей среды CR - Climate Resistance (устойчивость к влажной атмосфера). FR - Stain Resistance (пятиаемость). SR - Acid Resistance (кислотная устойчивость). AR - Alkali Reslstanpe (папочная устойчивость), PR - Phosphate Resistance (устойчивость к фосфатам). В общем, чем меньше числовые значения этих кодов, тем болве стойким является стекло За бопве полным описанием этих характеристик и условий, при которых производится тастирование, следует обратиться к производителю Creating a new catalog Создание нового каталога Для создания нового каталога стекол сначала выЙдита из программы ZEMAX. Затам сдалайте копию одного из каталогов {например, SHOTT.AGF) в файл под новым именем Затем анавь войдита в ZEMAX, зэгрузита новый каталог, удалите из каго ненужные марки стекла и введита б него новые стекла. Вы можете также непосредственно отредактировать новый файл VAGF. так как он записан е формета ASCII Имейте в виду при ненменовении новых стекол и переименовании старых В ZEMAX в именах стекол пробелы не допускаются. 18 -4 Chapter 18: USING GLASS CATALOGS
The glass dispersion formulas Дисперсионные формулы стекол Дисперсионные коэффициенты, указанные в каталогах стекол, используются в одной из нескольких полиномиальных формул, поддерживаемых ZEMAX. В настоящей версии программы поддерживается девять различных дисперсионных формул Sdrctt. Sellmeler 1. Sellmeier 2, Sellmeier 3. Sellmeier 4, Herzberger. Conrady и две вариации формул иэ книги "Handbook of Optics". Смысл использования нескольких формул Sellrneier состоит е том. что в литературе встречаются разные формы этой формулы. Имеется также еще одна дисперсионная формула, с которой величины показателей преломления вычисляются по введенным в таблицу шестизначным MIL- числем Эта формула ие входит в каталоги стекол и не высвечивается в общем списке дислероиониых формул Ее списание дано в последнем разделе этой главы. Вы можете прямо добавить в текущий загруженный каталог новые стекла, если Вы расплагаете численными значениями коэффициентов одного из приведенных ниже уравнений Во всех уравнения А выражена в микрогех The Schott formula Дисперсионная формула Schott выглэдиг следующим образом Величины коэффициентов для этой формулы приводятся е большинстве каталогов стекол Фирма Schott сама не очень долго ислольаовала эту формулу но она широко иоюпьэуеггся другими производителями стекол. The Sellmeier I formula Формула SeLlmeief 1 определяется как = ~ + 2 + , Для списания дисперсии ыетериала необходимо ввести величины коэффициентов для всех трех слагаемых е правой части, хотя можно использовать и меньшее их количество The SeHtneier z formula Формула Sellmeier 2 определяется как: 6 этой (формупэ в правой части топько два слагаемых зависят от длины волны. Причем числитель второго слагаемого ие зависит от длины волны имеется также постоянная. Глава 16. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 18-5
The Sellrneier 3 formula Фор мула Sellmeier 3 аыглвдит точно так же как формула Sellmeier 1 но содержит в правой части еще один дополнительный член* П —I — The Sellmeier 4 formula Формула Seflmeier 4 определяется ВЛ2 DA1 The Herzbercier formula Формула Herzberger (Герцбергера) выгладит следующим оБраэом +DA2 + EX i-t ^^ Л2 - 0.028" Формула Герцбергерэ используется в основном в инфракрасной области спектра Эти коэффициенты для инфракрасных материалов часто измеряются эксперимен- экспериментально с значительными распадениями в результатах' будьте осторожны при интерпретации точных значений показателей преломления. ZEMAX ие содержит большого каталога инфракрасных материалов, так как данные для этих материалов сильно различаются. Если Вы располагаете более точными денными для данного материала или его образца, обязательно исосльзуйте их. Часто денные плавки для данной порции материала доступны в виде некоторых коэффициентов, эти данные также могут быть полазны в некоторых случаях The Conrady formula Формула Conrady имеет вид. А Б Формула Cunrady очень полезно при аппроксимации дисперсионной кривой по ограниченному количеству данных. Например, если Вы располагаете величинами показателей праломпенин только для трех длин волн, то при -использовании формулы Schott с шестью неизвестными будут пол¥чатьси ошибочные результаты для промежуточных длин волк 18 -6 Chapter 18: USING GLASS CATALOGS
Яш HandbooV of Qptlca 1 formula Q книге 'Handbook of Optlca" есть две подобные формулы. Первая формула выгпвдит как {Л2-С) The Handbook of Optics 2 formula Вторая Формула из книги "Handbook of Op1icsB выглядит как: {Л1-С) Genaral comments of using dispersion formulas Общий комментарий к использованию дисперсионных формул Следует отметить, что в некоторых публикации* используются ураанения, подобные приведены» еьние. но записанные в несколько другой форме. Такие выражения часто можно трансформировать к требуемой форме, а затем пересчитать для них величины новых, требуемых, коэффициентов. ■ Полезно проверить правильность коэффициентов, сверяя получаемые по формуле величины показателей преломления с опубликованными во многих справочниках и статьях табулированными данными. Используйте для этой цели графики с диспер- дисперсионными кривыми {dispersion plot) и чисповье таблицы или спецификацию данных оптической системы (prescription data), е которой приводятся показатели преломления для канщой поверхности. Если данные расходятся, проверьта. не ошиблись ли Вы При введении данных в каталог, и прсварьте, правильные ли единицы измерения и формула были Вами* использованы. Fitting index data Аппроксимация дисперсионных данных Смотри также данный ниже раздел ''Fitting melt data" Часто бывает, что в каталоге уже есть оптические материалы» которые Вы соби- собираетесь использовать в схеме. Если их нет Вы можете ввести в каталог новые материалы, записав для них величины коэффициентов для какой-либо из описанных выше формул Как эльтернатиеный вариант, ZEMAX может вычислить для Вас величины коэффициентов для дисперсионных формул Schott. Herzberger. Conrady или SeHmeler 1 Для этой цели активизируйте диалоговое окно Glass catalog и нажмите в этом окне нв электронную клавишу "Fit Data": на экране появится новое диалоговое окно под названием "Fit Index Data1* Б этом окне с левой стороны находится таблица-редактор состоящая из двух столбцов- С помощью мышки введите в эти столбцы имеющиеся у Вас данные для длин воль (б микрон в х) и соотавтстеугощих им величин показателя преломления Чем Ггшэ1В ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 18-7
больше Вы введет а данных тем точнее будет произведена подгонка дисперсионной кривой Не менее трех точек необходимо задать для хорошей подгонки по формуле Conrady и не менее шести {предпочтительно двенадцать или пятнадцать) — для подгонки яо формулам Schott Hetzberger или Sellrneler 1 С помощью списка Formula"" выберита нужную формулу Бы можете опробовать все формулы, чтобы увидеть, какая иэ них дает наименьшие ошибки В голе RMS Err" приведена величина среднеквадратической ошибки между введенными данными и новыми данными, генерированными уже с использованием полученных в результате подгонки числовых коэффициентов для указанной формулы. В голе "Max Err" лриведеие величина максимельной ошибки ме>+щу введенными данными и аппроксимирующей кривой Обе зги ошибки можно сравнить с величиной показателя преломления, которая, конечно, является Секразмернсй. Так как формула Sellmeier 1 содержит иэлинейные коэффициенты, то подгонка ло ней производится итерацией, так что эта процедура занимает больше вычислительно еремени, чем при использовании других формул Теперь установите курсор на поле "Name" и еведита имя под которым новый матариал будет значиться в данном каталоге Нажмите на электронную клавишу "Fit", и ZEMAX произведет вычисление оптимальных величин коэффициентов Величины сраднекведратичаской и максимальной ошибок будут высвечены в описанных выше полях Для введения этих данных в такущий загруженный каталог дейта коменду 4Add to catalog" {Добавить в каталог), ZEMAX подтвердит, что запись в каталог одалэнэ После этого необходимо ввести в каталог, как это будет описано б оледующем разделе, данные о спектральном пропускании нового стекла. Если эти данные не будут введены, то дли всех длин волн величина коэффициента пропускания будат установлена равной 1.0! Данные о длииех волн и соответствующих им величин показателя преломления могут быть гакжв записаны в отдельный ASCII-файп (для их последующего использования) и загружаться иэ него в редакционную таблицу для новой лодгонки. запись и загрузка данных производится с помощью электронных клавиш Seve Index Data11 (Запись данных показателей преломления) и Toad index Data" (Загрузка данных показателей преломления). Fitting melt data Аппроксимация данных "плавки" Смотри твкже данный еыше раздал "Fitting index data Важно понимать, что вычисляемая ZEMAX или указанная в каталогах производителя стекол величина показателя преломления представляет собой среднее значение для большого числа "плавок" или партий стекол. Величины показателя преломления у стекол, полученных при разных плавках, могут несколько отличаться от каталожных, или номинальных значений Отклонения обычно невелики но разница номинальны к и действительных валичин показателя праломпения может быть весьма существенной для некоторых оптичаских систем. Обычно, когда производитель стакол отлраалпвт качественней оптическое стекло к заказчику, в сопроводительном документе указываются данные о 1С -8 Chapter 16 USING GLASS CATALOGS
преломлении данного стекла для нескольких длин колн (либо в виде отклонений этих величин от каталожных значении, либо непосредственно измеренные величины показателей преломления) Обычно указываются величины показателей преломления для 3-5 длин во/и Эти значения называются дэнкь*№ "плавки" так как они относятся к партии стекла гютучеиюй при одной плавке Доступ к опции "Melt Data", позволяющей ввести в каталог новое стекло с данными плавки, осуществляется через диалоговое окно "Glass Catalogs" Можно «вести данные плевки максимум для 6 длин волн Если вы имеете более 8 точек, исаспьзуйте опцию Fit Index4» описание которой было дано в предыдущем разделе. Число точек должно быть ие менее трех, но для хорошей подгонки данных должно быть по меньшей мере 4 точки а еще лучше - 5. Область длин волн, для которой лредстеалекы данные плавки, должна быть как можно шире и должна перекрывать область длни волн, для которой будет производиться трассировка лучей Во всех олучаих точность результатов аппроисимацт должна быть вныдетально проанализирована перед использованием полученных данных. Программа "Мей Data Tool" имеет следующие установки- Glass (Стекло)" Наименование номинального стекла в рассматриваемом каталоге стекол Melt Name (Плавка) Намленавание нового, соэдаввамого стекла. По умолчанию к имени номинального стекла добавляется окончание "_MELF Имя стекла не содержать более 20 печатных Formula (Формула) Выбор дислерсисиной формулы По умолчанию использует- используется дисперсионная формула "SchotT" если для номинального стекла была ютольэоване какая-либо другая формула, то для нового стекла будет использо- использоваться эта же формула (если ие выбрана другая формула) Use (Использовать) Эта колонка предназначена для отбора и отбраковки данных, которые будут использованы для аппроксимации Wavelength (Длина волны)" Длина колны (е микронах) для которой в соседней колонве указывается величина показателя преломления Nominal (Номинальная величине). Номинальная величина показателя преломле- преломления, которая была использована для номинального стекла Actual (Действительная величина)" Намеренней величина показателя праломле- нмя для данной плавки Если производится редакция этой величины, то авто- автоматически вычисляется и вводится в колонку Delta" разность номинальной и действительной величин Delta (Дельте) Разность между номинальной и действительной величинами показателя преломления Если производится редактирование этой величины, то в колонку "Actual" автомзтически-вводится новое значение для действительной величины показателя пралсмления Fit/Insert (АппроксимэцияШврд)" Коменда на начало процесса алпроксимеции Обсуждение процесса аппроксимации смотри в следующем разделе Cancal (Отменить) Отмена процесса подгонки данных Глина 18. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 18-9
После окончания процесса аппроксимации новое стекло будет введено б каталог стекол, расширенный каталог будет ветоиатически записан, а на экран будут выведены результирующие данные Discussion of melt fitting method: Обсуждение метода аппроксимации данных плавки: Проблема с аппроксимацией данных плавки состоит в том что обычно эти данные известны для нескольких длин вот. типично для 3-5- Большинство же Программ, выполняющих аппроксимацию, требуют для получения хорошей точности использования данных по меньшей мере для 8 длин волн. Таким образом, необходимо проводить экстраводяцию данных от наскопьких точек дисперсионной кривой на большее число точек дли получения хорошей результирующей точности ZEMAX использует следующий алгоритм Сначала аппроксимируются имевшиеся данные плавки го формуле Conrady Эта формула дает стабильные и приемлвыые результаты при использовании данных даже для трах длин волн Затем по этой же формуле производится аппроксимация номинальных данных для так же длни волн для которых был* получены денные плваки Затем генерируется большое чиопо точек (GO) покрывающих всю полезную спектральную область номинального стекла К каждому номинальному энвчению показателя преломления прибвеляется разность между двумя дисперсионными крнаыым. полученными ло формулам Conrady для длни еолн плааки Неконец, производится аппроксимация полученных денных для большого числа длин волн го одной из выбранных дисперсионных формул (ие обязательно по формуле Conrady}. Эти результирующие данные вводятся в каталог После окончания этого процесса результирующие данные выводятся на экран Проверьте внимательно эти результирующие данные перед их использованием1 Для нового стекла ZEMAX ватсметическн копирует все характеристики номинального стекла, пропускание, плотность, стоимость и другие денные Перед использованием нового стекла вннметельно проверьте результирующую точность аппроксимации данных плавки111 Defining Transmission Data Определение коэффициентов пропускания Нажатие электронной клаанши Transmission* (Пропускание) б диалоговом окне catalog выводит ка экран редактор данных пропускания стекоп Пропускание относится к интенсивности света и зависит как от толщины материапа. так и от длиим волнь*. ZEMAX моделирует пэредзыу интенсивности сеета е соответствии с законом Вера. 16-10 Chapter 1G USING GLASS CATALOGS
где а - пропускание на единицу длины которое главным образом зависит от длины волны, а т - длнив пути саета через стекло. Смотри глав/ Polarization Analysie" (Поляризационный анализ}, а которой дано определение пропускания для поляри- поляризованного свята. Пропускание стекол задается в каталоге тремя числами: длиной волны в микронах, величиной пропускания и толщиной материала б мм. для которой указано Пропускание- Например, пропускание стекла на длние волны О 35 мкм может быть 0.65 для толщины 25 мм Таким образом можно задать в редакторе пропускания большое число точек При использовании этих данные ZEMAX пересчитывает пропускание в расчете на 1 мм толщины материала и экстраполирует данные мавду определеиньми длинами вопи Если длина волны трассируемого луча находится за пределами заданной спектральной области, то используются данные для Ближайшей заданной длины еолиы; в других олучэях ZEMAX выво/инет линейную интерполяцию. Не для веек стекол в каталогах имеются данные об их пропускании, особенно для материалов используемых в инфракрасной области спектра и некоторых других типов некоммерческих стекол- Если даниме о пропускана сообщаются г мзводитепем оптического ыетериала, то они. как правило, включены в каталоги Е in нет надежных данных о пропускании стекла или такие данные вообще с утстоуют то по умолчанию для всех длин волн используется значение 1 О Modeling gases and liquids Моделирование газов и жидкостей Если материал определен в каталоге, то ZEMAX будет использовать указанную для этого материала величину ТСЕ для вычисления теплового изменения радиуса, центральной толщины и других параметров соответствующих поверхностей Однеко. если материал не является твердотельным {а является газообразным или жидким), то тепловое расширенна обычно определяется ие свойствами мегериала, а краевой толщиной материала олравы В этом специальном случае ZEMAX должен использовать величину ТСЕ заданную в Lens Data Editor для материала оправь], а ие величину ТСЕ. заданную в каталоге стекол Это может быть сделвно путем установки в каталоге стекол пометки 'Ignore Thermal Expansion" (Игнорировать тепловое растирание) Other glass catalog option Другие опции каталога стекол При нажатии, на электронную клавишу "Son index" производится сортировка стекол в каталожном слиске го величине показателя праломления для d-ликнн (О 567 мкм), в при ыажаггии на электронную клавишу "Son Name" - сергировка стеноп по именем { в алфавитном порядке а затем - по номерам) При нажатии на электронную клавишу "Calc Nd/Vo" производится вычисление величин Ыд и Vd на основе каталожных коэффициентов дисперсии Нажатие ие электротую клавишу Report" выводит на экран текст с характеристиками данного сгакла Глава 1В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 1в -
Finding в glass quickly Быстрый поиск стекла в каталогах Самый быстрый способ для просмотра характеристик какого-либо стекла - это 'кликнуть' один раз курсором (установить курсор) на имя данного стекла в Lens Data Editor a sstgm через главное меню (Tools. Glass Catalogs) войти а диалоговое окно Glass catalog'. В этом окне сразу же будет высвечены характеристики указанного стекла и имя содержащего его каталога Using MIL number glasses Использование MIL-чисел для описания стекол MIL-числа стекол служат для описания стекол с помощью шестизначных чисел, таких как 517640 дли стекла ВК7 Первые три цифры этого числа — это величина показателя преломления для d-линии минус единица, без десятичной запятой, последние три цифры - это V-чйсло Аббе. умноженное на 10 Вы можете, если хотите, вместо названия стекла ввести е каталог такие шестизначные числа ZEMAX испогъэует MIL-числа для вычисления по ним показателя преломления для заданных длин волн Формула для вычислений основана на подгонке методом наименьших квадратов коэффициентов многих типичных стекол. Обычно, показатель преломлении вычисляется этим способом с точностью примерно 0001 Для далекой ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областей спектра значения показателей преломления вычисляются с меньшей точностью MIL-числа стекол обычно плохо моделируют дисперсию стекол, но они бывают полезны, когда нет других данных Заметьте, чтоолисакне стекол с помощью WlL-чмсел яеляется очень приближенным, хотя обычно они хорошо аппроксимируют кривую дисперсии в видимой области слектра. Но в ультрафиолетовой ы в инфракрасной областях слектра эти числа являются неточными и не должны использоваться! Важно отметить, что вычисляемые по Ml [.-числам величины показателей преломле- преломления на являются теми же числам», которые вычисляются по каталожным данным, если даже MIL-числа соответствуют данным каталога. Величины показателей преломления вычисляются прямо пс MIL-числам только в том случае, если MIL-числа введены в таблицу главного редактора; в этом случае они не вычисляются по каталожным данным, если даже MIL-числа приведены в каталоге Using model glasses Использование моделей стекол ZEMAX может идеализировать дисперсию стекол, используя величину показателя преломления для d-лннии @.5675616 мкм)г число Аббе и число, которое описывает отклсненна частной дисперсии от "нормальной прямой11 Показатель преломления для d-лкнии обозначается символом К|й- Число Аббе (называемое текже V-числом) обозначается символом V« и определяется форм/пой 16 -12 Chapter IB: USING GLASS CATALOGS
где Nf и Nc - показатели преломлении для длин вс/w 0.4861S27 и 0 6562725 мкм соответственно Отклонение частной дисперсии от нормвпьноЯ прямой б символом ZEMAX использует формулу основанную на типичной дисперсии стандартных стекол в видимей области спектра, для оценки величины показателя преломления для какой-либо длины волны а видимой области в зависимости от величии Nd и Vd Этв формуло имеет точность примерно D О001 для типичных стекол Величины Nd V«j и &Pfil f указаны а диалоговом окне "Glass solve' которое мом- вызвать из редактора Lens Data Editor Заметьте, что модели стекол являются приближенными хотя они обычно очень хорошо работают в видимой области спектра В ультрафиолетовой v в инфракрасной областях спектра модели стекол не являются точными и не должны исао/ъэоватъея! Glass catalog sources Литературные источники каталожных данных Введенных в ZEMAX каталоги стекол в основном взяты от производителей стекол Например, данные каталога Shott были получены фирмой Focus Software от фирмы Short Glass Technologies. Эти данные были только преобразованы в формат ZEMAX,AGF Хотя содержащиеся в каталогах данные вполне надежны, всегда возможны ошибки, сделанные лри передаче или при введении данных. Абсолютно необходимо, чтобы конечный пользователь программы проверил точность всех данных! Ото особенно необходимо вделать, если планируется изготовление оптики Данные каталогов могут содержать ошибки, и они должны быть проверены, прежде чем им можно будет доверять' Данные каталогов могут содержать ошибки, и они должны быть проверены, прежде чем им можно будет доверять! Абсолютно необходимо пользователь ZEMAX проверил точность всех данных! Данные, содержащиеся в каталоге INFRARED AGF. были взяты из опубликованных источников, которые приведены а нижеследующей таблице Для нескольких материалов в таблице нет ссылок. Данные по этим материалам должны быть тщательно исследованы перед их использованием INFRARED CATALOG DATA SOURCES ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО КАТАЛОГА Материал AG3ASS3 AGCL AGGAS2 AGGESE2 AL2O3 Ссылке Handbook of Optics Vol l| HBTidbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol II Handbook of Opocs Vol II handbook of Optics Vol II Глава 16 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ
Материал AL.W ALON AMTIR1 AMTJR3 BAF2 BEO CALCITE CAF2 CAM004 CAWO4 CDSE CDTE CLEARTRAN CLEARTRAM OLD CSBR CUGAS2 GAAS GEO2 GE LONG GERMANIUM [RG2 IRG3 IRGN6 IRG7 IRG9 IRG11 IRG1S IRG100 KRS5 LIF LINBO3 L|O3 MGF2 MGO NACL PBF2 SAPPHIRE EJLICON F SILICA SRF2 SRT1O3 TAS ТЕ ZBLA ZBLAN ZNGEP2 ZNO Ссылка Handbook of Optics Vol.M Handbook of Optics Vol II Amtir Spec Sheet Amtir Spec Sheet Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol П Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol.il Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol.i I Handbook of Optics Vol.ll Spec Sheet (Rohm & Haas) Spec Sheet (Morton) Handbook of Optics Vol M Handbook of Optics Vol.ll Amtir Spec Sheet Handbook cf Optics Val II JOSA. 47,244 E7). 48. 579_[5B) JOSA, 47,244 E7) 48. 579 E8) Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheet Schott Spec Sheel Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol.ll Handbook cfOpticsVol.il Handbook of Optics VoUl Handbook of Optics Vof II The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook V. Ill Handbook of Optics Vol.ll Ttie Infrared & Electro-Optical Systems Handbook V. Ill Handbook of Optics Vol 1Г The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook V. HI Handbook of Optics Vol II Handbook cf Optics Vof 11 Handbook of Optics Vol 11 Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll 18-14 Chapter 18 USING GLASS CATALOGS
Материал ZNSE 2NS Ссылка Handbook of Optics Vd.ll Morion International Spec Sheet Данные каталога MISC.AGF взяты из опубликованных источников, приведенных в нижеследующей таблице Материал ACRYLIC АЬР BASF5 BASF55 ВАТ1ОЗ ВВО CAF2 CDS сое KDP LAF3 LIYF3 РВМОО4 РММА POLYCARB POLYSTYR PYREX QUARTZ SAN SEAWATER SILICA SRMOO4 TEO2 TYPEA VACUUM WATER Ссылка Handbook of Optics Vol.11 Handbook of Optics VoLU Laikfn, Lens Desiqn Laikin. Lens Design Handbook of Optics Vol.11 Handbook of Optics Vol.1 f Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vof II Hoecnsl Celanese Spec sheet Handbook of Optics VolJI Handbook of Optics VoMI Нвлс1Ьоок of Optics VqHI Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll Handbook of Optics Vol.ll Laikin, Lens Design Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol If Laikin. Lens Design Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol II Handbook of Optics Vol II Laikin. Lens Design Laikin, Lens Design Leikin. Lena Design Obsolete catalog date Вышедшие из употребления каталоги Недавно принятые законы по защите окружающей среды потребовали прекращения производства многих оптических стекол. Было прекращено производство примерно каждых двух из трех стекол, входивших ранее в каталоги резных производителей, и поэтому дти стекла теперь не включены в каталоги ZEMAX Однако, многие из этих стекол еще продаются в оптических магазинах и фактически ног/т быть еще использованы для мзготовлания новых оптических систем. Кроме того, бывает необходимо провести моделирование уже существующих оптическим систем, особенно в тех случаях, когда новые оптические системы должны работать в комплексе с существующими. С этой цвлью старые каталоги стекол еще сохранены Глава 18 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛОГОВ СТЕКОЛ 18-15
Всем вышедшим из употрелення каталогам присвоены такие имена, как SCHO AGF дли каталога Schott OLDJ4OYA AGF для каталога Ноуа и так далее. Каталоги содержат данные как для стекол, выпуск которых прекращен, тек и для стекол, выпуск ксггорых продолжается *атя стекла с идентичными именами в стерых и новым каталогам могут иметь разные показатели преломлении, тек как состав какоторых стекол был изменен для приведения их в соответствие с новыми ограничениями Тан как каиэторые новые стекла могут кьеть те же имена, как м у старых стекол, хотя их состав может Быть изменен, инженеры должны быть особенно внимательны при контроле характеристик стекол генерируемых программой и реальных заготовок стекол, хоторые будут ислользованы для изготовления оптической системы Никогда нв доеерРйте слепо точности величин показателей преломления, вычислен- вычисленным по каталожным коэффициенте^! Существует большое число источников потенциальных сшибок, таких как ошибки измерения оригинальных образцов, сшибки подгонки дэнньж. ошибки при печати данных в каталогах самих производителей стекол и при вводе денных в ZEMAX и, неконеч, ошибки самой Программы ZEMAX. 18 -16 Chapter 16 USING GLASS CATALOGS
THERMAL ANALYSIS ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Introduction Введение ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУПЕН ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ ZEMAX-EE Такие факторы окружающей среды, как окружающая температура и давление воздуха, могут испортить характеристики оптической системы. Три главных фактора должны быть рассмотрены. Во-первых, показатель преломления стекол зависит и от температуры, и от длины волны; относительная величина показателя преломления, которая измеряется по отношению -к воздуху, также изменяется с изменением давления. Во-вторых, стекло расширяется и сжимается в зависимости от температуры, что приводит к изменению радиусов и толщин линз. В-третьих, рас- расстояние между элементами оптической системы может изменяться в результате расширения и сжатия материала оправы. Программа термооптического анализа ZEMAX учитывает все эти факторы. Благодаря этому ZEMAX может быть полезен для анализа и оптимизации схем, работающих как при какой-либо одной заданной температуре, так и в заданной области температур. Величины показателей преломления, вычисляемые по дисперсионным формулам, обычно относятся к стандартным условиям: температура 20 - 25°С (в зависимости от производителя) и давление 1 атм. Кроме того, величины показателей преломления обычно вычисляются относительно воздуха, то есть принимается, что воздух имеет показатель преломления, равный 1. Величины показателя преломления, вычисленные относительно воздуха, называются относительными величинами показателя преломления. Когда величины показателя преломления вычисляются относительно вакуума (показатель преломления которого действительно равен единице), то они называются абсолютными величинами показателя преломления. Разница между этими двумя величинами показателя преломления для любого стекла зависит от длины волны излучения, температуры и давления. Defining temperature and pressure Задание значений температуры и давления Для определения окружающих условий попьзователь должен задать две величины: температуру в градусах Цельсия и давление в атмосферах. Эти значения устанавливаются через диалоговое окно, которое можно открыть командами System, Advanced. В этом диалоговом окне имеется также контрольное окошко с названием «Use Temperature.Pressure». Если это окошко активизировать, то температура и давление будут учитываться при вычислениях величин показателя преломления. По умолчанию заданные величины температуры и давления применяются ко всем поверхностям текущей схемы. Однако можно задать разные значения температуры и давления для разных элементов оптической системы. Это требуется, например, для оптических систем, у которых некоторые элементы находятся в ваккумированном объеме или в горячей зоне. Глава 19: ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 19 -1
Defining wavelengths Задание длин волн Длины волн в ZEMAX всегда измеряются в микронах и относятся к воздушной среде ("аи") при заданных для текущей схемы значениях температуры и давления. По умолчанию принимается, что температура равна 20 градусам по шкале Цельсия и давленна равно 1 атмосфере Еспи для текущей схемы заданы другие значения температуры м/или давления или эти параметры контролируются операторами мультиконфигурации. то необходимо сделать коррекцию для величин длин волн в соответствии с новыми значениями темлерагтуры и давления воздуха. Длины волк вводятся черва диалоговое окно "Wavelength Data", см в глазе "System rneniT раздел -Wavelengths" Длины волн всегда измеряются в микронах и относятся к воздушной среде при заданных значениях температурь! и давления. Index of refraction computation Вычисление величины показателя преломления В ZEMAX всегда используются относительные, э не абсолютные величины показателя преломления. Относительная величина показателя преломления оптического мвтеривлэ определяется относительно воздушной среды (в коленке "Glass" редактора схемы показан пробел) показатель преломления которой принимается точно равным 1.0 для всех длин волн при заданных значениях температуры и давления. Величины показателя преломления воздуха и стекла при других значениях температуры и давления нормируются к 1 0 ZEMAX вычисляет относительные величины показателя преломления несколькими шагами Основные шаги вычисления относительной величины показателя преломления для какого-либо типа стекла для каждой длины волны следующие - Вычисляется величина относительного показателя преломления стекла по каталожной дисперсионной формуле. - Вычисляется величина показателя преломления воздуха при стэндэрткой (каталожной) температуре стэкла - Вычисляется величина абсолютного показателя преломления стекла (относительно вакуума) при стандартной величине температуры стекла. - Вычисляется величина изменения вбеолютной величины показателя преломления стекла для заданной величины температуры стэкла - Вычисляется величине показателя преломления воздуха при заданных значениях температуры и давления в оптической системе - Вычисляется величина показателя преломления стекла относительно воздуха при заданных значения* температуры и давления воздуха в оптической системе Полученная в итога величина показателя преломления стекла при величинах температуры и давления относится к воздуху при определенных для системы величинву температуры и давления. Эте величина показатели преломления затем используется ZEMAX для трассировки лучей через оптическую систему 1S -2 Chapter 19: THERMAL ANALYSIS
Величине показателя преломления поверхности, состоящей из воздуха (воздушный промежуток), вычисляется теким же оВраэом. Это означает, что величины показателя преломления для "воздушных" псэерхносгей fair") при заданных для них значениях температуры и давления будут слегка отличаться от величин показателя цреломленин. определенных при значениях температуры и давления, заданных для всей оптической системы Например, если для системы задано давленна в 1.0 атмосферу, а для воздушной поверхности установлено давпенна 0.0 атмосфер, то величина показателя преломления этой поверхности будет равна примерно 0 99973 Если, наоборот, для системы установлено давление 0 0 атмосфер, а для воздушного Промежутка - 1.0 атмосфер, то неличина показателя преломления воздушной поверхности будет равна примерно 1.00027. Запомните, что воздушная среда (когда колонн "glass" остается не заполненной) при давлении и температура системы имеет показатель преломлении, равный 1 0: все другие неличины показателя преломления -относительные неличины. Величина показатели преломления воздуха при заданных для оптической системы энвчениях температуры и принимается равным 1 ,0* Заметим также, что ZEMAX может легко моделировать системы, реботающие в ваиууме, - путем установки нулевого давления для воздуха Если только некоторые поверхности работают в вакууме, то можно ислольэоватъ для ни* команды "TEMP" и TRESS" в редакторе "Multi-configuration editor". Для вычисления неличины показателя преломления стекла ZEMAX использует дисперсионные формулы и данные, записанные в каталоге отекла, си в глазе USING GLASS CATALOGS" раздел 'Description of catalog dBta". Для вычисления величины показателя првломления воздуха ZEMAX ислользует следующую формулу: = 1 "" 1.0 + (Г- 15) ■ f3-4785x]0~3} где 6432-8 294981 OX2 25540Ь; 1.0x10" Т - температура в градусах Цельсия» Р - относительная неличина даеления воздуха (безразмерная величина): X - длина волны в микронах Эте формула взята из F Kohlrausch. Praktische Physik. 1968. Vol 1. page 406 Величина изменения абсолютного показателя преломления стекла с температурой определяется следующей формулой Гпава 19" ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 19 -3
где п - относительный показатель преломления при стандартной температуре стекла дТ - отклонение температуры ст стандартного значения (дТ - положительная величина если температура больше стандартного значения для стекла), шесть других постоянных - описывают тепловое поведение стекла и указываются изготовителем стекла Эта модель изменения показателя преломления стекла с температурой была разработана фирмой Schott Glass Technologies, Inc. Чтобы вычисления были выполнены правильно, все шесть постоянных должны Сыть введены в кэтегог стекол Если величины этик постоянных не введены в каталог стекол, то принимается, что эти величины равны нулю, и изменения показателя преломления при этом теюке будут равны нулю в таком случае неличины показа- показателей преломления бдоут соответствовать нормвльным условиям и тепловые эффекты ие будут учитываться ZEMAX на может учитывать тепловые эффекты, если эти постоянные отсутствуют в каталоге стекол Однако некоторое приближение для учета тепловых эффектов все же может быть выполнено если эти постоянные отсутствуют Этот способ рассмотрен в следующем ниже разделе "Adding thermal index variation data" ZEMAX «а учитывает влияние окружающей среды на вапичины показателя преломле- преломления для поверхностей с градиентом показателя преломления» MIL-стекол и моделей стекле, которые описываются просто только заданием величины показателя прелом- преломления и числа Аббе Однако в редакторе "Multi-configuration editor" можно задать изменения в свойствах этих моделей путем использования нескольких конфигураций, отличающихся одна ст другой значениями соответствующих параметров. Все, что требуется для внвлиэа и оптимизации схемы при заданных значениях температуры и давления. - это только определить обычным путем через основные диалоговые окна все относящиеся к делу данные Все радиусы и толщины оптических элементов будут пересчитан^ для заданной температуры, а текже будут вычислены этой температуре величины показателей преломления. Defining multiple temperature and pressure values Определение диапазона изменений температуры и давления Эффективность термоогтмесного анализа проявляется б случаях когда схема должна быть проанвлиэирована или сптиыиэироэена для изменяющихся условий, таких эак широкая область изменения температуры или изменение высоты над уровнем моря (давления), или того и другого вместе Такие схемы стевят несколько новых вопросов: Должен быть предусмотрен спосоЬ задания номинальной температуры, при которой производятся измерения радиусов и толщин елементов. Изменения вепичин показателя преломления, величин радиусов и толщиь елемеитов должны быть объяснены как обусловленные изменениями окружающих условий. Должно быть принято в рассмотрение воздействие температуры на материал оправ Некоторые поверхности могут находиться при одних значениях температуры и давления, а другие поверхности - при других значениях. ZEMAX подходит к решению этой задачи со всей тщательностью. Основной подход для описания схемы при изменяющихся условиях окружающей срвды заключается в следующем 19 -A Chapter 19 THERMAL ANALYSIS
Задайте схему дпя на которых номниельных значений температуры и давления. Это должны быть условия, при которых будут изготовлены линзы и оправы. Все величины радиусов н толщин влементсв будут в дальнейшем фиксированы только дпя этих номинальных значений температуры и давление Теперь определите дополнительные конфигурации, используя редактор Muffi- conftguralion (смотри главу IMidti-configuration"). Для каэедой дополнительной конфигу- конфигурации должны быть определены свои значения температуры и давления, и должно быть установлено специальное условие "solve", называемое "thermal pickup solves", которое бдает использовано для выверки величин радиусов и толщин элементов дли каэдой конфигурации Операторы, контролирующие температуру и давленна. - это TEMP и PRES Когда происходит измененьа температуры стеклянного элемента, его линайные размеры изменяются в соответствии с выражением где L - линейный размер элемента: а - коэффициент теплового расширения, ТСЕ; и ДГ - изменение температуры. Когда элемент расширяется его радиус кривизны также увеличивается. Поэтому как толщина, так и радиус стеклиньой поверхности изменяются с температурой линейно. Предположение о линейной зависимости является приближением к метина, но око достаточно разумно для большинства и обычной области изменения температуры Величины коэффициентов ТСЕ вводятся в кателег стекол вместе с данными по дисперсии стекол. Более детальную информацию об згой процедуре можно найти в главе "Using Glass Catalogs4 Defining which parameters consider thermal effects Операторы, используемые при термооптическом анализе Б редакторе мульти конфигураций {Multi-Configuration Editor) есть специальное solve, называемое "Thermal Pick Up". Это условна ислелъэуется дли вычислений новых (по отношению к "коминельнай" конфигурации) значений п^эаметрсн схемы для заданных значений температуры и давления для новой конфигурации. Условие ТСЕ Piclt Up" используется только по отношению к некоторым параметрам, как это списано ниже ■ Radius of curvature (CRVT) values Значения радиуса кривизны (оператор CRVH Если для некоторой поверхности задан оператор CRVT. то неличина радиуса кривизны этой поверхности дпя данной конфигурации бдоет гычисленэ из величины этого радиуса, указанной в номинальной конфигурации, с учетом разницы температур для обоих конфигураций и величины ТСЕ для заданного материала Если мерка стекла имеется б каталоге стекла (например, теков стекло, как ВК7 или F2J. то величина ТСЕ Берется из заталогэ Если рассматривается воздушный Промежуток {густое место в колонке "glass) или зеркальная поверхность ("MIRROR") то есть два возможности- если предыдущая поверхность является каталожным стеклом, то используется ТСЕ для этого стекла в противном случае используется Глава 19J теРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 19 -5
величина ТСЕ введенная в колонну ТСЕ в редакторе Lens Data Editor. Эта правила имеют одно важное исключение1 если элемент является склеенным дублетом, то для первого радиуса используется ТСЕ первого стекла, а для второго и третьего радусоа используется ТСЕ второго стекла. Говоря другими словами. ZEMAX игнорирует 'напряжение", возникающее е склеенном дублете Это приближение может быть недостаточно точным в широком диапазоне температур Для зеркальных поверхностей окруженных воздухом используется величина ТСЕ заданная в колонка ТСЕ Для зеркальных поверхностей, которым предшествует стекло принимается, что они изготовлены из того же стекла так что для yihx используется ТСЕ стекла. Thickness (ТНЮ) values Значения толщины Голератор THIC) Для оператора толщины THIC имается дае возможности. Если поверхность является каталожным стеклом, то используется ТСЕ для этого стекла В противном случае используется величина ТСЕ указанная для этой поверхности в колонке ТСЕ в редакторе Lens Data Editor Колонка ТСЕ используется для введения величин ТСЕ для материалов оправ Есть еще один важный момент если поверхность не является каталожным стеклом то тепловое расширенна вычисляется для длины метеривла которая измеряется от краевой точки поверхности ДО края следующей поверхности Так как расширяется краевая длина материала, а на его центральная толщина то это дэет Более точный реэультет Например, предположим, что два лмнзы разделены с помощью алюминнаеого кольца так что цеитрельная толщина между ниш равна 80 мм Если стрелка гфогиба первой поверхности (тыльная сторона переой линзы) раена -5 мм, а стрепва прогиба еторой поверхности (передняя сторона второй линзы) раена 6 мм, то полная краевая толщина будет равна 93 мм. Если ТСЕ влюыиния равко 23.5С Е-6, го лри изменении температуры на +20 С. краевая толщина изменится от 93 мм до 93 0437 мм Если при этом на принимать ко вниманна изменения- самих величин прогибов оЬоих линз (ZEMAX учитывает этот эффект, но для простоты мы его здесь на рассматриваем), то новая величина цантрегьной толщины стенет равной 80 0437 Заметьте, что мы получили другую неличину изменения центральной толщины, чем если бы произвели ресчвт расширения для самой центрельной толщины, а не для краевой Так как при расчете расширения вдоль краской длины учитыэеются и изменения радиусов кривизны примыкающих поверхностей, то толщина будет изменяться при изменениях радиусов даже при ТСЕ. равном 00 Если требуется исключить теплоаое расширенна толщины, то на следует использовать ТСЕ = 0 0. а просто уберите с этой поверхности "thermal pickup solve" Parameter values Значения параметров Свойства условия thermBi picfc up" в грименании к параметрам зависят от номера рамвтра и типе повархнссти. Если параметр интерпретируется как пинейная длине to вычисления выполняются тек же. как для радиуса ьрнэиэны. описанного ранее Если параметр измеряется в единицах (длинв)п. теких как (длинаJ или (длине) \ Та производится соответствующее масштабирование. В других случаях условие "thermal pick up" игнорирует тепловые эффекты и эначенна параметров просто принимаются равными их величинам для коминельной конфигурации Chapter 19 THERMAL ANALYSIS
Extra data values Значения внвшних г дополнительных! данных Свойства условия "thermal pick up" в применении к вкашннм (дополнительным) ценным зависят от типе поверхности. В основном должен быть масштабирован ■только "нормированный радиус". Это благоприятное обстоятельство сбуелселено тем что тепловое расширение может рассматриваться просто как масштабирование домны. Так вак большинство внешних данных для повархностей используют нормиренвннме коэффициенты, должна быть масштабирована только величина нормироввнкого радиуса Это подходит как для бинарной оптики, тек и для полиномиальных асферических поверхностей. Для вкашних данных, относящихся к поверхностям, для которых нормированный радиус на используется, условие thermal pick up" итерирует тепловые эффекты и значения данных принимаются равными их величиием для номинвльной конфигурации Для специальных типов поверхностей, теки* как полиномиальные асферические поверхности, Бинарная оптика ("binary cptics"), топографические поверхности и другие поверхности, для описания которых используются параметрические или внешннэ данные, необходимо использовать операторы с условием 4hGimal pick up" в таблица редактора мультиконфигурации При использовании программы "The automatic thermal Katup" эти операторы эвтомапическей на устанавлиаеются. All ether values Все другие знамения Все другие значения непосредственно принимаются равными их величинам в номинальной конфигурации Тепловые эффекты для них игнорируются Defining multiple environments within a single configuration Определение разных окружающих условий для одной конфигурации Иногда равные чести оптической системы работают гри резной температуре и разном давлении. Заметьте, что это отличается от задали, ногдэ вся системе работает при различных ссужающих условиях. Для группы поверхностей их рабочую температуру и давление можно зедэть с помощью мультиконфигурациоиных операторов TEMP и FRES. если даже имеется только! одна конфигурация Это возможно, так как каждый оператор TEMP и PRES определяет окружающна условия для всех спараторов. перечисленных в редакторе мультиконфигурации Последниа по слпеку операторы TEMP и PRES определяют "глобальные" окружающие условии которые применяются ко всем данным отсутствующим в редэ1ггоре мультиконфигурации Нагфимер. предположим что требуется, чтобы покерхности 1-5 находились при температуре 20 С, а поверхности 6 - 10 - при температуре 50 С Первым оператором в списке должен быть оператор TEMP (этот гример относится также и к оператору PRES), с помощью которого определяется начальная темпарятурэ — 50С. Bos параметры (кривизна поверхностей, толщины, полудиаметры стекла и другие), относящиеся к поверхностям 6 - 1С. должны быть перечислены после спарэтера TEMP Б конце списка должен стоять второй оператор TEMP, определяющий "глобальную окружающую температуру, равную 20 с. Результирующая системе б оцениваться лри соответствующих температурах (и/или давлениях) каждой Глава 19. ТЕРМООГТТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ IS
Очень важно понимать два основных правила' 1. Все перечисленные в редакторе мультиконфигурации операторы, следующие послв операторов TEMP и PRES, оцениваются при заданных этими (итераторами температуре и давлении. 2. Последние по списку операторы TEMP и PRES определяют температуру и давление для других параметров схемы, которые могут присутствовать или отсутствовать в редакторе мультиконфигурации. Безусловно, наиболэе важный шаг в определении разные окружающих условий для разных элементов схемы - это внимательный контроль за сделанными установками Дае превосходные возможности существуют для проведения текого контроля - это данные о показателях преломления и результирующая таблица редактора мультиконфигурации (prescription report) В этой таблица перечислены значения температуры w давления для каждого типа стекла и вэбимосвяэи. устековленнме условием "thermal pick up" Также хорошай идеей яепяется сравненна условий 'thermal pick up" для канщсго параметра: данные должны быть хотя Бы частично проверены вручную на прадмет их правильного изменения в заданном температурном диелаэоне Automatic thermal setup Автоматическое выполнение термооптического анализа Способ введения команды дли автоматического выполнения термооптичесного анализа схемы описан в глазе Editors Menu1' (см а разделе MuHi-conFiguratlcrf подраздел "Tools"). Adding TCE data Введение дополнительных величин ТСЕ ZEMAX использует два вида ТСЕ данных. Для поверхностей, кэторме состоят ма стекла, содержащегося в одном из каталогов стекол (такое как ВК7 в кателоге Schort), используются катапююые величины ТСЕ. Олисанна теплового коэффициента и дано в главе 'Using Glass Catalogs'1 Если поверхность не является стеклянной, величины ТСЕ берутся прямо из ТСЕ колонки редактора "Lens Data Editor". Колонка ТСЕ располагается правее колонок "parameter* и является последней в таблице Заметьте, что ТСЕ - безразмерным параметр и всегда вводится без коэффициенте 1 Е-6. Поэтому значенна 23.50 Е-06 должно быть введено просто как число 23.5, ZEMAX автоматически учитывает фактор 1 Е;-6 при вычислении тепловых эффектов Modeling gases and liquids Моделирование газов и жидкостей Важная информация ло тепловому моделирсаемию газов и жидкостей содержится в глазе "Using Glass Catalogs" в разделе "Modeling gases and liquids" 1S -8 Chepter 19: THERMAL ANALYSIS
Adding thermal index variation data Дополнительные данные для температурной зависимости показателя преломления изменения показателя преломления с температурой, давлением воздуха и длиной волны моделируются для любого стекла с помощью данных ранее полиномиальных выражений. Эти выражения требуют знания шести коэффициентов для определения зависимости абсолютного показателя преломления от температуры м длины волны Часто бывает, что для метеривлов, введенных в каталоги полькователем, нет данных о величинах этих шести коэффициентов. Однако для большинства катэлонтых стекол обычно бывает известен коэффициент для пикейного приближения зависи- зависимости показателя преломления от температуры: этот коэффициент называется dn/dt Если известен только этот коэффициент, то может быть сделано приближенна к основному выражению, принимая величины всех коэффициентов, за исключением коэффициента Da, равными нулю. которое предполагает что разумное прибпмжение для Da дается формулой 2и dn Величину DD нужно вычислить по этой формуле и ввести в каталог стйкол. Для л можно принять величину относительного показателя преломления, измеренного при нормальных условиях для центральной длины волны. Исключительно большое внимания следует уделить проверке вычисленных по этой формуле величин показателей преломления для различных длин волн и разных температур. - чтобы Быть умеренным, что это приближение является адекватным характеристикам эешаго стекла и решаемой эеми задаче. Заметьте, что величина dn/dt должна быть абсолютной, а не относительной. Исключительную осторожность и чуткость следует проявить, когда используется только единственное значение dn/dt Использован не одного единственного значетя dn/dt дня оценки величины ноэффициента "Во дает только грубое приближение Действительные вариации величины показателя преломления в протяженной области длин вот или в протяженном температурном диапазоне не подчиняются линейной зависимости Поэтому исключительную осторожность и чуткость следует проявить, когда используется только единственное значение dn/dt Optimizing athermal lenses Оптимизация схем в заданном температурном диапазоне Для оптимизации схем, работающих в некотором температурном диапазоне, необходимо, ко-первых. определить несколько конфигураций, для моделирования схемы при резных температурах как это было описано в предыдущих разделе* Глава 1Й: ТЕРМООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 19
Затем только для номинальной конфигурации нужно определить переменные периметры схемы, которые должны быть оптимизированы. Например, предположим, что конфигурации №1 является номинальной, а для конфигураций № 2. Na3 и №4 установлены ТСЕ Pick Up solves для каждой кривизны и кавдой толщины Сделайте переменными параметрами редиусы крнанзны и толщины только в номинальной конфигурации Можно текже оптимизировать кеппчпны ТСЕ для материала разделяющего оптические элементы. Чтобы ато вделать, укажите просто в ТСЕ колонка* редактора Lens Data Editor, что эти параметры являются переменными величинами. Limitations of thermal analysis Ограничения термооптического анелизд Есть несколько ограничений на точность теплового вмвлиза выполняемого ZEMAX Прежде всего, всегда необходимо проводить проверку, что заданные величины ТСЕ являются достаточно точными в рассматриваемой аеми области темлератур. Также необходимо проверять у изготовителя стекол, которые вы используете, правильность введенных в каталоги стекол дисперсионных коэффициентов- Тепловой анализ не обязательно двет правильные результаты для схем. в которых используются эаклоны и децентрирсеки элементов, или для необычных оптических систем Трудности проистекают от сложности вычислении краевых толщин для смещенных элементов нарушающих симметрию схемы, иалример, при вычислении краевой толщины между двумя наклоненными друг к доугу линзами Тепловой анализ Прекрасно работает для схем, на имеющих наклоненных и двцентрмрованньк элементов Величины dn/dt и ТСЕ (коэффициент теплового расширения), приведенные в каталоге стекол "SchotT взяты от фирмы "SchotT и они яепяются точными в диапазоне температур от -40 до +80 Сив области длин волн от 0 435 до 0 G44 мнм Эти данные можно экстраполировать вплоть до 1.06 мкм с понижением точности Данные для др7гиу стекол приведены по литературным данным и область, в которой они точны, не известна. Так как моделираванна тепловых эффектов является очень сложной задачей, никаким дачным на следует доверять при рэкработке критически важных систем и все резупьтеты вычислений, включая величины показателей преломления и коэффициентов теплового расширения, следует проварить незаеисимо or ZEMAX Это относится даже к сисгемем, в которых используются стекла из каталога "Schotf в указанном вышэ температурном диапазона и в указанной спектральной области 19-10 Chapter 19 THERMAL ANALYSIS
POLARIZATION ANALYSIS ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ Introduction Введение ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУ11ЕН ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ ZEMAX-EE Программы трассировки лучей в основном трактуют лучи как чисто геометрический объект, которому присущи только положение, ориентация и фаза. Например, на поверхности луч полностью описывается координатами точки его пересечения с поверхностью, направляющими косинусами, с помощью которых определяются углы, образуемые лучом с координатными осями в локальной системе координат, и фазой, которая определяет длину или разность оптического пути вдоль луча. На границе между двумя средами, такими как стекло и воздух, происходит преломле- преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса. Обычно происходящие на границе раздела двух сред эффекты, не влияющие на направление пучка, игнорируются. Эти эффекты включают вариации амплитуды и фазы электрического поля, которые зависят от угла падения, поляризации лучей и свойств смежных сред, а также от оптического покрытия на границе раздела. Поляризационный анализ - это дальнейшее развитие обычной процедуры трасси- трассировки лучей, которое направлено на учет эффектов, связанных с оптическими покры- покрытиями и потерями света за счет отражений и поглощения при его прохождении через оптическую систему. Review of polarization concepts Обзор основных понятий о поляризации света Руководство для пользователей программой ZEMAX не предназначено для изложения теории поляризации. Эта теория обширно и основательно изложена в других изданиях (см.. например, обзор в книге J. Bennet, The Handbook of Optics Volume 1, McGraw Hill. 1995). The electric field vector Вектор электрического поля Амплитуду и состояние поляризации электрического поля принято описывать вектором Jones: Е = Е. где Ех , Еу и Е; - комплексные величины. Вектор электрического поля должен быть ортогонален вектору распространения луча. На границе между двумя средами пропускание, отражение и фаза электрического поля являются различными для S и Р Глава 20: ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 2(Ti
компонент поля S компонента поля - проекция злекгричесиого вектора нв ось, лерге^икулг^рную к плоскости падения а Р-компонента — проекция на ось, лежащую в плоскости лечения Плоскость падения задается вектором луча и вектором нормали к поверунссти б точке пересечения луча с поверхностью Вектор электрического поли затем разлагается на компоненты Еж и Ер кэвдая из которых является комплексной величиной. Электрическое поле после грэницы раздела двух сред вычисляется с учетом коэффициентов пропускания для S и Р компонент если поверхность преломляющая, пли с учетом коэффициента отражения если поверхность отражающая ZEMAX вычисляет коэффициенты отражения и пропускании, но использует их только для моделирования распространения лучв Для краткости в остальной части згой дискус- дискуссии термины пропускания и преломлении будут использоваться в соответствии с рассматриваемой задачей. Если поверхность отражающая (то есть зеркальная), то коэффициент отражения будат использоваться программой автоматически. Электри- Электрическое поле после преломления определяется как где коэффициенты пропускания т* и тр - комплексные величины После вычислении валичин Es и Ер они используются дли построения компонент векторе электрического поля - Е* . EY и Ег и луч распространяется до следующей поверхности. Вычисление коэффициентов пропускания производится в зависимости от показателя преломления среды, из которой приходит луч, гокакагапя преломления (возможно комплексного) и толщины кахздого слоя в оптическом покрытии (ее пи оно есть) и покззатали преломления (возможно, комплексного) подложки Такие вычисления детально списаны в книге The HBndbook of Optics Volume I, McGraw Hillr 1995 и здесь они повторяться на будут Field vs, ray phase conventions Соглашение о правиле отсчета Фазы луча В оптической индустрии используются различные соглашения о том, как Производить отсчет фазы луча при его трассировке через оптическую систему При расчете тонкоппелечнык покрытий фэза луча отсчитыеается едоль нормали к поверхности в напревлении, по которому воображаемая плоская волна распространяется от первого слоя покрытия к подложке. Это соглашенна подразумевает, что величина смещения фазы вдоль простого однослойного покрытия из материала, и мающего идентичный показаталь преломления с подложкой, является максимальной для лучей, пвдающих вдоль нормали, м уменьшается до нуля {пропорционально косинусу угла падения) с увеличением угла падения. Когда используется это соглашенна, ZEMAX запрашивает величины коэффициентов "Fietd" Хотя эти значения вычисляются и показываются дли сравнения на графиках в программах анализа тонкопленочных покрытий, они на используются ZEMAX для трассировки луча. При трассировке луча мы требуем, чтобы измерение опережения или задержки фазы луча производилось вдоль луча ZEMAX трассирует лучи прямо к подложке, игнорируй толщину покрытия Это связано с тем, что в редакторе "Lens Data Editor" расстояния между оптическим поверхностями (толщины поверхностей) задаются без учата толщин поцрьггий Предполагается, что покрытия внедрены в пространство мевду поверхностями Корректное вычисленна фазы луча требует распространения электрического поля в обратную сторону на расстояние, равнее физической толщине покрытия, и того, чтобы смещение фазы на покрытии было измерено вдоль ьектора луча, в на вдоль I -2 Chapter 20: POLARIZATION ANALYSIS
нррмвпи ZEMAX эапрвшивает значения коэффициентов "Ray", когда используется это соглашение, и всегда использует зтц значения при трассировке лучей. Подобные вычисления позволяют получить коэффициенты для отражающих поверхностей или для пакете покрытий, который автоматически был обращен, и ZEMAX автоматически выбирает правильные коэффициенты во всех случаях. The polarization ellipse ^ поляризации При общепринятом методе списания состояния поляризации электрического поля для лучэй. респространяющихся параллельно локальной оси Z, компонента Е^ итерируется и рассматриваются только компенанты Ех и Еу . В декартовский координатах конец вектора (Ez р Ег ) за один период распространения волны описывает фигуру, которая может быть прямой линией, окружностью или, в наиболее сБщем случае, эллипсом. Эта кривая в общем спучее вдэделяется длинами большой и малой осей аллилса и величиной угла наклона большой сси относительно оси X Малая ось может меть нулевую длину и тогда имеет место линейная поляризация При равенстве длин большой и малой осей имеет место фуговая поляризация. Во всех случаях для описания состояния поляризации используется эллипс поляризации; Ех компоненте электрического вектора гри этом игнорируется, что ограничивает возможность представления состояния поляризации эллипсом поляризации только случаем коплиыированного вдоль локальной оси Z пучка лучей of terms Определение параметров поляризованного света Есть разные способы определения паремвтров поляризованного снето Все выражения обычно зависят ог угла падения, длины волны и состояния лолярикацин. Ниже дано определенна терминам, которые часто употребляются в ZEMAX. Intensity. I Интенсивность, I Интенсивность определяется как сумма квадратов отдельных компонент вектора электрического поля или. эквивалентно, как скаляр кое произведение вектора электрического поля и комплексно сопряженного ему векторе: где ё - сектор, комплесна сопряженный с аектором Е. Для указания на то, для какого направления рассматривается интенсивность, используется нижний индекс. Например. L обозначает интенсивность только вдоль направления X. какой-либо компоненты вектора электрического поля может быть вычислена как Функция агд. которая есть [arctan (мнимая чаетъфеапьная часть)] Фэээ определяется формулой- Р = arg(E) Г&ева 20: ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20 -3
индекс используется для указания на то. к какому направлению поляризации относится фэза Например. Р, обозначает фазу для S комгонанты вектора электрического поли Falh length through medium, т Длина пути в оптической среде, т Для однородней среды длина пути определяется как расстояние (в установленных для текущей схемы линейных единицах измерения) ст предыдущей поверхности к рассматриваемой поверхности, измеряемое вдоль направления распространения луча Обратите вниманна на то. что величина показателя прэлсмления среды не принимается в расчет, то есть длина пути - это не длниа "оптического пути41. Для сред с градиентом показателя преломления эффектнаная длине пути вычисляется путем деления интегральной величины длниы оптического пути ив базовую величину показателя преломления среды (аэличина показателя Преломления в точке х = О. у = О) Эффективная длниа пути в градиентных средах используется только для вычисления внутреннего поглощения в материале Длина пути будет иметь отрицательную величину для мнимого пути распространения пуча Internal absorption par lens unit, a Внутреннее поглощение на единицу длины Этот коэффициент приманяется для расчета вн/треннего поглощения в материале, или в толщние материала Величина поглощения вычисляется на основе данных, имеющихся б каталоге стекла: см в главе "-Using Glass Catalogs" раздел Defining Transmissron Data" Internal Transmittance, IT Внутреннее пропускание. ГТ Бнутренна пропусканна материала вычисляется на основе данных о длине пути и о величине коэффициента внутреннего поглощения а: IT = e Propagation Phase Factors, pc, p& Фазовые коэффициенты вектора электрическою поля, рс, При распространении луча от одной поверхности к другой вектор электрического поля еращается в соотватствии с формулой № о 2ЯТ 8 тде т - длина пути и >, - длина волны в среде. Фазовые коэффициенты выражаются как косинус и синус угла 6. Данные "Е Field After" для предыдущей поверхности будут умножены на эти коэффициенты для вычисления входного электрического вектора для текущей поверхности 20-4 ChapteT 20: POLARIZATION ANALYSIS
Amplitude Reflectance, p Амплитудный крэФФнцивнтотражения, п Это комплексный амплитудный коэффициент отражения электрического поля Вычисляются компоненты коэффициента отражения как для S. тек и для Р поляризации При вычислениях используются описанное выше соглащение о полях и фазе луча. Amplitude Transmittance т Амплитудный коэффициент пропускания, т Это комплексный амплитудный коэффициент пропускания электрического поля Вычисляются компоненты коэффициента отражения как /Ц1я S. тек и дли Р поляризаций При вычислениях используются описанное выше соглашения о полях и фазе луча. Intensity Reflectance, Rs, Rp Коэффициент отражения по интенсивности» Rs. Rp отражения по интенсивности измеряется вдоль нормали к поверхности. Для обозначения этого коэффицнанта используется символ R Это всегда действительнее число, изменяющееся б пределах ог 0 до 1 Величину коэффициента отражения по интенсивности можно вычислить по величина амплитудного коэффициента отражения следующим образом" R = Intensity Transmittance. Ts. Tp Коэффициент пропускания по интенсивности. Ts. Tp Коэффициент пропускания по интенсивности измеряется вдоль нормали к поверхности Для обозначения этого коэффициенте ислользуется символ Т. Это всегда действительное число, изменяющееся в пределах от 0 до 1 Величину коэффициента пропускания по интансивности можно вычислить по величина амплитудного коэффициенте пропускания следующим образом Т = т*т . Intensity Absorption, As Ар ! поглощении по интенсивности Коэффициент поглощения по интенсивности вычисляется го следующим образом А = 1.0-Г-Л. Глава 20- ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20 -5
Diattenuation, D Относительное ослабление, D Относительное ослабленна ислользуетея для сравнения потерь интенсивности S- поляризованного света по отношению к Р-поляриэованиому свету и определяется Coaling Phase. Ps. Pp Фазовые коэффициенты для покрытия. Ps. Pp Фазы пропущенного пучка в общем случае различны для S и Р поляризаций Фаза вычисляется следующим образом' Retardsrce. S Запаздывание. S При пропускании запаздывания фазы между Р- и S-поляризованными лучами равно При отраидании капаздывание фазы между Р- и S-поляризованными лучами равно S= Phase Difference Between X and Y. Pxy Разность (Ьаз ме>вду X и Y компонентами. Pw Это просто разность фаз мехеду компонентами вектора электрического поля по X и Y напраэлениям: = Р.\-Р\. Обратите внимание на то. что компонвнта Рх игнорируется. Major and Minor semi axis of thB PoJarization Ellipse [EM. Em) Большая и мапая полуоси эллипса поляризации 20 -6 Chapter 20: POLARIZATION ANALYSIS
Эллипс поляризации имеет большую и малую полуоси. Величины этих осей (ЕМ и Em) вместе с углом наклона эллипса поляризации (Ар) (в плоскости XV) однозначно определяют состояние поляризации Properties of uncoated surface Свойства непокрытых поверхностей Для непокрытых поверхностей, разделяющих две диэлектрические рреды, амлпитуды пропускания и отражения слисывеются выражениями Френеля: И,-"а Для примера на приведенных ниже рисунках показана зависимость от угла падения коэффициентов отражения и пропускании поверхности, разделяющей воздух и стекло ВК7, для длины волны 0.55 мкм. Обратите внимания на то, что отражение существенно увеличивается с ростом угла падения, - вплоть до 100% света отражается при касательном падении лучей. Обратите также внимание на то, что пропускание для S- и Р-лоляризованных состояний различно Это ведет к зависимости аподиэации алертуры от поляризации. 11-1НЯ МШЕХТ HCLE IH Defining coating in ZEMAX Моделирование покрытий в ZEMAX Для диэлектрических материалов покаьегапь преломления является чисто действи- действительной величиной и поэтому мнимая часть показатели лрегемления равна нулю Для маталгев показаталь преломления репиется комплексной величиной. В литературе используются два разных правила знаков для мнимой часты локазаталя преломления В ZEMAX используется следующее превило. Глава 20. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20-7
где n - (собственно) показатель преломления и к - коэффициент вдш. Альтернативное соглашения о знаке мнимой части — это ц = п - \К ко в ZEMAX используется лоложитапьнэя форма записи Поэтому комплексным показатель преломления дли такого материала, как алюминий будет задаваться в виде" ij = 0.7-7.0i. Заметьте что при использовании этого правила знаков коэффициент зкстынкциы для большинства материалов имает отрицательную величину. Для определения покрытий в ZEMAX используется файл в формате ASCII Внутри файла содержатся две типа данных а) название и величина показателя преломления отдельных материалов и 6) названия и конструкция отдельных типсе покрытий, состоящих из заданных матернелон Файл может ммать пюбое имя. В ZEMAX имеется пример файла COATING DAT. Го умспчэнию это имя присваивается файлу с данными о покрытиях для любой новой схемы Можно создать много разных файлов с резными именами с данными о покрытиях; имя файла, который должен быть использован с текущей схемой, указывается в диалоговом окне System General, Files lab. Очень рекомендуется, чтобы любые редакционные изменения, сделанные в файле COATING.DAT. записывались б файл под каким-либо другим именем с тем, чтобы при инсталляции новей версии ZEMAX сделанные вами изменения ие были уничтожены. Для определения реЗличных типов покрытия в файле используются следующие ключевые слова" МАТЕ — для обозначения материала TAPR - для обозначении профиля радиального сечения пленки ; COAT — для обозначения типа покрытия. TABLE —для обозначения покрытия, заданного в табличной форме; IDEAL—для обозначения идеального покрытия. При з эли си файла сначала определяются все материалы и типы радиальных сечений пленки, затем - типы пецрытий. Файл имеет следующий формат1 МАТЕ «Синя Длина_вол Длина волны Действительная часть Мнимая часть НАТЕ <имя следующего j Длина волны Дей.ствительная_часть Мнимая_часть Длина_волны Действитеотьнан_часть Иниыая_часть TAPR <]лмп лрофиля радиального сечения иле пни СХ Децеитрировка_по оси_Х DY Децентрировка^пооси^У RT Номер_радиалькогс_члена_полинома К рициент л ма СТ I мер_косинусоидального_члена_полинс i ли i -6 Chapter 20: POLARIZATION ANALYSIS
синя следующего прс я радиа Деиентрцровка_по оси_Х Децв«трировка_ло_оси_У RT Н СТ COAT <имя сскрытия> Материал Толщина Кол_единиц_измерения Кратность Клиновидносяъ Иатериал Толщина Код_единиц_измерения Кратность Кляновидиость СОДГ <имд следующего покрытия> Иатериеп Толщина Код_единиц_11эмерения Кратность Клиновидность Материал Толпшна Кад_единиц_иэмерйния Кратность Клиновкдность TABLE <имя_покрытия> fiHGL <величина угле в градуса«> WAVE <длина волны 1 в микроиак> Rs Rp Ts Tp WAVE <ллина волны 2 в миКрон&х> Rs Rp Ts Tp WAVE <лляне волны 3 в микронах> Rs Rp Те Тр 4 ■ - AKCL <величчна следующего угла в градусак> WAVE <длина волни 1 б микронах> Fts Fp Ts Tp WAVE <ллина волни 2 в мнкранах> Rs Rp Ts Тр WAVE <длинг волны 3 в ыикронах> Rs Rp Ts Tp ID£SL <мып> <Коэфф_пропуск- по интенсивна> <Коэфф_ отраж_ по 1 Cuirunent line I I Comment line 2 Если параметры "КЬ^единиц^мзмерения", "Кратность" и Клиновущносгь" не заданы (отсутствуют), то принимается, что два первых параметра равны нулю и функция ие используется Ttie MATE data sedion Данные МАТЕ Имена присваиваемые пользоветелега материалам, должны состоять на боте, чем иэ 20 печатных знаков (без пропусков и без специальных символов) ZEMAX использует данные по материалам следующим образом _ _ всегда выражается в микронах Длины воли должны быть записаны в возрастающем порядке. "ДейстБ1:телькая_часяъГ|Г - это действительная величина показателя преломления материала. Гпава 20" ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20 -
Мнимая_часть" - это вепичниа коэффициента экстинкции Если для данного материала указаны данные только для одной длины волны, то действительная и мнимая чести показателя преломления для этой длины воины используются для трассировки лучей и с любой другой длиной волны. Дисперсия материала покрытия при этом игнорируется Если для данного материала определены данные для Двух или более длин волн, то для длин волн, которые короче наименьшей из определенных, используются данные этой наиманьшеи длины волны Для волн, которые длиннее наибольшей из определенных длин волн, используются данные этой наибольшей длниы волны Для промежуточных длин волн производится линейная интерполяция данных The TARP data section Данные TAPR (клиновидность) По умолчанию ZEMAX предполагает что покрытие имеет постоянную толщину по всей оптической поверхности Однако, некоторые оптические покрытия могут иметь переменную толщину, обычно с радиальной симметрией Такое клиновидное (в радиальном направлении) сечение покрытия определяется с помощью функции laper". которая вычисляет безразмерные коэффициенты, на которые умножается номинальная толщине покрытия, К любому слою покрытия может быть применена эта функция, и каждый слой может имать различную клиновидность. Эффективная толщина покрытия вычисляется как: dtff=dx(fr+fc)t гда б — номинальная толщина покрытия, в f, и fc - радиальный и косинусный коэффициенты клмновидности, соответственно. Радиальный коэффициент клиноаидности определяется г /г= 1=11 гда г—децентрировенная радиальная координата, которая определяется как Косинусный коэффициент кликовидностиопредэляется как; i=0 где б определяется как: 20 -1С Chapter 20 POLARIZATION ANALYSIS
г - децентрированная рэдиальнва координата как она определена выше, и R - радиус кривизны подложки. Заметьте, что косинусный коэффициент будет давать рваные покрытия для подложек с разной кривизной поверхности. Для определения покрытия, толщина которого изменяется точно по закону косинуса, коэффициент Ьо должен быть равен нулю, а коэффициент 6t должен Быть ревен единице Когда косинусный коэффициент используется для определения покрытия NSC объектов, раднус кривизны подложки игнорируется и поверхность подложки рассматривается как плоскость: радиальные коэффициенты еще используются Если сумма коэффициентов клиновидное™ имеет отрицательную величину, ZEMAX прннимеет, что ва величина реэна нулю Величины параметров Xdd yd и р( задаются в файле покрытия в части Чарег data section* Заметьте, что используются члены полинома как с четными, тэх и нечетными степенями радиальной координаты, а также член нулевого порядка. Размерность коэффициентов и их величины зависят ог используемых единиц комерения. Будьте внимательны к тому, чтобы при записи коэффициентов в файл покрытия их размерность соответствовало единицам измерения, установленным для схемы При определении и использовании функции TAPER" следует проверить, какие именно щдниицы иэмарения устеновлены для текущей схемы. присваиваемые пользователем функциям "taper", должны состоять на более, чем из 20 печатных знаков (без пропусков и без специальных символов). ZEMAX использует данные функции "taper следующим обрезом Если в файла покрытий в какой-либо строке первым ключевым словам является TAPER" , а в следующих за ним строках стоят ключевые олова ОХ или DY, то числовые величины, указанные в этих же строках, принимаются ве значения координат х и у (соответственно), вцраженных в тех же единицах измерения, которые установлены для всей схедоы. Если первым ключевым словом является "RT. то следующее за ним число должно быть цэпым чиспом мешу 0 и 20. включительно Это число определяет номер члвнэ полинома, или степень радиальной координаты (г). Второе чиспо в этой же строке определяет величину коэффициента данного члена полинома (A) Если какой-либо член полинома на задан, то ZEMAX принимает его равной нулю. The COAT data section Данные COAT Порядок записи а файл слоев покрытия очень важен! Смотри следующий раздел ZEMAX использует данные по покрытиям следующим образом" Когда файл COATING DAT считыаается алернма. ZEMAX провернет, все ли материалы, из которых состоит пофытие, содержатся и определены в части файла с данными о материалах. Если какой-либо из материалов покрытия на определен в файле, то на экране появляется сообщение об ошибке Глава 20- ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20-11
Толщина покрытия «измеряется лиЬо в длинах волн главной длины волны в материале данного слоя (относительные единицы), гибо в микрона* независимо от длины волны (абсолютные единиць'0- Если используются относительные единицы то одно и то же покрытие будет иметь разную фактическую толщину для разных схем с разной главной длиной волны. Поэтому, вели одно и то же покрытие используется в разных схемных файла* с разными гласными длинами волн, то расчетиея толщина покрытий будет для них разной Расчетная толщина покрытия определяется формулой: Фактическая толщина покрытия определяется по формуле: "о где 1.ц— главная длина волны в микронах, По - дейстеительная часть показателя преломления покрытия для главной длины волны и Т - «оптическая толщина» покрытия, определенная в файле покрытия. Например, для материала покрытия. у которого действительная часть показателя преломления равнв 1 4 толщина четвертьволнового покрытия (Т = 0.25) для главной длины волны 0 55 мкм будет равна 0.0982 мкм Заметьте, что только действительная часть показателя преломления используется для вычисления толщины слоя. Если величина параметра "Кед_един1лц_иэмерення" задана равной нулю (или отсутствует), то толщина покрытия выражается в относительных единицах измерения, при других значениях этого параметра - в абсолютных единицах измерения [в микронах) Параметр "Кратность" служит для задания количества последовательного воспроизведения (в данном покрытии) одной и той же группы слоев Пояснения даны в следующем раздела. Defining replicated groups of coating layers Определение количества воспроизведений группы слоев в покрытии Некоторые покрытия состоят из повторяемых групп слоев. Например, покрытие может быть определено как COAT Згрулпы НАТО 0-25 0 0 МАТ1 0-25 0 0 МДТ2 0.50 0 0 МАТЗ 0-25 0 0 ММ1 0-25 0 0 ММ2 0-50 0 0 МАТЗ 0.25 С 0 MATI 0.25 С 0 0.50 0 0 0.25 С 0 0.25 0 0 20-12 Chapter 20. POLARIZATION ANALYSIS
Заметьте, что последовательные слои с материалами МАТ1, МАТ2 и МАТЭ повторяются в этом покрытии триады. Это полностью приемлемое определение покрытия, однако оно содержит 11 строк и для определения покрытия следует указать 11 слова. Более краткая запись этого же покрытия может быть вделана при использовании оператора Кратность" Этот оператор позволяет определить количество воспроизведении данной группы слоев в покрытии Этот оператор должен быть установлен на ПЕРВЫЙ И ПОСЛЕДНИЙ слои s группе для вь|деления этой группы (ZEMAX может считывать денные в оооих напрэеленияж, как ато будет описано в следующем разделе}. Рассмотренное выше покрытие может быть написано с помощью параметра "Кратность' следующим образом COAT lrpynna МАТО 0.25 С О МАТ1 0.25 О 3 МАТ2 0.50 С 0 МАТЗ 0.25 0 3 МАТ4 С-25 0 О Заметьте, что число "Зи появляется как в первом, так и в третьем слов. Такой синтаксис записи не только сокращает саму запись покрытия, но снижает возможность появления ошибки при записи, упрощает редактирование записи и сохраняет, в то же время, общее количество спсав, которое, вообще говоря, ограничено (смотри следующий раздел). При такой записи требуется определить только 5 ""слоев", котя моделируется 11 слоев. Несколько важных замечаний по применению олвратора Кратность*" Нет ограничения на количество различных групп, которые могут воспроизво- воспроизводиться в покрытии- Мет также ограничения на число слоев б группе, пока общее число строк, записанных под ключевым словом COAT, не превышает установленного предела (смотри следующий раздел) Нулевое эначенме параметра "Кратность" равносильно значению "Г. тез есть нулевое значение не означает исключения данного слоя из группы! Группы ие могут быть "вложены" одна в другую и перекрываться The TABLE data section Данные TABLE Данные TABLE подобны данным IDEAL (см следующий раздел), за исключением того, чте в этой секции файла покрытий величины коэффициентов пропускания и отражения могут Быть заданы как функция угла падения и длины волны м могут быть определены отдельно для S и Р поляризаций Для дискретного множества углов падения и длин волн задаются величины четырех параметров- Rs . Rp ш ТБ и Тр . коэффициенты отражения и пропускания по интенсивности для S и Р состояний поляризаций, соответстваино Коэффициент поглощения для кахдого состояния поляризации вычисляется по формуле- А = 1 -R — Т. Главное назначение табличной глодепи - это получить возможность томной трас- ецровки лучей чераэ покрытие, хараю-еристикн которого неизвестны или они отсутствуют Глава 20 ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ " 20-13
Синтаксис ключевого слова TABLE следующий TABLE Имя_гю крытия В последующих строках записывается блок данных для каждого угла падения После строки, определяющей величину угла падения вдут строки, в которых задаются величины коэффициентов R и Т для пандой длины волны Ниже дан пример записи этого блока данных TABLE MYTABLECOAT AMGL О WAVE 0.35 0.014 0_014 0.966 0.986 WAVE 0-70 0-013 0-С13 0.9€7 С.987 AHGL 5 WAVE 0-35 0.015 0-015 0-985 0.985 WAVE 0.70 0-012 0-012 0-968 0-986 ASGL 45 WAVE 0.35 0_065 0-07С 0-935 0.930 WAVE 0-7C 0.062 0.065 0.938 0.935 ANGL 60 WAVE 0.35 0.60 0-60 0-40 0,40 WAVE C-7C 0-60 0-60 0.40 0-40 Несколько важных замачаний. При углах падения, величина которых меньше, чем у наименьшего из определенных для схемы углов, будет использоваться величина последнего При углах падения, величина которых больше, чем у наибольшего из определенных для схемы углов, будет использоваться величина последнего При других величинах углов падения производится линейная интерполяция в пространстве косинусов углов Обратите внимание на то, что ZEMAX производит интерполяцию, но на экстраполяцию. Величины углов должны быть заданы в порядке их возрастения Если угол падении зэдвн равным С 0 градусов, то данные для 5 и Р состояний поляризации должны быть идентичны, так как Б и Р поляризации неотличимы при нормальном падении Принимается, что величины углов падения измеряются б среде падения Для покрытия расположенного на поверхности, являющемся границей сгекпс-воздух. или на поверхности NSC объекта, ZEMAX автоматически обращает покрытие, если это требуется для вычисления правильных углов падения Величины длин волн линейно интерполируются мевду заданными для схемы значениями в пространстве длин волн. Набор длин волн для разных углов падения должен быть одним и тем же Длины волн в наборе должны Быть заданы в возрастающем порядке для точной интерполяции Если длины волн заделы неправильно, то появляется сообщение об ошибке Вообще говоря, для хорошей точности необходимо задать большое количество данных. В текущей версии ZEMAX можно записывать в каодый отдельный файл покрытий до 10 таблиц, камщая из которых может содержать до 20 значений углов падении и до ЮС значений длин волк Если для моделирования покрытия требуется больше точек, обратитесь за технической поддержкой в компанию Focus Software. Inc 20 -14 Chapter 2C. POLARIZATION ANALYSIS
The IDEAL data section Данные IDEAL Для вдвальных покрытий задаются только величины коэффициентов пропускания и отражения. Имя идеального покрытия может содержать до 20 знаков и должно быть записано без пробелов и слециельных символов. После имени покрытия записываются значения коэффициентов Т и R Если сумма заданных величин Т и R превышает 1.0, то их величины будут масштабированы таким образом чтобы сумма Т и R была равна 10 Величина коэффициента поглощения вычисляется автоматически в соответствии с соотношением А - 1.0 - R — Т, следующего из закона сохранения энергии Чтобы сконструировать покрытия с 100% поглощением задайте величины Т и R равными нулю. Adding comments to the coating file Запись комментарий в файл покрытий Любой текст, записанный после символа Т рассматривается как комментарий Limits on the amount of coating data Ограничение на количество данных в Файле покрытий Есть ограничение на количество данных, которое может быть записано в один каталог. Предельное количество следующее"- 50 различных наименований покрытий. 200 слоев на одно покрытие {см. данный выше раздел "Defining replicated groups of coating layers", если необходимо работать вблизи этого предела) 50 различных материелов 100 дисперсионных данных на один материал 2Q различных функций клиновидное™ (TAPER). 22 члена полинома на одну функцию TAPER. Есть только одна возможность для работы скопо этих граделсв - это ислельэовать различные файлы покрытий для кандой отдельной схемы, если это требуется Эти преданы распространяются только на один файл покрытий можно использовать разные файлы для разных схем. Editing the coating file Редактирование Файла покрытий Есть несколько способов доступа к данным, записанным в файле покрытий. Бо-первых файл можно редактировать эне ZEMAX с помощью любого текстового редактора, позволяющего редактировать фзалы. записанные в формате ASCII Во-вторых, имеется программа редактирования файлов покрытий - Edit Cooling File: доступ к этой прегрэмые осуществляется через меню Toofs. При вызове этой гцзограммы открывается редактор Windows NOTEPAD В меню Tools имеется также Программа "Coating Listing", которая высвечивает на экрана слисок олределениых покрытий и мвтериелов покрытий После редактирования файла покрытий он должен Глава 20 ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20-15
быть заново загружен е ZEMAX дли обновления данных В меню Tools имеется "«««"•«* не перезагрузку файле покрытий. Default materials and coatings supplied ZEMAX Материалы и покрытия, введенные в ZEMAX Записанный в ZEMAX файл COATING.DAT содержит некоторое число материалов и широко используемых типов покрытий В ыыжБслвдующвй таблице да ко описание накоторы* из включенных в ZEMAX ыетериелови покрытий DEFAULT MATERIALS AND CDATINGS МАТЕРИАЛЫ М ПОКРЫТИЯ МАТЕРИАЛЫ AJR AL2O3 ALUM ALUM2 CEF3 LA2O3 MGF2 N15 THF4 ZNS ZRO2 AR GAP HEAR1 HEAR2 METAL NULL WAR ОПИСАНИЕ Воздух, исэольэуется дли введения в покрытия воздушных зазоров, г ~ 1 Окись елюминмя, п = 1.59 Алюминий, л = 0.7-7.0 i Альтернативное определение алюминия Флюормд церия, п = 1J63 Окись лантана, п = 1 95 Фтористый магний п - 1 38 Воображаем? й ыетериал с п = 1.50 Фторид тория, п = 1 52 Сульфид цинка, п = 2 35 Окись циркония, п = 2.1 Обычное антиотражающее покрытие, определяется как четверть- четвертьволновый спой MGF2 Очень тонким воздушный зазор, используется, чтобы показать бесконечно малый промежуток Высокоаффективное внтиотражеющее покрытие Высокоэффективное антиотрэжеющее покрытие Тонкий слой алюминия; используется для растепления пучка лучей Покрытие с кулевой толщиной, используется в основном для отладки ПротивоотражеющЕе покрытие типа "W, опрвделяетси как полуволновыи слей из LA2O с последующим четвертьволновым слоем из MGF2 Имеется в виду, что эти материалы и покрытия могут быть использованы в качестве примеров и могут быть непригодны для какого-либо отдельного случая Всагда проверяйте данные на материалы покрытий у изготовителей или разработчиков покрытий Более детальную информацию по списанным выше мвгериапам и 20-16 Chapter 20 POLARIZATION ANALYSIS
пофытмим можно найти в разделе "Coating Listing report", описание которого дако в главе Reports menu. Specifying coating on surfaces вНанесение» покрытий на поверхности После того, как покрытие было определено, оно дложет быть "нанесено" на поверхность путем указания имени покрытия в колонке "Coatrng", эта колонка является последней в теБлице редактора Lens Data Editor. ZEMAX интерпретирует указанное покрытие, используя одно из четырех правил: поверхность является границей, разделяющей воздух и стекло, укаэвнное покрытие интерпретируется точно так, как оно определено в файле COATING. DAT. причем подложкой является сама стеклянная поверхность. Определение покрытия ие должно включать показатель преломления подложки. Термин "стеклянная поверхность" означкет, что поверхность не является зеркальной (типа MIRROR") и на является фиктивной (с показателем преломления 1, как у воздуха). Поверхности с градиентам показателя преломления рассматрива- рассматриваются как стеклянные. Если поверхность разделяет воздух и воздух или стекло и стекло, покрытие интерпретируется таюке, как и для поверхности, разделяющей воздух к стекло, с соответствующими вычисленными, сделанными для среды, из которой приходит излучение и материала подложки Если поверхность разделяет стекло и воздух, тез порядок слоев автоматичесю] преобразуется в обратный, так что покрытие стеровится теким же. как для перехода ст воздуха к стеклу. Поэтому покрытие типа ALHHS будет интерпретироваться как SHHLA, если переход осуи|естаг1иется ст стекле к воздуху. Если поверхность зеркальная, то определение покрытия должно включать показатель преломления подложки. Тогда принимается, что последний слой в определении покрытия имеет полубесионечную толщину материала подложки ZEMAX может таюке моделировать некоторые предельные случаи, такие как наруше- нарушение пелного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection. FTIRJ; смотри дискуссию в этой главе ниже. WhatZEMAX does if no coating is specified Что далает ZEMAX. если покрытие не задано Если колонка покрытии оставлена пустой, то го умолчанию принимается следующее Если поверхность зеркальная, то принимается, что она имеет покрытие из чистого (без дополнительных пленок) тонкого слоя впюминия с показателем преломления О 7-7 Oi Если поверхность яаляетсн. разделом диэлектрических сред то принимается что она ие имеет покрытия Глава 20: ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20 -17
Defining the incident polarization Определение поляризации падающих лучей Отдельный Бнелиз такой как трассировка гсляризоввнных лучей (см главу "Analyse Menu"), позволяет устеновить поляризацию входящих лучей. Поляризация полностью определяется вектором Jones Е. где Е, и Ev - имеют как амплитуду, так и фазу ZEMAX нормирует установленные значения Е^ и Еу теким образом, чтобы они были равны единице, а затем масштаби- масштабирует интенсивность соответствующим образом, если была успвновленэ какая-либо входного зрачка Заметьте что величины Е* и Еу выражаются в относительных единице* электрического поля Величины Ед и Еу списывают электрическое поле в лекальной системе координат луча причём величина Е2 тождественно равна нулю Электрическое попе затем преобразуется из локальных величин Ej и Еу к глобаль- глобальным величмнвм Еж ЕуиЦ, Так как в общем случае луч может не быть параллельным оси пространства объектов, глобальная величина Ел может на равняться кулю Преобразование выполняется путем выбора компоненты Е* вектора Jones для выражения эле*стрического поля адрпь вектора 5. который не имеет глобальной V- компоненты Компонента Еу вектора Jones указывает електрическое поле вдоль веоора Р которь1Й ортогонален к вектору S и на имеет глобальной Х-компоненты Векторы S и Р определяются таким образом, что S x R = Р. где R - вектор лучэ. Глсбелъные величины Е* Еу и Е2 затем вычисляются из локальнъ1х Е, и Еу проекций адоль S м Р Детали этих вычислений выполняются ZEMAX автоматически, так что никаких других дополнительных установок не требуется Для объекта, расположенного на конечном расстоянии, поляризационные векторы лучей, иыеющих разные координаты на зрачке не являются параллельными друг другу, так как поляризационные вактсры должны быть ортогонельнымы к направлению луча Defining polarizing componente Определение компонент вектора поляризации Любая граница между двумя средами может поляризовать пучок луней Однако ZEMAX поддерживает идеализированную модаль для тлавных поляризационных элементов. Модель реализуется как специальный тип поверхности - ^Jonee MatfisT Эта поверхность модифицирует вактор Jones (который описывает электрическое лопе) в соответствии с уравнением: К А В С D где А, В^ С, D, Ех и Еу - комплексные чиспа Б таблице редакторе Lens Data Editor есть ячейки для задания величины действительной части числа А, мнимой части числа А. итакдалва 2С-18 Chapter 2Qc POLARIZATION ANALYSIS
Заметьте что Z-компонента электрического поля в матрице Джонса отсутствует. При вь числении компонент электрического поля испогъэуегся следующее граничное условие: £•£> О, где Е - вактор алектричаского поля после поверхности ''Jones matrix11, а к - вектор луча Так как Х- и Y-компоненты вектора Е известны, это выражение может быть ислользоаано для вычисления Z-компоненты. Эта главная матрица может быть использоввна для определения широкого разнообразия поляризационных компонент Например, смотри примеры Jones matrices в нижеследующей таблица Числа записаны б формате (а, Ь)Р где г - реальная часть и Ь— мнимая часть SAMPLE JONES MATRICES ПРИМЕРЫ МАТРИЦ ДЖОНСА Лоляриэаци онный Элемент Нулевая матрица X - анализатор Y - анализатор Четвертьволновая пластинка го направлению X Четвертьволновая пластинка го направлению Y Полуволновая пластинка ло направлению X Полуволисвая ппастиика по направлению Y Фильтр с пропусканием 25% Матрица < [Щ (о.о" НОЯ (№), "(UP) @,0" .(O.0J (ОД @,0) №0" @,0) (IJ0) @.1) @,0 (од т (ОД @,1) f-ljOj @.C @,0) {Щ "A,0) @.01 @.0) (-I,O)J 0-5,0) @,0 (O.0J fO.5,0 WhatZEMAX can compute using polarization analysis Что может вычислить ZEMAX при поляризационном анализе ZEMAX может генарироеать графики R, Т. A. D. Р и S в зависимости ст волны для заданного угла падения или в зависимости ст угла падения для заданной дпины волны Смотри главу "Analysis" Глава 20 ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20-19
С помощью программы Polarization Ray Trace" ZEMAX может производить вычисле- вычисления и табулировать детальные данные по трассировке через систему состояния поляризации дли любого заданного луча Другие подпрограммы непосредственно выполняют другие зависящие от поляризации вычисления смотри главу "Analysis Manu" Bulk absorption and transmission Объемное поглощение и пропускание может текже производить точные вычисления пропускания для отдельных , или вычислять среднее го зрачку пропускание. Вычисление пропускание производится с учетам поверхностных эффектов, теки* как потери на отражение, и с учетом поглощения в массе стекла по закону Бера- / - .J где и - пропускание нв единицу длины величина которого б основном зависит от длины волны и т - длина хода е стекле Порядок введения данных о пропускании олисан е главе Using Glass Catalogs" Следует иметь в виду, что ZEMAX учитывает полириэациционные эффекты не при всех вычислениях! Modeling bjrefringent materials Моделирование двоякопреломляющих материалов Моделирование двоякопреломляющих материалов осуществляется с помощью поверхкостей типа "birefringent intouf описание которых двно в глава "Surface Types" В двоякопреломляющей среде величины показателей преломления отличаются для S и Р поляризаций Обыкновенные тучи имеют Э-полнриэацию. а необыкновенные гучи - Р-поляризацию ZEMAX позволяет выбрать, какие лучи должны быть трасси- трассированы Заметьте, что в оЕщем случае это не те же направления векторов поляризации, которые используются при внелиэе покрытий или поверхностей типа "Fresnel surface". В данном случае S- и Р-лопяриэации относятся к ориентации вектора поляризации относительно оси кристалла Р-вектор лежит в плоскости, содержащей вектор преломленного луча и вектор, определяющий направление оси кристалла: S-вактор перпендикулярен как Р-вектору, так и вектору преломленного луча При поляризационном вналиэе в ZEMAX испопьэуется следующее приближение. При трассировке обыкновенных лучей рассматривается только S-коыгонента преломген- ного луча, а пропускание Р-комлоненты принимается рееным нулю. И наоборот, при трассировке необыкнованных лучей рассматривается только Р-компонента, а пропускание £-хомпоненты принимается равным нулю Эте техника проста, но ска позволяет получить корректные результаты по пропусканию для кавдого пути в отдельности Однако для получения данных о полком пропускании системы необходимо провести анализ с каждой возможной комбинацией "modes" для кандой пары поверхностей "birefringent in/оиГ Если в системе имеется две лары теких говерхноотей, to нужно провести анализ 20 -20 Chapter 20 POLARIZATION ANALYSIS
четырех отдельных треков, для трах пар поверхностей нужно провнелиэироввть уже еосемь отдельных треков и так далее." Modeling frustrated total internal reflection Моделирование нарушения полного внутреннего отражения Нарушение T!R (лолного внутреннего отражения) происходит тогда, когда луч свете, цдущий через стекло, гадает на его грвницу под углом, превышающим критический угол Если в таком случае другая диэлектрическая среда (такая как другое стекло) примыкает к первой очень близко, но не соприкасается с кай, то некоторая часть света всё же пройдет через тонкий зазор и будет распространяться дальше, хотя на границе раздела закон Снеллиуса и не удовлетворяется Интенсивность как отражен- отраженного, так и пропущенного пучков луней будет зависеть от толщины зазора. В цвдегьном случае, — когда толщина щели равна нулю, сеет будет преходить через границу тек же, как при отсутствии грвницьг В другом предельном случае - большой щели, имеющей толщину порядка длины волны, - практически вась сеет будет отражен. Хотя эта задача представляется весьма специфической, поляризационные программы ZEMAX, моделируют FTIR (нарушение полного внутреннего отражения} таким же образом, как и покрытия. Прием состоит в том, что определяется особый тип покрытия, который соответствует данной задаче. Одно из покрытий, введенных в ZEMAX, называется GAP, это покрытие определяется как воздушная щель, имеющая толщину С.1 длины волны и показатель преломления, равный единице Использование лоеархности типа Tlted" с тангенсом угла наклона, равным 1.0, и ненесеннного на границу раздела покрытия GAP, генерирует показанную на нижеследующим рисунках систему, которая точно моделирует поляризационные свойства Заметьте, что ширина воздушной щели может быть изменена путем редактирования файла COATING DAT как это было описано в этой главе ракае FTlR-свегоделитегь в пропускании Пропускание в зависимости от угла падения для сеегоделитепп FT1R Налов&рхнсктьткпв~Т|11&Ь* лва стеклэ. нак&сено локсытие типа 'GAP" Глава 2й ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АН1АЛИЗ 20-21
С покрытием "GAP4 ZEMAX может произвести вычислении поляризационных свойств либо для пропущенных либо для отраженных лучей. Однако трассировка лучей для других задач (таких как расчет пропускания системы, построение веерных диаграмм и оптимизация) Будет производиться только вдоль пути пропускания лучей Для моделирования пути отраженных лучей просто замените наклонную стеклянную поверхность на зеркальную добавьте 90 градусов для поверхности "coordinate break" и измените знак оставшихся толщин как это обычно делается. Для этого случая покрытие допжло быть модифицировано чтобы показать наличие второго диэлектрического материала даже еспи трассировка лучей вдоль пути пропускания не Будет производиться а Будет производиться только вдоль пути отражения Новое покрытие должно Быть ояределено в файле COATIMG.DAT (в этом примере покрытию дано название FTIR) в виде 'I Т С™ Т D Г. «Покрытие» когда оно применяется к заркалу, трактует зеркало как воздушным зазор, следующий за стеклом Конечно, вы можете детально моделировать показатель преломления и дисперсию стекла подложки путем определения этого стекла в файле COATING DAT. в этом примере материбл N15 ислсяьэовэн только для простоты Толщина последнего материала (е данном случае это N15) не играет никакой роли, так как для поверхностей типа MIRROR ZEMAX всегда рассмвтривает подложку как поп/бесконечную среду. Результирующая схема и график отражений показаны мв рисунка* FTIR-светоделитель в отражении -1 ъ а Е Ы fi IHJ К ССГШ шёл i еда » ч D-IK ■ «с D-1N Ш ЗН № ЗН • IH ■ DN 1 >г геи ■ ^Ч U п ^ *'*ЧИС! .«на ^= INC3C№T HEP fEIUVi // F 41 ВМ ■WLE IN BEHCB H Л / SFIUPflE л - IN . w 7 7 / LJnTLiI L5IE ME M3 1IIU Отраж&ние б зэбихнсхлн птуглэ падения дгя свеггоделитепя FTIR Пссорсюстъ типа TfctT определенэ как и имеет покрытие типе TTIR" Р-22 Chapter 20: POLARIZATION ANALYSIS
Наконец, заметьте, что обычное полное внутреннее отражение (TIR) можно также модейирпввтъ простым увеличением толщины щели Расстояние, много большее длины волны, го существу эквивалентно бесконечно большому зазору Однако в файле COATING.DAT ие следует задавать очень большую толщину для быстро затухающей при распространении волны, так как пропускание очень мвло и могут возникнуть ошибки, связанные с гот-ерей последних эиечащих разрядов в числах. Для толщины зазора обычно достаточно одной длины волны, или оптической толщины, равной 1.0. Limitations of polarization analysis Ограничения поляризационного анализа Есть несколько ограничений дли способности ZEMAX проводить поляризационный анализ Данные, содержащееся в файле COATING.DAT, всегда нужно внимательно проверять на точность всякий раз, когда принимается решение об изготовлении сисгеш. Кроме того, графики кривых отражения и пропускания построенные ZEMAX, всегда должны передаваться изготовителю покрытий для проверки, что покрытия будут работать как это предполагается Алгоритм трассирования поляризованного луча не дает правильные результаты длн некоторых типов поверхностей, таких как параксиальные поверхности, дифракционные решетки, бинарная оптика или поверх- поверхности Франеля В основном вычисленные поляризационные данные действительны только для поверхностей, для которых преломление и отражение подчиняются закону Снеллиуса. В частности, алгоритм поляризационного анализа предполагает, что лучи остаются в плоскости падения после преломления и отражения. Это верно для обычной преломляющей оптики (это условие выполнения закона Снеллиуса). но ие верно для дифракционной слтики и «мнимых» поверхностей, таких как параксиальная линаа Поляризационные эффекты для лучей, проходящих через поверхности с градиентом показателя преломления также ие рассматриваются Глава 20' ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 20 -23
PHYSICAL OPTICS PROPAGATION МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЧКА Introduction Введение ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУПЕ! I ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИИ ZEMAX-EE. Прежде чем использовагь эту сложную программу, пользователь должен внимательно прочитать и хорошо усвоить матерая этой главы. Геометрическая оптика позволяет моделировать оптические системы путем трассировки через них некоторой заданной совокупности лучей. Лучи - это воображаемые линии, проведенные нормально к поверхностям волнового фронта (поверхностям с постоянной фазой световой волны). Как лучи, так и поверхности волнового фронта могут быть использованы для представления распространяющегося светового пучка. Однако лучи и поверхности волнового фронта распространяются через оптическую систему различным образом. Лучи распространяются вдоль прямых линий и не взаимодействуют друг с другом, в то время как волновые фронты при распространении когерентно взаимодействуют сами с собой. В этом смысле, с помощью лучей и с помощью волновых фронтов мы получаем различные модели светового пучка, распространяющегося в свободном пространстве или через оптические компоненты. Программы, моделирующие оптические систегиы путем трассировки лучей, работают очень быстро, обладают большой гибкостью и очень полезны для моделирования почти всех оптических систем. Однако метод трассировки лучей не позволяет моделировать некоторые важные физические эффекты, главным образом - дифракцию. ZEMAX выполняет некоторые дифракционные вычисления, такие как расчет дифракционной МПФ и дифракционной ФРТ. При этих вычислениях используется одно упрощающее приближение: все наиболее важные дифракционные эффекты происходят в пространстве от выходного зрачка до плоскости изображения. Иногда такое приближение называют "первым приближением". При таком приближении трассировка лучей используется для моделирования распространения светового пучка от объекта через все оптические элементы и промежутки между ними до выходного зрачка в пространстве изображений. Распределение лучей в выходном зрачке с учетом их пропускания по амплитуде и накопленной оптической разности хода используется для вычисления фазы световой волны и получения комплексной амплитуды волнового фронта. Затем, в порядке первого приближения, дифракционные вычисления используются для распространения этой комплексной амплитуды волнового фронта к области вблизи фокуса. Геометрическая оптика с использованием приближения первого порядка работает очень хорошо для большинства традиционных оптических схем, которые не имеют промежуточных фокусов (то есть пучок фокусируется только в плоскости финального изображения). Однако эта модель дает ошибочные результаты в некоторых важных случаях: Глава 21: Физическая оптика 21 -1
Когда лучок лучей сходится к промежуточному фокусу особенно вблизи ограничивающего лучок оптического элемента (трассировка лучей сама по себе не дает правильного распределения интенсивности света вблизи фокуса); Когда рассматриваются дифракционные эффекты на некотором расстоянии от Фокуса (лучи имеют однородное распределение по амплитуде и фазе, а волновой фронт проявляет тонкую структуру в распределении амплитуды и фазы); Когда лучи распространяются на большое расстояние и пучок является почти коллимированным (коллимированные лучи остаются колпимированными на всем пути их распространения в то время как пучок дифрагирует и рассеивается. Глобальная замена Программа "Физическая оптика моделирует оптические системы путем распространения через них волнового фронта. Пучок света представляется в этой модели матрицей дискретных точек аналогично тому, как набор лучей используется в геометрической оптике. Вся матрица затем распространяется через свободное пространство между оптическими поверхностями. Для каждой .оптической поверхности вычисляется передаточная функция, которая осуществляет преобразование пучка от одной стороны оптической поверхности к другой ее стороне. Такая физическая модель позволяет очень детально изучать когерентные пучки с разной степенью когерентности, включая: Распростанение гауссового или многомодовых высшего порядка лазерных пучков любой (определяемой пользователем) формы; Пучки могут исходить от произвольной точки поля (наклонные пучки); Для любой поверхности в оптической системе могут быть вычислены амплитуда, фаза и интенсивность световой волны; Могут быть промоделированы эффекты, обусловленные конечными размерами апертур линз, включая пространственную фильтрацию; Точное вычисление распространения пучка через любой оптический компонент ZEMAX может моделировать путем трассировки лучей. * Эта физическая модель дает более точные результаты, чем геометрическая оптика при анализе детальной структуры распределения амплитуды и фазы в пучке вдали от фокуса. Однако эта модель имеет некоторые недостатки: Эта программа работает медленнее, чем программа геометрической оптики. Так как в памяти компьютера должна быть записана вся матрица пучка, может потребоваться очень большой объем оперативной памяти при большом формате матрицы; Размер матрицы ограничивает количество аберраций пучка, которые могут быть точно вычислены. Поэтому для систем с очень большими аберрациями следует использовать программу геометрической оптики. В последующих разделах дано общее описание алгоритмов программы "физическая оптика" и информация, необходимая для правильного использования этой "продвинутой" программы ZEMAX. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 2
Diffraction propagation Дифракция света Теория и методология моделирования эффектов дифракции саета хорошо изучены и детально рассмотрены а соответствующей литературе. Методы, используемые при анализе дифракции в ZEMAX. описаны в следующих книгах: Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York A968), Lawrence. George N. "Optical Modeling", \n Applied Optics and Opticel Engineering, Volume 11, R. R. Shannon and J. С Wyant, eds., Academic, New York A992). Далее будет дан материал, относящийся только к использованию программы "Физического распространения пучка". Representation of the electric field Представление электрического поля Электрическое поле может быть представлено а трехмерной прямоугольной системе координат вектором * Л Л /\ E(\\y,z) = £гг + Еуу + Ел, где компоненты вектора Ех , Еу и Ez - комплексные величины, a -v • -г • ancJ - - картезианские единичные аекторы . В ZEMAX используется такая система координат, в которой пучок света распространяется вдоль локальной оси Z. В каждом оптическом пространстве ось Z ориентируется таким образом, чтобы вдоль нее распространялся главный луч, служащий опорным вектором; таким образом эта ось Z в общем не совпадает с осью Z. которая определена в редакторе схемы LDE и которая используется для задания положений оптических элементов. Так как пучок света распространяется вдоль локального направления Z, в первом приближении можно исключить из рассмотрения компоненту Ez. Поскольку электрическое поле всегда должно быть направлено нормально к направлению распространения, компоненту Ez всегда можно реконструировать из других данных, как это будет описано далее. The Fresnel number Число Френеля При физическом моделировании очень полезно использовать число Френеля. Вообще говоря, число Френеля определяется только для безаберрационных вращательно- симметричных пучков с ограниченной протяженностью. Однако число Френеля может быть полезно и в других случаях. Величина числа Френеля зависит от диаметра пучка, радиуса кривизны волнового фронта и расстояния до точки наблюдения, в которой рассчитывается величина комплексной амплитуды поля. Концептуально число Френеля - это число кольцевых "зон Френеля", укладывающихся в сечении пучка от его центра до края. Радиальная ширина зоны Френеля определяется расстоянием, на котором фаза изменяется на л, как это видится из точки наблюдения. Для идеально коллимированного пучка число Френеля определяется выражением Глава 21; Физическая оптика 21-3
которое при 2 > А упрощается и имеет вид F -А- п ХГ где А - радиальный размер пучка и 2 - расстояние от рассматриваемого сечения пучка до точки наблюдения. Величина числа Френеля уменьшается с возрастанием величины 2. Для неколлимированных пучков используется эта же концепция. Для сходящихся пучков величина числа Френеля будет очень небольшой, если точка наблюдения расположена вблизи фокуса. Если пучок с идеальным сферическим фронтом сходится к фокусу, число Френеля будет равно нулю, так как волновой фронт не имеет области, в которой фаза изменяется на л. Когда точка наблюдения смещается от фокальной области число Френеля возрастает. Near and far field Ближнее и дальнее поле * Если величина числа Френеля мала, скажем, меньше 1, то говорят, что точка наблюдения находится в "дальнем поле" по отношению к рассматриваемому пучку. Если величина числа Френеля больше 1, говорят, что точка наблюдения находится в "ближнем поле" по отношению к рассматриваемому пучку. Важно понимать, что термины "дальнее поле" и "ближнее поле" относятся к точке наблюдения рассматриваемого волнового фронта, для которой было вычислено число Френеля, а не к положению одного волнового фронта. Например, волновой фронт в выходном зрачке оптической системы обычно вызывает ближнее поле, так как дальнее поле находится в фокальной точке. Однако при небольшом смещении точки наблюдения от фокуса, возможно, произойдет переход в зону ближнего поля, если дефокусировка мала. От решения вопроса о том, происходит ли распространение пучка в ближнем или в дальнем поле, зависит выбор метода физического моделирования дифракционного распространения пучка через оптическую систему. Angular spectrum propagation Угловой спектр Хорошо известно, что плоская волна остается плоской при распространении в однородной среде. Плоскую волну можно представить выражением где к - волновой вектор, имеющий величину BпIк, иг- единичный вектор, определяющий направление локальной оси 2. Волновой вектор идет вдоль нормали к волновому фронту и направлен в сторону распространения электрического поля. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 4
Волновой вектор имеет направляющие косинусы а, р и у, для которых выполняется соотношение С учетом этого плоская волна может быть представлена выражением Теперь запишем выражения для преобразования Фурье и обратного преобразования Фурье: «о оо «о оо Пусть G = FF [ Е ], то есть пусть G представляет Фурье-спектр электрического поля Е. Тогда по определению оо оо Е(х,у)- —оо—оо Поэтому электрическое поле можно интерпретировать как сумму плоских волн с направляющими косинусами а = ^, C = Хц, and у - 41 - Исключая у. и принимая приближение, что плоская волна распространяется под небольшим углом к оси Z, запишем уравнение для плоской волны в виде д. ч — к х е ^е е Первый сомножитель в правой части данного уравнения выражает собой геометрический набег фазы волны и им обычно пренебрегают. Второй сомножитель, который зависит от и и \\ представляет собой передаточную функцию плоской волны, распространяющейся в свободном пространстве. Определяя р2 = с2 + г\2 . уравнение для передаточной функции плоской волны можно записать в виде , Л, 0)е Глава 21: Физическая оптика 21 - 5
Для распространения электрического поля от одной плоскости к другой необходимо осуществить Фурье-преобразованые поля, применить функцию распространения и затем произвести обратное Фурье преобразование полученного распределения. Эти операции можно объединить путем введения оператора преобразования РТР (the Plane To Plane operator): E(x,)\z2) = PTP[E{x\\\zlH=2-zl)]t where PTP(E, Дг)нFF l[T{£i=)FF[E}], and Г(Д=) = Заметьте, что передаточная функция T(AZ) имеет единичную амплитуду, но комплексную фазу. Эта фаза медленно изменяется от точки к точке в пространстве частот и при малой величине произведения (X SZ р ) представляет собой функцию G. Но с возрастанием величины (X \Zp ) скорость изменения фазы быстро увеличивается. Если фаза между соседними точками конечной матрицы изменяется более чем на tl/2, то она становится неопределенной и этот эффект известен как случай наложения или неоднозначности. С этой точки зрения метод углового спектра работает очень хорошо, если расстояние распространения поля достаточно короткое или если пучок близок к коллимированному. Хотя теория дифракции точна для любого расстояния распространения поля, при задании пучка конечной матрицей дискретных точек фаза пучка не может быть точно вычислена, если фаза функции распространения углового спектра изменяется слишком быстро между точками Когда используется функция распространения углового спектра, фаза электрического поля измеряется относительно плоскости. Положительные значения фазы показывают, что волновой фронт продвигается в положительном направлении локальной оси Z по отношению к плоскости независимо от направления его распространения. Функция углового спектра полезна при больших величинах числа Френеля. Зто включает важный случай распространения пучка на короткое расстояние. Однако функция углового спектра также работает хорошо при распространении на большие расстояния, если сходимость пучка (и таким образом величина р) мала. Хорошим критерием возможности использования функции углового спектра является незначительное изменение размеров пучка. Для распространения пучка с небольшими числами Френеля, когда размеры пучка изменяются значительно, требуются другие теоретические и числовые методы. Fresnel diffraction Дифракция Френеля При небольших величинах числа Френеля подходящей теорией является дифракция Френеля. Общее обсуждение и выводы этой теории можно найти в книге Goodman, ссылка на которую дана в вводной части этой главы. Ключевым приближением в теории Френеля является требование, чтобы вычисляемое поле не находилось близко к Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 -6
начальному полю, а именно, если Z2 - Zi = Az, то величина Az должна быть большой е сравнении с областью, дпя которой должно быть определено поле при Z2- В области Френеля распределение электрического поля дается уравнением = I ]^ Ыг'2*Az) J J Е(хиУ\^\Мг'\^2)е <&</>', where Каждый член этого уравнения имеет свою физическую интерпретацию. Первый сомножитель описывает изменение фазы вдоль оси Z при распространении пучка (аналогично плоской волне, как это было описано ранее). Амплитуда также уменьшается линейно с расстоянием (то есть интенсивность (Е*Е) уменьшается квадратично). Выражение для q(r, Az), называемое квадратичным фазовым множителем, показывает, что опорная сфера имеет радиус Дг (строго говоря, это не сфера, а параболоид, но мы уже приняли для дифракции Френеля условие г2«Дг). Это очень полезное свойство, так как для представления электрического поля требуется всего лишь разность фаз относительно опорной сферы. Это значительно снижает количество точек отсчета, необходимое для точного задания фазы пучка. При использовании дифракции Френеля фаза электрического поля измеряется по отношению к опорной сфере с радиусом, равным расстоянию от перетяжки пучка. Заметьте, что это не фазовый радиус кривизны Гауссова пучка. Положительные значения фазы показывают, что волновой фронт продвигается вдоль положительного направления локальной оси Z относительно опорной сферы, независимо от направления его распространения. Другое важное свойство выражения q(r, Az) заключается в том, что при больших еепичинах Az его величина изменяется плавно с изменением фазы. Это противополож- противоположно тому, как ведет себя оператор T(uz)r величина которого изменяется очень быстро с изменением фазы при больших величинах Az. Соответстенно этому дифракцию Френеля полезно использовать при малых величинах числа Френеля. Selecting the correct propagator Выбор правильной функции распространения ZEMAX автоматически выбирает либо функцию углового спектра при больших числах Френеля, либо функцию Френеля при небольших числах Френеля. Однако бывают случаи, когда лучше выбрать функцию углового спектр, чем функцию Френеля; с этой целью ZEMAX позволяет сделать такой выбор для каждого пространства от одной поверхности до другой, взамен автоматической установки (смотри в разделе *The sample files'1 обсуждение этого вопроса). Fraunhofer diffraction Дифракция ФраунгоФера Рассмотрим выражение для дифракции Френеля. При очень больших величинах \z членом q(r, Az) можно пренебречь. Тогда мы получим выражение для дифракции Орэунгофера: Глава 21: Физическая оптика 21-7
Е(х 2,у2.:2) = М—: I f E{xx.yvzt)e ' * ЛЖ\ or simply в котором фазовые и амплитудные коэффициенты отсутствуют. Распределение в дальнем поле представляет собой всего лишь масштабное преобразование Фурье распределения в ближнем поле Дифракция Фраунгофера работает только при очень небольших (близких к нулю) числах Френеля. В программах дифракционного расчета ZEMAX, основанных на трассировке лучей, таких как вычисление дифракционной МПФ или дифракционной ФРТ. используется дифракция Фраунгофера. Этим объясняется, почему ZEMAX не может на основе трассировки лучвй вычислить МПФ или ФРТ при очень больших дефокусировках. Приближение Френеля никогда не используется в программах Физическая оптика", оно упоминается здесь только для полноты рассмотрения вопроса. The pilot beam Пилотный пучок Рассмотрим простой Гауссов пучок с перетяжкой <оо- Область Релея определяется выражением Фазовый радиус кривизны пучка является функцией расстояния от перетяжки пучка, z Заметьте, что величина радиуса становится бесконечно большой при z = 0. достигает минимумального значения, равного 2zf. при z = zr и асимптотически приближается к бесконечности при z -> ее. Фаза Гауссова пучка вдоль оси определяется сдвигом Guoy: 9(r) = tan" f^V V-J Например, фаза на оси равна л/4 на расстоянии плюс одна область Релея. Размер пучка также является функцией расстояния от перетяжки пучка: y-\2il/2 Заметьте, что для больших расстояний пучок увеличивается в размере линейно. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 8
Теперь рассмотрим проблему численного представления этого лучка матрицей дискретных точек отсчета. Если использовать постоянные промежутки между точками отсчета, то при больших расстояниях от перетяжки пучок расширится настолько, что выйдет за края матрицы. Поэтому на больших расстояниях от перетяжки лучше использовать масштабирование координатной системы, при котором расстояния между точками матрицы будут увеличиваться пропорционально с ростом z. Однако аблизи ператяжки размер пучка не уменьшается до нуля, а остается конечной постоянной величиной. В этой области можно использовать постоянный шаг между точками матрицы. Компромиссное решение - это использование постоянного расстояния между точками вблизи перетяжки и линейное масштабирование расстояния между точками на больших расстояниях от перетяжки. Выбор расстояния, на котором должен происходить такой пераход, является отчасти произвольным, однако при проектировании оптических систем обычно используется расстояние, рааное удаоенной величине области Релея; в ZEMAX используется именно это пороговое значание. В последующих дискуссиях относительно распространения пучка в пределах и вне области Релея могут подразумеваться другие величины порога, но общая концепция остается той же самой. В рассмотренной выше теории дифракции не ааодилось каких-либо ограничений на состояние или форму распространяющегося электрического поля. Алгоритмы в большей своей части не зааисят от распределения поля. Однако проблема сетки отсчетов остается. Большую проблему представляют собой также не только вычисление, но и определение величины числа Френеля для произвольных (в частности, аберрированных) пучкоа с нерегулярными или несуществующими типами апертур. По этой причине для выбора подходящего алгоритма для физического распространения пучка через оптическую систему используется "пилотный пучок". Пилотный пучок - гауссов пучок с определенными перетяжкой, размерами, фазовым радиусом и относительным z положением. Начальные параметры пилотного пучка могут быть генерированы путем подгонки уравнений гауссова пучка к исходному распределению. Затвм пилотный пучок "прогоняется" от одной поверхности к другой. Для каждой поверхности вычисляются новые параметры пучка, такие как перетяжка, фазовый радиус и положение. Свойства пилотного пучка затем используются для определения, относится ли действительное распредепение к области Релея или к пространству за ее пределами, и для выбора соответствующего алгоритма. После прохождения пилотного пучка через апертуры, которые значительно ограничивает пучок, такие как "точечная" диафрагма, может потребоваться произвести новые вычисления параметров пилотного пучка, как это будет описано далее в этой главе. в Sign conventions for phase data Правила знаков для фазы электрического поля При определении пучков с помощью DLL-файлов или при расчете эффективности связи со светопроводом важно понимать правило знаков для фаз. Как было показано в предыдущем разделе, функция распространения углового спектра работает лучше, когда пучок близок к параллельному, а функция Френеля работает пучше при расходящихся пучках. При использовании функции распространения углового спектра фаза электрического поля измеряется по отношению к плоской поверхности. Глава 21: Физическая оптика 21 - 9
Когда пучок распространяется за пределами области Релея и используется функция Френеля, фаза поля измеряется относительно сферы, радиус которой равен расстоянию от перетяжки пучка до текущего положения пилотного пучка. Знак фазы положителен, если волновой фронт расположен справа" от опорной поверхности относительно положительного направления локальной оси Z. Для пучка, распространяющегося в предепах области Релея в сторону положительного направления оси Z. набег фазы будет отрицательным, так как волновой фронт находится слева от опорной ппоскости. Только вне области Релея набег фазы будет положительным, так как волновой фронт теперь находится правее опорной сферы. Поэтому набег фазы электрического поля будет изменяться 'скачком" от отрицательных к положительным значениям при переходе из области Релея за ее пределы при распространении в сторону положительного направления оси Z. Например, рассмотрим простой идеальный гауссов пучок. В области перетяжки фаза поля равна нулю по всей опорной плоскости. Если пучок распространяется в положительном направлении от перетяжки только до границы области Релея. то фаза в центре пучка изменится на л/4 радиан; это смещение Guoy. определяемое выражением Ф = tan (z/Zr). Кривизна волнового фронта пучка становится равной удвоенной величине области Релея. С продвижением от центра к периферии пучка фаза волнового фронта будет принимать все большие отрицательные значения, так как фаза искривленного волнового фронта отсчитывается от плоскости. Если теперь пучок распространить на бесконечно малое расстояние за пределы области Релея, то фаза в центре пучка по-прежнему будет равна ^/4 радиан, но будет теперь отсчитывзться от сферы с радиусом, равным расстоянию до перетяжки, то есть равным размеру области Релея для этого случая. Так как радиус опорной сферы меньше радиуса кривизны волнового фронта, то с продвижением от центра пучка к его периферии фаза пучка будет принимать все большие положительные значения. Наконец, если пучок распространить далеко за пределы области Релея, то величина фаза относительно опорной сферы будет стремиться к постоянной величине л/2 радиан (предельное значение для сдвига Guoy). Оба представления пучка эквивалентны, однако необходимо учитывать собственную фазу опорной поверхности при конструировании ипи сравнении различных пучков. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21-10
Propagating in and out of the Rayleigh range Распространение пучка в пределах и вне области Релея Наименования терминов, используемых в этом разделе, взяты нами из работы Lawrence, ссылка на которую была дана нами в начале этой главы. Как уже было сказано, распространение пучка на небольшие расстояния хорошо моделируются с помощью оператора РТР. Этот оператор работает таким образом, что расстояния между дискретными точками матрицы, представляющей пучок, сохраняются постоянными. Функция распространения Френеля наиболее подходит, когда пучок находится уже вблизи перетяжки пилотного пучка и поле ищется вдали от перетяжки. По этой причине функция распространения Френеля переопределяется как оператор преобразования WTS - "от перетяжки к опорной сфере" (Waist To Sphere): = WTS[E(x[iyli0)Jz2] .where WTS(E, Az) s v Z FF[q(rx,z2)E],s = р Z2 Дл-0 = —L ( an(j Дуо = здесь пх и пу - количество точек отсчета в матрице по х и у направлениям. Последние два выражения производят новое линейное масштабирование шага матрицы после применения данного оператора. Обратное преобразование осуществляется оператором STW - "от опорной сферы к перетяжке4 (Sphere To Waist): ST11XE, Ar) mq(rXJ =2)FF'li\z2E], с подобным изменением шага матрицы. Четыре главных случая распространения пучка требуют рассмотрения: II: распространение пучка от одного положения к другому в пределах области Релея. 10: распространение пучка из области Релея за ее пределы. 01: ввод пучка (извне) в пределы области Релея. 00: распространение пучка от одного положения к другому вне области Релея. Все эти случаи могут быть представлены соответствующими комбинациями операторов РТР, WTS и SRW: H(z1,z2) = PTP(z2-z1) * IO(z1, z2) = WTS(z2 - zO)PTP(zO - z1) 0l(z1, z2) = PTP(z2 - zO)STW(zO - z1) 00(z1, z2) = WTS(z2 . zO)STW(zO - z1) Глава 21: Физическая оптика 21 11
где zO - положение перетяжки пилотного пучка, z1 - положение стартового пучка и z2 - положение выходного пучка. Comments about point spacing and sampling Комментарий относительно шага матрицы отсчетов Хотя общее количество точек матрицы п* и пу остается постоянным, размер матрицы и расстояния между точками, дх и Ау, будут изменяться по мере распространения пучка. Если ширина матрицы очень велика в области перетяжки пучка по сравнению с размером самой перетяжки, то всего только несколько точек попадут в сечение перетяжки. В результате этого вдали от перетяжки размер матрицы станет меньше по отношению к размеру пучка, так что пучок будет представлен большим числом точек. Наоборот, если размер матрицы в сечении перетяжки невелик, размер матрицы вдали от перетяжки возрастет по отношению к размеру пучка, так что пучок будет представлен только несколькими точками. Это инверсное соотношение является необходимым, но часто - неудобным результатом теории Фурье-преобразования, используемой для моделирования дифракции. Точные уравнения, описывающие изменения расстояния между точками матрицы, были даны в предыдущем разделе. Существует компромиссное решение для хорошего представлением пучка как в области перетяжки, так и вдали от нее. Можно показать, что для получения примерно одинакового количества точек в сечении пучка как в области перетяжки, так и вдали от нее. размер матрицы в области перетяжки по направлениям X и Y должен быть равен: , Г = с В диалоговом окне программы "Physical Optics Propagation" есть соответствующие установки по выбору исходного размера матрицы, в том числе - и установка "Auto", при которой исходный размер матрицы вычисляется по этим формулам (смотри в главе "Analysis menu1" раздел "Physical Optics Propagation"). Propagation through arbitrary optical surfaces Распространение пучка через произвольные оптические поверхности Методы, описание которых было дано в предыдущих разделах, хорошо работают для распространения пучка в однородной среде. Однако наш главный интерес заключается в моделировании распространении пучка через различные оптические компоненты, такие как линзы и апертуры. Выполнять дифракционные вычисления для поверхностей произвольной формы "напрямую" очень непрактично. Главная трудность состоит в сложности представлении комплексной амплитуды для набора дискретных точек на плоскости или опорной сфере. Когда пучок падает на искривленную поверхность, различные части пучка пересекают эту поверхность при разных значениях координат, отсчитываемых вдоль локальной оси Z. Во избежание этой проблемы, комплексные амплитуды поля и свойства пилотного пучка используются лишь для генерирования набора лучей, представляющих падающий на поверхность волновой фронт. Затем эти лучи, называемые зондирующими, Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 -12
трассируются через оптическую поверхность с использованием обычной геометри- геометрической оптики. Полученные в результате трассировки характеристики каждого луча - их положение, длина пути и угловые аберрации - затем используются для реконструкции пилотного пучка и комплексных амплитуд поля после прохождения пучка через поверхность. Таким образом, набор зондирующих лучей используется для моделиро- моделирования прохождения лучка через поверхность. Трассировка зондирующих лучей позволяет определить: Эффективную оптическую силу поверхности для пилотного пучка; Направление пучка после того, как он пройдет через поверхность; Фазу поляризации и амплитудное пропускание поверхности; Виньетирующие свойства поверхности при наличии на ней каких либо апертур (или ошибки в прохождении луча); Фазовые аберрации; Анаморфотность и нелинейное расширение или сжатие (искажение) пучка. Метод зондирующих лучей может быть применен для моделирования распространения пучка через одну поверхность или многих поверхностей сразу. Это очень полезное свойство, так как геометрическая оптика может быть использована для моделирования распространения лучка через любые оптические компоненты, что было бы трудно сделать при моделировании физического распространения лучка. Это включает сильно наклоненные поверхности, "непоследовательные" призмы и линзы из материала с градиентом показателя преломления (если назвать только некоторые из них). Возможность распространения пучка сразу через множество поверхностей также позволяет увеличить скорость вычислений. Accounting for polarization Учет поляризации Если учитывается поляризация лучей, ZEMAX будет производить трассировку поляризованных лучей для определения свойств зондирующих лучей и соответствующей передаточной функции. Трассировка поляризованных лучей позволяет моделировать эффекты оптических покрытий, такие как изменения фазы и амплитуды для пропущенного и отраженного пучка. ZEMAX предполагает, что вся энергия пучка в данной точке матрицы распределена меаду компонентами поля Ех и Еу . Однако для трассировки поляризованного луча необходимо учитывать компоненту поля Ег. ZEMAX воссоздает величину компоненты Ег в соответствии с условием, что вектор электрического поля Е должен быть направлен перпендикулярно к вектору распространения к. Вектор к вычисляется на основе данных о свойствах пилотного пучка и фазовых искажений в пучке: производится перенорми- перенормировка величин Ех и Еу в соответствии с полученным новым значением интенсивности пучка. После распространения поляризованного пучка, вновь производится перенорми- перенормировка величин Е„ и Е, для передачи им энергии, содержащейся в компоненте Е,: сама компонента Е; затем отбрасывается. Глава 21: Физическая оптика 21 -13
Memory requirements Требования к объему оперативной памяти компьютера Для трассировки лучей в соответствии с законами геометрической оптики в общем требуется очень небольшой объем оперативной памяти, так как каждый луч может быть трассирован от объекта до изображения независимо от всех других лучей. Для физической оптики требуется значительно больший объем оперативной памяти, так как данные о всем пучке должны запоминаться одновременно. ZEMAX использует 8- байтные двойной точности числа с плавающей запятой для записи данных о пучке. В действительности требуется 16 байт для записи каждой позиции матрицы, так как амплитуда электрического поля является комплексной величиной. В нижеследующей таблице приведены некоторые сведения о том. какой объем оперативной памяти требуется для разных частей апгоритма моделирования физического распространения пучка: ЗАДАЧА Запись данных для неполяризованного пучка Запись данных для поляризованного пучка Вычисление свойств зондирующих лучей при их переносе через поверхность Вычисление результирующих данных (таких как интенсивность) ТРЕБУЕМЫЙ ОБЪЕМ ОЗУ пх " пу * 16 байт пх * пу w 32 байт пх * пу * 64 байт пх * пу * 8 байт Заметьте, что результирующая матрица не обязательно должна храниться в оперативной памяти одновременно с сеткой данных о переносе лучей через поверхность, так что требуемый максимальный* объем оперативной памяти равен просто пх" пу * G2 байт) для неполяризованного пучка и пх * пу * (88 байт) для поляризованного пучка. Например, для моделирования распространения поляризованного пучка, представлен- представленного матрицей с размером 128 х 128, через типичную оптическую систему требуется примерно 128 х 128 * 88 bytes = 1.4 Mb. Для пучка, представленного матрицей с размером 2048 х 2048, потребуется уже более 370 Mb. Если компьютер не имеет такого большого объема оперативной памяти, то можно использовать выделенную страницу виртуальной памяти на твердом диске, но скорость вычислений будет при этом в сотни и даже тысячи раз меньше! Defining the initial beam Задание исходного пучка С помощью набора команд Analysis, Physical Optics, Physical Optics Propagation на экран вызывается диалоговое окно (программа) Physical Optics Propagation. С помощью этого окна пользователь может произвести много различных установок, в том числе - установки, необходимые для задания исходного пучка, количества отсчетов, рассматриваемой области поверхностей и позиций поля. Смотри в главе "Analysis menu" раздел "Physical Optics Propagation". Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21-14
С помощью установок "Х- and Y-Sampling" задается количество точек для представления пробного пучка. Чем больше задано точек, тем с большей точностью будут произведены вычисления, но время вычислений и требуемый объем оперативной памяти при этом быстро увеличиваются! С помощью установок "Х- and Y-Width" задаются линейные размеры матрицы по направлениям X и Y, измеряемые в единицах, установленных для оптической схемы. При очень больших линейных размерах матрицы она будет покрывать много свободного пространства вокруг области пучка с ненулевой интенсивностью. Это пространство называют "защитной полосой", и очень важно, чтобы вокруг пучка существовала достаточно большая такая полоса. Свободное пространство предоставляет место для расширения пучка при его аберрациях. Если внешние части пучка располагаются очень близко к краям матрицы, они будут "перенакладываться11 и отражаться обратно в пучок, снижая тем самым точность вычислений. Исходный пучок можно определить с помощью следующих опций: Gaussian Waist Gaussian Angle Gaussian Size+Angle Top Hat User defined table in a file User defined DLL program После выбора типа пучка он может быть направлен вдоль главного луча для любой заданной позиции поля в оптическом пространстве, предшествующем какой-либо поверхности. Затем программа выполняет вычисления, моделирующие физическое распространение пучка от начальной заданной поверхности до последней заданной поверхности. Gaussian Waist Пучок типа "Gaussian Waist" определяется выражением; где величина Ео выбирается для задания пиковой величины поверхностной плотности излучения в области перетяжки (мощность на единицу площади); единицы измерения мощности и площади задаются в соответствующем установочном окне. Размеры матрицы должны превышать размеры перетяжки (>о в каждом направлении по «еныией мере в 6 - 10 раз. Предполагается, что пучок определяется в области перетяжки, так что начальные фазы поля равны нулю по всей ширине пучка По мере удаления от перетяжки размеры пучка будут увеличиваться. Смотри следующие подразделы: Gaussian Angle и Gaussian Size+Angle Глава 21: Физическая оптика 21 -15
Gaussian Angle Пучок типа "Gaussian Angle" подобен пучку "Gaussian Waist. Отличие заключается только в том что пучок типа "Gaussian Angle" определяется путем задания величины половины угла расходимости в дальнем поле (в градусах). ZEMAX использует заданный угол расходимости пучка для вычисления размера перетяжки пучка. Размер перетяжки определяется соотношением- 1 man 8" Обратите внимание на то что задается половинный угол расходимости, выраженный в градусах Если значения угла по направлениям X и Y отличаются друг от друга, то будет генерирован эллиптический пучок. Остальные параметры пучка те же, как и для пучка типа "Gaussian Waist". Gaussian Size+Anole Пучок типа "Gaussian Size+Angle" подобен пучку "Gaussian Waist". Отличие заключается только в том, что пучок типа "Gaussian Size+Angle' определяется путем задания как размера лучка (не размера перетяжки) на стартовой поверхности, так и величины половины угла расходимости в дальнем поле (в градусах). ZEMAX использует заданный размер пучка на стартовой поверхности и угол расходимости пучка для вычисления размера перетяжки пучка. Размер перетяжки определяется соотношением: х 7С tan в " Обратите внимание на то, что задается половинный угол расходимости, выраженный в градусах. Если вычисленный размер перетяжки получится больше заданного размера пучка на стартовой поверхности (что физически невозможно), то полученное значение размера перетяжки будет использовано для переопределения размера пучка на стартовой поверхности. Затем вычисляется положение пучка вдоль оси 2 относительно положения перетяжки с помощью формулы: 1 где zf - размер области Релея. Если значения угла по направлениям X и Y отличаются друг от Друга, то будет генерирован эллиптический пучок с возможным тороидальным переходом. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 -16
Tod Hat Пучок типа Top Hat" определяется как где величина Ео выбирается для задания пиковой величины поверхностной плотности излучения в области перетяжки (мощность на единицу площади); единицы измерения мощности и площади задаются в соответствующем установочном окне. Размеры матрицы должны превышать размеры перетяжки о в каждом направлении по меньшей мере в 6 -10 раз. User defined table Эта опция позволяет пользователю определить стартовый пучок в виде табличных данных. Данные должны быть записаны в файл в двоичном формате. Имя файла должно иметь расширение ZBF (for ZEMAX Beam File). Format Beam Fife (ZBF) Формат Файла Beam File (ZBF) Файл ZBF записывается в следующем формате. Все целые числа - 4-х байтные; все двойные числа - 8-ми байтные. 1 integer: Номер версии; текущее значение - 0. 1 integer: Количество отсчетов (точек) по оси X (пх) . 1 integer: Количество отсчетов (точек) по оси У (пу) . 1 integer: Флажок"is polarized" ; 0 - для неполяризованного пучка, 1 - япя поляризованного пучка. I integer: Единицы измерения; 0 - км, 1 - см, 2 -дю":м, 3 - и. A integers: В настоящее гремя не используется; может и:/еть люОое значение. 1 double: Расстояние между точкам;: з направлении X. 1 double: Расстояние ме"*г.у точками з направлении У. 1 double: Положение по ос;т Z относительно перетяжки пилотного пучка 1 double: Размер облает:: Релея л"я пилотного пучка. 1 double: Длина вог.кь: в установленных лля схем1' единицах измерения. I double: Размер перетяжк:: г.илотного пучка а установленных для схемы ея::н::иак измерения. 5 double: В настоящее время не используется; челет иметь sir oe значен;? э. 2*:*.х*пу double: Вел::ч;:ны Е>: "ля то^ек матрицы в стгеке х, начиная с угловой точк;: :-'.атр;*иы при -х, -у. Ь каэ^туг пози^ю матрник последовательно записывается реальная у. :.:r:;i:.:a« част;: вел:.чины Ex. Ес-и пуч^к по-гягиз^вак, то Глава 21: Физическая оптика 21 -17
Далее записываются следующие 2*пх*пу значений, которые определяют Бу. Этот формат идентичен формату файла, записываемому 2ЕМАХ по команде "Save Output Beam То:'\ Значения Еж и Еу задаются таким образом чтобы величина Ех'Ех + Еу"Еу была равна величине энергии в Ваттах. Если флажок единиц измерения показывает другие единицы измерения, чем были установлены для схемы, то размеры пучка будут автоматически масштабированы в соответствии с текущими единицами измерения схемы. Все ZBF-файлы должны быть помещены в поддиректорий \POP\BEAMFILES! В ZEMAX пучки всегда центрированы относительно главного луча для заданной позиции поля и заданной длины волны. Поэтому записанные в файл данные должны быть позиционированы относительно главного луча, который будет использован Для определения направления пучка. Данные дпя центра пучка записываются в файл в позицию с координатами (пх/2+1, пу/2+1). User deftned DLL program m В каждой DLL-программе могут быть использованы от 0 до 4-х значений параметри- параметрических данных, используемых для вычисления свойств пучка. Эти значения определя- определяются в DLL и используются только при работе с DLL. Значения параметров могут быть введены или отредактированы прямо в установочном окне, когда тип пучка задается программой DLL. Creating a new Beam DLL В программе DLL должны использоваться две функции: UserBeamDefinition UserParamNames Когда пучок определяется программой DLL. ZEMAX обращается к функции "UserBeamDefinition", в которой задаются параметры пучка, длина волны и другие данные. Эта функция используется также для вычисления значений электрического поля. Вычисленные значения электрического поля затем используются ZEMAX для заполнения матрицы, представляющей пучок. Функция' UserParamNames" используется для определения имен всех используемых параметров. Эти имена при работе с программой высвечиваются в установочном окне. Наилучший способ изучить работу с DLL-программами - это скопировать и изучить существующие DLL. Имеющиеся в ZEMAX примеры DLL содержат обширную документацию и комментарии к формату данных; смотри, например, какой-либо пример файла "source code". Все DLL-программы должны быть помещены в поддиректорий \POP\DLL главного директория ZEMAX I Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 18
Surface specific settings Спеиифические установки для поверхностей Каждая оптическая поверхность ZEMAX поддерживает эти установки, относящиеся к программе 'Physical Optics Propagation": Use Rays To Propagate To Next Surface: Если активизировать этот флажок, то алгоритмы дифракционного распространения пучка не будут использованы для распространения пучка от данной к следующей поверхности. Вместо этого лучи будут трассированы к следующей поверхности и полученная передаточная функция будет использована для распространения пучка и обновления параметров пилотного пучка. Эту опцию можно использовать для многих последовательных поверхностей; в таком случае будет произведен прогон пучка через все эти поверхности путем трассировки лучей. Использование этой установки очень рекомендуется для наклонных и градиентных поверхностей. Эта опция может быть использована также просто для ускорения работы программы при прогоне пучка через несколько поверхностей одновременно, если расстояния между поверхностями настолько малы-, что можно пренебречь дифракцией. По умолчанию этот флажок не активизирован. Re-Compute Pilot Beam Parameters: Некоторые поверхности в значительной степени видоизменяют характеристики пучка. Хорошим примером этого может служить "точечная'1 (небольшая) диафрагма. После прохождения пучка через небольшую диафрагму размер перетяжки пучка, его расходимость и положение могут претерпеть значительные изменения, если даже диафрагма не имеет оптической силы (в этом состоит главное отличие между геометрической и физической оптикой). После прохождения пучка через небольшое отверстие параметры пилотного пучка должны быть вычислены заново для последующего точного распространения пучка. При активизации этой установки в в процесс вычислений будет вовлечен специальный алгоритм, который наилучшим образом произведет подгонку параметров пилотного лучка. Do Not Rescale Beam Size Using Ray Data: По умолчанию ZEMAX будет исполь- использовать сетку лучей для вычисления искажений, растяжения, масштабирования или других изменений формы пучка. Хорошим примером этого является прохождения пучка через дифракционную решетку. Пучок будет сжиматься вдоль направления дифракции. Одако иногда требуется, чтобы таких изменений в форме пучка не производилось. Одним из таких случаев является ситуация, когда сетка лучей входит в каустику В таком случае лучи больше не представляют пучок и не могут быть использованы для определения формы пучка. ZEMAX автоматически пропускает этот шаг, если обнаруживает, что сетка лучей сводится в каустику. Но могут быть и другие случаи, когда этот алгоритм не должен использоваться. Эта опция как раз и позволяет пользователю отключить этот алгоритм. Use Angular Spectrum Propagator; По умолчанию ZEMAX автоматически выбирает тип алгоритма для физического распространения пучка. Но если активизировать этот флажок, то для прогона луча через данную поверхность будет использован алгоритм 'Angular Spectrum Propagator. Эта опция должна использоваться только тогда, когда размеры пучка не очень сильно изг/еняются на расстоянии распространения пучка. Размер. матрицы в таком случае будет сохраняться постоянным. Глава 21: Физическая оптика 21 -19
Draw 'beamtile name" on shaded model. Если выбрать эту установку, то имя ZBF- файла будет начертано около данной поверхности на графике затененной модели оптической схемы. ZBF-файл имеет то же имя. что и файл схемы с добавлением 4-х цифр, обозначающих номер поверхности. По такому же правилу ZEMAX автоматически присваивает имя файлу с данными, определяющими пучок. Смотри в главе "ANALYSIS MENU" раздел "Display Tab", в котором дано более подробное описание этого правила. Если сделана эта установка и ZEMAX нашел правильное имя файла, то сама поверхность не будет изображена на затененной модели схемы, а вместо нее будет начертано имя файла. Поэтому эту опцию лучше выбирать для фиктивных (пустых) поверхностей. Для изображения поверхности, для которой пучок задан большим файлом, требуется большой объем памяти и рисование затененной модели схемы будет производиться медленно. Reference Radius: Вращательно-симметричные пучки имеют одинакове фазовые радиусы кривизны по осям X и Y. Однако в общем случае фазовые радиусы будут различными. Для цилиндрических или тороидальных линз это различие может быть очень большим. Выбор опорного радиуса позволяет определить характер распространение пилотный пучок, что, в свою очередь, влияет на выбор алгоритма распространения, матрицы отсчетов и других важных данных, используемых для дальнейшего распространения пучка. Обычно наилучшим выбором является опция "Best Fir, при использовании которой достигается наилучший компромисс ме>еду величинами радиуса по X и Y направлениям для минимизации сдвига фазы относительно опорной поверхности. Опция "Shortest" позволяет выбрать наименьший из двух (по направлениям X и Y) радиусов, а опция "Longest' - наибольший. Опции МХ" и "Y" позволяют сделать определенный выбор одного из двух радиусов. Используйте опцию Best Fit", если вы не уверены, что другой выбор позволит получить более высокую точность для данной задачи. Computing Fiber Coupling Вычисление эффективности связи со световодом Алгоритм "Physical optics propagation" можно использовать для вычисления эффектив- эффективности связи со световодом. Метод вычисления, основанный на трассировке лучей, также поддерживается ZEMAX; см. в главе "ANALYSIS MENU' раздел "Fiber Coupling Efficiency". Связь поля со светопроводом определяется как нормированная величина интеграла: Fr(x.v)ll\x.v)dxdy Т = ^rCVi )9W/(xm y)dx<fy\\ И (д\ v)»"(л\ y)dxdy где Fr (x. у) - функция, описывающая амплитуду собственной моды световода на его входе; W (х, у) — функция, описывающая комплексную амплитуду пучка, входящего в световод; символ ' используется для обозначения комплексно сопряженной величины. Заметьте, что все эти функции - комплексные, так что это интеграл когерентного перекрытия. Максимальное значение эффективности связи по мощности (Т = 1.0) достигается, когда мода пучка и мода светопровода совершенно равны как по амплитуде, так и по фазе во всех точках. Любые отклонения в форме моды или фазе Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 -20
снижают значение Т. Оптические аберрации обычно приводят к отклонениям фазы, что снижает эффективность связи. Дополнительные потери в системе могут быть вызваны апертурами, виньетирующими пучок, отражением от границ воздух-стекло или объемным поглощением. Полная мощность поля, входящего в светопровод, равна мощности пучка умноженной на коэффициент эффективности связи. . Where the integral is computed Для какого положения пучка вычисляется интеграл связи Определенный выше интеграл связи имеет силу и может быть вычислен для любого положения в оптической системе - в месте расположения светопровода или на некотором расстоянии от него. Критическое требование заключается только в том, чтобы функция собственной моды световода описывала эту моду световода в точке, для которой вычисляется интеграл; это всегда "последняя" ("end") поверхность (смотри в главе "ANALYSIS MENU" раздел "Physical Optics", в котором дано описание опций этой программы, включая определения "последней" поверхности и моды световода). Если "последняя" (END) поверхность представляет пучок в месте расположения принимаю- принимающего световода, то параметры моды световода должны соответствовать моде при принимающем торце световода. Если "последняя" поверхность расположена в 10 мм от световода, то параметры моды светопровода должны быть заданы для моды световода в 10 мм от него. Defining the fiber mode Задание моды световода Мода светопровода может быть выражена Гауссовой (Gaussian) или цилиндрической (Top Hat) функцией, задана посредством файла данных или DLL программы. Это позволяет определять как наиболее общие, так произвольные моды световода, включая собственные моды многомодовых, аберрированных и произвольных амплитудных и фазовых световодов. Мода световода может быть задана с использованием тех же опций, которые используются для задание стартого пучка; см. в этой главе раздел "Defining the initial beam". Decenters and tilts Децентровки и наклоны Обычно важно оценить эффективность связи световода с полем для децентрирован-ных и наклоненных световодов. Величины децентровок по осям X и Y могут быть заданы (в единицах измерения, установленных для схемы) в установочном окне "Physical Optics Propagation" посредством таблицы "Fiber data tab". Эти величины представляют собой децентровки для заданной моды световода. Децентровки смещают центр моды в пределах матрицы, определяющей моду световода для "последней" (END) поверхности. Поэтому величины децентровок должны быть относительно небольшими для сохранения большей части энергии моды, содержащейся внутри матрицы на "последней" поверхности. Наклоны задаются в градусах. Наклоны световода моделируются путем добавления линейного смещения фазы к моде светопровода Величина смещения фазы пропорциональна величине наклона и линейному размеру (ширина/высота) моды. Глава 21: Физическая оптика 21 - 21
Заметьте, что если END-поверхность расположена в месте нахождения принимающего светопровода (обычно вблизи фокуса), то наклоны светопровода будут приводить к наклонам фазы. Если же END-поверхность расположена на некотором расстоянии от светопровода, то наклоны светопровода будут приводить к децентровке моды. Поэтому следует отнестись очень внимательно к заданию величин наклонов и децентровок. Правильный выбор этих величин зависит от знания, для какого положения был вычислен интеграл перекрытия мод (для END-поверхности!) по отношению к действительному местоположению светопровода. Suggestions for use Советы по использованию Для получения хороших и точных результатов при работе с этой программой необходимо приобрести некоторый опыт по выбору установок для таких опций, как количество отсчетов, размер матрицы, .специфические свойства оптических поверхностей и т. д. Следуйте следующим советам: Используйте подходящую ширину стартового пучка. Ширина стартового пучка должна быть примерно в 3 - 5 раз больше той части пучка, для которой амплитуды поля имеют значительную величину. Имейте в виду, что при очень большой ширине стартового пучка он не будет представлен достаточно большим числом точек для его адекватного описания, а при слишком малой ширине будут иметь место эффекты наложения. Всегда контролируйте стартовый пучок путем установки END-поверхности для стартовой поверхности; проверьте, что при такой установке размер пучка надлежащим образом соответствует выбранному размеру матрицы. Используйте адекватное количество отсчетов. Так как "защитная" область лучка будет увеличиваться в размере по отношению к части пучка с ненулевой амплитудой, то количество данных с ненулевыми отсчетами будет уменьшаться. Может потребоваться увеличить количество отсчетов, чтобы быть уверенным, что пучок представлен достаточно большим количеством точек. Если результаты кажутся неправдополобными, необходимо отладить программу распространения пучка путем его распространения поочередно через каждую поверхность оптической системы в отдельности и изучить полученные результаты на предмет их достоверности. Обычно это позволяет выявить поверхность, на которой алгоритм перестает работать. Часто бывают случаи, что для некоторых поверхностей, таких как градиентные поверхности или сильно наклоненные поверхности, лучше использовать программу трассировки лучей. Для этих поверхностей установите опцию "Use Rays To Propagate To Next Surface". Представьте себе пучок большого диаметра с длиной волны 1.0 микрон @.001 мм), заданный квадратной матрицей шириной 64 мм с числом отсчетов 64 х 64 точек. Расстояние между точками матрицы будет равно 1.0 мм. Теперь представьте себе, что пучок проходит через колли ми рующую линзу с фокальным рассточнием 100.00 мм. Расстояние между точками отсчетов вблизи фокуса определяется выражением: Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21-22
в соответствии с которым расстояние между точками отсчетов будет равно 0.0015625 мм, а полная ширина матрицы будет равна 1.0 мм. Чтобы уменьшить расстояние между точками отсчета в фокальной плоскости при постоянной ширине матрицы, произведение nxAXi необходимо увеличить. Так как расстояние мезду точками отсчета равно ширине матрицы, поделенной на число точек, эти две величины - ширина матрцы и число точек • взаимосвязаны. Если аберрации слишком велики, так что размер пучка будет на порядок больше ширины матрицы в фокальной плоскости, то ширину матрицы следует увеличить. Заметьте, что ширина матрицы в фокальной плоскости определяется выражением: = Увеличение ширины матрицы можно произвести путем увеличения количества точек отсчетов, оставляя начальную ширину матрицы фиксированной. Algorithm assumptions Принятые приближения в модели и алгоритмах В модели и алгоритмах, разработанных для моделирования физической оптики, используются следующие приближения: Применяется скалярная теория дифракции. Векторная природа электрического поля игнорируется. Скалярная теория дифракции не Дает точных результатов для сильно сходящихся пучков. Заметьте, что распространение сильно сходящихся пучков лучше моделировать с помощью программы геометрической трассировки лучей, за исключением области вблизи фокуса. Хотя не существует точной границы для применимости скалярной теории дифракции, пучки со сходимостью более F/1. вероятно, будут моделироваться не очень точно при использовании скалярной теории. Зондирующие лучи адекватно представляют модель распространения пучка вблизи линз. При распространении пучка через оптические поверхности зондирующие лучи используются для определения величины аберраций фазы и изменений формы опорной сферы и формы пилотного пучка. При этом на протяжении пути трассировки зондирующих лучей дифракция игнорируется. Дифракционные эффекты на поверхностных структурах игнорируются. Дифракционные решетки, бинарная оптика и поверхности, обработанные алмазным точением, имеют сложную микроструктуру, которая может существенным образом воздействовать на локальное электрическое попе. Это может повлиять (а может и не повлиять) на распространение пучка. Имейте в виду, что метод трассировки лучей, при котором также игнорируется тонкая структура поверхности, дает очень полезные и точные результаты при моделировании поверхностей подобного типа Если какая-либо поверхность адекватно моделируется с использованием метода трассировки лучей, то будет хорошо работать и алгоритм моделирования физического распространения пучка, так как передаточные функи^и поверхностей вычисляются с помощью трассирования лучей. Глава 21; Физическая оптика 21 - 23
Samples Примеры В ZEMAX включено ряд файлов с примерами применения программы моделирования физического распространил пучка. Файлы поглещены в директорий \Samples\PhysicaI Optics. Ниже дано описание некоторых из этих файлов. Так как при выполнении программы физического распространения пучка производится большой объем вычислений, то для выполнения этих файлов и вывода на экран полученных результатов требуется довольно большое время! Simple free space propagation Распространение пучка в свободном пространстве Пример "Basic Propagation" иллюстрирует простой случай распространения пучка в свободном пространстве. Гауссов пучок имеет перетяжку 0.1 на поверхности 1. Длина волны выбрана равной л микрон, чтобы размер области Релея был равен 10.0 мм. На расстоянии 1 длины области Релея пучок увеличивается в размере в \'2 раз. а пиковая поверхностная плотность энергии пучка снижается до 0.5. На расстоянии 2-х длин области Релея пиковая поверхностная плотность энергии пучка снижается до 0.2, а на расстоянии 3-х длин области Релея - до 0.1. Обратите внимание на то, что пучок может быть виртуально распространен в обратную сторону путем применения обычного правила знаков ZEMAX к отрицательным толщинам. Если для какой-либо поверхности установить опцию "End Surface", то в редакторе LDE будет показана величина поверхностной плотности энергии в пучке на выбранной поверхности Обратите внимание на то, что фаза пучка изменяется вдоль оси в точном соответствии с формулой Guoy для смещения фазы. A pinhole aperture Точечная диафрагма Пример "Pinhole Aperture" иллюстрирует пространственную фильтрацию. Первая линза образует изображение с аберрациями, что можно увидеть, сделав поверхность 5 END- поверхностью. Поверхность 6 имеет небольшую круглую апертуру, которая пропускает только центральную часть пучка. С помощью второй линзы производится реколлимация пучка. Пространственно отфильтрованный пучок можно увидеть в области изображения диафрагмы на поверхности 10. Можно отметить несколько интересных моментов: Величина пропущенной поверхностной плотности энергии снижается до 0.12; чем меньше отверстие, тем меньше величина пропущенной энергии. Так как точечная апертура изменяет свойства пучка, то параметры пилотного пучка должны быть вычислены заново. Обратите внимание на опцию, выбранную для поверхности 6, которая производит такой счёт. A lens array Матрица линз В примере "Lenslet Array" используется заданная пользователем DLL-поверхность {файл "US__ARRAY.DLL"), с помощью которой создается матрица 7x7 прямоугольных линз Фокальное расстояние равно 100.0 мм. и пилотный лучок фокусируется до размера Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 24
перетяжки, около 10 мкм. Однако матрица линз образует множество фкзльных пятен. Чтобы увидеть все пятна требуется большая плотность отсчетов, так чтобы не было их наложения. Обратите внимание на уменьшение интенсивности и на то, что аберрации в пятнах направлены наружу. Можно также видеть прямоугольную структуру в дифракционном изображении пятен, обусловленную прямоугольной апертурой отдельных линз. Talbot imaging Эффект Тал ьбота Этот эффект относится к свойству пучка строить свое собственное изображение в определенных плоскостях при своём распространении. При распространеии пучка его изображение модулируется как по фазе, так и по амплитуде. В этом примере на поверхности 1 установлена заданная пользователем апертура, содержащая 20 прямоугольных щелей, то есть типа амплитудной решетки. После распространения пучка на 20 мм обнаруживается изображение этой решетки с обращением фазы. После распространения пучка еще на 20 /им изображение решетки восстанавливается. Изображение не является совершенным, так как решетка имеет конечную протяженность. Обратите внимание, однако, на то, что центральная часть решетки изображается достаточно хорошо. Fresnel fens Линза Френеля Пример "Fresnel Zone Plate Lens" иллюстрирует фокусирующую способность апертуры, на которую нанесены светлые и темные кольцевые зоны. Расстояния ме>вду зонами выбраны таким образом, чтобы каждая зона блокировала свет от соседней зоны Френеля с тем, чтобы на расстоянии 200 мм от пластинки Френеля дифрагированный свет от всех зон интерферировал синфаэно. При синфазной интерференции на оси образуется яркое сфокусированное пятно; этот эффект нельзя предсказать по результатам трассировки лучей. Этот пример иллюстрирует также, как изменяется интенсивность пучка в разных плоскостях, расположенных между зонной пластинкой Френеля и фокусом; обратите внимание на концентрическую волнистость, обусловленную интерференцией от краев зонной пластинки. Так как в ZEMAX нет поверхности, моделирующей амплитудную зонную пластинку Френеля, в данном примере зонная пластинка образована путем расположения кольцевых экранов на нескольких последовательных поверхностях, расположенных в одной плоскости. Опция "Use Rays To Propagate To Next Surface" испопьэуется в данном гримере для ускорения вычислений, связанных с распространением пучка через все эти апертурные поверхности. Cylinder lens Цилиндрические линзы Пример "Cylinder Lens" илпюстрирует случай, когда полезно использовать опцию "Use Angular Spectrum Propagator". Так как цилиндрические линзы фокусируют пучок только водной плоскости, пилотный пучок мало пригоден для оценки наилучшего положения в схеме, где следует произвести переход от алгоритма углового спектра к алгоритму Оренеля. Лучше выбрать матрицу с достаточно большой шириной для того, чтобы она покрывала весь пучок во всех интересующих нас плоскостях, а затем выбрать алгоритм Глава 21: Физическая оптика 21 - 25
углового спектра для каждой поверхности; в результате матрица будет иметь постоянную ширину на каждой поверхности. Обратите также внимание на то, что для такого линейного сфокусированного изображения достаточно использовать только линейные отсчеты; ширина матрицы требуется в данном случае только для удержания пучка. В этом файле используется матрица с размерами 8.00 мм по оси X и 2.00 мм по оси Y и с таким же соотношением D:1) для количества отсчетов. Вовсе не требуется иметь одинаковую плотность отсчетов по обоим направлениям, но в этом примере это так. Chapter 21: PHYSICAL OPTICS PROPAGATION 21 - 26
ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX Introduction Введение ЭТОТ ВИД АНАЛИЗА ДОСТУПЕН ТОЛЬКО ДЛЯ РЕДАКЦИЙ 2ЕМАХ-ХЕ и ZEMAX-EE Язык программирования ZEMAX (Zernax Programming Language, ZPL) - это довольно простой макроязык, специально разработанный для использования с программой ZEMAX. ZPL сильно расширяет возможности пользователя. Это означает, что, если Вам необходимо выполнить особые вычисления, которые не встроены в ZEMAX, Вы можете написать свою собственную ZPL-программу. ZPL-программы могут быть записаны на диск и вызываться с него при работе в ZEMAX. Вы можете создать библиотеку ZPL-программ и обмениваться программами с другими пользователями ZEMAX. Язык ZPL подобен языку программирования BASIC, за исключением того, что не все конструкции и ключевые слова BASIC поддерживаются и что добавлены некоторые новые способности и функции, специфические для трассировки лучей. Если вы знакомы с языком BASIC, то вы очень быстро освоите ZPL. Если вы не знакомы с языком BASIC или если вы вообще никогда не занимались программированием, не впадайте в панику! ZPL очень прост для использования, и эта глава даст вам простые инструкции и примеры для приобретения первых навыков. Значительно большие возможности "расширения" ZEMAX открываются при использовании внешних компилированных программ, выполняемых вместе с ZEMAX; см. главу "ZEMAX EXTENSIONS'. (Эта глава не переведена на русский язык. Мы полагаем, что ее содержание будет понятно без перевода пользователям, владеющим языком программирования СИ.) Creating ZPL programs Создание ZPL программ Для создания ZPL программ проще всего начать с уже существующих программ, которые решают задачи, аналогичные тем, которые вы хотите решить. Если вы хотите попытаться написать вашу первую ZPL программу, вы можете прочитать раздел с примерами, данными в конце этой главы. Некоторые примеры макросов ZPL можно найти также в директории \MACROS. они описаны в главе "ZEMAX example files". Используйте любой редактор ASCII файлов для создания ZPL файла (такой как редактор NOTEPAD). Вы можете дать любое имя файлу, но оно должно иметь расширение .ZPL. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -1
Running ZPL program Выполнение 2PL программ Для выполнения ZPL программ выберите из главного меню команды Macros, Edit/Run ZPL Macros. На экране появится диалоговое окно "ZEMAX Programming Language , имеющее следующие опции: Active File: Список доступных макросов. Все перечисленные макросы - это ASCII файлы с расширением .ZPL Файлы должны быть записаны в директорий, созданный для макросов ZPL; смотри в главе Tile Menu" разделы Environment, Directories. Close After Execution: Если установить этот флаг, то ZPL диалоговое окно будет автоматически закрываться после выполнения макроса. Quiet Mode: Если установить этот флаг, то на экран не будет выводиться текстовое окно с исходными и вычисленными данными. Это полезно, когда выполняются графические макросы, текстовые окна которых не содержат полезной информации. Status: Во время выполнения макросов ZEMAX использует это место для вывода сообщений о том, какая строка программы в данный момент выполняется. Нумерация строк производится без учета каких-либо пустых строк или строк с комментариями. Сообщение обновляется каждую четверть секунды. Terminate: Эта электронная клавиша .служит для прекращения выполнения программы. Cancel: Эта электронная клавиша служит для прекращения выполнения текущего макроса. Если макрос не выполняется, то нажатие на эту клавишу закрывает диалоговое окно ZPL Edit: Эта клавиша служит для вызова редактора Windows NOTEPAD.EXE (который должен находиться в главном директории Windows). Редактор может быть использован для модификации или переименования макроса. View: Нажатие на эту клавишу выводит на экран текстовое окно, в котором показано содержание файла с записью макроса. Текст может быть просмотрен или напечатан. Это окно не позволяет редактировать файлы, а служит только для их просмотра. Выберите нужный макрос из списка "Active File" и нажмите на электронную клавишу Execute. ZEMAX начнет выполнять программу. Выбранная программа будет выполнена, и какой-либо выходной текст, заданный оператором PRINT, или сообщение об ошибках будут помещены в текстовый файл. Когда выполнение макроса ограничивается, текстовый файл все равно появится на экране. Запретить появление на экране текстового окна можно с помощью оператора CLOSEW1NDOW. An overview of ZPL Обзор языка ZPL ZPL программа содержит ряд команд (называемых операторами), которые хранятся 8 текстовом ASCII-файле. Вы можете создать ZPL программу с любым текстовым редактором вне ZEMAX (вы можете также редактировать программу внутри ZEMAX: 22 -2 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
это будет обсуждаться в следующем разделе). ZPL язык использует синтаксис, подобный языку BASIC для большинства (но не для всех) команд. Например, оператор является одним из типов действующего оператор ZPL В записи этого простого оператора есть несколько важных вещей, на которые следует обратить внимание. Во- первых, нет необходимости в назначении переменных величин. Это означает, что переменная величина "X" не должна быть определена заранее, до присвоения ей значения 5. Если переменной "X" уже было присвоено какое-либо значение ранее, то теперь ей будет присвоено новое значение. Другими словами, нет необходимости объявлять переменные до тех пор, пока они не станут использоваться. Во-вторых, не требуется применять специальные символы для указания конца записи оператора, такие, например, как символ ";" в языке С. Вследствие этого каждый оператор должен быть записан в своей собственной строке! ZPL поддерживает "последовательный" вызов функций. Это позволяет использовать следующие формы записи: x = SQRTE) у = SINE(x) Функции SQRT (корень квадратный) и SINE (синус) встроены в ZPL; есть много таких функциональных операторов, которые все описаны в следующем разделе. Заметьте, что ZPL нечувствителен к буквенному регистру; SQRT() и sqrt() - одна и та же функция! В этом руководстве мы условимся использовать условно заглавные буквы для функций и ключевых слов, а прописные буквы - для всего остального. Все ранее показанные операторы имеют одно общее свойство: всем им присваивается какое-либо значение. Это означает, что производится оценка выражений, записанных с правой стороны уравнений, и результат присваивается переменной, записанной в левой части. В 2PL есть другой тип оператора, который называется "ключевым словом". Один из примеров ключевого слова - это "PRINT". За ключевым словом "PRINT" следует список позиций, разделенных запятой, которые должны быть напечатаны (в выходном файле). Например. ZPL программа "z PRIST " The hypotenuse is на экране напечатает: The hypotenuse is 5.GU00 Заметьте, что в ZPL соблюдается старшинство операторов В пределах каждой пары скобок операции выполняются в особом порядке В ZPL используется следующий порядок старшинства от наивысшего к наинизшегиу: функции (такие как SORT) Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-3
логические операторы (такие как ==), умножение и деление, и затем сложение и вычитание. Скобки всегда "берут верх в старшинстве; в этом смысле они имеют наивысший приоритет. Есть много других ключевых слов, которые будут описаны в следующем разделе. 2PL variables Переменные ZPL ^ Переменные обеспечивают временное хранение числовых величин, точные значения которых могли быть не известны при записи программы, но которые становятся определенными при выполнении программы. ZEMAX выполняет для вас большую часть работы, когда вам необходима новая переменная. Например, простой оператор .v = 5, представленный ранее, вынуждает ZEMAX зарезервировать память дпя новой переменной "х" и хранить все данные, связанные с ней. Как только переменная определена, она может быть использована в любом последующем выражении. Имеется, однако, несколько правил, относящихся к ZPL переменным. Во-первых, имена переменных не должны содержать каких-либо "специальных1 знаков, которые ZPL использует для обозначения логических операций или определения границ, таких как (,). =, +, -, *, /.!, >, <, Л, &. |. #,и, а также пропусков. Во- вторых, переменные не могут иметь такие же имена, как у ключевых слов и функций, таких как THIC или RAYX. Так как ZPL не чувствителен к буквенному регистру, вы не можете использовать для переменных названия гауХ или Thick, чтобы обойти это правило. В-третьих, имя каждой переменной должно быть ограничено 28 знаками. Нарушение этих правил может привести к синтаксическим ошибкам; однако может оказаться, что программа выполнена без ошибок, но она просто вычислит не то, что вы хотели. Максимальное число ZPL переменных в программе - 200. Все переменные хранятся внутри программы как 64-битные (двойной точности) числа. ZPL functions Функции ZPL ZPL функции могут быть записаны с правой стороны оператора, а также в выражениях, которые являются аргументами для ключевых слов. Эти функции могут не требовать аргумента, могут требовать один или несколько аргументов. Все функции принимают одно единственное значение. Некоторые функции, такие как PWAVQ (главная длина волны), принимают значение, которое не зависит от аргумента, и поэтому не требуют аргумента. Для этих функций, однако, еще требуются скобки. Многие функции имеют соответствующие ключевые слова. Например, RADIO - это функция, которая принимает значение величины радиуса поверхности, номер которой равен аргументу (RADIC) принимает значение, равное величине радиуса поверх- поверхности 3). Имеется также ключевое слово, называемое RAD1. которое используется для установки величины радиуса данной поверхности. Для получения по этому вопросу большей информации смотри описание ключевых слов. В нижеследующей таблице перечислены все ZPL функции. Если синтаксис дан как FUNC(), то для данной функции не требуется аргумента. FUNC(x) означает, что 22 -4 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
требуется один аргумент, FUNC(xty) - означает, что требуются два аргумента и так далее. 2PL FUNCTION LISTING СПИСОК 2PL ФУНКЦИЙ Function Функция ABSO(x) ACOS(x) APMN(x) АРМХ(х) APXD(x) APYD(x) APTP(x) ASIN(x) ASPR{) ATAN(x) ATYP() AVAL{) CONF() CONI(x) COSI(x) CURV(x) EDGE(x) EOFFQ Argument Аргумент Числовое выражение Числовое выражение Номер поверхности - Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Числовое выражение Аргумент не нужен Числовое выражение Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Номер поверхности Числовое выражение в радианах Номер поверхности Номер поверхности - Аргумент не нужен Return value Принимаемое значение Абсолютная величина выражения Арккосинус в радианах Для круглой апертуры - это минимальная величина радиуса апертуры. Для апертур типа "spider" - это ширина растяжек. Для прямоугольных и эллиптических апертур - это полуширина апертуры по оси X. Для круглой апертуры - это максимальная величина радиуса апертуры. Для апертур типа "spider" - это число растяжек. Для прямоугольных и эллиптических апертур - это полуширина апертуры по оси Y. Величина децентрировки апертуры по оси X. Величина децентрировки апертуры по оси Y. Кодовое число, описывающее тип апертуры на данной поверхности. Арксинус в радианах. Соотношение сторон текущего графического устройства. Арктангенс в радианах. Код типа задания апертуры системы: 0 - для диаметра входного зрачка, 1 - дпя F/#, 2 - для N.A. и 3 - для "Float by stop size" Величина апертуры системы. Номер текущей конфигурации. Величина конической постоянной поверхности. Косинус выражения. Кривизна поверхности. Краевая толщина поверхности при попудиа- метре. Флаг конца файла. Принимает значение 1. если достигнут конец файла и 0 в против- противном случае. Действует только после выпол- выполнения команды READ. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-5
Function Функция ETIMO EXPE(x) EXPT{x) FICL(vec#) FLDX(x) FLDY(x) FTYP() FVAN(x) FVCX(x), FVCY(x) FVDX(x). FVDY(x) FWGT(x) GAAB(x) GETT(window, line, column) GIND(x) GLCA(x) GLCB(x) GLCC(x) GLCX(x) Argument Аргумент Аргумент не нужен Числовое выражение Числовое выражение Номер вектора; от 1 до 4. Номер поля Номер поля Аргумент не нужен Номер поля Номер поля Номер поля Номер поля Номер поверхности Номер окна, номер строки и номер колонки, из которой должны быть извлечены данные Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Return value Принимаемое значение Время в секундах, прошедшее поспе команды TIMER. ех 10* Эффективность связи с оптическим волокном (световодом). См. ниже текст об использовании функции FICL. Величина угла по X или высота вдоль оси X дпя указанного поля. Величина угла по Y ипи высота вдоль оси Y для указанного поля. Тип поля. Принимает значение 0, если поле задано в градусах, 1- если поле задано в высотах объекта, 2 - если поле задано в высотах в плоскости изображения. Высоты всегда измеряются в установленных линейных единицах (см. функцию UNIT). Угол виньетирования указанного поля. Виньетирование (сжатие зрачка по осям X и Y для указанного поля). Децентрировка зрачка по осям X и Y для указанного поля. Весовой коэффициент для указанного поля. Каталожная величина числа Аббе стекла указанной поверхности. Извлечение числовых данных из любого открытого текстового окна. Любые вычисленные и представленные в текстовых окнах данные могут быть использованы для дальнейших вычислений. Каталожная величина показателя преломле- преломления для d-линии стекла указанной поверхности. Х-проекция единичного вектора при вершине указанной поверхности в глобальной системе координат. Y-проекция единичного вектора при вершине указанной поверхности в глобальной системе координат. Z-проекция единичного вектора при вершине указанной поверхности в глобальной системе координат. Х-координата вершины указанной поверхности в глоба п ьной системе координат. 22-6 Chapter 22' ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Function Функция GLCY(x) GLCZ(x) GNUM(AS) GPAR(x) GRlN(s, w, x, V.z) IMAEO INDX(surf) INTE(x) ISMS(surf) LOGE(x) LOGT(x) MAGN(x.y) MAXF() MAXGQ Argument Аргумент Номер поверхности Номер поверхности Какое-либо имя строчной переменной * Номер поверхности Номер поверхности, номер длины волны, координаты х, у и z. "Эффективность" анализа изображения Номер поверхности Числовое выражение Номер поверхности Положительное число Положительное число Два действительных числа Аргумент не нужен Аргумент не нужен Return value Принимаемое значение Y-координата вершины указанной поверхности в глобальной системе координат. 2-координата вершины указанной поверхности в глобальной системе координат. Если строчная переменная является названием каталожного стекла, то GNUM принимает значение порядкового номера этого стекла в каталоге. Эта функция может быть использована вместе с ключевым словом GLAS. Если строчная переменная не является названием каталож-ного стекла, GNUM принимает значение 0. Для перемен- переменной "MIRROR" GNUM принимает значение 1. Каталожная величина частной дисперсии для стекла указанной поверхности. Принимает значение величины показателя преломления для поверхности под номером V в точке с координатами х, у и z для длины волны под номером V. Принимает значение "эффективности" при геометрическом анализе изображения. См. в главе "Optimization" раздел "Optimizing with the IMAE operand" ("Оптимизация с опера- оператором IMAE"). Величина показателя преломления для главной длины волны. Целая часть десятичного числа. Если поверхность является нечетным по порядку зеркалом или поверхность расположена после нечетного зеркала и не является зеркальной, то оператор принимает значений 1; в других случаях оператор принимает значение 0 Натуральный логарифм. Десятичный логарифм Корень квадратный из суммы квадратов X и Y. Установленная величина максимального поля в градусах или в линейных единицах в зависимости от способа определения поля; угол, высота объекта ил и высота изображения. Количество стекол в загруженных в схему каталогах. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22-7
Function Оункция MCOPfrow config) MFCN() NCON() NFLD() NOBJ(surf) NPAR(surf, object, param) NPOS(surf. object, code) NSDD(sutf. object, pixel, data) NSUR() NWAV() Argument Аргумент Строка (номер оператора) и номер конфигурации (в редакторе МСЕ) Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Номер NSC поверхности Номер поверхности, номер объекта и номер параметра Номер поверхности номер объекта и кодовое число (от 0 до 6 для координат x.y.z и заклонов х, у, z, соответственно) "Surf1 - номер поверхности в NSC- группе. "Object'- номер нужного детектор. "Pixel" - номер нужного пиксела. '"Data": 0 - поток, 1 - поверхн. плотность потока, 2- угловая плотность потока. См. также NSTR. Аргумент не нужен Аргумент не нужен Return value Принимаемое значение Извлекает данные из какой-либо строки МСЕ-редактора для указанной конфигура- конфигурации. Если вместо номера конфигурации установить 0, то данные для данного оператора будут извлекаться из текущей конфигурации. См. также ключевое слово SETMCOPERAND. Текущая величина оценочной функции Количество определенных конфигураций. Количество заданных полей. Номер объекта, определенного для данной NSC поверхности. Принимает значение параметра из указанной колонки в таблице редактора непоследовательных компонентов. Принимает значение координаты или величины заклона из указанной колонки в таблице редактора непоследовательных компонентов. * Если номер объекта равен нулю, то все детекторы обнуляются и функция принимает нулевое значение. Если объект под указанным номером является детектором, то функция принимает значение, соответствующее указанным данным для указанного пиксела деткутора. Если номер пиксела равен нулю, то функция принимает значение, равное сумме указанных данных по всем пикселам детектора. Если номер пиксела равен -1, то функция принимает значение, равное максимальной величине потока или поверхн. плотности потока. Если номер пиксела равен -2, то функция принимает значение, равное минимальной величине потока ипи поверхностной плотности потока. Если код данных равен 2, то номер пиксела должен быть больше 0; в противном случае функция принимает нулевое значение. Количество поверхностей в схеме. Количество заданных длин волн. 22-8 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Function Функция ONUM(AS) OPDC() OPER(row. col) OPTH{x) PARM(n.s) PARn(x) PMOD() POWR(x.y) PVHX() PVHY() PVPX() PVPY() PWAV() Argument Аргумент Имя строчной переменной Аргумент не нужен Номер оператора (row) и тип данных (cot) в редакторе Merit Function Editor * Номер поверхности Номер параметра и номер поверхности Номер поверхности Аргумент не нужен х- положитепь-ное . число, у -любое число Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Return value Принимаемое значение Если строчная переменная AS является именем оператора оптимизации, такого как EFFL, то ONUM принимает значение идентификационного номера (id) указанного оператора. ID номер оператора может быть затем использован для введения этого оператора в таблицу оценочной функции с помощью ключевого слова SETOPERAND. Если А$ не соответствует имени какого-либо оператора, то ONUM принимает нулевое значение. Разность оптических путей. Действует только после вызова оператора RAYTRACE Извлекает данные из любой колонки в любой строке таблицы оценочной функции. Row - порядковый номер оператора. Col: 1 - тип; 2 - Int1; 3 - Int2; 4-7 - hx-py; 8 - целевое значение; 9 - вес; 10 - текущее значение; 11 - % вклада. См. MFCN и ключевое слово SETOPERAND. Длина оптического пути вдоль луча до указанной поверхности. В отличие от RAYT и RAYO, ОРТН учитывает прибавление фазы на дифракционных поверхностях, таких как решетки, голограммы и бинарная оптика. Действует только после вызова RAYTRACE. Принимает значение величины параметра "пи у поверхности *V. Принимает значение п-ro параметр у указанной поверхности. Принимает значение 0. если параксиальный режим не используется, в противном случае - 1. Л" у Параметр *пх" от оператора оптимизации ZPLM. Параметр "hy*" от оператора оптимизации ZPLM. Параметр "рх" от оператора оптимизации ZPLM. Параметр ру" от оператора оптимизации ZPLM. Номер главной длины вопны. RADI(x) 1 Номер поверхности 1 Радиус кривизны поверхности. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-9
Функция RAGX(x) RAGY(x) RAGZ(x) RAND(x) RANX(X) RANY(X) RANZ(X) RAYEO RAYL(x) RAYM(x) RAYN(x) RAYO(x) RA YT(x) Аргумент Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Положительное чиспенное выражение Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Аргумент не нужен Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Принимаемое значение X координата в глобальной системе координат точки пересечения луча с указанной поверхностью. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Y-координата в глобальной системе координат точки пересечения луча с указанной поверхностью. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Z-координата в глобальной системе координат точки пересечения луча с указанной поверхностью. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Генерация случайных чисел с однородным распределением в пределах от 0 до заданного числа. Х-направляющий косинус нормали к поверхности. Действует только после I вызова оператора RAYTRACE. Y-направляющий косинус нормали к поверхности. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Z-направляющий косинус нормали к поверхности. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Флаг ошибки трассировки луча. Принимает значение 0, если нет ошибки. Действует только после вызова RAYTRACE. См. ключевое слово RAYTRACE. Х-направляющий косинус луча, выходя- выходящего из поверхности. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Y-направляющий косинус луча, выходя- выходящего из поверхности. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Z-направляющий косинус луча, выходя- выходящего из поверхности. Действует только после вызова оператора RAYTRACE. Длина оптического пути до указанной поверхности от предыдущей. Оптическая длина пути равна произведению длины пути на показатель преломления, одна из этих величин или обе могут быть отрица- отрицательными. Действует только после вызова RAYTRACE. Смотри также ОРТН и RAYO. Длина оптического пути до указанной поверхности от предыдущей. Длина пути может быть отрицательной. Действует только после вызова RAYTRACE. Смотри также ОРТН и RAYO. | 22-10 Chapter 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
Функция RAYV() RAYX(x) RAYY(x) RAYZ(x) RELI(f) SAGG(x,y,z) SCOD(A$) SCOM(AS, B$) SDIA(x) SIGN(x) SINE(x) SLEN(AS) SQRT(x) STYP(n) SVAL(AS) TANG(x) TMAS() THIC(x) Аргумент Аргумент не нужен Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Относительная освещенность х, у - координаты в линейных ед. на поверхности номер z Строчная переменная или буквенное обоз- обозначение типа поверхности Имена двух любых • строчных переменных Номер поверхности Числовое выражение Числовое выражение в радианах Имя любой строчной переменной Положительное число Номер опрашиваемой поверхности, п Имя строчной переменной Числовое выражение в радианах Полная масса в граммах Номер поверхн. Принимаемое значение Принимает значение 0, если луч не был виньетирован, в противном случае - номер виньетирующей поверхности Действует только после вызова RAYTRACE. Х-координата точки пересечения луча. Действует только после RAYTRACE. Y-координата точки пересечения луча. Действует только после RAYTRACE. Z-координата точки пересечения луча. Действует только после RAYTRACE. Относительная освещенность (RI) для заданной позиции поля. Вычисляет стрелку прогиба указанной поверхности в указанной точке в принятых линейных единицах. Кодовое число запрашиваемого типа поверхности. Наименование типа поверхности должно соответствовать принятым, таким как STANDARD (код-0), EVENASPH (код-1), PARAXIAL (код-3) и т.д. Принимает значение 0, если строчные переменные равны друг другу; значение меньше нуля, если AS меньше В$; значение больше нуля, если AS больше BS. Величина полудиаметра указанной поверхности. Принимает значение -1, если аргумент меньше нуля; значение 0. если аргумент равен нулю; значение +1. если аргумент больше нуля. Синус числового выражения. Число знаков в строчной переменной AS Корень квадратный из числового выражения. Кодовое число, определяющее тип поверхности номер п. Принимает значение строчной переменной Тангенс числового выражения Полная масса оптической системы от поверхности 1 до поверхности изображения. Толщина указанной поверхности. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 11
Функция UNITO VEC1(x) VEC2(x) VEC3(x) VEC4(x) VERS() WAVL(x) WWGT(x) XMIN() XMAX() YMIN() YMAX() Аргумент Аргумент не нужен Положительное значение индекса Положительное значение индекса Положительное значение индекса Положительное значение индекса Аргумент не нужен Номер длины волны Номер длины волны Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Аргумент не нужен Принимаемое значение Принимает значения 0, 1. 2 или 3. если выбранные единицы измерения - мм. см. дюймы или метры соответственно. Принимает значение переменной, записанной в матрицу VEC1 под указанным индексом (номером). Принимает значение переменной, записанной в матрицу VEC2 под указанным индексом уномером). Принимает значение переменной, записанной в матрицу VEC3 под указанным индексом (номером). Принимает значение переменной,, записанной в матрицу VEC4 под указанным индексом (номером). Четырехразрядный код используемой версии ZEMAX. Длина волны в микронах. "Вес" длины волны. Минимальная величина Х-координаты в графическом окне. Максимальная величина Х-координаты в графическом окне. Минимальная величина Y-координаты в графическом окне. Максимальная величина Y-координаты в графическом окне. Using the FICL() function Использование функции FICL() Функция FICL вычисляет эффективность связи с оптическим волокном. Так как эта функция имеет много аргументов, то перед вызовом этой функции значения всех аргументов должны быть помещены в векторную матрицу. Векторная матрица должна быть определена заранее. Значения аргументов помещаются в векторную матрицу в следующем порядке: 0 = Количество отсчетов 1 = Номер длины волны 2 = Номер поля 3 = Игнорирование флага источника @ для значения "локь"; 1 для значения "истина") А = Числовая апертура источника в Х-направлении(NA источника) 5 = Числовая апертура приемника в Х-направлении(N^ приемника) 6 = Угол источника относительно оси X (в градусах) 22-12 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
7 s= Угол источника относительно оси Y (в градусах) g а Угол наклона приемника относительно оси X (в градусах) 9 = Угол наклона приемника относительно оси Y (в градусах) 10 = Децентровка приемника по оси X 11 = Децентровка приемника по оси Y 12 = Децентровка приемника по оси Z 13 = Флаг выравнивания источника по отношению к главному лучу@ для значения "ложь"; 1 для значения "истина") 14 = Флаг выравнивания приемника по отношению к главному лучу{0 для значения "ложь"; 1 для значения "истина") 15 = Флаг использования поляризации {0 для значения "ложь"; 1 для значения "истина") 16 = Числовая апертура источника в У-направлении(если 0, то Nay = Nax) 17 = Числовая апертура приемника в У-направлении(если 0, то Nay = Nax) Эффективность связи с оптическим волокном вычисляется путем вызова функции FlCL(n), где п - номер векторной матрицы, в которую помещены аргументы функции. ZPL math operations Математические операции на языке ZPL Макросы 2PL могут включать основные математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Синтаксис, используемый для каждой из этих операций, показан ниже. х = у + г X = у - 2 X = у * 7. х = y/z Все другие математические операции выполняются только с помощью ZPL-функций и логических ZPL-операторов, описанных в следующем разделе. ZPL logical operators Логические операторы ZPL Логические операторы используются для создания сложных программных опера- операторов, которые в конечном счете выражаются числами 1 или 0. Большинство логических операторов выражаются в форме: выражение_оператор_выражение. подобно математической операции, такой как 1+2. Исключение составляет оператор отрицания - "!', который используется в форме: ]_выражение. Логические операторы используют условие, что нулевое значение является "ложным" и ненулевое значение является "правильным". Оператор отрицания принимает значение 1 (правильно;. если (правая часть выражения) равна нулю (ложь), и значение 0 (ложь), если (правая Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -13
часть выражения) имеет ненулевое значение (правильно). Наиболее часто оператор отрицаний используется в сочетании с оператором IF, как. например: IF \x THFN PRIVT-x is =ero.u Другие логические операторы могут быть также использованы как часть аргумента в операциях с IF. Например, логическая операция IF может содержать два условия, оба из которых должны быть выполнены (должны быть "правильными") для выполнения команды THEN: /F(x>\)& {y<2) THEN PRINT " Both conditions are true." эти два условия связаны союзом "и1, обозначаемым знаком & Обратите внимание на то, что скобки используются для обозначения старшинства. Описание логических операторов ZPL дано в нижеследующей таблице. ZPL LOGICAL OPERATORS ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАТОРЫ ZPL Логический оператор & 1 л ! > < >= <= != Описание "и"; принимает значение 1, если оба выражения выполняются. "или"; принимает значение 1, если по крайней мере одно из двух выражений выполняется. 'исклющающее или"; принимает значение 1, если только одно из двух выражений выполняется. "отрицание"; принимает значение 0, если правая часть выражений имеет ненулевое значение; в противном случае принимает значение 1. "равенство"; принимает значение 1, если выражения равны друг другу. "больше, чем"; принимает значение 1, если левая часть выражения больше правой части выражения. "меньше, чем1; принимает значение 1. если левая часть выражения меньше правой част выражения. "больше или равно"; принимает значение 1. если левая часть выражения больше или равна правой части выражения. "меньше или равно"; принимает значение 1, если левая часть выражения меньше или равна правой части выражения. "неравенство"; принимает значение 1, если левая и правая части выражения не равны друг другу. ZPL string variables and operations Строчные переменные и операции с ними ZPL поддерживает строчные переменные и операции с ними. Строчные переменные не нуждаются в их заблаговременном объявлении, а могут создаваться в любое время путем определения операций, таких как: newstringS = "Here is the new string" 22-14 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGf
Заметьте, что строчная переменная отличается от числовой переменной наличием в конце первой знака $. Строчные переменные могут быть соединены между собой с помощью оператора +. Синтаксис такого соединения следующий: * Соединение может также включать постоянные строки: totalS = "AS is L+ AS +u and B$ is " + B$ Есть также функции строчных переменных, которые могут быть использованы для извлечения текстовых данных, такие как: titleS = $LENSNAME() Заметьте, что функция $LENSNAME () начинается с знака $. Это идентифицирует функцию строчной переменной как функцию, производящую строчный результат. Функции строчных переменных могут быть использованы для определения таких операций, как: thisS = "Неге is the lens title: ц + SLENSNAME () * Строчные переменные выводятся на печать точно таким же образом, как другие строки: PRINT "Here is AS : u, AS Заметьте, что функция PRINT может выводить на печать только одну единственную строчную переменную; нет возможности для связывания операторов или строчных функций внутри операции печати. Правильная процедура для связывания строк в новую строку с последующей ее печатью выглядит так: AS = В$ + CS PRINT AS Альтернативой этому является использование запятой для связки операторов: PRINT AS, BS. C$ Функции строчных переменных не могут печататься непосредственно, например, как: PRINT SLENSNAME()! NOT CORRECT 1!! Вместо этого результат функции следует записать в виде новой строчной переменной и затем печатать эту новую переменную: ZS = SLENSNAME () PRINT Z$ Одна очень важная функция - это SSTR (). Эта функция имеет в качестве аргумента какое-либо числовое выражение. Функция SSTR полезна для внесения числовых данных в строчки: AS = The expression evaluates to ' + SSTR ( SORT C' 3 + 4 * 4 + z 1 В нижеследующей таблице перечислены имеющиеся функции строчных переменных Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22"^5*
ZPL STRING FUNCTIONS ФУНКЦИИ СТРОЧНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ Функции SCOAT(i) SCOMMENT(i) SDATE() SFILENAME() SFILEPATHO SGLASS(i) SLEFTSTRING(AS.n) $LENSNAME() SNOTE(line#) SOBJECTPATH() SPATHNAMEO SRIGHTSTRING(AS,n) SSTR(expression) SUNITSO Описание (Принимаемое значение) Принимает значение имени покрытия для i-той поверхности Строка комментария для i-поверхности. Берется из Lens Data Editor. Текущее время и дата. Берется из диалогового окна Environment Text Data. Имя файла текущей схемы без записи директория. Имя файла текущей схемы с полной записью директория. Имя стекла i-поверхности. Принимает значение п буквенных символов из левой части строки AS. Если число симвопов в строке AS меньше п, то оставшееся место заполняется пробелами. Эта функция позволяет форматировать строки с фиксированной длиной Смотри SRIGHTSTRING. Наименование схемы, определенное в диалоговом окне General System. Примечание к схеме, определенное в диалоговом окне General System. Принимает значение имени директория для файла указанного NSC объекта. Имя директория и поддиректория, в котором записан файл с текущей схемой. Это полезно для определения поддиректория, в котором записана схема. Принимает значение п буквенных символов из правой части строки AS. Если число символов в строке AS меньше п. то оставшееся место заполняется пробелами. Эта функция позволяет форматировать строки с фиксированной длиной. Смотри SLEFTSTRING. Записывает результат вычислений в формате, заданном ключевым словом FORMAT. Числовым выражением может быть какое-либо уравнение, включая комбинацию постоянных, переменных и функций. Принимает значения MM, CM, IN или М в зависимости от того, какие выбраны и используются единицы измерения. ZPL string logical operators Строчные логические операторы ZPU Строчные логические операторы очень похожи на числовые логические операторы, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Ключевое различие между этими двумя типами операторов заключается в том, что сравниваемые выражения являются строками, а не числами. Определение строчных операторов дано в нижеследующей таблице. 22-16 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значенке и устанавливаются новые величины минимального радиуса (APMN) и максимального радиуса (АРМХ) апертуры. Минимальные и максимальные величины радиусов используются для всех видов апертур, хотя они имеют различный смысл в зависимости от типа используемой апертуры, как это описано в нижеследующей таблице. APERTURE TYPES AND APMN, APMX USAGE ТИПЫ АПЕРТУР И ПРИМЕНЕНИЕ "APMN" и "АРМХ" Тип апертуры None Circular aperture Circular obscuration Spider Rectangular aperture Rectangular obscuration Elliptical aperture Elliptical obscuration User aperture User obscuration Floating aperture APMN используется для установки: Игнорируется Минимального радиуса круглой апертуры Минимального радиуса круглого экрана Ширины растяжек Полуширины прямоугольной апертуры по оси X Полуширины прямоугольного экрана по оси X Полуширины эллиптической апертуры по оси X Полуширины эллиптического экрана по оси X Игнорируется Игнорируется Игнорируется АРМХ используется для установки Игнооируется Максимального радиуса круглой апертуры Максимального радиуса круглого экрана Количества растяжек Полуширины прямоугольной апертуры по оси Y Полуширины прямоугольного экрана по оси Y Полуширины эллиптической апертуры по оси Y Полуширины эллиптического экрана по оси Y Игнорируется Игнорируется Игнорируется Пример: APMNC) =1.75 АРМХ(З) =3.50 APXD, APYD Назначение: Используется для установки величины децеитрирорвки апертуры поверхности по осям X и Y. Синтаксис: APXD(поверхность) = (новое_значение) APYD{поверхность) = новое_значение) Обсуждение: Эти ключевые слова требуют два выражения: одно для определения номера поверх- поверхности и другое для определения нового значения. Выражение поверхность 22-18 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер поверхности окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто итерируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение и устанавливаются новые величины децентрировки апертуры поверхности по оси X (APXD) и по оси Y (APYD). Пример; APXDC) = -3.6 APYDE) = -1 * APYDC) ДРТР Назначение: Используется для установки типа апертуры поверхности. Синтаксис: АРТР (поверхность) = (кодовое_число) Обсуждение: Эти ключевые слова требуют два выражения: одно для определения номера поверхности и другое для определения нового типа апертуры. Выражение поверхность вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение кодовое__число; полученная велич'ина округляется до целого и устанавливается новый тип апертуры. Кодовые числа различных типов апертур приведены в нижесле- нижеследующей таблице. APERTURE TYPE CODES КОДЫ РАЗНЫХ ТИПОВ АПЕРТУР Кодовое число 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Тип апертуры None Circular aperture Circular obscuration Spider Rectangular aperture Rectangular obscuration Elliptical aperture Elliptical obscuration User aperture User obscuration Floating aperture Пример: A?TP{3) = 1 ATYP, AVAL Назначение: Используется для установки типа апертуры системы и ее значения. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-19
Синтаксис: ATYP = (кодовое_число) AVAL = (новое_значение) Обсуждение: Эти ключевые слова используются для определения типа апертуры системы и задания ее величины. Тип апертуры системы определяется с помощью следующих кодовых чисел: SYSTEM APERTURE TYPE CODES КОДЫ РАЗНЫХ ТИПОВ АПЕРТУР СИСТЕМЫ Тип апертуры Entrance Pupil Diameter Image Space F/# Object Space Numerical Apertute Float By Stop Size Кодовое число 0 1 2 3 Пример: ! Sec the EPD to be 35 ATYP = 0 AVAL =35.0 BEEP Назначение: Подача звукового сигнала. Синтаксис: ВЕЕР Обсуждение: Эта команда гиожет быть использована для оповещения пользователя об окончании вычислений или необходимости введения дополнительных данных. COAT Назначение: Используется для введения имени покрытия для данной поверхности. Синтаксис: COAT (поверхность), имя_покрытия Обсуждение: Это ключевое слово требует задания номера поверхности и имени покрытия которое должно быть применено к указанной поверхности. Если имя покрытия не указано (пробел), то поверхность будет без покрытия. CLOSE Назначение: Закрывает ASCII файл, открытый ранее командой OPEN Синтаксис: CLOSE 22-20 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Обсуждение: Смотри описание команды OPEN. CL0SEWINDOW Назначение: Не позволяет появляться на экране окну с выходными данными. Синтаксис: CL0SEWINDOW Обсуждение: Команда CLOSEWINDOW используется для выполнения ZPL программы в быстром режиме. Обычно появляющееся на экране после выполнения программы окно с выходными данными не будет высвечиваться после этой команды, записанной в любую строку программы. Эта команда не оказывает никаких других действий на выполнение программы. COLOR Назначение: Установка цвета, используемого для линий в графиках и в тексте. Синтаксис: COLOR (п) Обсуждение: Число п должно быть целым. Если аргумент п равен нулю, то цвет устанавливается черным. В противном случае, цвет, определенный целым числом, будет использо- использоваться для всех линий и текста, записанного в графическом режиме. В распоряжении имеется 12 различных цветов плюс черный цвет; эти цвета имеют нумерацию от 0 до 12. Цвета обычно используются в ZEMAX для выделения различных полей и длин волн; цвет 1 может быть использован либо для выделения поля 1, либо для выделе* ния длины волны 1, и так далее. СОМ Назначение: Слово CONI используется для задания величины конической постоянной для указанной поверхности. Синтаксис: CONI (поверхность) = (новое_значение) Обсуждение: Ключевое слово CONI требует два выражения: одно - для определения номера поверхности и второе - для определения новой величины конической постоянной. Выражение поверхность вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер поверхно- поверхности окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое__значение и устанавливается новая величина конической постоянной. Пример: CONI 1 = -1 Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX ' 22-21
Родственные слева fPDA7S CURV Назначение' Слово CURV используется для задания величины кривизны указанной поверхности. Синтаксис CURV(поверхность) = (нозое^значение) Обсуждение' Ключевое слово CURV требует два выражения: одно - для определения номера поверхности и второе - для задания кривизны этой поверхности Выражение поверхность вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности Если вычисленный номер поверхности окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение и устанавливается новая величина кривизны поверхности. Пример: CURVC) = - CURVD) + 0.001 Родственные слова: UPDATE DELETE Назначение: Удаляет поверхность из таблицы редактора. Синтаксис: DELETE (n) Обсуждение: Число п должно быть целым. Смотри также INSERT. Пример: DELETE 5 DELETE i+2*j EDVA Назначение: Задние величин внешних (дополнительных) данных для поверхности. Синтаксис: EDVA поверхность, ес!_значение, новое_значение Обсуждение: Выражение поверхность указывает номер поверхности, которая должна быть модифицирована. Выражение её_значение должно быть целым числом, соответствующим одной из позиций в записи внешних данных. Смотри главу "Surface types", в которой описаны внешние данные. Выражение новое_значенпе 22 -22 Chapter 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
вычисляется и полученная величина присваивается указанному номеру внешних данных для данной поверхности. Пример: EDVA 5, 6, х+у DELETE i+2*j END Смотри GOSUB. EXPORTBMP Назначение: Запись графических окон в файл в формате BMP. Синтаксис: EXPORTBMP номер_окна, ммя_файла Обсуждение: Числовое значение аргумента номер_окна может быть либо целым числом, либо аналитическим выражением, принимающим целое значение. Это номер графического окна, которое должно быть записано в файл. ZEMAX нумерует окна последовательно в порядке их открытия, начиная с 1. Закрытые окна автоматически удаляются из списка открытых окон, которые при этом не перенумеровываются. После закрытия отдельных окон вновь открываемому окну присваивается последующий по списку (наименьший из возможных) номер. Аргумент имя_файла должен содержать полное имя файла (без расширения) с указанием директория, в который он должен быть записан. ZEMAX автоматически добавит к имени файла расширение BMP. См. также EXPORTJPG. Пример: EXPORTBMP 1, "C:\TEMP\MYBMPFILE" EXPORTBMP k, A$ EXPORTCAD Назначение: Запись данных схемы в файлы IGES, STEP или SAT для импорта данных в CAD программы. Синтаксис: EXPORTCAD имя_файла Обсуждение: Смотри в главе "TOOLS MENU" раздел "Export IGES/SAT/STEP Solid". Имя файла можно задать в форме буквенной строки, как, например, "C:\DATA\F1LE.IGS", или в форме имени строчной переменной, такой, например, как "MYFILENAMES". Для определения экспортируемого файла необходимо задать много других параметров. Величины этих параметров записываются в векторную матрицу VEC1: VEC1A): Определение типа файла Используются следующие кодовые числа: О — IGES. 1 - STEP, 2 - SAT. 3 - BDF. VEC1B): Количество точек сплайна (если требуется ). VEC1C): Номер первой экспортируемой поверхности. Глава 22: ЯЗЫК РОГРА МИРОВАНИЯ ZEMAX 22-23
VEC1D): Номер последней экспортиркемой поверхности. VEC1E): Уровень расположения даных луча. VEC1F): Уровень расположения данных схемы.. VEC1G): 1 -для экспотрта пустых поверхностей: 0 - если этого не требуется.. VEC1(8): 1 - для экспорта поверхностей в виде твердотельных объектов; 0 - если этого не требуется. VEC1(9): Вид диаграммы распределения лучей по площади входного зрачка. 0- по XY направлениям, 1 - только по X направлению, 2 — только по Y направлению. 3 - по кругу. 4 - по заданному списку лучей, 5 - None. VEC1A0): Количество лучей VEC1A1): Номер длины волны. 0-для всех волн VEC1A2): Номер поля 0-для всех полей. VEC1A3): 1 - убрать виньетированные лучи; 0 - не убирать виньетированные лучи. 0. VEC1A4): Величина толщины пустых поверхностей в установленных для схемы единицах измерения.. Пример: VECl(l) = VECK2) = VEC1<3) = etc... 0 32 1 VEClA4)=le-03 EXPORTCAD EXPORTJPG "С:\TEMP\MYCADFILE.IGS" Назначение: Экспорт графических окон в файл в формате JPG Синтаксис: EXPORTJPG номер_окна, имя_файла Обсуждение: См. EXPORTBMP Пример:: EXPORTJPG 3, "C:\TEMP\MYJPGFILE" EXPORTJPG k, FILENAMES FINDFILE Назначение: Используется для нахождения (имен) файлов, записанных на диск. Синтаксис: FINDFILE TEMPNAMES, FILTER3 Обсуждение: Это ключевое слово требует два выражения: одного - для определения названия строчной переменной, которая будет использоваться для записи имени файла и другого (содержащего строку "filter") - для определения строчной переменной. 22 -24 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
которая будет использоваться для залиси пути к файлу. Строка "fitter" обычно определяет путь к файлу и символ, описывающий тип файла. Смотри данный ниже пример. Команда FINDFILE полезна для получения слиска всех файлов определенного типа, содержащихся в директории, или для анализа большого числа файлов с подобными схемами. Пример: FILTERS = "C:\ZEMAX\*.ZMX" PRINT "Listing of all ZEMAX files in ", FILTERS FINDFILE TEMPFILES, FILTERS LABEL 1 If (SLEN(TEMPFILE$) ) PRINT TEMPFILES FINDFILE TEMPFILE$, FILTERS GOTO 1 ENDIF PRINT "No more files." FLDX, FLDY, FWGT, FVDX, FVDY, FVCX, FVCY. FVAN Назначение: FLDX и FLDY используются для изменения позиций поля; FWGT используется для изменения весового коэффициента поля. FVDX и FVDY служат для изменения (виньетирующих) коэффициентов децентрировки по осям х и у. FVCX и FVCY служат для изменения (виньетирующих) коэффициентов сжатия зрачка по осям х и у. FVAN изменяет угол виньетирования. Синтаксис: FLDX (номер_поля) = (новое_значение) FLDY (номер_поля) = (новое_значение) FWGT (номер_поля) = (новое_значение) FVDX (номер_поля) = (новое_значение) FVDY (номер__поля) = (новое_значение) ГУСХ(номер_поля) = (новое_значение) ГУСУ{номер_поля) = (ноаое_значение) FVAN (номер поля) = (новое значение) Обсуждение: Эти ключевые слова требуют два выражения: одно - для задания номера поля и другое-для определения нового значения. Выражение номер поля оценивается и округляется с понижением до целого для получения номера поля. Если полученный номер поля будет меньше 1 или больше числа заданных в схеме полей, то команда игнорируется; в других случаях данному номеру поля присваивается новое значение. Tax как координаты лучей и величины полудиаметров поверхностей изменяются с изменениями полей, рекомендуется после задания новых полей использовать команду UPDATE. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22 -25
Пример: FLDX 1 = 0.0 FLDY 1 = 12.5 FWGT 1 = 1.0 Родственные функции: FLDX. FLDY. FWGT. MAXF. FTYP, FVDX. FVDY. FVCX, FVCY FVAN Связанные ключевые слова: UPDATE. FTYP FOR, NEXT Назначение: Ключевые слова FOR и NEXT определяют блок программы выполняемой в цикле установленное число раз Синтаксис: FOR variable = начальное_эначение,конечное_эначение, шаг_переменной NEXT Обсужцение: Ключевое слово FOR обозначает начало группы операций, которая должна быть выполнена в цикле заданное число раз. FOR требует введения переменной, играющей роль счетчика повторений; начального значения; конечного значения и шага изменения переменной. Слово NEXT служит для обозначения конца группы операций. Циклы FOR-NEXT могут быть встроенными друг в друга. Количество операторов FOR и NEXT должны быть равными. По команде FOR выражения, определяющие начальное и конечное значения, а также шаг переменной вычисляются и записываются в память. Выражения конечное_значение и шаг переменной больше не пересчитываются, если даже значение переменной изменяется в пределах цикла программы. Используются только те значения, которые были заданы в начале цикла (лри операторе FOR). Если начальное и конечные значения переменной равны между собой, то цикл выполняется только один раз. Если начальное значение переменной меньше ее конечного значения, то выполнение цикла продолжается до тех пор, пока значение переменной не станет больше ее конечного значения. Если начальное значение переменной больше ее конечного значения, то выполнение цикла продолжается до тех пор. пока значение переменной не станет меньше ее конечного значения. Пример: FOR i = PRINT NEXT j = 5 k = 0 FOR i = k = 1, • * • l 25, j + + j + 1 5, k NEXT 22 -26 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Назначение; для последующей команды PRINT определяет формат числа при печати. Синтаксис: FORMAT m.n [EXP] Обсуждение: Целые числа тип разделяются десятичной точкой. Значение m определяет полное число печатаемых знаков, включая пробелы. Значение п определяет число знаков, высвечиваемых после десятичной точки. Поэтому, если установить FORMAT 8.4, то после последующей команды PRINT будет печататься число, состоящее из 8 знаков, четыре из которых будут расположены после десятичной точки. FORMAT .5 по команде PRINT покажет 5 десятичных знаков, а всего знаков будет столько, сколько требуется. Команда FORMAT относится только к числовым данным, выводимым на печать командой PRINT. Если (высвечиваемое) число является слишком большим, чтобы уложиться в m знаков, то установленное число m просто игнорируется. Дополнительное ключевое слово ЕХР, записанное после выражения m.n означает, что число должно быть записано в экспоненциальной форме. Пример: х = 1.123 FORMAT 12.0 PRINT "An integer portion»", x FORMAT 12.8 PRINT "A decimal portion = y\ x FORMAT 12.8 EXP PRINT "Exponential notation = ", x FTYP Назначение: FTYP используется для изменения способа задания поля: с помощью углов (в граду- градусах), с помощью высот объекта или с помощью высот изображения. Синтаксис: FTYP = (новое_зкачение) Обсуждение: В качестве нового_значенкя должны быть использованы числа 0, 1 или 2. Для установки поля в градусах используется число 0, для установки поля в высотах объекта (в принятых линейных единицах) - число 1, для установки поля в высотах изображения (в принятых линейных единицах) - число 2. С установкой нового способа задания поля величины поля не изменяются и не происходит обновления системы. Обычно величины поля должны уточняться с помощью ключевых слов FLDX и FLDY всякий раз, когда производится изменение способа задания поля. Родственные функции: FLDX. FLDY, FWGT, MAXF Связанные ключевые слова: UPDATE, FLDX, FLDY, FWGT Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-27
GCRS Назначение' GCRS используется для изменения номера поверхности, которая является опорной в глобальной системе координат. См. в главе "System menu" раздел Global Coordinate Reference Surface^. Синтаксис: GCRS = (новый_номер_опорной_поверхности) Обсуждение: Аргумент новый_номер_опорной_поверхности должен быть выражением, которое дает новый номер опорной поверхности. GDATE Назначение: GDATE печатает текущую календарную дату под именем схемы в текстовой рамке созданного пользователем графического окна. Синтаксис: GDATE Обсуждение: GDATE в основном используется для того, чтобы созданный вами график имел такой же вид, как все другие графики ZEMAX. Пример: Смотри описание и пример GRAPHICS. GETEXTRADATA Назначение: Извлечение внешних данных из редактора Extra data editor. Данные помещаются в одну из матриц переменных (VEC1, VEC2. VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETEXTRADATA номер_матрицы, номе^р_поверхности Обсуждение: Данные записываются в матрицу VECn. Например, по команде GETEXTRADATA 1, 5 внешние данные для поверхности 5 будут помещены в матрицу VEC1. Данные записываются в следующем формате (первые числа в каждой строке обозначают позицию в матрице): 0: Число внешних данных в матрице 1: Первое значение внешних данных п: n-ое значение внешних данных Смотри главу "Surface Types", в которой дано описание внешних данных. 22 -28 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
GETGLASSDATA Назначение: Извлечение данных для какого-либо стекла из текущего каталога. Данные помеща- помещаются в одну из матриц переменных (VEC1, VEC2. VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETGLASSDATA номер_матрицы, порядковый_номер__со?екла Обсуждение: Данные записываются в указанную матрицу VECn. Например, по команде GETGLASSDATA 1, 32 данные для стекла номер 32 будут помещены в матрицу VEC1. Порядковый номер стекла в каталоге можно определить с помощью функции GNUM. Данные записываются в следующем формате (первые числа в каждой линии обозначают позицию в матрице): 0: Число данных, записанных в матрицу. 1: Номер формулы: 1- для Schott. 2 - для Sellmeieri, 3 - для Herzberger, 4 - для Seljmeier2, 5 - для Conrady. 2: MIL-число (обозначение стекла шестизначным числом). 3: Nd 4: Vd 5: Коэфф. теплового расширения для диапазона от -30 до +70 С. 6: Коэфф. теплового расширения для диапазона от +20 до 300 С. 7: Плотность в г/см3. 8: Отклонение Рд/ (AP9if ) от нормальной прямой. 9: Минимальная длина волны. 10: Максимальная длина волны. 11-16: Коэффициенты дисперсионной формулы (зависят от вида формулы) 17-22: Тепловые коэффициенты дисперсии. GETMTF Назначение: Для текущей (загруженной) схемы вычисляет МПФ для меридиональной и сагит- сагиттальной плоскостей, действительную часть, мнимую часть, фазу, МПФ для прямоугольной решетки и помещает данные в одну из матриц переменных (VEC1, VEC2, VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETMTF частота, волна, поле, отсчеты, вектор, тип Обсуждение: Частота -желаемая пространственная частота в единицах «пар линий на миллиметр»; если частота меньше нуля или больше частоты среза, то результат GETMTF будет равен нулю. Волна - целое число, соответствующее номеру длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления (число 0 означает, что вычисляются полихроматические значения). Золе - целое число, соответствующие номеру поля для которого должны быть выполнены вычисления (целые числв должны находиться в пределах от 1 до максимального номера поля). Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -29
Отсчеты - могут принимать значения: 1 для плотности C2x32). 2 - F4x64), 3 - A28x128). и так далее до 2048x2048. Вектор - должен быть целым числом от 1 до 4. определяющим номер векторной матрицы, в которую должны быть записаны результаты вычислений. Тип — определяет тип данных, которые должны быть вычислены: 1 - для МПФ. 2 - для действительной части, 3 - для мнимой части, 4 - для фазы в радианах, 5 - для МПФ для прямоугольной решетки. Если значение одного из аргументов попадает за пределы допустимой области изменений, то используется ближайшее приемлемое значение! Данные помещаются в одну из векторных матриц в следующем формате (первое число в строке - положение в матрице): 0: результат в меридиональном сечении; 1: результат в сагиттальном сечении Пример: ! Этот макрос вычисляет МПФ текущей схемы: ! полихроматическую; I для меридионального и сагиттального сечений; ! для частоты 30 (пар)линий на мм; ! для максимального из заданных полей ! при размере сетки отсчетов 32x32 (отсчеты=1); ! данные будут помещены в векторную матрицу 1. ! Все, что требуется для получ-ения этих данных: GETMTF 30, 0, NFLD(), 1, 1, 1 PRINT "Tangential response: ", vecl@) PRINT "Sagittal response : ", vecl(l) GETPSF Назначение: Для текущей загруженной схемы вычисляет дифракционную ФРТ и помещает данные в одну из матриц переменных (VEC1. VEC2, VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETPSF волна, поле, отсчеты, вектор Обсуждение: Волна - целое число, соответствующее номеру длины волны, для которой должны быть выполнены вычисления (число 0 означает, что вычисляются полихроматические значения). Поле - целое число, соответствующие номеру поля, для которого должны быть выполнены вычисления (целые числа должны находиться в пределах от 1 до максимального номера поля). Отсчеты - могут принимать значения: 1 для плотности C2x32). 2 - F4x64). 3 - A28x128), и так далее до 2048x2048. Вектор - должен быть целым числом от 1 до 4. определяющим номер векторной матрицы, в которую должны быть записаны результаты вычислений. Если значение одного из аргументов попадает за пределы допустимой области изменений, то используется ближайшее приемлемое значение! 22 -30 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Данные вычислений помещаются в одну из векторных матриц в следующем формате: Позиция 0: общее число выборок (отсчетов) ФРТ в векторной матрице. Обычно это число равно 4хяхн, где // - размер сетки отсчетов C2, 64. и т.д.). Например, если плотность отсчетов определена числом 2, сетка на зрачке будет иметь размер 64x64, и матрица будет содержать 128x128, или 16384 значений; это потребует 8 байт на выборку, или всего 131 кБ. Плотность отсчетов 1024 потребует по меньшей мере 8 Мб только для матрицы; еще 64 Мб или больше потребуются для вычисления ФРТ. Позиция 0 используется также для индикации ошибок: если в позиции 0 появляется число 0, то это означает, что вычисления были прерваны, если появляется число -1 - размер векторной матрицы недостаточен для помещения в нее всех значений. В последнем случае используйте команду SETVECSIZE для увеличения размера матрицы. Если в позиции 0 появляется число -2Г то это означает, что в компьютере не хватает оперативной памяти (RAM) для вычисления ФРТ. В позициях от 1 до Dхлхи) записываются данные об (интенсивности) ФРТ, нормированные к единице. Первые п значений соответствуют первому ряду сетки отсчетов, идущему слева направо от -х до +х; каждый следующий блок п значений соответствует следующему, идущему от +у к -у, ряду в сетке отсчетов. В позицию Dхих» +1) записывается линейное расстояние между отсчетами в микронах! Пример; ! Этот макрос вычисляет ФРТ(Р5Г)для текущей схемы: ! полихроматическую; ! для первого из заданных полей, ! с размером сетки отсчетов 32x32 (отсчеты=1); ! данные будут помещены в векторную матрицу 1. SETVECSIZE 4500 GETPSF 0, 1, 1, 1 пр = vecl@) IF (np == 0) PRINT "PSF Computation aborted." GOTO 1 ENDIF IF (np == -1) PRINT "SETVECSIZE too small for PSF data." GOTO 1 EtfDIF IF (np == -2) PRINT "Not enough system RAM for PSF data." GOTO 1 ENDIF PRINT "There are ", np, "data points, spaced ", vecl (np^-l) , " microns apart " LABEL 1 Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -31
GETSYSTEMDATA Назначение: Извлекает большинство характерных для системы данных, таких как эффективная фокальная длина, рабочее F/число, факторы аподизации и другие данные, не относящиеся к отдельным поверхностям. Данные помещаются в одну из матриц переменных (VEC1. VEC2, VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETSYSTEMDATA номер_векторной_матрьиы Обсуждение: Данные записываются в указанную векторную матрицу VECn. например, если дана команда GETSYSTEMDATA \. то данные системы будут записаны в векторную матрицу VEC1. Данные записываются в следующем формате (первое число в строке обозначает номер позиции в матрице): 0: Количество записанных данных 1: Величина алертуры системы 2: Фактор аподизации 3: Тип аподизации @ - нет аподизации, 1 - гауссовская. 2 - тангенциальная) 4 Использование данных об окружающей среде A, если да; 0, если нет) 5: Температура в градусах Цельсия (выводится только при использовании данных об окружающей среде) 6: Давление в атмосферах (выводится только лри использовании данных об окружающей среде) 7: Эффективная фокальная длина 8: F/£ в пространстве изображений 9; Числовая апертура в пространстве объектов 10: Рабочее F/# 11: Диаметр входного зрачка 12: Положение входного зрачка 13: Диаметр выходного зрачка 14: Положение выходного зрачка 15: Параксиальная высота изображения 16: Параксиальное увеличение 17: Угловое увеличение 18: Полная длина 19: Использование Ray Aiming A. если да; 0, если нет) 20: Смещение зрачка по оси X 21: Смещение зрачка по оси Y 22: Смещение зрачка ло оси Z 23: Номер поверхности, на которой расположена апертура системы 24: Номер опорной поверхности в глобальной координатной системе GETVARDATA Назначение: Извлекает число, тип и значение'всех переменных параметров оптимизации. Помещает данные в одну из матриц переменных (VECi, VEC2. VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETVARDATA номер векторной матрицы 22 -32 Chapter 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
Обсуждение: Данные записываются в указанную векторную матрицу VECn: например, если дана команда GETVARDATA 1, то данные системы будут записаны в аекторную матрицу VEC1. Данные записываются в следующем формате (первое число в строке обозначает номер позиции в матрице): 0; п, число переменных 1; код типа первой переменной 2; номер поверхности для первой переменной 3; номер параметра для первой переменной 4; номер объекта для первой переменной 5; величина первой переменной 5*q-4: код типа q-ой переменной 5*q -3: номер поверхности для q-ой переменной 5*q -2: номер параметра для q-ой переменной 5'q -1: номер объекта для q-ой переменной 5*q; величина q-ой переменной и так далее Числа q идут от 1 до п, где п - номер переменной. Если п равно нулю, то данные не выводятся! Позиции матрицы 0 и п действуют во всех случаях. Коды типов переменных приведены в нижеследующей таблице. Номера поверхности, параметра и объекта могут находиться или не находиться в зависимости от типа переменной. GETVARDATA TYPE AND ID CODES КОДЫ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ НОМЕРА ПЕРЕМЕННЫХ Тип переменной Кривизна Толщина Коническая постоянная Показатель преломления N<j Число АббеУо Частная дисперсия APqF Коэффициент теплового расширения (ТСЕ) Величина параметра Величина внешних данных Величина оператора мультиконфигурации Положение NSC объекта по осиХ Положение NSC объекта по осиУ •Код 1 2 3 4 5 6 7 8' 9 10 11 12 Поверхность Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер оператора Номер поверхности Номер поверхности Параметр — — — — — — — Номер параметра Номер данных Номер конфигур. — — Объект — — — — — — — — — — Номер объекта Номер объекта Гпавэ 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-33
Тип переменной Положение NSC объекта по оси Z Наклон NSC объекта отн. X Наклон NSC объекта отн. Y Наклон NSC объекта отн. Z Пармаметры NSC объекта Код 13 14 15 16 17 . Поверхность Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Номер поверхности Параметр — — — — Номер параметра Объект Номер объекта Номер объекта Номер объекта Номер объекта Номер объекта GETZERNIKE Назначение: Вычисляет коэффициенты полинома Цернике для текущей (загруженной) схемы и помещает данные в одну из матриц переменных (VEC1, VEC2. VEC3 или VEC4). Синтаксис: GETZERNIKE порядок, волна, поле, отсчеты, вектор, тип Обсуждение: Порядок - любое число между 1 и 37 дпя ряда Fringe или между 1 и 231 для стандартного ряда (см. ниже обсуждение аргумента "zerntype"), определяющее требуемый наивысший порядок полинома Цернике. Волна и Поле-целые числа, соответствующие номеру длины волны и номеру поля. Отсчеты - определяет размер сетки, по которой производится подгонка коэффициентов; значение этого аргумента может быть 1 C2x32), 2 F4x64). и так далее до 2048x2048. Вектор - значение этого аргумента должно быть целым числом от 1 до 4; определяет, в какую векторную матрицу должны быть помещены вычисленные данные. Zerntype - если величина этого аргумента равно 0, то вычисляются коэффициенты для ряда "Fringe", если величина этого аргумента равна 1 - то для стандартного ряда. См. в главе "Analysis menu" разделы "Zernike Fringe Coefficients" и "Zernike Standard Coefficients". Если величина какого-либо аргумента выходит за допустимые пределы, то принимается ближайшее допустимое значение! Данные помещаются в указанную матрицу в следующем формате: Позиция 1: величина "Peak to valley" в волнах; Позиция 2: СКЗ ( относительно нулевого значения) в волнах; Позиция 3: СКЗ (относительно среднего значения) в волнах; Позиция 4: СКЗ (относительно центра тяжести) в волнах; Позиция 5: дисперсия в волнах; Позиция 6: число Штреля; Позиция 7: СКЗ ошибки подгонки в волнах; Позиция 8: Максимальная ошибка подгонки (при какой-либо одной точке) в волнах. Позиция 9: Величина коэффициента для 1-го члена полинома Цернике. Позиция 10: Величина коэффициента для второго члена полинома Цернике. Позиция 11 и далее: Величины коэффициентов поспедующих членов полинома. 22-34 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Пример: I этот макрос вычисляет первые 37 коэффициентов Цернике I для текущей загруженной схемы I ДЛЯ 1-ОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ, 1-ГО ПОЛЯ ] при плотности сетки отсчетов 32x32 (sampling = 1); I вычисленные коэффициенты будут помещены в векторную матрицу VEC1. 1 Сначала задаем: GETZERNIKE 37, 1, 1, 1, 1, О ! Теперь выводим данные на печать: FORMAT 16.6 PRINT "Peak to Valley PRINT "RMS to chief PRINT "RMS to centroid PRINT "Variance PRINT "Strehl ratio PRINT "RMS Fit Error PRINT "Maximum Fit Error \\ vecl(l) veclC) veclD) veclE) veclF) veclG) vecl(8) label 1 FORMAT 2.0 PRINT "Zernike #", FORMAT 16.6 PRINT vecl(8+i) i = i + 1 if (i<38) THEN GOTO 1 PRINT "All Done!" 1, - GLAS Назначение: Используется для установки какой-либо марки стекла на указанную поверхность. Синтаксис: GLAS (поверхность) = (номер стекла) GLAS (поверхность) = glassS Обсуждение: Это ключевое слово требует двух выражений: одно для определения номера поверх- поверхности и другое для определения порядкового номера стекла в каталоге. Если указан номер стекла -1, то устанавливается зеркальная поверхность (mirror); если указан номер стекла 0, то стекло не устанавливается (то есть принимается показатель преломления равный 1). Во всех других случаях номер стекла должен находиться между 1 и числом, которое выводится командой MAXG (полное число стекол в каталоге). Команда GLAS позволяет также использовать строчную переменную, которая содержит имя нужного стекла, такое как "ВК7". Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-35
Пр/* ер. "LAS 3 = MAXGd AS = "BK7" GLAS 4 = GNUM(AS) GLAS 4 = AS Связанные слова UPDATE GLENSNAME Назначение: Команда GLENSNAME помещает имя текущей схемы в левый верхний угол текстовой рамки созданного вами графического окна Синтаксис. GLENSKAME Обсуждение: Команда GLENSNAME в основном используется для того, чтобы ваш график выглядел подобно другим графикам ZEMAX Пример: Смотри раздел GRAFICS. GOSUB. SUB. RETURN, and END Назначение: Эти четыре ключевых слова используются вместе для определения и вызова подпро- подпрограмм, записанных в 2PL программе. Каждое из этих ключевых слов имеет свое наз- назначение. GOSUB используется для направления хода выполнения программы к указанной подпрограмме. SUB используется для определения имени подпрограммы, а также индикации места начала подпрограммы. RETURN указывает, что дальнейшее выполнение программы должно производиться от места, из которого был вызван самый последний GOSUB. END указывает, что выполнение программы должно быть прекращено немедленно. Синтаксис: Смотри данный ниже пример. Обсуждение: Допускается не более 100 подпрограмм для одного ZPL макроса. Каждая подпрограмма должна быть ограничена командой RETURN. Более одной команды RETURN может быть вложено в тело подпрограммы. Если подпрограммы определены, то по меньшей мере одна команда END должна быть использована для указания конца основной программы. Тело основной программы должно распола- располагаться в начале файла. Не может быть более 100 "встроенных подпрограмм" в ZPL макросе. Например, если подпрограмма ABC вызывает подпрограмму XYZ. то число встроенных подпрограмм равно 2. Если затем подпрограмма XYZ вызывает подпрограмму DEF, то число встроенных подпрограмм будет уже 3. 22 -36 Chapter 2-2: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Все переменные в 2PL - глобальные. Все переменные, используемые или определенные в подпрограмме, существуют также и в основной программе Пример; Л -1- GOSUB add print "the sum of ", x, w and w, y, w is w, z END SUB add z = x + у RETURN GOTO Назначение: Обычно все строки в программе выполняются по очереди. Команда GOTO позволяет направить дальнейшее выполнение программы к произвольной строке программы GOTO всегда используется в связке с командой LABEL. Синтаксис: GOTO номер__ЪАВЕЪ GOTO текст_ЬАВЕЬ Обсуждение: В программе должна где-либо находиться команда LABEL с указанным номером или указанным текстом; в противном случае появится сообщение об ошибке. Пример: Label 1 х = RANDA0) if x <= 5 THEN GOTO 1 PRINT "X is greater than 5" w GRAPHICS Назначение: Служит для создания стандартной для графиков ZEMAX рамки с линиями для заголовков. Синтаксис: graphics G3a:hics off Обсуждение: Команда GRAPHICS создает стандартное графическое окно ZEMAX; все последую- последующие графические команды адресуются к вновь созданному окну. Команда GRAPHICS OFF закрывает доступ к существующему графическому окну, а затем высвечивает его на экране. Пример: graphics зек = хт.ах () Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-37
e zrnin () ymx = yrrax {) ymn = yminO xwidth и zmx-xmn ywidth ■* ymx-yirn xleft -* xmn + ( -1 * xwidth ) xrigh « xmn * ( .9 " xwidth ) ytopp xmn + ( .1 ' ywidth ) ybott = ymn +■ ( .7 - ywidth ) line xleft,ytopp,xriqh,ytopp line xrigh,ttopp,xrigh,ybott line xrigh,ybott,xleft,ybott line xleft,ybott/xleft,ytopp gtitle w the rain in Spain falls mainly on the plain" glensname gdate gtext xm>:/2,ymx/2,0, "start this text in the center." gtextcent ymx*.05# "center this text near the top." gtext xmx*.05,ymx~.75,9,"place me vertically near left edge." gtext xmx*. 15, ymx1* .68,30, "orient me at 30 degrees." graphics off GTEXT Назначение: Команда GTEXT используется для нанесения на графики различных надписей. Синтаксис: GTEXT х, у, угол, текст_пользователя GTEXT х, у, угол, А$ Обсуждение: Координаты х и у определяют место на графике, где должен начинаться записанный в этой команде текст. Текст может быть записан либо в виде "постоянной" строки (либерала), взятой в кавычки, либо в виде имени строчной переменной С помощью аргумента Угол определяется наклон строки относительно графической рамки; 0 градусов соответствует горизонтальному направлению. Смотри также SETTEXTSIZE. Пример: Смотри GRAPHICS. GTEXTCENT Назначение: Команда GTEXTCENT используется для центрирования ваших надписей на графиках. Синтаксис: GTEXTCENT у, текст_пользователя Обсуждение: Координата у определяет положение вашей строки на графике по вертикали. Смотри также SETTEXTSIZE. Пример: Смотри GRAPHICS. 22 -38 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING 'GUAGE
gTITLE Назначение: Команда GTITLE служит для записи строки с названием графика; строка будет центрирована и помещена в рамку заголовка в графическом окне. GTITLE полезна для того, чтобы созданный вами график имел такой же вид, как все другие графики ZEMAX. Синтаксис: GTTITLE текст_пользователя Обсуждение: GTITLE в основном используется для того, чтобы созданный вами график имел такой же вид, как все другие графики ZEMAX. Пример: Смотри раздел GRAPHICS. HAMMER Назначение: Вызывает Hammer-алгоритм оптимизации для оптимизации текущей схемы с текущей оценочной функцией. Синтаксис: HAMMER HAMMER количество_циклов_оптимизации Обсуждение: Если аргумент не задан, то выполняется только один цикл оптимизации. Если аргумент задан, то его значение должно быть между 1 и 99; будет выполнено указанное число циклов оптимизации. Связанные функции: MFCN Пример: PRINT "Starting merit function: w, MFCN() HAMMER 3 PRINT "Ending merit function : x\ MFCN() * IF-THEN-ELSE-ENDIF Назначение: С помощью ключевого слова "IF" задаются условия выполнения программы и ее ветвления. Синтаксис: IF (выражение) (операции) ELSE (операции) ENDIF Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -39
или IF (вьпражение) THEN (выражение) Обсуждение: Конструкция IF-ELSE-ENDIF используется для определения условий, при которых должна выполняться группа операций, следующих за словом IF, или операций, следующих за словом ELSE (иначе), но не за обоими этими словами Если аргумент выражение равен нулю, то выражение рассматривается как ложное, в противном случае оно рассматривается как правильное. Выражение может быть любым ZPL выражением, состоящим из функций, переменных, операторов и постоянных. Оператор IF должен использоваться в ларе с оператором ENDIF, в то время как оператор ENDIF может вводиться или нет. Пары операторов IF-ENDIF могут быть встроенными на разных уровнях Конструкция IF-THEN удобна для задания условия выполнения одной единственной инструкции. Если используется слово THEN, то нет необходимости вводить слово ENDIF. так как команда IF и так будет ограничена только одной инструкцией. Слово ELSE в конструкции IF-THEN не используется. Пример: У = 2 if (х < у) PRINT wy. is less than у" ELSE If (x == y) THEN PRINT "x equals y" If {>: > y) THEN PRINT nx is greater than y" ENDIF IMA Назначение: Выполняется программа "Geometric Image Analysis" и результаты записываются BIM файл. Описание формата BIM файла смотри в главе "Analysis menu" в разделе "The BIM format". Описание программы "Geometric Image Analysis" дано в этой же главе. Синтаксис: IMA имя_выходного_файла имя_входного_файла Обсуждение: Это ключевое слово требует указания имени BIM файла, в который должны быть записаны результаты анализа, и имя входного IMA или BIM файла. Если расширение имени выходного файла не указано, то имя файла будет иметь расширение В1М. Имя входного файла должно быть указано с расширением. Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Выходной файл будет помещен в поддиректорий \IMAFiles. Входной файл также должен располагаться в этом поддиректории. Путь к файлам не указывается. Программа "Geometric Image Analysis" будет выполнена с установками, котрые были ранее записаны для текущей схемы. Если нужно изменить установки, то сделайте это в окне "Geometric Image Analysis" и запишите их с помощью команды "Save". Проверьте правильность установки "Show As". При всех последующих вызовах программы "Geometric Image Analysis" она будет выполняться 22 -40 Chapter 22. ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
с записанными установками. Имена выходного и входного файлов, введенных в качестве первого и второго аргументов ключевого слова "IMA", сохраняются при повторных вызовах программы. Пример: IMA "output.BIM1' "LETTERF.IMA" Связанные функции: IMASHOW, IMASUM IMASHOW Назначение: Показывает в окне "Viewer Window" IMA или В!М файл. Описание форматов IMA и BIM дано в главе "Analysis menu" в разделах "The IMA format" и "The BIM format4. Синтаксис: IMASHOW имя__файла. ima Обсуждение: Это ключевое слова требует введения в качестве аргумента имени IMA или BIM файла. Имя файла должно быть дано с расширением .IMA. Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Файл должен быть расположен в поддиректорий \IMAFiles. Эта команда открывает новое окно для показа файла. Пример: IMASHOW "LETTERF.IMA" Связанные функции: IMA, IMASUM IMASUM Назначение: Суммирует интенсивности двух BIM файлов. Хотя в названии этого ключевого слова включена приставка !МА, в текущей версии ZEMAX суммирование интенсивностей выполняется только для BIM файлов и не выполняется для IMA файлов. Это ограничение обусловлено тем, что в IMA файле поддерживается только грубая шкала оттенков в сером цвете, Описание форматов IMA и BIM дано в главе "Analysis menu" в разделах "The IMA format" и "The BIM format". Синтаксис: IMASUM имя_1-го_файла >шя_2-го_файла имя_выходного_файла Обсуждение: Это ключевое слово требует введения в качестве аргументов имен трех BIM файлов (которые должны быть разными). Все имена должны быть даны с расширением. Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Файл должен быть расположен в поддиректорий \IMAFiles: в этот же поддиректорий будет помещен и выходной файл. Два суммируемых файла должны иметь одинаковое число пикселов и цветовых каналов; в противном случае появится сообщение об ошибке. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -41
Пример: IMASUM "A.BIV "B.BIM" "sum of A and B.BIM" Связанные функции: IMA. IMASHOW IMPORT ED Назначение: Импортирует данные из файла в редактор "Extra data editor". Синтаксис: IMPORT_ED номер_поверхности имя_файла Обсуждение: Данные могут быть импортированы для любой поверхности, для которой используются внешние данные. Импортируемые числовые данные должны быть записаны в ASCII файл в одну колонку. См. в главе "Tools" раздел "Extra Data". INPUT Назначение: INPUT позволяет пользователю вводить в программу числовые и текстовые данные в процессе ее выполнения. Синтаксис: INPUT "Строка подсказки", переменная INPUT переменная INPUT "Строка подсказки", строчная_переменная INPUT строчная_переменная Обсуждение: Переменным величинам могут быть даны любые обозначения Если переменная является строчной переменной, то вход будет интерпретирован как текстовая строка; в противном случае - как число. Если при записи команды после слова INPUT не введено никакой "подсказки", то будет использован знак"?". Строка подсказки всегда высвечивается на экране и может быть записана на русском языке; введение числовых и строчных переменных всегда производится с помощью клавиатуры. Пример: INPUT "Введите значение х", х PRINT "X = ", х INPUT "Введите текст для А$:", А$ PRINT A$ INSERT Назначение: С помощью команды INSERT вводится новая поверхность в таблицу редактора Lens Data Editor. Синтаксис: INSERT (n) 22 -42 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Обсуждение: Выражение для п должно генерировать целое число. Смотри также DELETE и SURFTYPE. Пример: INSERT 5 INSERT i + 2*j INSERTOBJECT Назначение: С помощью команды INSERTOBJECT вводится новый NSC объект. Синтаксис: INSERTOBJECT (номер_поверхности), (номер_объекта) Обсуждение: Выражение Номер_поверхности должно давать целое число - номер NSC поверхности, для которой в схему вводится новый объект. Если для схемы используется режим "Non-sequential", то введите для этого аргумента значение 1. Выражение Номер_объекта должно давать целое число между 1 и текущим количеством объектов + единица, включительно. Новый объект будет введен под указанныги номером, а все другие объекты будут перенумированы соответствующим образом. См. также DELETEOBJECT и SET-NSCPROPERTY. Пример: INSERTOBJECT 1, 1 LABEL Назначение: Метка LABEL служит для указания цели для команды GOTO; смотри описание команды GOTO. Синтаксис: LABEL номер_метк>з LABEL текст_метки Обсуждение: Номер метки должен быть целым числом, таким как 1 или 7. Если используется текстовая метка, то текст не должен содержать пробелов или других специальных символов в качестве разделителей. LABEL не оказывает никакого воздействия на ход самой программы. Не более 300 меток может быть использовано. Пример: Label 7 Label startover LINE Назначение: LINE служит для рисования прямой линии в графическом окне. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22 -AZ
Синтаксис: LINE oldx, oldy, newx, newy Обсуждение: LINE определяется четырьмя выражениями и рисует прямую линию между задан- заданными точками. Координаты х и у относятся к системе координат графического окна и должны находиться в пределах, заданных командами XMIN. YMIN, ХМАХ и УМАХ. Хотя координаты могут быть только целочисленными величинами, аргументами LINE могут быть любые действительные числа, которые при выполнении команды будут округлены до ближайших целых чисел. Команда LINE действует только в графичес- графическом режиме. Пример: Смотри GRAPHICS. LOADCATALOG Назначение: Загружает новые каталоги стекол и покрытий в текущую загруженную схему. Синтаксис: LOADCATALOG Обсуждение: При загрузке схемы вместе с ней автоматически загружаются и ассоциируемые с ней каталоги стекол и файлы с данными, включая файл COANING.DAT. Однако эти каталоги могут быть модифицированы, в том числе и с помощью самого ZPL макроса. В таком случае ключевое слово LOADCATALOG может быть использовано для форсированной перезагрузке каталогов. Это слово можно не использовать если после последнего старта ZEMAX файлы COATING.DAT и каталоги стекол .AGF не были модифицированы. LOADLENS Назначение: Загружает новую схему с диска. Синтаксис: LOADLENS "filename'' [appendflag] LOADLENS file? [appendflag] Обсуждение: LOADLENS загружает новую схему из диска. Если "filename" содержит запись полного LOADLENS загружает новую схему из диска. Если "filename" содержит запись полного пути к файлу, как например, C:\MYDIR\MYLENS.ZMX. то указанный файл будет загружен. Если указание пути к файлу отсутствует, то будет осуществлен поиск файла в директории, установленном в диалоговом окне Environment (смотри раздел Environment в главе File menu). Если [appendflag] равен нулю или отсутствует, то команда LOADLENS просто загружает указанный файл. Если [appendflag] больше нуля, то указанный файп присоединяется к текущему файлу; при той поверхности, номер которой соответ- соответствует значению [appendflag]. 22 -44 Chapter 22: ZEMAX PROGRAM 1IN LANGUAGE
Пример: LOADLENS ttCOOKE.ZMX" Связанные слова: SAVELENS * LOADMERIT Назначение: Загружает оценочную функцию ("Merit function") с диска и помещает ее в файл с текущей схемой. Синтаксис: LOADMERIT *filename" LOADMERIT fileS Обсуэден ие: LOADMERIT загружает новую "Merit function" из диска. Еслиl filename" содержит запись полного пути к файлу, как например, C:\MYD1R\MYLENS.MF, то указанный файл будет загружен. Если указание пути к файлу отсутствует, то будет осуществлен поиск файла в директории, установленном в диалоговом окне Environment (смотри раздел Environment в главе File menu). NEXT Смотри FOR. NSTR Назначение: Определение начальных условий для трассирования лучей через NSC объекты. Синтаксис: NSTR, surf, source, split, scatter, usepolar,ignore_errors Обсуждение: Surf: номер NSC поверхности (целое число). Если программа работает в режиме Non-Sequential, используйте 1/ Source: номер объекта, используемого в качестве источника. О - для всех заданных источников. Split: 0 - без расщепления лучей; при других значениях - с расщеплпнием лучей. Scatter: 0 - без рассеивания лучей; при других значениях - с рассеиванием лучей. Usepolar: 0 - без учета полояризации лучей; при других значениях - с поляриза- поляризацией лучей Ignore_errors : 0 - при ошибках лучей NSC- трассировка будет ограничена и на экран будет выведено сообщение об ошибке; при других значениях - ошибки игнорируются. Связанные слова: NSDD Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22 -45
NUMFIELD Назначение: Устанавливает полное число определяемых полей Синтаксис: NUMFIELD <выра*ение> NUMWAVE Назначение. Устанавливает полное число используемых длин волн. Синтаксис: NUMWAVE <выражекие> OPEN Назначение: Открывает ASCII-файл с числовыми данными, которые читаются затем с помощью команды READ. Синтаксис: OPEN "имя файла" OPEN A$ Обсуждение: Имя вызываемого файла должно быть либо записано в кавычках, либо содержаться в строчной переменной; смотри ключевые слова READ и CLOSE. После прочтения данных текстовый файл всегда должен закрываться словом CLOSE! Пример: PRINT "Reading the double-column file TEST.DAT!" OPEN "TEST.DAT" READ xl, yl READ x2, у 2 READ x3, y3 CLOSE OPTIMIZE Назначение: Вызывает алгоритм оптимизации текущей схемы с текущей оценочной функцией. Синтаксис: OPTIMIZE OPTIMIZE число_циклов Обсуждение: Числовое значение аргумента этого ключевого слова определяет количество циклов оптимизации, которое должно быть выполнено по этой команде Числовое значение аргумента должно быть целым числом между 1 и 99. Если аргумент отсутствует, то 22 -46 Chapter 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
оптимизация проводится в автоматическом режиме ("Automatic" mode) и заканчивается, когда алгоритм обнаружит, что процесс достиг предела. Для простого обновления оценочной функции без выполнения оптимизации используйте функцию MFCN. Родственные функции: MFCN Пример: PRINT "Starting merit function:" , MFCN() OPTIMIZE PRINT "Ending merit function :", MFCN () OPTRETURN Назначение: Используется для записи указанных результатов вычислений, произведенных 2PL макросом, в глобальную матрицу данных текущей схемы с целью сделать их доступными (в качестве входных данных) для оператора оптимизации ZPLM. Синтаксис: OPTRETURN (позиция) = (результат) Обсуждение: OPTRETURN имеет два аргумента, разделенных знаком равенства. Выражение (позиция) должно генерировать целое число от 0 до 50; это число определяет номер поля в глобальной матрице, ассоциируемой с текущей схемой, в которое должен быть записан (результат) вычислений. Единственная цель OPTRETURN - сделать возможным оптимизацию значений, вычисленных ZPL макросом. В оценочной функции должен быть использован оператор оптимизации ZPLM для вызова необходимого макроса, его выполнения и извлечения результатов вычислений, передаваемых командой OPTRETURN. Смотри главу "Optimization". Пример: х = sqrt (thicC) + radiE)J OPTRETURN j = x + 5 OUTPUT Назначение: Определяет место, куда должен выводиться выходной текст: на экран или записы- записываться в указанный файл. Синтаксис: OUTPUT SCREEN OUTPUT "имя файла" OUTPUT "имя файла" APPEND OUTPUT AS OUTPUT AS APPEND Глава 22: ЯЗЫК П ГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -47
Обсуадение Если использован только выход OUTPUT SCREEN, то все записи, определяемые последующими операторами PRINT, будут выводиться на экран. Если указано имя файла, то все записи, определяемые последующими операторами PRINT, будут записываться в указанный файл. Для закрытия созданного ранее файла, используйте команду OUTPUT SCREEN, которая будет выводить последующие операции PRINT на экран Команда SHOWFILE закрывает файл и выводит его содержание для просмотра на экран. Команда PRINTFILE закрывает файл и распечатывает его содержание на заданном принтере. Если за именем файла следует слово APPEND, то выходы последующих команд PRINTER будут присоединены к содержимому файла. В противном случае содержание файла будет переписано Пример: OUTPUT "x.txt" PRINT "This will not appear on the screen, but in the", PRINT tt file x.txt." OUTPUT SCREEN PRINT "This will appear on the screen." OUTPUT "x.txt" APPEND PRINT "This will appear after the first line in the file", PRINT %1 x.txt." Связанные слова: CLOSE, OPEN, SHOWFILE, PRINTFILE PARM Назначение: PARM используется для задания величины параметра для указанной поверхности. Назначение параметров объяснятся в главе "Surface Types" Синтаксис: PARM (номер_параметра), (номер_поверхности), (новая_величина_параметра) Обсуждение: Это ключевое слово требует трех выражений для: номера параметра, номера поверхности, для которой вводится новая величина параметра, и величина параметра. Пример: PARM 2, 4, 250 Связанные слова: UPDATE PARn PARn - это устаревшее ключевое слово. Используйте вместо него PARM 22 -48 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
PARAXIAL Назначение: Используется для установки режима трассировки лучей: для параксиальных лучей или для реальных лучей. Синтаксис: PARAXIAL ON PARAXIAL OFF Обсуждение: Используется для управления режимом трассировки лучей: для параксиальных или для реальных лучей. Определить установленный в данный момент режим можно с помощью ключевого слова PMOD, которое принимает значение 0, если производится трассировка реальных лучей, и значение 1, если установлен режим трассировки параксиальных лучей. Для вычисления некоторых величин, таких как дисторсия или фокальная длина, требуется трассировка параксиальных лучей. Пример: mode = PMOD () If mode then PRINT "Paraxial mode is on!" If !mode THEN PRINT "Paraxial mode is not on!" PARAXIAL ON PRINT "Now paraxial mode is on!" PRINT "Restoring original mode..." If imode THEN PARAXIAL OFF PAUSE Назначение: Приостанавливает выполнение программы, а на экране высвечивает сообщение о текущем состоянии. Синтаксис; PAUSE PAUSE x PAUSE "Ready to continue ..." PAUSE x + sqrt E) Обсуждение: Эта команда вызывается автоматически, когда закрывается графическое окно. Эта команда используется для рисования точечных диаграмм. PIXEL Назначение: Высвечивает один пиксел в текущем графическом окне. Синтаксис: PIXEL х_координата, у_координата Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-49
Обсуждение: Это ключевое слово полезно, например, для построения диаграммы пятна рассеивания. POLPEFINE Назначение: Определяет исходное состояние поляризации перед последующим вызовом команды POLTRACE. Синтаксис: POLDEFINE Ех , Еу , PhaX , PhaY " Обсуждение: Ключевое слово POLDEFINE используется для определения исходного состояния поляризации луча перед его трассировкой. POLDEFINE требует определения нормированных величин электрического поля Ек и Еу, а также фазовых углов X и Y в градусах. По умолчанию принимаются значения 0, 1 , 0 и 0. соответственно. После того как исходная поляризация определена, она остается одной и той же до ее изменения. Пример: POLDEFINE 2.0 2.0 45.0 -66.0 Связанные слова: POLTRACE POLTRACE Назначение: Вызывает программу трассировки лучей для трассировки отдельного луча через текущую схему. Синтаксис: POLTRACE (hx),(hy),(рх),(ру),(волна),(вектор),(поверхность) Обсуждение: Выражения hx и hy должны быть в пределах от -1 до +1 и представлять собой нормализованные координаты объекта. Значения координат зрачка рх и ру также должны находиться в пределах от -1 до +1. Смотри раздел "Using normalized field and pupil coordinates". Выражение волна должно генерировать целое число между 1 и максимальным числом заданных длин волн. Выражение вектор должно оцениваться целым число от 1 до 4 включительно. Выражение поверхность должно определяться целым числом от 1 да числа заданных в схеме поверхностей (включительно). Исходное состояние поляризации луча определяется с помощью ключевого слова POLDEFINE. При трассировке луча данные о его поляризации помещаются в векторную матрицу, указанную в выражении вектор. Например, если записана команда "POLTRACE hx, hy, рх, ру, w, 2, п", то данные будут записаны в векторную матрицу VEC2. 22 -50 Chapter 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
Данные записываются в следующем формате (первое число в каждой строке обозначает позицию в матрице): 0: п, общее число данных, записанных в матрицу 1: интенсивность луча после прохождения поверхности 2: х-компонента электрического вектора, реальная часть 3: у-компонента электрического вектора, реальная часть 4: z-компонента электрического вектора, реальная часть 5: х-компонента электрического вектора, мнимая часть 6: у-компонента электрического вектора, мнимая часть 7: z-компонента электрического вектора, мнимая часть 8: амплитуда S-поляризации отраженного луча, реальная часть 9: амплитуда S-поляризации отраженного луча, мнимая часть 10: амплитуда S-поляризации пропущенного луча, реальная часть 11: амплитуда S-поляризации пропущенного луча, мнимая часть 12: амплитуда Р-поляризации отраженного луча, реальная часть 13: амплитуда Р-поляризации отраженного луча, мнимая часть 14: амплитуда Р-поляризации пропущенного луча, реальная часть 15: амплитуда Р-поляризации пропущенного луча, мнимая часть Если 8 позиции 0 записано число 0, то.это означает, что произошла ошибка и данные поляризации ошибочны! Это может случиться, если заданный луч не может быть трассирован. Смотри RAYTRACE, где дана информация о возможных ошибках. Пример: POLDEFINE 0, 1, О, О POLTRACE 0, 1, 0 , 0, pwav(), 1, nsur() PRIKT "Transmission of chief ray at primary wavelenght is ",vecl(l) Связанные слова: POLDEFINE, RAYTRACE PRINT Назначение: Команда PRINT используется для вывода на экран или для записи в файл (в зависи- зависимости от аргумента ключевого слова OUTPUT) выходных текстовых и числовых данных. Синтаксис: PRINT PRINT X PRINT "The value of :•: is w, :■: PRINT ">: = '\ x, "x + " - л\ :-: * у Обсуждение: Если используется только одно слово PRINT (без аргумента), то печатается пустая строка. Если за словом PRINT следует список текстовых сообщений и аналитических выражений, то будут печататься каждая текстовая строка (заключенная в кавычки) и числовые значения всех выражений. Числа печатаются в формате, определенном в команде FORMAT. Если после последнего выражения в списке будет поставлена запятая, то печатаемая строка не закончится возвратом каретки: в этой же строке будут потом записаны выходные данные, выводимые следующей командой PRINT. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22 -51
Пример: х = 3 PRINT "X equals w,x Связанные слова REWIND PRINTFILE Назначение: Печатает на принтере текст, записанный в файле Синтаксис: PRINTFILE "имя файла" PRINTFILE NAMES Обсуждение: Имя файла должно быть заключено в кавычки; в качестве аргумента может быть записано также имя строчной переменной, содержащей имя файла. Файп должен быть записан в формате ASCII (таким, как файл, создаваемый командами OUTPUT и PRINT) и должен находиться в текущем директории. PRINTFILE также сам закрывает файл, если не было команды CLOSE. Пример; OUTPUT "test.txt" PRINT "Print this to the printer." PRINTFILE "test.txt" Связанные слова: OPEN. OUTPUT, CLOSE. PRINT PRINTWINDOW Назначение: Печатает на принтере открытый график или текстовое окно. Синтаксис: PRINTWINDOW номер_окна Обсуждение: Аргумент номер_окна должен быть либо целым числом, либо выражением, которое генерирует целое число; этот аргумент определяет номер окна, которое должно быть напечатано. ZEMAX нумерует окна последовательно, как они открывались, начиная с номера 1. Каждое закрытое окно устраняется из списка окон без перенумерации оставшихся окон. Каждое окно, открытое после того как другое окно было закрыто, получит номер, наименьший из освободившихся. Пример: PRINTWINDOW 5 22 -52 Chacter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
PVVAV Назначение: Определение главной длины волны. Синтаксис: pWAV номер_длины_волны Обсуждение: Устанавливается главная длина волны в соответствии с указанным номером длины волны. Пример: PWAV 1 Связанные функции: WAVL, WWGT, PWAV RAD! Назначение: RADI используется для определения радиуса кривизны указанной поверхности Синтаксис: RADI (поверхность) = (новое_значение) Обсуодение: Это ключевое слово требует два выражения: одно для определения номера поверх- поверхности и другое для определения нового значения. Выражение поверхность вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер поверхности окажется меньше нуля или больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение и устанавливаются новая величина радиуса кривизны указанной поверхности. Пример: RADI i + щ = -1200 Связанные слова: UPDATE RAYTRACE Назначение: Вызывает программу трассировки отдельного луча через текущую схему. Синтаксис: =.V:7RAC£ (hx), (hy) , рх) f (ру) , 'л—на_золны' Обсуждение: Выражения hx и hy должны быть в пределах от -1 до +1 и представлять собой нормированные координаты объекта. Значения координат зрачка рх и ру также должны находиться в пределах от -1 до +1; смотри раздел "Using normalized field and pupil coordinates . Выражение ;л-:на ео.-ны может не определяться - по умолчанию будет использована главная длина волны; но если выражение ^тинз^волн*-" Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-53
определено, то оно должно давать целое число между 1 и максимальным числом заданных в схеме длин волн. Сразу после трассировки луча можно определить координаты точек пересечения луча с поверхностями и направляющие косинусы луча с помощью ZPL-функций RAYX, RAYY. RAYZ. RAYL, RAYM и RAYN Если при трассировке луча происходит ошибка, то функция RAYE (RAY Error) принимает отличное от нуля значение: если RAYE принимает отрицательное значение, то это означает, что имело место полное внутренне отражение на поверхности (номер которой равен абсолютной величине значения RAYE); если RAYE принимает положительное значение, то это означает, что луч прошел мимо поверхности (номер которой равен значению RAYE). Вы можете по своему усмотрению контролировать или нет значение RAYE, однако, если эта функция принимает ненулевое значение, то функции RAYX, RAYY ... г могут давать ошибочные результаты. Функции RANX, RANY и RANZ дают величины направляющих косинусов нормалей к поверхностям в точках их пересечения с трассированным лучом. Функция OPDC дает величину разности оптического пути луча. Функция RAYV принимает значение, равное номеру поверхности, на которой луч был виньетирован, или принимает нулевое значение, если виньетирования не было. Принятые функциями значения для поверхностей, которые расположены после виньетирующей поверхности, могут быть не точными! Пример: PRINT "Tracing the marginal ray at primary wavelength!'7 n = NSUR() RAYTRACE 0, 0, 0, 1 у = RAYY(n) PRINT "The ray intercept is ", у PRINT "Tracing the chief ray at maximum wavelength!" RAYTRACE 0, 1, 0, 0, NWAV() у = RAYY(n) PRINT "The ray intercept is ", у Связанные слова: RAYTRACEX RAYTRACEX Назначение: Вызывает программу трассировки лучей для трассирования отдельного луча в текущей оптической системе. Синтаксис: RAYTRACE (>:), Су), (z), A), (m), (n), (поверхность), (длина^волны) Обсуждение: Выражения х, у, z, I, m, п определяют координаты входного луча и его направляющие косинусы. Выражение (поверхность)должно давать целое число мевду 0 и количеством поверхностей минус 1. включительно. Выражение (длина_волны) может вводиться или нет; по умолчанию будет осуществляться трассировка луча на главной длине волны. Но если это выражение вводится, то оно должно давать целое число между 1 и максимальным количеством заданных длин волн. 22 -54 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGU' Е
После трассировки луча координаты точек его пересечения с поверхностями и соответствующие направляющие косинусы могут быть получены с помощью ZPL функций RAYX, RAYY, RAY2, RAYL, RAYM, RAYN. Заметьте, что будут представлены данные только для поверхностей, которые следуют после указанной стартовой поверхностью. Если объект расположен на бесконечности и выражение (поверхность) равно нулю, то принимается, что входные координаты относятся к поверхности 1, а не к поверхности объекта; хотя луч все же будет определен в среде пространства объектов. В других случаях ZEMAX использует заданные координаты без изменений. Если при трассировке луча произойдет ошибка, то функция RAYE (сообщающая об ошибке) примет ненулевое значение. Если величина RAYE будет отрицательной, то это указывает произошло полное внутреннее отражение на поверхности, номер которой будет равен абсолютной величине RAYE. Если величина RAYE будет больше нуля, то это означает, что луч прошел мимо поверхности, номер которой будет равен величине RAYE. Проверка величины RAYE является факультативной, однако функции RAYX, RAYY... могут иметь ошибочные значения, если функция RAYE не равна нулю. Функции RANX, RANY и RANZ, принимают значения, равные направляющим косинусам нормалей к поверхностям в точках пересечения луча с соответствующими поверхностями. Функция OPDC, принимает значение, равное разности оптического пути луча. Функция RAYV принимает значение номера поверхности, на которой произошло виньетирование луча, или нулевое значение, если виньетирования не было. Значения функций для поверхностей, предшество- ваших поверхности, на которой произошло виньетирование, могут быть неточными. Пример: n = NSUR ( ) RAYTRACEX 0, 1, 0, 0, 0, 1-, О, NWAV { > у = RAYY ( n ) PRINT "The ray intercept is ", у Связанные слова: RAYTRACE READ Назначение: Считывает данные из ASCII-файла, открытого командой OPEN Синтаксис: READ х HEAD x, у READ х, у, z, а, о, с, с Обсуждение: ASXII-файл должен быть уже открытым; смотри ключевое слово OPEN Каждая команда READ считывает только одну строку из файла Число, записанное в этой строке первым, присваивается первой из перечисленных переменных. Число. записанное вторым, присваивается второй переменной, если она указана. Поэтому Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22-55
число переменных должно соответствовать числу колонок в тексте файла. Числовые данные записанные в файле, должны быть разделены пробелом. Данные могут быть записаны в любой форме (желательно, способствующей их записи с двойной точностью). Максимум 199 знаков может быть считано из одной строки. Указанные переменные должны иметь имена, принятые для переменных ZPL. Всегда после считывания данных необходимо закрывать файл командой CLOSE Смотри описание функции EOFF Пример: DRINT "Reading the double-column file TEST.DAT!" OPEN TEST.DAT rtEAD xl, yl READ x2, y2 READ x3, y3 CLOSE READSTRING Назначение: Считывает данные из текстового ASCII-файла открытого командой OPEN. Синтаксис; READSTRING AS Обсуждение: ASXII-файл должен быть уже открытым; смотри ключевое слово OPEN. Каждая команда READ считывает только одну строку из файла. Текст всей строки присваива- присваивается указанной строчной переменной. Имена указанных переменных должны соответ- соответствовать обозначениям, принятым в ZPL; переменные не обязательно должны быть объявлены заранее. Всегда после считывания данных закрывайте файл командой CLOSE. Смотри функцию EOFF. Пример: PRINT "Reading the contents of file TEST.DAT!" READSTRING AS PRINT A$ CLOSE REM,! Назначение: REM используется для обозначения, что данная строка является комментарием. Синтаксис: REM текст ! текст Обсуждение: Знак восклицания может быть также использован для обозначения комментария Как команда REM, так и знак Т действуют как индикаторы комментария только в том случае, если они находятся в самом начале строки, перед любыми пробелами. 22 -56 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
II метками или какими либо другими печатными знаками. Все другие использования этих слов будут приводить к ошибкам при выполнении программы. Пример: REM any text can be placed after the REM command. ! any text can also be placed ! after the exclamation symbol. RETURN Смотри GOSUB. REWIND Эта комада позволяет стереть в выходном текстовом файле (печатаемом по команде PRINT), последнюю строку (вплоть до конца предыдущей строки) и напечатать на ее месте другой текст. Синтаксис: REWIND Пример: PRINT "First line" REWIND PRINT "New First line Связанные слова: PRINT SAVELENS Назначение: Записывает файл с текущей схемой. • Синтаксис: SAVELENS ["имя файла"] SAVELENS NEW$ Обсуждение: SAVELENS записывает файл с текущей схемой на диск. Имя файла с текущей схемой будет изменено на указанное; если имя файла не указано, то данные схемы будут записаны в файл под именем текущего файла. Пример: SAVELENS SAVELENS "NEWCOPY. ZMX" SAVELENS NEWS Связанные слова: LOADLENS Глава 22: язык прпгрдммирОВАНИЯ 2ЕМАХ 22 -57
SAVEWINDOW Назначение. Записывает в файл текст из открытого текстового окна Синтаксис: SAVEWINDOW номер_окна имя_файла Обсуждение: Аргумент Номер_окна должен быть либо целым числом, либо выражением, дающим целое число. Это порядковый номер открытого окна. ZEMAX производит нумерацию окон в порядке их открытия. Если какое-либо окно было закрыто оставшиеся окна не перенумеровываются. Новому открытому окну присваивается последующий наименьший номер из возможных. Пример: SAVEWINDOW 1, "С:\TEMP\TEXTFILE.TXT" SAVEWINDOW 3, А$ SCATTER Назначение: Используется для контроля рассеивания на какой-либо последовательной поверхности. Синтаксис: SCATTER ON SCATTER OFF Обсуждение: По умолчанию при выполнении макроса установлена опция SCATTER OFF и все лучи трассируются детерминированно. Если макрос выполняется с опцией SCATTER ON, то при всех последующих командах RAYTRACE будут учитываться рассеивающие свойства последовательной поверхности. SDIA Назначение: SDIA используется для определения величины полудиаметра указанной поверхности Синтаксис: SDIA (поверхность) = {новое_значение> Обсуждение: Это ключевое слово требует два выражения: одно для определения номера поверх- поверхности и другое для определения нового значения. Выражение поверхность вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер поверхности окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение и устанавливаются новая величина полудиаметра указанной поверхности. 22 -58 Chafer 22: 2ЕМАХ PROGRAMMING LANGUAGE
Если выражение новое__значение дает положительную величину, то статус полудиаметра будет изменен на "Fixed", вне зависимости от того, каким был статус этого полудиаметра до этого. Если выражение новое_значение даст отрицательную величину, то будет установлен статус "Automatic" который обновит величину полудиаметра после последующего вызова команды "UPDATE". Пример: SDIA 5 = SDIA{4) Связанные слова: UPDATE SETAIM Назначение: Устанавливает состояние функции "Ray aiming". Синтаксис: SETAIM состояние Обсуждение: Требует одного числового выражения, которое должно принимать целое значение ыеиаду 0 и 2. Выражение состояние - это кодовое число, которое равно: 0 для выключения функции "ray aiming"; 1 - для параксиального приближения; 2 - для реального случая. Пример: SETAIM 1 SETAPODIZATION Назначение: С помощью этой команды усанавливаются тип и коэффициент аподизации. Синтаксис: SETAPODIZATION тип коэффициента Обсуждение: Это ключевое слово требует, чтобы выражение тип оценивалось целым числом: О - нет аподизации; 1 - гауссова аподизация; 2 - тангенциальная аподизация. Коэффициент - величина коэффициента аподизации. См. в главе "System menu" раздел "Apodization Type". Пример: SETAPODIZATION 1, 0.7 SETC0NF1G Назначение: Для систем с изменяющейся конфигурацией (zoom-систем) устанавливает указанный номер конфигурации в качестве текущей схемы Синтаксис: SETCONFIG Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-59
Обе/ дение Это ключевое слово требует одного числового выражения которое должно давать целое число ve ду 1 и числоп определенных в схеме конфигураций Выражение оценивается г затем округляется до меньшего целого числа которое и считается заданным номером конфигурации. Пример' SETCOHFIG 4 Родственные функции: CONF. NCON SETNSCPARAMETER Назначение' Установка величины параметра какого-либо непоследовательного объекта в NSC редакторе. Синтаксис. SETNSCPARAMETER поверхность, объект, параметр, значение Обсуждение: Это ключевое слово требует три числовых выражения, которые должны производить целые числа, соответствующие номеру поверхности, номеру объекта и номеру параметра для непоследовательного компонента. Четвертый аргумент - новое значение указанного параметра. Пример: SETNSCPARAMETER 4, 2, 15, newplSvalue Связанные функции: NPOS, NPAR Связанные ключевые слова: INSERTOBJECT. SETNSCPOSITION, SETNSCPROPERTY SETNSCPOSITION Назначение: Установка координат х, у. z и заклонов tilt x. tilt у. tilt z какого-либо объекта в NSC редакторе. Синтаксис: SETNSCPOSITION поверхность, объект, код, значение Обсуждение: Это ключевое слово требует три числовых выражения, которые должны производить целые числа, соответствующие номеру поверхности, номеру объекта и коду для непоследовательного компонента. Кодовые числа от 1 до 6 используются для х, у , z tilt x, tilt у, tilt z, соответственно. Четвертый аргумент - новое значение координат и заклонов. Пример: SETNSCPOSITION 4, 2, 2, newyvalue Связанные функции: NPOS, NPAR 22 -60 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Связанные ключевые слова: INSERTOBJECT, SETNSCPARAMETER, SETNSCPROPERTY SETNSCPROPERTY Назначение: Определение свойств NSC объекта. Синтаксис: SETNSCPROPERTY поверхность объект код csg значение Обсуждение: Значения четырех первых аргументов этого ключевого слова должны быть целыми числами: номер NSC поверхности (введите 1, если программа работает в режиме NSC), номер NSC объекта, код, определяющий свойства объекта, номер csg- группы покрытия и рассеивания (введите 0, если нет подходящей группы). Пятый аргумент может быть либо текстовым выражением, заключенным в кавычки, либо числовым выражением. Используются следующие коды: Код Свойства О Установка тила объекта. Параметр значение должен быть ASCII именем объекта, таким как "NSC_SLEN" для стандартной линзы. ASCII имена для каждого типа объекта перечислены в текстовом окне "Prescription Report". Имена всех NSC объектов начинаются с приставки "NSC ". Введение комментария для данного объекта. Введение номера опорного объекта. Введение номера объекта "inside of". Введение марки матерала объекта. Введение имени покрытия для установленной группы csu. Введение имени профиля покрытия для установленной группы csg. Введение типа рассеивания для установленной группы csg: 0 = попе, 1 = Lambertian, 2 = Gaussian, 3 = ABg. 8 Введение доли рассеиваемой энергии для установленной группы csg. Sets the number of scatter rays for the specified csg. 10 Введение величины о для гауссова профиля для установленной группы csg. 11 Введение имени ABg данных для отражения для установленной группы csg. 12 Введение имени ABg данных для пропускания для установленной группы csg. Другие кодовые значения будут добавлены в будущем по требованию пользователи. Пример: SETNSCPROPERTY 1, 2, О, О, "NSC SLEN" Связанные слова: INSERTOBJECT. SETNSCPARAMETER, SETNSCPOSITION SETMCOPERAND Назначение: Введение числовой величины в какую-либо строку таблицы редактора мульти- конфигурации () для указанной конфигурации. Синтаксис: SETMCOPERAND строка, конфигурация, ч\словое_значение Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ 2ЕМАХ 22-61
Обсуждение: Это ключевое слово требует два числовых выражения которые должны призводить целые числа, соответствующие номеру строки и номеру конфигурации в редакторе "Multi-Configuration Editor. Пример: SETMCOPERAND 3, 4, значение Связанные функции: МСОР SETOPERAND Назначение: Синтаксис: SETOPERAND строка, код_колонки, значение Обсуждение: Это ключевое слово требует три числовых выражения, которые должны производить целые числа, соответствующие номеру строки и коду колонки в таблице редактора оценочной функции {Merit Function Editor). Для аргумента "Колонка" используются следующие кодовые числа: 1 - тип оператора, 2 - Int1, 3 - Int2, 4-7 - Нх-Ру. 8 - целевое значение, 9 - вес. Третий аргумент - числовое значение, вводимое в указанную графу. Пример: SETOPERAND 1, 8, tarvalue Связанные функции: MFCN, OPER SETTEXTSIZE Назначение: Изменяет размер знаков, печатаемых по команде GTEXT Синтаксис: SETTEXTSIZE х-размер у-размер Обсуждение: Аргументы определяют размер печатных знаков в долях ширины графического окна. Например, по умолчанию печатные знаки имеют размер 70 40. Это означает, что каждый знак имеет ширину, равную 1/70 от ширины графического окна, и высоту, равную 1/40 от высоты окна. Если аргументы, равны нулю, то вновь устанавливается размер 70 40. Пример: ! Make text twice default size SETTEXTSIZE 35 20 ! Restore text size to default SETTEXTSIZE 22 -62 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
SETTITLE Назначение: Вводит название схемы, которое обычно появляется на всех графиках Синтаксис: SETTITLE A$ SETTITLE "Here is the lens title" SETWITS Назначение: Устанавливает нужные единицы измерения для текущей схемы. Синтаксис: SETUNITS код Обсуждение: Это ключевое слово требует только одно числовое выражение, которое должно принимать значения от 0 до 3. Код 0 - для миллиметров, 1 - для сантиметров, 2 - для дюймов, 3 - для метров. Эта функция не масштабирует и не преобразует данные схемы каким-либо образом, она только изменяет интерпретацию данных, описывающих схему! Пример: SETUNITS О SETVAR Назначение: Устанавливает на параметры схемы статус переменной величины для оптимизации этих параметров. Синтаксис: SETVAR (поверхность), VARCODE, (статус) Обсуждение: Выражение поверхность должно давать целое число между 0 и максимальным числом определенных в схеме поверхностей; в противном случае будет ошибка! Выражение поверхность определяет номер поверхности, параметры которой должны быть сделаны переменными величинами. Аргументу VARCODE должно быть присвоено одно из следующих символических обозначений: R - для радиуса кривизны, Т - для толщины, С - для конической постоянной, Рл - для параметра номер п, En - для внешних данных номер п. К - для данных мультиконфигурации. Nn - для данных о положении NSC компоненты: 1-6 for x. у, z, tx, ty. tz On - для параметров NSC компоненты; л - номер параметра. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-63
Если выражение статус будет равно 0, то статус переменной величины будет снят: в других случаях, для параметра будет установлен статус переменной величины. Если используются Nn или On, то должен быть указан номер объекта; в других случаях номер объекта должен отсутствовать Пример: SETVAR j+3, R, 1 SETVAR 5, Рб, О SETVAR surfk+2, Е06, status SETVAR config, M, status, operand SETVAR 1, 032, 1, 5 SETVECSIZE Назначение: Изменяет максимальный размер матриц VEC1, VEC2, VEC3 и VEC4 Синтаксис: SETVECSIZE (выражение) Обсуждение: Выражение должно генерировать целое число между 1 и 100 000. Все четыре векторных матрицы всегда имеют один и тот же размер SETVJG Назначение: Устанавливает коэффициенты виньетирования для схемы. Синтаксис: SETVIG Обсуждение: Смотри главу' Conventions and Definitions", в которой дано описание коэффициентов виньетирования. SHOWF1LE Назначение: Выводит текст файла на экран. Синтаксис: SHOWFILE "filename'7 save-флаг SHOWFILE NAME$ save-флаг Обсуждение: Имя файла должно быть записано в кавычках, или должно быть указано имя строчной переменной, которой присвоено имя файла. Файл должен быть записан в формате ASCII (напрмер. созданный командами OUTPUT и PRINT) и находиться в текущем директории. Как только файл появится на экране, он может быть прокручен вперед и назад и распечатан как другие текстовые файлы. Возможность просмотра и распе- распечатки файла — главное преимущество команд OUTPUT и SHOWFILE перед простой командой PRINT. SHOWFILE также закрывает файл, если он не был закрыт командой CLOSE: если аргумент save-флаг равен нулю или отсутствует, то файл стирается из 22 -64 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
памяти после закрытия окна; если save-флаг имеет отличное от нуля значение то после закрытия окна файл сохраняется Пример: OUTPUT "test.txt" PRINT 4Print this to a file." SHOWFILE "test.txt" Связанные слова: OPEN, OUTPUT, CLOSE, PRINT, PRINTFILE SOLVETYPE Назначение: Изменяет статус функции solve и значения ее параметров для указанной поверхности; свяжитесь с фирмой FS1 для получения информации об установке доугих типов solve. Синтаксис: SOLVETYPE (поверхность), код, (аргумент!.) , (аргумент2) Обсуждение: Выражение поверхность должно генерировать целое число между 0 и количеством заданных в схеме поверхностей, в противном случае будет ошибка. Код функции solve должен быть указан в соответствии с символическими обозначениями, приведенными в нижеследующей таблице. CODES FOR SOLVETYPE KEYWORD КОДЫ ДЛЯ КЛЮЧЕВОГО СЛОВА SOLVETYPE Тип функции SOLVE Curvature Pickup Thickness Pickup Thickness Marginal Ray Height Glass PiGkup Conic Pickup Тип функции SOLVE Parameter 1-8 Pickup КОД CP TP TM GP KP код P1.P2...P8 Выражения аргумент! и аргумент2 должны давать величины первого и второго параметров функции solve, как это определено в главе "Solves". Пример: ! The following line will add a glas pickup solve ! on surface 7, picking up from surface 5: SOLVETYPE 7, GP, 5 ! Acid a thickness pickup with a scale factor of -1: SOLVETYPE 7, TP, 5, -1 .STOPSURF Назначение: STOPSURF устанавливает апртурную диафрагму системы на указанную поверхность. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-65
Синтаксис: STOPSURF (поверхность) Обсуждение: Это ключевое слово требует только одно выражение которое должно оцениваться между 1 и числом, на единицу меньшим числа заданных в схеме поверхностей. Пример: STOPSURF n+2 Связанные слова UPDATE SUB Смотри GOSUB. SURFTYPE Назначение: Изменяет тип указанной поверхности. Синтаксис: SURFTYPE (поверхность), код Обсуждение: Выражение поверхность должно оцениваться целым числом между 0 и числом определенных в схеме поверхностей. Аргумент код - кодовое число, определяющее тип поверхности. Код может быть также задан с помощью функции SCOD. Пример: SURFTYPE j + 1, SCOD("STANDARD") B$ = "EVENASPH" SURFTYPE 5, SCOD(BS) THIC * Назначение: THIC используется для установки толщины указанной поверхности. Синтаксис: THIC (поверхность) = (новое_значен;-:е) Обсуждение: Это ключевое слово требует два выражения: одно для определения номера поверх- поверхности и другое для определения нового значения. Выражение поверхность вычис- вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет номер поверхности. Если вычисленный номер поверхности окажется меньше нуля или будет больше числа заданных в схеме поверхностей, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение \л устанавли- устанавливается новая величина толщины указанной поверхности. 22 -66 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Пример: THIC i+m = THIC (i+n)-l Связанные слова: UPDATE TIMER Назначение: Устанавливает внутренние часы. Эта команда используется вместе с функцией ЕТ1М() для отсчета времени с момента выполнения последней команды TIMER. Синтаксис: TIMER Обсуждение: Команды TIMER и ЕТ1М() используются в основном для проверки эффективности ZPL интерпретатора и различных архитектур программ. Пример: i=0 TIMER LABEL 1 х - RAND(IOOO) I = i + 1 if K10000 then GOTO 1 FORMAT .1 PRINT "Elapsed time: ", ETIM(), " Seconds" UPDATE Назначение: По этой команде происходит обновление положения зрачка, показателей преломле- преломления, параксиальных констант, полудиаметров, максимальных нормированных значе- значений поля и функций solve. Слово UPDATE должно использоваться перед трассиров- трассировкой лучей или перед анализом системы, если параметры схемы (такие как радиусы и толщины) были изменены с момента вызова последней команды UPDATE. Если команда UPDATE сопровождается словом "ALL", то обновлены будут все открытые окна. Синтаксис: UPDATE UPDATE ALL Пример: THIC 5 = THIC E)-1 UPDATE УЕС1,УЕС2,УЕСЗ,УЕС4 Назначение: Эти ключевые слова используются для загрузки данных в VEC1, VEC2, VEC3 и VEC4 В каядай вектор можно записать (с двойной точностью) числа с плавающей запятой Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -67
Синтаксис. VEC1 (поэиц',я) = (ковое_значение) VEC2 (позиция) = (ковое_значение) Обсуждение* VEC1 А используются для записи каких-либо данных в матрицу. В качестве аргумен- аргумента позиция может быть использовано любое выражение, которое будет округлено к меньшему целому числу. Результирующее целое число должно находиться в пределах от 0 до числа, определяющего максимальный размер матрицы, который по умолчанию равен 100; в противном случае будет ошибка. ZPL функции VEC1..4 могут быть использованы для считывания данных из матриц VEC1..4. Для изменения размера матриц в сторону увеличения используйте ключевое слово SETVECSIZE Пример: i = О LABEL 1 i = i + 1 VECl(i) = i IF i < 10 THEN GOTO 1 j = 0 LABEL 2 D = j + 1 VEC2(j) = VECl(j)*VECl(j) IF j < 10 THEN GOTO 2 i = 0 LABEL 3 i = i + 1 PRINT "x = w, VECl(i), w x*x = ", VEC2(i) IF i < 10 THEN GOTO 3 PRINT PRINT "All done!" WAVL, WWGT Назначение: WAVL и WWGT используются для изменения длины волны и ее весового коэффици- коэффициента для указанного номера волны. Синтаксис: WAVL (номер_длины_волны) = (новре_значен:ле) WWGT (номер_длины_волны) = (новое_значение) Обсуждение: Эти ключевые слова требует два выражения: одно для определения номера длины волны и другое для определения нового значения. Выражение номер_длины_волны вычисляется и затем округляется до меньшего целого числа, которое и определяет заданный номер длины волны; если вычисленный номер окажется меньше 1 или будет больше числа заданных в схеме длин волн, то эта команда просто игнорируется. Во всех других случая вычисляется выражение новое_значение и устанавливаются новая величина длины волны 22 -68 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
Пример: WAVL WAVL WWGT WWGT 1 = 0,486 2 = 0.587 1 = 1,0 2 = 0.65 Родственные функции: WAVL. WWGT X01FFIA Назначение: Выполнение программы "Diffraction linage Analysis" и запись резултатов в ZBF файл. Описание фрмата ZBF файла (ZEMAX Beam File) дано в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" в разделе "ZEMAX Beam File (ZBF) format" . Описание программы "Diffraction Image Analysis" дано в главе "Analysis menu" в разделе "Extended Diffraction Image Analysis'1. Синтаксис: XDIFFIA имя_выходного_файла имя_входного_файла Обсуждение: Это ключевое слово требует указания имени выходного ZBF файла, в который должны быть записаны результаты анализа, и имя входного IMA или BIM файла. Если расширение имени выходного файла не указано, то имя файла будет иметь расширение ZBF. Имя входного файла должно быть указано с расширением. Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файпа должно быть заключено в кавычки. Выходной файл будет помещен в поддиректорий \POP\Beamfiles. Входной файл также должен располагаться в поддиректории \IMAFiles. Путь к файлам не указывается. Программа "Extended Diffraction Image Analysis" будет выполнена с установками, котрые были ранее записаны для текущей схемы. Если нужно изменить установки, то сделайте это в окне 'Extended Diffraction Image Analysis" и запишите их с помощью команды "Save". При всех последующих команды XDIFFIA программа будет выполняться с записанными установками. Имена выходного и входного файлов, введенных в качестве первого и второго аргументов ключевого слова "XDIFFIA", сохраняются при повторных вызовах программы. Пример: XDIFFIA "output will be in this file.ZBF" "SOKEIKAFILE.Г MA" Связанные функции: ZBFCLR, ZBFSHOW. ZBFSUM ZBFCLR Назначение: Убирает данные о комплексной амплитуде из ZBF файпа Описание фрмата ZBF файла (ZEMAX Beam File) дано в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION в разделе "ZEMAX Beam File (ZBF) format". Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -69
Синтаксис: ZBFCLR filename Обсуждение: Это ключевое слово требует указания имени ZBF файла. Если расширение имени файла не указано, то имя файла будет иметь расширение ZBF Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Файл должен располагаться в поддиректорий \POPVBeamftles. Пример: ZBFCLR "some beam file name.ZBF" Родственные функции: ZBFSHOW, ZBFSUM ZBFSHOW Назначение: Показывает ZBF файл в окне "Viewer window". Описание фрмата ZBF файла (ZEMAX Beam File) дано в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION" в разделе "ZEMAX Beam File (ZBF) format". Синтаксис: ZBFSHOW имя_файла Обсуждение: Это ключевое слово требует указания имени ZBF файла. Если расширение имени файла не указано, то имя файла будет иметь расширение ZBF. Если в имени файла содержатся пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Файл должен располагаться в поддиректорий \POP\BeamfiIes. По этой команде открывается новое окно для показа файла. Пример: ZBFSHOW "new beam data. ZBF11 Родственные функции: ZBFCLR. ZBFSUM ZBFSUM Назначение: Суммирует когерентные или некогерентные данные двух ZBF файлов и записывает результаты суммирования в третий ZBF файл. Описание фрмата ZBF файла (ZEMAX Beam File) дано в главе "PHYSICAL OPTICS PROPAGATION' в разделе "ZEMAX Beam File (ZBF) format". Синтаксис: ZBFSUM Когерем. имя_1-го_файла Имя_2-го_файла 1!мя_выходного_фашш Обсуждение: Аргумент Когерентность должен быть любым целым числом, кроме нуля, если суммируются когерентные данные, или иметь нулевое значение, если суммируются 22 -70 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
некогерентные данные. Должны быть указаны также имена трех 2BF файлов. Если расширение имени выходного файла не указано, то имя файла будет иметь расширение ZBF. Если в имена файлов содержат пробелы или какие-либо другие специальные символы, то имя файла должно быть заключено в кавычки. Суммируемые файлы должен располагаться в поддиректорий \POP\Beamfiles В этот же поддиректорий будет помещен и выходной файл. Если суммируются некогрентные данные, то выходные данные будут действительными числами. Суммируемые файлы должны иметь одинаковое количество данных по X и Y направлениям и одинаковое количество "point spacing". В противном случае появится сообщение об ошибке. Пример: ZBFSUM 1 "a.ZBF11 "b.zbf11 "coherent a plus b.zbf11 ZBFSUM 0 "a.ZBF" "b.zbf11 "incoherent a plus b.zbf11 Родственные функции: ZBFCLR, ZBFSHOW Example 1 Пример 1 Предположим, Вам нужна программа, которая должна печатать координаты точек пересечения главного луча с плоскостью изображения для всех заданных углов поля. Это более общее требование, чем, возможно, Вам покажется. Например, все диаграммы пятна рассеяния, которые строит ZEMAX, относятся к координатам главного луча, и таким образом, координаты точек пересечения главного луча с поверхностью изображения необходимы для получения правильных данных. То же самое относится к поперечным аберрациям: они рассматриваются по отношению к главному лучу. Наилучший путь изучения языка ZPL - это изучение уже записанных программ Рассмотрите данную ниже программу и постарайтесь понять ее логику. nfield « NFLDO caxfield = MAXFO л = NSURO :0R i=l, nfield, 1 hx = FLDX(i)/maxfield hy = FLDY(i)/maxfield PHINT "Field number x\ i RAYTRACE hx, hy, 0, 0, PWAV () PRINT wX-field angle : ",FLDX(i)," Y-field angle : ",FLDY(i) PRINT "X-chief ray : ",RAYX(n>," Y-chief ray : ",RAYY(n) PRINT PRINT "All Done!" Первая строка этой программы вызывает функцию NFLD(), которая принимает значение количества заданных углов поля и присваивает это значение переменной "numfield". Вторая строка вызывает MAXF(), которая принимает значение максималь- максимального (радиального) угла поля в градусах и присваивает это значение переменной tnaxfield". Затем с помощью функции NSUR() число заданных в схеме поверхностей присваивается переменной "п". Глава 22: ЯЗЬ К ПРО Р ММИРОВАНИЯ ZEMAX 22-71
Затем команда FOR начинает цикл, в котором i является счетчиком позиций поля; стартовое значение первого цикла равно 1. максимальное значение - nfield. а шаг - 1 (для каждого цикла). Две последующие строки программы определяют величины hx и hy с помощью функций FLDX() и FLDY(), которые принимают значения х- и у-углов для текущего лоля с номером Т. Затем с помощью ключевого слова RAYTRACE производится трассировка главного луча. Заметьте, что главный луч пересекает центр зрачка: обе координаты зрачка равны нулю. Фуньция PWAV() принимает значение номера главной длины волны, которая обычно используется для главного луча. Операторы PRINT выводят на экран координаты точек пересечения главного луча с плоскостью изображения. Если хотите, запишите эту программу в файл под каким- либо названием с расширением ZPL (например. CHIEF.ZPL) и выполните его в ZEMAX для проверки. Значения полученных координат должны быть такими же, как перечисленные в диаграмме пятна рассеяния, построенной относительно главного луча. Example 2 Пример 2 Здесь дан пример ZPL-программы, которая предназначена для оценки среднеквадра- тической величины пятна рассеяния (на оси) для текущей оптической схемы. Программа трассирует через систему множество случайных лучей для разных длин волн и записывает радиальное отклонение этих лучей от главного луча с главной длиной волны. Весовые коэффициенты, установленные для разных длин волн, используются лри оценке СКЗ пятна рассеяния. PRINT "Primary wavelength is number ", FORMAT .0 PRINT PW.AV() , FORMAT .A PRINT w v,hich is w, WAVL(PWAV()), " microns." PRINT "Estimating RMS spot size for each wavelength." ! How many random rays to trace to make estimate? N = 100 ! Initialize the timer TIMER ! Store the number of surfaces for later use ns = NSUR() i Start at wavelength 1 weightsum - 0 wwrms = 0 FOR w =1, NWAV(), 1 rms = 0 FOR i = 1, n, 1 hx = 0 hy = 0 angle = 6.283185 * RAND(l) ! SQRT yields uniform distribution in pupil radius = SQRT(RANDA)) px = radius * COSI(angle) 22 -72 Chapter 22: ZEMAX PROGRAMMING LANGUAGE
py « radius * SINE(angle) RAYTRACE hx, hy, px, py, w x - RAYX(ns) у « RAYY(nS) rms •= rms + (x*x) ^ (y*y) NEXT nns = SQRT(rmsZn) wvrms = vwrms + (WWGT (w) *rms) weightsum = weightsum •* WWGT(w) FORMAT ■ 4 PRINT "RMS spot size for ", WAVL(w), FORMAT .6 PRINT чл is л\ rms NEXT h'wrms =« wwrms / weightsum PRINT "Wavelength weighted rms is ", wwrms FORMAT -2 С = ETIMO PRINT "Elapsed time was "#t#" seconds Tl Обратите внимание на использование запятой в конце строк у первых двух операторов PRINT: это позволяет вывести тексты от первых трех операторов PRINT на одну строку при печати. Промежуточные операторы FORMAT изменяют форматы чисел даже при их распечатке на одной строке. Знак "Г используется для обозначения строк с комментариями; при выполнении программы эти строчки игнорируются. Глава 22: ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ZEMAX 22 -73
ZEMAX EXTENSIONS РАСШИРЕНИЕ ZEMAX Программы, описание которых дано в этой главе, доступны только для редакции ZEMAX-EE В этой главе дано описание средств обмена данными мезду ZEMAX и другими компилированными программами, работающими в операционной системе Windows. Эта глава на русский язык не переведена. Мы полагаем, что содержание этой главы будет понятно без перевода пользователям, владеющим языком программирования СИ. Вместо этой главы мы включили в это издание перевод раздела "Начальный курс обучения работе с ZEMAX11, который будет полезен начинающим пользователям. Глава 23: РАСШИРЕНИЕ ZEMAX 23 -1
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: TUTORIAL Начальный курс обучения работе с ZEMAX Introduction Введение Эта глава имеет целью научить Вас пользоваться программой ZEMAX. Каждый раздел этой главы познакомит Вас с различными задачами проектирования оптических систем. Несколько первых примеров очень просты и могут показаться Вам излишними, если Вы имеете некоторый опыт в области проектирования оптических систем. Однако, если Вы найдете время для изучения этих лекций, Вы все же быстрее узнаете о том, как работает ZEMAX и сможете быстрее перейти к использованию этой программы для решения Ваших собственных задач. Первые несколько примеров сопровождаются комментариями, относящимися к теории проектирования оптических систем, цель которых — избежать в дальнейшем путаницы с терминологией. Однако, это руководство в целом, и эти примеры, - в частности, - не направлены на обучение проектированию. Если Вы не можете усвоить зти примеры или Вы не понимаете значения выполненных программой вычислений, Вам следует обратиться к одной из хороших книг по оптике, ссылки на которые даны 8 главе "Introduction". Для изучения последующих лекций Вы должны, прежде всего, правильно инсталлировать ZEMAX в Ваш компьютер. Lesson 1: a singlet Лекция 1: Синглет Что Вы будете изучать: Запуск программы ZEMAX, задание длин волн и основных параметров оптической системы, генерирование графиков лучевых аберраций, графиков волновых аберраций (OPD) и диаграммы пятна рассеяния, задание функций solve ( в этом примере - для толщины) и назначение переменных, а также выполнение простой оптимизации. Предположим, что Вы хотите спроектировать F/4 линзу с фокальным расстоянием 100 мм из стекла марки ВК7 для работы на оси в видимой области спектра. С чего начать? Прежде всего, запустите программу ZEMAX. После инсталляции программы на экране Вашего монитора появится главное окно ZEMAX. а также редактор данных оптической системы — Lens Data Editor (LDE). Вы можете по своему вкусу изменить размер этого окна и передвинуть его в любое другое место экрана. Редактор LDE имеет строки и колонки. Одни из них, с наименованиями Radius (радиус), Thickness (толщины). Glass (стекла) и Semi-diameter (полудиаметры) будут использоваться очень часто, другие — только для определенных оптических систем. Одна из ячеек таблицы LDE высвечена в "обратном контрасте", то есть надпись и фон этого элемента имеют противоположные цвета, чем у других элементов. Чтобы высветить таким образом любую другую ячейку таблицы, установите на нее курсор и ПРИЛОЖЕНИЕ. 1: Начальный курс обучения П1 -1
нажмите на левую клавишу мышки. Для перемещения высвеченной ячейки по таблице r/ожно также использовать курсорные клавиши клавиатуры Вашего компьютера Эта высвеченная ячейка играет роль своеобразного курсора. С его помощью значительно облегчается работа с редактором LDE, и после небольшой практики Вы будете работать с ним совершенно свободно. Сначала введем в нашу систему нужные длины волн. Эту операцию не обязательно делать с самого начала, мы просто решили это сделать сейчас. В строке главного меню, расположенной в верхней части главного окна, выберем опцию System (система), а затем в выпавшем подменю — опцию Wavelengths (длины волн). В центре экрана появится диалоговое окно под названием "Wavelength Data". В 2ЕМАХ используется очень много подобных диалоговых окон; они используются как для введения данных, так и для предоставления Вам возможности выбора желаемых опций и установок. Установите курсор и нажмите мышкой сначала на окошко 2. а затем на окошко 3 в первой колонке диалогового окна, имеющей название "Use" (использование). Этим Вы установили в программе флажки, указывающие на то, что в дальнейших вычислениях должны использоваться три различные длины волны. Теперь установите мышку на лервую ячейку второго ряда, имеющего название "Wavelength", нажмите клавишу мышки и с помощью клавиатуры напечатайте в этой ячейке 486 (или 0.486); это величина длина волны F-линии водорода, выраженная в микронах. В 2ЕМАХ величины длин волн всегда выражаются в микронах. Теперь переместите курсор на элемент второго ряда в этой же колонке, нажмите клавишу мышки и напечатайте число .587. Наконец, введите число .656 в элемент третьего ряда этой же колонки В этом, в сущности, заключается вся процедура введения данных в ZEMAX: находим нужное лоле и печатаем в нем нужные данные. В крайней правой колонке Вы можете видеть индикатор главной длины волны. Этот индикатор указывает, какая длина волны будет являться главной в дальнейших вычислениях. В данный момент — это длина 0.486 микрон. Нажмите клавишей мышки на второй ряд этой колонки; метка переместится к длине волны 0.587. Главная длина волны используется для вычисления параксиальных величин, таких как фокальное расстояние, увеличение и так далее. В ZEMAX величины длин волн всегда выражаются в микронах! Колонка 'Weight11 используется при выполнении оптимизации, а также лри некоторых вычислениях, для которых необходимо взвешивание величин по длине волны, например, для расчета среднеквадратической величины (RMS) радиуса лятна рассеяния или числа Штреля. Сейчас же оставим все веса равными 1.0. Нажмите теперь на электронную клавишу ОК для подтверждения внесенных Вами изменений в данные и выхода из диалогового окна. Теперь нам необходимо определить апертуру линзы. Это сообщает программе 2ЕМАХ, среди прочего, какого размера должны быть все оптические элементы. Так как мы хотим рассчитать линзу F/4, ее апертура должна быть равной 25 мм A00 мм фокального расстояния нужно разделить на 4). Для установки этой величины апертуры вновь выберем в главном меню команду System, а затем, в развернувшемся на экране подменю, команду General. На экране появится новое диалоговое окно по названием "General Data" (Главные данные). Нажмите мышкой на элемент под названием "Арег Value" и введите число 25. Заметьте, что по умолчанию П1 -2 SUPPLEMENT 1. TUTORIAL
ZEMAX устанавливает тип апертуры "Entrance Pupil Diameter" (Диаметр входного зрачка), но, в принципе, могут быть выбраны и другие способы задания величины апертуры системы. Другие опции в этом окне нам пока не нужны, так что нажмем мышкой на ОК. Мы пока еще не определили параметры самой линзы. Необходимо определить ее поверхности. ZEMAX моделирует оптические системы, используя последовательный ряд оптических поверхностей. Каждая поверхность характеризуется радиусом кривизны, толщиной (расстоянием вдоль оси до следующей поверхности) и маркой стекла. Некоторые поверхности характеризуются и другими данными, которые будут рассмотрены нами позже. Обратите внимание на то, что в таблице редактора LDE в данный момент установлено только три поверхности: поверхность объекта, обозначенная как OBJ, поверхность апертурной диафрагмы системы, обозначенная как STO, и поверхность плоскости изображения, обозначенная как IMA. Для нашего синглета нам необходимо четыре поверхности: поверхность объекта, передняя поверхность линзы (которая одновременно будет и поверхностью апертурной диафрагмы), задняя поверхность линзы и плоскость изображения. Для введения четвертой поверхности установите курсор на слово "Infinity" (бесконечность) в строке поверхности изображения и нажмите клавишу Insert на клавиатуре Вашего компьютера. Новая поверхность будет введена в таблицу в том месте, на котором был установлен курсор, а строка поверхности изображения переместится ниже. Новая поверхность получит номер 2. Обратите внимание на то, что поверхность объекта имеет номер 0. а затем следуют поверхности с номерами 1 (отмеченная как STO, так как она будет поверхностью апертурной диафрагмы), 2 и 3 (отмеченная как IMA). Теперь введем марку стекла, которую хотим использовать. Установим курсор в колонку "Glass" поверхности 1, напечатаем в этой строке "ВК7" и нажмем клавишу Enter. В ZEMAX введен очень обширный каталог стекол. Но все, что от нас требуется, — это только указать марку стекла, которую мы хотим использовать. ZEMAX просмотрит каталог стекол, найдет в нем стекло с указанной маркой и вычислит для него показатели преломления для всех заданных нами длин волны. Поскольку величина апертуры нашей линзы равна 25 мм, то разумная толщина для нвебудет4 мм; передвинем курсор в колонку Thickness (толщина) поверхности 1 (для которой мы только что ввели ВК7), напечатаем в ней цифру " и нажмем на клавишу Enter. Запомните, что по умолчанию в качестве линейных единиц измерения в ZEMAX используются миллиметры. Другие единицы измерения (сантиметры, дюймы и метры) также могут быть использованы. Теперь необходимо ввести величины радиусов кривизны для обеих поверхностей линзы. Пусть радиусы передней и задней поверхностей линзы будут 100 и -100 соответственно; введем эти значения для поверхностей 1 (STO) и 2 соответственно. Условие знаков таково; если центр кривизны находится справа от линзы, то величина радиуса является положительной, а если центр кривизны расположен слева от линзы, то — отрицательной. При таких знаках (+100, -100) мы получим двояковыпуклую линзу. Теперь нам нужно расположить плоскость изображения в фокусе пинзы. Для этого введем величину 100 (фокальное расстояние) для толщины поверхности 2. Как теперь узнать насколько хорошей получилась линза с этими параметрами? Вероятно, наилучшей диагностикой качества линзы является график аберраций лучей (Ray fan plot). Для генерирования этого графика выберем из главного меню ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1 -3
опцию Analysis затем Fans и затем Ray Aberration (лучевые аберрации) Вы увидите. что появилось небольшое окно с двумя графиками (если Вы увидите, что вместо графиков появилось сообщение о какой-либо ошибке, вернитесь назад и проверьте, что все данные были введены Вами правильно). График аберраций будет выглядеть так как показано на рис. Е1-1. График показывает величины поперечных аберраций (относи- (относительно главного луча) в зависи- зависимости от координат зрачка. Левый график маркирован буквами "EY", что читается как эпсилон Y; это график аберраций по оси Y. часто называемых меридиональными, или аберрациями в Y2 плоскости. Правый график маркирован буквми "ЕХ", что читается как эпсилон X. Это аберрации по оси X. которые часто называются сагиттальными, или аберрациями в XZ плоскости. 1 1 I С 1 мм* и Е1 1 1 Г "*■—! 1 I 1 ^"~»« _ 1 1 I MRS О ТХИЕ. •Л» ЗЬ iv>» «jm ^CPtt • • rev з.чоь г иг л.л г PV ч ГСП czca dec i i ^Г-- С \JI1 * 1111 **v' ■( '1 I— 1 4V PX >>• Рис. Е1-1 Эти графики показывают, что в нашей оптической схеме допущена явная ошибка - кривые аберраций имеют большой наклон в начале системы координат, что говорит о дефокусировке системы. Для исправления дефокусировки мы используем одну из специальных функций, называемых "Solve", для параметра, определяющего толщину тыльной поверхности линзы. Solves (см. главу "Solves") динамически подгоняет величину параметра к требуемой величине. Чтобы поместить плоскость изображения в параксиальный фокус, дважды нажмите клавишей мышки на элемент таблицы, в котором записана величина толщины (thickness) поверхности 2. Появится диалоговое окно для установки типа "Solves" на толщину этой поверхности; в этом окне показано, что толщина поверх-ности 2 имеет установленное Вами фиксированное значение - это обоз-начено символом "Fixed". Нажмите на стрелку, разворачивающую список solves и выберите из него тип "Marginal Ray Height"; затем нажмите на ОК. Этот тип solve подгонит толщину поверхности 2 таким образом, чтобы высота краевого луча на поверхности изображения стала равной нулю, что соответствует параксиальному фокусу. Заметьте, что после этой операции толщина поверхности 2 автоматически изменилась и стала равной примерно 96 мм. Теперь необходимо обновить (командой "Update") график аберраций, чтобы увидеть какие произошли изменения. В строке меню, расположенной в верхней части окна графика аберраций, выберите "Update" и кликните эту надпись мышкой - график тут же обновится в соответствии с внесен- внесенными Вами изменениями в схему. (Обновление графика можно произвести также, дважды кликнув мышкой на любое поле графика в пределах окна). Новый график будет выглядеть таким, как показано на рис. Е1-2. Из него видно, что дефокусировка устранена и в системе теперь преобладают сферические аберрации. Обратите внимание также на произошедшее изменение масштаба графика. П1-4 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
err 00J: O.0B0O DEG EXT PY I !>■ rhrhH. ->.px RRY ,IENS MBS NO TITLE. H2C4OMS- C:\ZETfU\5f»*>l.£S\USSW. 1. Dtt Можно ли эту новую схему считать наилучшей из возможных? Мы используем теперь процедуру оптимизации для того, чтобы ZEMAX выполнил для нас всю дальнейшую работу по улучшению характеристик нашего синглета. Для этого мы должны, прежде всего, указать, какие из параметров системы могут быть свободными (т.е. перемен- переменными величинами), а также указать основные требования к системе (так называемые targets - цели и operands — операторы). Рис. Е1-2 В нашей системе можно ввести три переменных параметра: радиусы кривизны передней и задней поверхностей линзы и толщину второй поверхности, изменение которой поможет ввести в нашу систему небольшую дефокусировку для компенса- компенсации сферической аберрации. Установим курсор на колонку радиуса поверхности 1 и затем нажмем клавиши Ctrl-Z (если Вы предпочитаете работать с меню интерфейса, кликните мышкой на ячейку радиуса (чтобы высветить ее), а затем выберите из меню LDE графу Solves и затем опцию "Variable toggle"; Вы можете также дважды кликнуть мышкой на ячейку радиуса для открытия списка опций, в который входит и статус переменной величины - "Variable"). Обратите внимание на то, что после назначения статуса переменной величины рядом с этой величиной появляется буква "V1 (Variable). Используйте комбинацию клавиш Ctrl-Z в качестве переключателя. Таким же образом определим статус переменной величины для двух других параметров: величины радиуса поверхности 2 и толщины поверхности 2. Статус переменной величины для толщины поверхности 2 заменит ранее установленный для этого параметра статус "М" ("Marginal Ray Height"). Теперь мы должны определить так называемую оценочную функцию ("Merit Function"), которая будет использоваться алгоритмом оптимизации. Оценочная функ- функция определяется на основе математического представления о том, какая схема является хорошей: чем меньше численное значение оценочной функции, тем лучше. Для идеальной оптической системы, удовлетворяющей на 100 процентов всем нашим требованиям, оценочная функция будет равна нулю. Для определения оценочной функции выберите в главном меню команду Editors и затем команду Merit Function. На экране появится таблица, похожая на таблицу LDE. Из меню этого нового окна выберите Tools и затем Default Merit Function (запрограммированная оценочная функция ZEMAX, работающая по умолчанию). В появившемся диалоговом окне кликните мышкой на Reset и затем на ОК. В дальнейшем Вы по возможности изучите все опции для определения какой-либо новой оценочной функции (ZEMAX очень гибок в этом отношении), но сейчас примем встроенную оценочную функцию ZEMAX. В созданной для Вас оценочной функции содержится список лучей, длина хода которых будет подгоняться (за счет изменения величины переменных параметров) таким образом, чтобы среднеквадратическая ошибка (RMS) волнового фронта нашей ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-5
системы стала минимальной Это требование, однако, не может быть полностью удовлетворено, так как мы хотим, чтобы наряду с минимизацией диаметра пятна рассеяния было выполнено еще одно требование, а именно, чтобы фокусное расстояние нашей системы было равно 100 мг/. Если это требование не будет введено в оценочную функцию, то ZEMAX очень быстро найдет, что для минимиза- минимизации ошибки волнового фронта фокальное расстояние линзы (а у нас этот параметр является свободным) должно быть равно бесконечно большой величине и в соответ- соответствии с этим превратит нашу линзу в длиннофокусную систему с очень небольшой оптической силой (линза становится окном), и, естественно, имеющей очень неболь- небольшие аберрации волнового фронта Для введения в оценочную функцию требования о необходимой величине фокусного расстояния кликните мышкой в любом месте первой строки таблицы редактора Merit Function Editor. Нажмите теперь клавишу Insert для добавления к таблице еще одной строки. В новой строке в колонке 'Туре11 напечатайте "EFFL" и нажмите клавишу Enter. Оператор EFFL контролирует величину эффективного фокусного расстояния системы. Переместите теперь курсор по этой строке к копонке "Target" (цель), напечатайте в этом элементе таблицы число 00м (желаемую величину фокусного расстояния) и нажмите клавишу Enter. В колонке "Weight" оставьте число ". Этим мы определили оценочную функцию для нашей системы и теперь можем при желании удалить с экрана это окно, дважды кликнув мышкой на его левый верхний угол. Определенная нами оценочная функция при этом не будет потеряна, так как ZEMAX запомнит ее автоматически. Теперь из строки главного меню выберите заголовок Tools (инструментарий) и в открывшемся списке программу Optimization (оптимизация). Появится диалоговое окно "Optimization". Обратите внимание на окошко с флагом, обозначенный "Auto Update". Если выбрать эту опцию, то все имеющиеся на экране окна (например, с графиками аберраций) будут автоматически обновляться в процессе оптимизации в соответствии с происходящими изменениями величин переменных параметров и характеристик системы. Выберите эту опцию и нажмите на надпись "Automatic" (автоматический режим работы). ZEMAX очень быстро уменьшит величину оценочной функции. После остановки процесса оптимизации нажмите на электронную клавишу Exit для закрытия окна оптимизации. После оптимизации наша линза стала более выпуклой. Изменения ее радиусов кривизны привели к тому, что она стала иметь фокальное расстояние, примерно равное 100 мм, и вместе с этим очень небольшие ошибки волнового фронта. - насколько это только возможно для такой простой оптической системы. ZEMAX не смог оптимизировать систему к точной величине фокусного рассто- расстояния 100 мм, так как ограничение EFFL являлось взвешенной целью. учитываемой наряду со всеми другими аберрациями. LE».., ИП5 I -flY О st ^ - № TlliX 25 Wft ICftLE •/ * О.SB? OBI : О. ТШВДи бс?.:"" «: 0.6 f 1 i' вгэа dec свеч; —• — -* CW«WWftttft.|.№ Рис. Е1-3 П1-6 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
Мы теперь можем оценить полученные характеристики линзы с помощью графика аберраций. Оптимизированная схема имеет максимальную аберрацию около 200 мкм, как это видно из рисунка Е1-3. Другой способ оценки характеристик схемы - это анализ диаграммы пятна рассеяния. Для генерации этой диаграммы выберите из главного меню команду Analysis и в выпавшем подменю команду Spot Diagrams (Диаграммы пятна рассеяния). Появится диаграмма пятна рассеяния. Это пятно рассеяния будет иметь сечение с диаметром около 400 мкм. Для сравнения, диаметр дифракционного диска Эйри для этой линзы равен примерно 6 мкм. Еще одна полезная диагностика качества оптической системы может быть проведена с помощью анализа графика OPD. Этот график представляет зависимость оптичес- оптической разности хода лучей от тех же координат зрачка, которые были использованы при построении графиков лучевых аберраций. Для генерации графика OPD выберите в главном меню команду Analysis и в открывшемся списке опцию Fan, a затем Optical Path (оптический путь). Вы должны увидеть такой же график, как показано на рис. Е1-4. OBJ: O.O0Q0 С»Т:СП|_ РЯГН DZI-FE4EHCE Л'Л t'flS ИГ T1ILE. E •/- ?СГЯа «iivES С. 50? С.б5ь Рис. Е1-4 Эта система имеет аберрации, равные примерно 20 длинам волн, — в основном это аберрации дефокусировки, сферическая, сферохроматическая и продольный хроматизм. Вы, вероятно, знаете, что оптические системы рассматриваются как "дифракционно ограниченные", если волновая аберрация равна примерно четверти длины волны или менее (см. ссылки на литературу, в которой этот вопрос рассмотрен более полно). Ясно, что наш синглет не является дифракционно ограниченной системой. Для улучшения характеристик этой (или какой-либо другой) оптической системы, конструктор должен определить, какие из аберраций ограничивают характеристики системы и какие способы могут быть использованы для их коррекции. Из графика аберраций (особенно из графика рис. Е1-3), возможно, ясно, что в основном характеристики системы ограничивают хроматические аберрации. (С другой стороны, это может быть не так уж и очевидно; мы снова отсылаем Вас к хорошим книгам по оптике для изучения вопроса интерпретации графиков аберраций.) ZEMAX предоставляет другой походящий способ для определения величины хроматической аберрации первого порядка - это график хроматического смещения фокуса. Эти графики показывают изменения величины параксиального заднего фокального расстояния в зависимости от длины волны. Чтобы увидеть эти графики, войдите последовательно в Analysis, Miscellaneous (разное). Chromatic Focal Shfft (Хроматический сдвиг фокуса). Вы увидите график, показанный на рис. Е1-5. Шкала длин волн расположена вертикально и охватывает область длин волн, которую Вы ранее задали. ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-7
щ V . к X i & «л 1 I4U I »•• , а 2*ч а им ■ - ■ - • -тем гаг Ota. DZ rtC 11 LIЛ - Т f D Э I4JP3L /ONE U.^VifJ) / / / IIC Р / / / / С \1*РЛ • • • : ■ - ■ Максимальная величина сдвига фокуса составляет около 1540 микрон Монотонная кривая такого типа является типичной дпя одиночных линз (синглетов). Для исправления хроматической аберрации первого порядка необходимо использовать второе стекло. Этот подход ведет к следу- следующему примеру - проектированию дублета. Если Вы хотите записать файл с созданной Вами линзой для ее последующего использования выберите из главного меню команду Рис. Е1-5 File (файл), а затем опцию Save As (Записать как...). ZEMAX подскажет Вам имя файла, которое Вы можете ввести. Любая оптическая схема, записанная Вами таким образом, может быть открыта командами File, Open. Для выхода из программы ZEMAX выберите команды File, Exit. Lesson 2: a doublet Лекция 2: Дублет Что Вы будете изучать в этой лекции: генерирование оптических схем, графиков кривизны поля, задание ограничений на краевую толщину линзы. задание углов поля. Линзовый дублет состоит из двух стекол, обычно склеенных (но не всегда), так что они должны иметь одну общую поверхность с одинаковой кривизной. При использовании двух стекол с разными дисперсионными характеристиками можно исправить хроматические аберрации первого порядка. Это означает, что нам необходимо получить параболическую кривую на графике хроматического смещения фокуса вместо линейной зависимости. Это позволит получить много лучшее качество изображения. Пока мы сохраним требования, установленные нами для предыдущей схемы: фокальное расстояние должно быть равным 100 мм и схема должна использоваться только на оси; позже мы введем дпя нее и углы поля. Выбор двух различных марок стекол, которые должны быть использованы в дублете, требует определенного опыта; смотри, например, превосходное изложение этого вопроса в книге Smith, Modern Optical Engineering. Так как цель этого примера состоит в обучении Вас пользованию программой ZEMAX, а не проектированию оптических систем, мы просто предлагаем Вам выбрать стекла ВК7 и SF1. Если Вы только что завершили изучение предыдущей лекции и файл с синглетом еще загружен, то Вам не нужно переопределять длины волн для этой схемы. В лротивном случае, введите длины волн и апертуру в соответствии с инструкцией, данной в предыдущем примере. Теперь введите новые поверхности в таком количестве, чтобы Ваш П1-8 SUPPLEMENT 1; TUTORIAL
редактор данных (LDE) имел вид, показанный в нижеследующей таблице. Для простоты в таблице показаны не все колонки. Если Вам теперь необходимо переместить положение алертурной диафрагмы (STO) так, чтобы сделать эту поверхность первой, Вы можете дважды кликнуть мышкой на колонку типа поверхности в том ряду, в который Вы хотите ломестить диафрагму. В открывшемся диалоговом окне выберите клавишу "Make Surface Stop" (сделать поверхность апертурной диафрагмой). Исходные данные для дублета OlLensDalaEdlor Solves fiplions Help Surf:Type ов: STC Standard Standard Standard № Standard Standard Radius Thickness Infinit 10O.O09030O0|V -lOO.OOODQOCJv -100.0000000 Infinity V 3.00000000 3.00000000 10Q.O30O0O0C Glass 5X7 SPl Seni-Dia-eter O.CDCD000O 12.55000000 12,43852991 12.37040342 0.99338986 Так как воздушный промежуток между стеклами ВК7 и SF1 отсутствует, то это - склеенный дублет. В этом примере ZEMAX не моделирует сам склеивающий слой; он просто моделирует стекла, находящиеся в (оптическом) контакте. Если определенная Вами в предыдущем примере оценочная функция (MFE) еще загружена, то нет необходимости ее переопределять. В противном случае, воссоздайте оценочную функцию и дополните ее оператором EFFL, как это было описано в предыдущем примере. Теперь выберите последовательно из главного меню Tools, Optimization и нажмите на "Automatic". Величина оценочной функции быстро умень- уменьшится; после остановки процесса оптимизации нажмите на "Exit". Чтобы увидеть, насколько улучши- улучшилась Ваша схема, посмотрите на график хроматического смещения фокусного расстояния (если его еще нет на экране, то выберите последо- последовательно Analysis, Miscellaneous, Chromatic Focal Shift). Вы должны увидеть график, показанный на рис. Е2-1. □ и ■ • u 5 5 С-656Э З.Ь22? Э. е.С5? Я 5? 10 3 55ЧС в ззгг ■ I.1.' С :ile г ..1..ГГ 73 47s / / ( г *■.■;■ ■ у ' - ■ - Рис. Е2-1 Параболическая форма графика говорит о том, что мы сильно уменьшили линейную часть хроматической аберрации и теперь в нашей схеме преобладают аберрации второго порядка. Заметьте также, что максимальная величина смещения фокуса стала равной 74 мкм (для синглета она была равна 1540 мкм). ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-9
Иуеются другие марки стекол, которые могут дать еще лучший результат. Чтобы увидеть характеристики стекол, иг/еющихся в каталогах ZEMAX, выберите после- последовательно из главного меню Tools. Glass Catalogs (каталоги стекол). Когда Вы пролистаете стекла в каталоге, нажмите на "Exit". ов: г сгсг dec Теперь обновите график лучевых аберраций, нажав на Update в окне этого графика (если это окно закрыто» то выберите из главного меню Analysis. Fans, Ray Aberration. Полученный график показан на рис. Е2-2. Максимальная величина поперечных аберраций снижена примерно до 20 мкм. Это значительно лучше, чем для синглета, у которого эта величина была около 200 мкм. Обратите внимание на то, что наклон графиков в начале системы координат примерно одинаков для всех длин волн; это указывает на то, что относительная дефокусировка для каждой длины вопны примерно одинакова Наклон, однако, не равен нулю. Это обусловлено тем, что небольшая дефокусировка была использована для компенса- компенсации сферической аберрации Кривая графика в виде буквы "S" является типичной дпя \Л.В В WW PU1I tJffi. ЫЗ TITLE 2S l"W» Щ C 0.406 И.БП7 О Ь ДС MIO7DNS Рис. E2-2 систем, в которых сферическая аберрация дефокусировки. LENS ПАЗ КО TUT ГПГ 2S TOI«i- LEKCIHi 103 чС1Ь2 частично компенсирована путем Теперь, после того, как мы спроекти- спроектировали систему с хорошими характе- характеристиками, посмотрим, как она выглядит. Чтобы увидеть двумерное сечение нашей оптической системы, выберите из главного меню последо- последовательно Analysis, Layout (схема), 2D Layout (двумерная схема). Появится схема, изображенная на рис. Е2-3. На схеме показаны все оптические поверхности от первой до плоскости изображения (такой вид схемы гене- генерируется по умолчанию, но Вы можете использовать и другие опции!). Рис. Е2-3 По умолчанию изображаются только три луча (для каждого направления в поле зрения) для главной длины волны. Лучи проведены через верхнюю, центральную и нижнюю точки входного зрачка, положение которого в данном случае совпадает с положением поверхности 1. Первая линза, по-видимому, имеет острый край. Глядя на схему, даже трудно сказать, является ли краевая толщина этой линзы положительной или отрицательной. Было бы также хорошо, если бы размер пинзы был несколько П1-10 SUPPLEMENT 1; TUTORIAL
увеличен с тем, чтобы ее диаметр был несколько больше, чем ее чистая апертура; это необходимо, например, для запаса на полировку и монтировку линзы. Мы можем улучшить схему, решив эти две проблемы. Для определения точной величины краевой толщины линзы переместим курсор LDE в любую колонку строки поверхности 1 (например, нажмем на слово "ВК7"). Теперь из главного меню выберем последовательно команды Reports (сообщения), Surface Data (данные о поверхностях). Появится окно, в котором будут представлены данные об этой поверхности. Мы увидим, что краевая толщина этой линзы равна 0,17, что очень мало. Перед заданием краевой толщины линзы сначала нужно увеличить ее диаметр. Переместим курсор LDE в колонку "Semi-Diameter" (полудиаметр) на строке поверх- поверхности 1. Напечатаем поверх числа 12,5 число 14. ZEMAX сотрет число 12,5 и покажет число 4.000000 U". Буква "U" означает, что величина этого параметра установлена пользователем (User). Если буква "U" отсутствует, то это означает, что ZEMAX вычисляет величину этого параметра в соответствии с требуемой величиной апертуры. Вы можете убрать букву "U", нажав клавиши Ctrl-Z или дважды кликнув мышкой на колонку Semi-Diameter и выбрав опцию "Automatic". После сделанных изменений выберите из главного меню System, Update для обновления данных. Установленная нами величина 14 относится к полудиаметру, а диаметр линзы будет равен 28 мм. Таким же образом введите числа 14 для поверхностей 2 и 3. Обновите окно с изображением оптической схемы. Теперь апертуры увеличились, но краевая толщина первой линзы стала отрицательной величиной! Обновите окно с данными о поверхности, чтобы увидеть новое значение ее краевой толщины; оно стало отрицательным числом. Чтобы сделать краевую толщину линзы разумной величиной, можно было бы увеличить ее центральную толщину. Однако имеется более мощный метод задания требуемой величины для краевой толщины линзы. Предположим, что мы хотим сделать краевую толщину линзы равной 3 мм. Чтобы сделать это, дважды кликните мышкой на колонку толщины в строке 1 поверхности. На экране появится диалоговое окно для установки статуса поверхности. Выберите опцию "Edge Thickness" (краевая толщина) и "Radial Height" (радиальная высота). Установите толщину 3 и радиальную высоту 0 (если радиальная высота равна нулю, то ZEMAX использует заданную величину полудиаметра); нажмите на ОК. В таблице редактора LDE автоматически установится новая величина толщины поверхности 1. Появившаяся рядом с этой величиной буква "Е" означает, что на этот параметр наложено специальное условие. Обновите снова окно с данными о поверхности, и Вы увидите, что в нем указана краевая толщина поверхности, равная 3. Вы можете также обновить все окна сразу, выбрав из главного меню System, Update All. Это приведет к обновлению схемы и графиков аберраций. Установив новую величину толщины, мы тем самым несколько изменили фокусное расстояние системы. Если хотите, посмотрите сейчас на график аберраций. Затем запустите алгоритм оптимизации (выберите Tools, Optimization и режим "Automatic"). После оптимизации выйдите из режима оптимизации, нажав на "Exit", выберите в главном меню System и Update All для обновления графиков. Теперь мы хотим проверить внеосевые характеристики дублета. Из главного меню выберите System. Fields (поля) для входа в диалоговое окно "Field Data" (данные поля зрения). Откройте три поля, нажав в колонке "Use" (использовать) на 2 и 3 ряды Во втором ряду колонки Y-поля введите число 7 (семь градусов) и в третьей колонке ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1 -11
введите число 10 Оставьте в первом ряду нулевое значение для осевого направления. Оставьте также нулевые значения в рядах X поля; для систем с вращательной сшлк етрией эти направления имеют небольшое значение. Нажмите на ОК для закрытия диалогового окна. и а и<чг it. i •» a ilk. a.Mff a.6St Теперь выберите System. Update All. Появится график аберраций, пока- показанный на рис. Е2-4 Ваш график может слегка отличаться от пока- показанного на этом рисунке в зависи- зависимости от того, как прошла реоптими- зация Вашей системы после введенных Вами функций solves. Вы можете сделать заключение, что внеосевые характеристики явля- являются очень плохими. Дело в том, что мы оптимизировали схему для осевого направления. Какие аберра- аберрации теперь ограничивают нас? Рис. Е2-4 Анализ графика аберрации показывает, что главная аберрация - это кривизна поля. Величину этой аберрации можно оценить по графику кривизны поля. Выберите из главного меню Analysis, Miscellaneous, Field Curv/Dist (Кривизна поля / Дисторсия). Появится график, показанный на рис. Е2-5. Левый график изображает вели- величины смещения параксиального фокуса в зависимости от угла поля, а правый - дисторсию реальных лучей относительно параксиаль- параксиального луча. Вся информация для графика кривизны поля получена из данных об аберрациях. График кривизны поля пропорционален наклонам в начале координат графика аберраций. Существуют методы коррекции кривизны поля, а также сферической аберрации и комы. Эти методы описаны в книге Smith, Modern Optical Engineering. •1С.CO tc. га Plfe.0 CUStvntlAE LF4S KflS КО Т1Г1Е. WED hRf 2*1 14*4 KflKlhUH FICLO XS ICSSa СССЧЕЕ5 ECt С.чШ, Q.EQ7 O. Рис. Е2-5 П1-12 SUPPLEMENT 1 TUTORIAL
Lesson 3: a Newtonian telescope Лекция З: Телескоп Ньютона Что Вы будете изучать в этой лекции: использование зеркал, конических постоянных, поверхностей типа "Coordinate breaks", изображение схемы в трехмерной проекции, экранирование. Если Вы уже проработали два предыдущих примера, то Вы должны быть готовы к созданию более сложных схем. Телескоп Ньютона — простейшая схема телескопа с исправленными осевыми аберрациями; она служит хорошей иллюстрацией для понимания некоторых фундаментальных операций при работе с ZEMAX. Прежде всего, телескоп Ньютона — это система, содержащая простое параболическое зеркало и ничего больше. Парабола полностью устраняет сферические аберрации всех порядков, и так как мы будем использовать телескоп только для работы на оси, то других аберраций нет. Для начала закройте все окна, за исключением окна LDR, и выберите из главного меню File, New (новый). Положим, мы хотим спроектировать F/5 телескоп с фокусным расстоянием 1000 мм. Это предполагает использование зеркала с радиусом кривизны 2000 мм и апертурой 200 мм. Установим курсор в колонку радиуса кривизны в строку поверхности 1, которая обозначена как STOP, и введем число -2000,0; знак минус означает, что зеркало будет обращено своей вогнутой поверхностью в сторону объекта. Теперь для этой же поверхности введем толщину -1000; знак минус означает, что после отражения от зеркала лучи будут идти е противоположном направлении. Напишем для этой же поверхности в колонке "Glass" слово "MIRROR" (зеркало). Теперь из главного меню выберем System, General (главные параметры) и в открывшемся диалоговом окне напечатаем число 200 для величины апертуры системы. Нажмите на ОК. По умолчанию ZEMAX будет использовать только одну длину волны — 0,55 мкм и только одно направление в поле зрения — 0 градусов, но для наших целей этого достаточно. Откроем теперь окно с изображением оптической схемы. Лучи идут от первой поверхности к плоскости изображения, которая теперь находится слева от зеркала. Если теперь вызвать диаграмму пятна рассеяния (Analysis, Spot Diagrams, Standard; или клавиши Ctrl-S). то Вы увидите большое пятно рассеяния с среднеквадрати- kw :к г " * :-г- э ?«!~ *"П1 : ч: :r.= г. j ск:- иг С \?* Рис. ЕЗ-1 ческой величиной радиуса рассеяния 77,6 мкм. Удобный способ для оценки качества изображения - это построение на диаграмме пятна рассеяния дифракционного кружка Эйри. Для этого выберите опцию Settings (установки) в меню окна диаграммы пятна рассеяния и в опции "Show Scale" (показать шкалу) установите "Airy Disk" (диск Эйри); нажмите на ОК. В результате Вы увидите диаграмму, показанную на рис. ЕЗ-1. ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-13
На диаграмме указано, что среднеквэдрэтическэя величина радиуса рассеяния равна 77,6 мм/. То. что наша система сейчас еще не имеет дифракционного качества, обусловлено тем. что мы еще не ввели величину конической постоянной (-1) для задания параболы. В колонке "Conic" введем для поверхности 1 число -1 и нажмем на клавишу Enter. Теперь обновим все окна, используя System, Update АН. На обновленной диаграмме пятна рассеяния Вы должны увидеть большой круг Эйри с крошечным скоплением лучей в центре. Среднеквадратический радиус пятна рассея- рассеяния равен нулю. К сожалению, это высокое качество изображения получается в неудобном месте: из- за существования входящего в систему пучка лучей изображение получается недо- недоступным для наблюдения. Этот недостаток обычно исправляется путем введения в систему поворотного плоского зеркала, установленного после главного зеркала. Наклоненное на 45 градусов поворотное зеркало вынесет плоскость изображения в сторону от оптической оси. Для введения в систему поворотного зеркала мы должны сначала решить, где оно должно быть расположено. Так как ширина входящего пучка лучей равна 200 мм, мы должны удалить плоскость изображения от оси по меньшей мере на 100 мм Мы выберем это расстояние равным 200 мги, и тогда поворотное зеркало должно находиться на расстоянии 800 мм от главного зеркала. Начнем с изменения величины толщины поверхности 1, которую установим равной -800. Теперь переместим курсор на поверхность изображения и нажмем клавишу Insert, для введения новой поверхности, на которой будет распопожено поворотное зеркало. Введем для толщины этой поверхности число -200, чтобы общее расстояние от главного зеркала до плоскости изображения было равно -1000. Теперь кликните мышкой на Tools, Add Fold Mirror (добавить поворотное зеркало), установите в табличке "fold surface" цифру 2 (поверхность 2) и нажмите на ОК. Результирующая таблица LDE будет выглядеть как показано ниже (некоторые колонки для краткости не показаны). ДАННЫЕ ДЛЯ ТЕЛЕСКОПА НЬЮТОНА Surf OBJ STO 2 3 4 IMA Surface Type Standard Standard Coord Break Standard Coord Break Standard Radius Infinity -2000.00 Infinity Infinity Thickness Infinity -800.00 0.000 0.000 200.00 Glass MIRROR MIRROR Conic 0.00000 -1.00000 0.00000 0.00000 Tilt About X 45.000 45.000 Теперь посмотрим, как выглядит наша новая система Ньютона с поворотным зеркалом. Использовавшееся нами раннее окно с изображением схемы больше не будет работать (оно работает только с системами, обладающими осевой симметрией), и мы должны теперь вместо него использовать новое окно, дающее трехмерное изображение схемы, открыв его через Analysis. Layout. 3D Layout. При появлении трехмерного изображения схемы используйте клавиши компьютера <-. ?> -*,i. Page Up и Page Down для поворота схемы относительно трех осей ZEMAX позволяет поворачивать изображение в соответствии с поворотом схемы Одна из возможных проекций трехмерной схемы показана на рис. ЕЗ-2. П1-14 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
jO LRTOUI l£N* hflS hQ TITLE. ИЗ PSH 26 11*»4 C^CW^SfWLtSM-ES-S.ZHK Вид этой проекции может быть улучшен несколькими путями. Прежде всего, могут быть показаны лучи, идущие от объекта к зеркалу. Могут быть также экранированы лучи, падающие на тыльную сторону поворотного зеркала, с тем, чтобы они не достигали плоскости изобра- изображения. Это важный эффект для реальных систем, так как лучи физи- физически не могут пройти через пово- поворотное зеркало в обычных оптиеских системах. Рис. ЕЗ-2 Во-первых, мы добавим одну пустую поверхность перед поверхностью апертурной диафрагмы, нажав на клавишу "Insert" при положении курсора в строке поверхности 1. Теперь сделаем толщину этой пустой поверхности равной 900. Затем дважды кликнем мышкой на слово "Standard" на поверхности 1. В открывшемся диалоговом окне выберем опцию "Circular Obscuration" (круглый экран) из меню "Aperture Type" (тип апертуры). Это позволяет поместить в пучок круглый экран, который будет экранировать часть пучка, падающего на тыльную сторону поворотного зеркала. Для величины максимального радиуса ("Max Radius") введем число 40 и затем нажмем на ОК. 3J 7ITLE Теперь обновим 3D схему. Теперь система выглядит более реали- реалистичной, - как показано на рис. ЕЗ-3. Если на Вашей схеме видны не все поверхности, выберите из меню этого окна опцию Setting и измените в открывшемся окне номера первой (first) и последней (last) поверхно- поверхностей на 1 и 6 соответственно (или просто нажмите на элемент со словом Reset), а затем нажмите на ОК. Рис. ЕЗ-3 Описанная здесь процедура — это все что требуется для введения в систему поворотных зеркал. Использованные нами фиктивные поверхности "Coordinate breaks" могут быть использованы также для наклона и децентрировки любых других оптических элементов. Целые группы оптических элементов могут быть наклонены ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-15
или децентрированы таким способом; смотри примеры схем, включенных в библиотеку образцов ZEMAX. Lesson 4: a Schmidt-Cassegrain with aspheric corrector Лекция 4: Телескоп Шмидта с асферическим корректором Что Вы будете изучать в этой лекции: Использование полиномиальных асферических поверхностей экранирование, апертуры, статус параметров, оптимизацию, изображение схем, графики модуляционной передаточной функции. Эта лекция посвящена полной схеме телескопа Шмидта с полиномиальным асфери- асферическим корректором. Предполагается, что схема будет использована для работы в видимой области спектра. Мы хотели бы иметь такой телескоп с апертурой 10 дюймов (inches) и величиной (заднего) фокусного расстояния 10 дюймов (от вершины главного зеркала до фокуса). Проще всего в этой схеме начать с определения параметров корректора и главного зеркала, так что начнем с добавления в таблицу LDE двух поверхностей после поверхности STOP. Из главного меню выберем System, General и введем число 10 для величины апертуры. В этом же окне изменим единицы измерения с миллиметров ("Millimeters") на дюймы ("Inches"). Из главного меню выберем System, Wavelength для входа в диалоговое окно Wavelenght Data и установим в нем три длины волны 0,486; 0.587 и 0,656 с главной длиной волны 0,587. Введение этих трех длин волн может быть сделано одним шагом: нажмите в нижней части этого окна на элемент "Select -=>". Сейчас мы будем использовать установленное по умолчанию направление в поле зрения 0 градусов. Введите теперь данные в таблицу LDE так, как это показано в нижеследующей таблице. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ТЕЛЕСКОПА ШМИДТА Surf OBJ STO 2 3 IMA Radius Infinity Infinity Infinity -60.000000 Infinity Thickness Infinity 1.000000 60.000000 -30.000000 Glass BK7 MIRROR Апертурная диафрагма системы расположена в центре кривизны главного зеркала; это сделано для устранения полевых аберраций (типа комы) и характеризует схему Шмидта. Теперь выведем на экран изображение схемы для проверки, что все сделано правильно. Стандартная 2D схема будет прекрасно работать. Вы должны увидеть такую же схему, как изображено на рис. Е4-1. П1-16 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
Теперь мы добавим в систему вторичное зеркало и определим положение плоскости изображения. Позже мы предоставим программе ZEMAX самой вычислить правиль- правильную величину кривизны вторичного зеркала. А сейчас модифицируем таблицу LDE, введя в нее одну новую поверхность, как показано в следующей ниже таблице. Рис. Е4-1 ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ТЕЛЕСКОПА ШМИДТА Surf OBJ STO 2 3 4 IMA Radius Infinity Infinity Infinity -60.000000 Infinity (V) Infinity Thickness Infinity 1.000000 60.000000 -18.000000 28.000000 Glass BK7 MIRROR MIRROR Обратите внимание на то, что мы уменьшили расстояние от главного зеркала до -18. Это позволит держать под контролем размер вторичного зеркала. Расстояние до плоскости изображения теперь равно 20, так что величина расстояния от главного зеркала до плоскости изображения точно равна 10. Дополнительно был установлен статус переменной величины на радиус поверхности 4; мы дадим программе возмож- возможность самой найти правильную величину кривизны этой поверхности. Так как величи- на кривизны на эту поверхность нами не была установлена, то изображение сейчас не фокусируется на плоскость изображения. Проверьте правильность выполненной вами работы путем рассмотрения обновленной схемы. Она должна выглядеть как на рис. Е4-2. 33 ГЧ5 **S ч- Рис. Е4-2 Теперь из главного меню выберите Editors. Merit Function (оценочная функция) для выведения на экран редактора оценочной функции. Из меню окна редактора выберите Tools, Default Merit Function. Нажмите на клавишу с надписью "Reset", а затем установите в опции "Rings" число 5. Нажмите на ОК. Опция Rings определяет плотность лучей, которая будет использована в дальнейших расчетах, а наша схема требует большей плотности, чем устанавливается (по умолча- умолчанию) числом 3. ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-17
Из главного меню выберите Tools, Optimization. В открывшемся окне оптимизации выберите опцию "Automatic" и оценочная функция быстро уменьшится до примерно 1,3. Это оставшиеся ошибки волнового фронта. Нажмите на "Exit", а затем System и Update All. Величина радиуса вторичного зеркала изменилась от бесконечно большой величины до -41.83 obj г гг I I I I tic ч. «tun а* £о L 1*5 5 Т1П.Е ь 1Ччч COLC •/• с see № Теперь выведем на экран график волновых аберраций (OPD), выбрав из главного меню Analysis, Fans, Optical Path Difference. График OPD показывает наличие в системе дефокусировки и сферической аберрации, - как это показано на рис. Е4-3. Обратите внимание на то, что еще подлежит коррекции примерно Л'к. Рис Е4-3 Теперь кликните мышкой на элемент таблицы с надписью "Standard" в строке поверхности 1. В появившемся диалоговом окне выберите "Even Asphere". Этот тип поверхности позволяет вводить величины коэффициентов полинома, описывающего асферическую поверхность, которая может быть использована для асферической коррекции; нажмите на ОК Теперь переместите курсор в правую часть таблицы до появления колонки под названием th Order Term11 в строке поверхности 1 и нажмите клавиши Ctrl-Z. Этим будет установлен статус переменной величины для этого параметра. Установите таким же образом статус переменности для коэффициентов 6-го (th Order Term") и 8-ro (8th Order Term") порядков. Теперь выберем из главного меню Tools, Optimization и нажмем на "Automatic". В течение нескольких секунд величина оценочной функции существенно уменьшится в результате произведенной 2ЕМАХ компенсации сферической аберрации путем подбора коэффициентов асферичности различных порядков. Нажмите на Exit. Теперь снова обновите график OPD: он показан на рис. Е4-4. Как видно, сферические аберрации существен- существенно уменьшились. Обратите внима- внимание на то, что теперь доминируют хроматические аберрации; на каждой длине волны сферические аберрации имеют разпичную вели- величину. Это назывется сферохрома- тизмом, и мы вскоре займемся его исправлением. \ \\ 1Х-Ч1 1 [ Ч^ г Г HMUH ЬСГ 0 ЮЬ w т 1 * МЧ.С IV1 «5.6OQ OBJ : 0..VJ3 DEC u : i \ : / \ \ 1 \^f 1 1 ""Г4- 1 1 w » ■ 4 OPTICAL PiHm OH Lftt'VCfc Л ft1 ^_ ^^ ^^ I ■ m / 1 J -Г 1 ~^" ' PX Рис. Е4-4 П1-18 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
Нужен небольшой опыт для решения вопроса о том. как это лучше сделать. Для исправления сферохроматизма нам необходимо сбалансировать продольный хрома- хроматизм. Это общий подход при проектировании оптических систем; сюда же относится и задача компенсации аберраций высокого порядка аберрациями низкого порядка. Для внесения продольного хроматизма мы будем варьировать величину кривизны поверхности 1 - передней поверхности пластины корректора (это позволит также упростить ее изготовление, но этот вопрос мы не будем обсуждать). „ESS HAS SO "L lx:-" - SCPtEi ■/- С-.СБО '«DUES, e.-fii 0.56Э C.6S& Установите сейчас статус перемен- переменной величины на радиус поверхно- поверхности 1. Теперь вновь проведем опти- оптимизацию (Tools, Optimization, Automatic). Величина оценочной функции снова уменьшится. Нажмите на Exit и обновите график OPD. Новый график должен выглядеть таким, как показано на рис. Е4-5. Это то решение, которого мы хотели добиться - величина остаточных аберраций меньше одной двадца- двадцатой длины волны! Рис. Е4-5 Теперь мы можем ввести углы поля зрения и провести тонкую доводку схемы. Из главного меню выберем System, Fields и доведем число направлений в поле зрения до трех. Введем Y-углы 0.0, 0.3 и 0.5 градусов. Если Вы теперь обновите и посмо- посмотрите на график OPD, Вы увидите, что для максимального поля величина комы составляет примерно 1/2 длины волны. Мы можем это просто исправить, снова проведя оптимизацию. Так как мы ввели изменения в данные о поле зрения, то мы должны реконструировать нашу оценочную функцию! Это очень важно! Вы должны хорошо запомнить, что по умолчанию ZEMAX создает оценочную функцию на основе установленных Вами направлений в поле зрения и длин волн; если Вы изменили эти значения, Вы должны реконструировать оценочную функцию! В окне редактора оценочной функ- функции выберите Tools. Default Merit Function (при этом ZEMAX автомати- автоматически создаст новую оценочную функцию в соответствии с внесен- внесенными Вами новыми данными о поле зрения и длинах волн) и измените число "Rings" на " . Нажмите на ОК. Теперь выберите из главного меню Tools, Optimization и нажмите на "Automatic". *  - ^0 t::le .f see * ■ * * •i "i i • * 1 1 • - r. г**/" " "c - * j * Рис. Е4-6 ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-19
Когда процесс оптимизации закончится, нажмите на Exit и обновите еще раз график OPD- Полученный график показан на рис. Е4-6; он свидетельствует о хорошо сбалансированной схеме. Предположим, что мы хотим использовать этот телескоп для получения фотографий Тогда нас может интересовать модуляционная передаточная функция МПФ (Modulation Transfer Function, MTF), которая определяет контраст изображения в зависимости от пространственной частоты (измеряемой обычно в обратных милпи- метрах). Чтобы вывести на экран график MTF, выберите из главногоеню Analysis, Diffraction, Modulation Transfer Function Появится график MTF вида, показанного на рис. Е4-7 t.Q Ч в 7 0 С 3 э t п ш мм «с г.* змв ас \ N ■ t Л ЫЫ ОС. - о са 47 :h cto.es е 3 2 9- Опят 1С О1 LEKS H*Z »*0 О ПГг ГУ «DM TO В 6ЗД.Э *>S, График IMF является очень мощным средством анапиза качества оптической схемы. График показывает ход кривых MTF в меридиональной и сагиттальной плоскостях для всех определенных Вами направлений е поле зрения. В этом графике, однако, имеется некоторая погрешность. Опытный проектировщик заметит, что полу- полученный график представляет собой автокорреляционную функцию круглого зрачка. Дело в том, что мы не приняли в расчет имеющиеся в Рис. Е4-7 нашей системе диафрагмы и экраны. В нашей системе имеет место экранирование пучка, обусловленное вторичныги зеркалом и имеется отверстие в главном зеркале. Если мы учтем эти эффекты, характеристики системы ухудшаться, особенно в области средних пространственных частот. Для исправления этого недостатка в нашем анализе обратимся вновь к редактору LDE и дважды нажмем на первую колонку поверхности 1. В открывшемся окне откроем список типов апертурных поверхностей и выберем "Circular Aperture" (круглая апертура). В графе llMin Radius" (минимальный радиус) напечатаем 1.7. Это будет означать, что через эту поверхность будут проходить только те лучи, которые удалены от оси более чем на 1,7 дюймов; это будет моделировать отверстие ("hole") в главном зеркале. Изменим ЭЭ LE«iS в MD TITLE -tD f* •' It, lr4rft величину "Max Radius" до 6. Рис. Е4-8 П1-20 SUPPLEMENT 1- TUTORIAL
Моделирование эффекта экранирования лучей вторичным зеркалом немного сложнее. С оптической точки зрения экран должен быть расположен перед вторичным зеркалом. Однако так как ZEMAX трассирует лучи последовательно от одной поверхности к другой, мы должны расположить экран перед главным зеркалом. Вообще говоря, проще будет сделать это, чем объяснить, так что немного доверьтесь нам и попробуйте сделать следующее. Установите курсор в строку поверхности 3 и нажмите на клавишу Insert. Этим будет введена новая поверхность между корректо- корректором и главным зеркалом. Измените, величину толщины этой новой поверхности (которая теперь имеет номер 3) от 0 до 20. Переместитесь на одну строку выше и измените толщину поверхности 2 от 60 до 40. При этом полное расстояние от корректора до главного зеркала останется неизменным и равным 60; мы просто ввели промежуточную поверхность. Дважды нажмите на элемент первой колонки в строке этой новой поверхности 3 и установите для нее тип апертуры "Circular Obscuration" (круглый экран). Напечатайте величину максимального (не минимального) радиуса экрана 2.5 в графе "Max Radius" (максимальный радиус) и нажмите на ОК. Установите также величину полудиаметра поверхности 3 равной 2.5. Теперь обновите окно с изображением схемы. Если Вы все сделали правильно, то схема будет выглядеть так, как показано на рис. Е4-8. Небольшой промежуток между экраном и вторичным зеркалом является делом вкуса; просто это позволяет лучше видеть схему. Если Вы хотите, то можете поместить экран прямо в вершину вторичного зеркала. Функция MTF теперь претерпела изменение, вызванное введением экранов (главным образом, экрана вторичного зеркала). Обновите окно с графиком MTF и посмотрите на новую функцию; ее вид показан на рис. Е4-9. t.c ч ■в .5 .3 г л 1 ■ ■ л р.ргм гее ts г.лч К5 \ S D.GKQ БЕС ■ * SPO-I4- EM2Y I» CtCLSS PER «L тРП-.SPEP Pl' H.C---S ».3S *.O TITLE- *  C-diSl>3 v;-t Рис. E4-9 Lesson 5: a multi-configuration laser beam expander Лекция 5: Расширитель лазерного пучка; мультиконфигурация Что Вы будете изучать в этой лекции: Использование режима мультиконфигурации. Этот пример предполагает, что Вы уже достаточно хорошо освоили работу с ZEMAX и знаете, как проводить основную диагностику оптических схем, такую как графики лучевых аберраций и OPD. Предположим, что мы хотим спроектировать расширитель лазерного пучка для работы с лазерным излучением с длиной волны 1,053 нм. Входной диаметр равен 100 мм, а выходной диаметр равен 20 мм. Оба пучка, входной и выходной, коллими- рованы. Такую схему несложно спроектировать, если нет ограничений на полную ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-21
длину системы. Однако» чтобы усложнить эту задачу, мы установим несколько ограничений. 1) можно использовать только две линзы; 2) схема должна быть галилеевского типа (без внутреннего фокуса); 3) расстояние между линзами должно быть не более 250 мм, 4) допускается использование только одной асферической поверхности; 5) система должна тестироваться на длине волны 0.6328 мкм. Эта задача требует не только коррекции аберраций, но и проведения таьой коррекции для двух длин волн Однако система не будет использоваться для работы на двух длинах волн одновременно, и поэтому мы можем изменить ее конфигурацию на время тестирования. Для начала запустим ZEMAX. Введем несколько поверхностей и установим статус переменной величины на параметры линз так. как это показано в нижеследующей таблице Обратите внимание на то, что в показанной на рисунке таблице справа от колонки Glass" есть колонка с названием "Focal Lenght" (фокаль- (фокальное расстояние) ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСШИРИТЕЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА Surf OBJ STO 2 3 4 5 IMA Surface Type Standard Standard Standard Standard Standard Paraxial Standard Radius infinity V Infinity V Infinity Infinity V Infinity Thickness Infinity 10.000 250.000 5.000 10.000 25.000 Glass BK7 BK7 Focal Length 25.000 Эта колонка появится в Вашем редакторе LDE только после определения типа поверхности "Paraxia!" вместо "Standard". Этим мы введем а нашу схему на место данной поверхности модель параксиальной линзы. На рисунке для большей ясности показаны не все колонки. Заметьте, что использование модели параксиальной линзы позволяет нам сфокуси- сфокусировать коллимированный пучок. Установите толщину этой поверхности и ее фокаль- фокальную длину равными 25.00. Установите также диаметр входного зрачка равным 100 и введите длину волны 1.053 (только одну). Пока не вводите какую-либо другую длину волны. Величины толщин линз были установлены произвольно, но этого для наших целей достаточно. Толщина 250 мм обусловлена нашим требованием #3. Теперь выберем Editors. Merit Function. Таблицу Merit Function нужно очистить, так чтобы на ней осталась только одна строка с оператором "BLNK", который означает, что данные этой строки не используются. В первой строке напечатайте вместо оператора "BLNK" оператор "REAY". Этот оператор будет ограничивать величину Y-координаты реального луча для заданной поверхности, и с его помощью мы будем контроли- роаать требуемое сужение пучка 5:1. Введите число " в колонку "Srf #" (это номер поверхности, на которой мы хотим контролировать аысоту луча) и введите число 1.00 для Ру. Введите требуемое значение аысоты луча 0" в колонку "Target"; это даст нам на выходе коллимироаанный пучок с диаметром 20 мм. В колонку "Weight" введите число 1.0. Теперь выберите из меню этого окна Tools, Update; Вы увидете. что в колонке "Value" (аеличина) появилось число 50. Пока эта величина равна П1-22 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
радиусу входной апертуры, так как в данный момент мы еще вместо линз имеем плоскопараллельные пластинки. Теперь из меню этого же редактора выберем Tools, Default Merit Function. В появившемся окне нажмите на "Reset" и измените значение графы "Start At" (стартовать с ...) на число 2. Затем нажмите на ОК. Это добавит в таблицу Merit Function ряд операторов, начиная со строки 2, и предотвратит потерю уже введенного нами оператора REAY. Теперь из главного меню выберите Tools, Optimization и нажмите на Automatic- Когда процесс оптимиза- оптимизации закончится, нажмите на Exit Теперь из главного меню выберите Analysis, Fans, Optical Path. Вы должны увидеть график OPD, показанный на рис. Е5-1. Как видно, характеристики пока плохие и разность хода составляет примерно 7 длин волн. ОВД О.ООВЭ DEC I Ls-S« «л -щ 3 ti:le. r<_E: •/- ! t,n IL PATH Ol^ ■£S. Рис. Е5-1 Основными аберрациями, ограничивающими качество системы, являются сфери- сферические аберрации (ZEMAX ввел в систему дефокусировку для их частичной компен- компенсации); к счастью у нас есть очень эффективный способ для их устранения. Переместим курсор в копонку "Conic" поверхности 1 и установим для этого параметра статус переменной вепичины, нажав клавиши Ctri-Z. Вернемся к процедуре оптимизации и нажмем Automatic. Величина оценочной функции быстро уменьшится до очень маленькой величины. Нажмите на Exit и обновите график OPD. Полученные характеристики вполне соответствуют дифракционному пределу при разумной величине конической постоянной. Уберите теперь статус переменной величины со всех трех параметров кривизны поверхности и с параметра конической постоянной, нажав клавиши Ctrl-Z на каждый из этих элементов таблицы. Прежде чем двигаться дальше, запишите созданный Вами файл путем входа из главного меню в опции File, Save As (записать как ....). Напечатайте для этого файла имя MC1.ZMX и нажмите на ОК. После этого Вы сможете открыть этот файл позже снова, если в последующие несколько шагов Вы сделаете какую-либо ошибку и испортите его. Проверьте, сняпи ли Вы статус переменной величины со всех параметров системы. Войдите в диалоговое окно "Wavelenght Data" (System, Wavelengths). Измените величину длины волны 1.053 на 0.6328 и нажмите на ОК. Обновите снова график OPD. Характеристики ужасно ухудшились из-за дисперсии стекла. Наблюдаемые аберрации - это просто дефокусировка. Для исправления этих аберраций мы можем изменить расстояние между линзами. Сделаем величину толщины поверхности 2 B50 мм) переменной величиной и затем ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-23
войдем в Tools. Optimization Вы должны увидеть в окне оптимизации наличие только одной переменной величины. Наймите на Automatic. Величина оценочной функции уменьшится. Нажмите на Exit и обновите график OPD снова. Система будет иметь аберрацию около одной длины волны на этой новой волне при новом согласовании. Уберите статус переменной величины с толщины поверхности 2, используя клавиши Ctrt-Z снова Теперь мы ислользуем возможность ZEMAX работать с системами с изменяющейся конфигурацией Из главного меню выберем Editors. Multiconfiguration. Введите новую конфигурацию путем нажатия Edit, Insert Config Дважды кликните мышкой на первую колонку первого ряда и выберете из выпавшего списка "WAVE" В этом же диало- диалоговом окне выберете " для "Wavelength Я' и нажмите на ОК. Это позволит Вам задать разные длины волн для каждой конфигурации Введите числа 1.053 для "Config 1" и .6328 для "Config 2". Теперь нажмите клавишу Insert для добавления нового ряда в таблицу "Multi Configuration Editor". Дважды нажмите на первую колонку в ново?.1 ряду и затем выберите тип оператора THIC" (толщина). Оператор "THIC" позволит нам определить разные величины расстояний (толщин) для каждой конфигурации. Выберите число 2 из списка "Surface11 (это номер поверхности) и нажмите на ОК. Теперь введите числа 250 для "Config 1" и 250 для "Config 2". Таким образом мы определили толщину поверхности 2 как величину, изменяющуюся в разных конфигурациях. Придадим теперь величине поверхности 2 в конфигурации 2 статус переменной величины, используя клавиши Ctrl-Z. Теперь вернемся к редактору "Merit Function Editor". Из меню этого редактора выбе- выберем Tools, затем "Default Merit Function". В появившемся диалоговом окне введем число 1 в графу "Start At". Это будет означать, что описание (встроенной) оценочной функции начинается с первой строки. Теперь нажмем на ОК. Этими нашими действи- действиями оценочная функция будет преобразована для работы с системой с изменя- изменяющейся конфигурацией. Теперь введенный нами оператор REAY нужно добавить в новую, многоконфигура- многоконфигурационную оценочную функцию. Обратите внимание на то, что в первом ряду редактора оценочной функции показан оператор CONF (конфигурация) со значением 1 в колонке Intl. Этот оператор означает, что следующие за ним операторы относятся к конфигурации номер 1. За этим оператором следуют три оператора OPDX. Введите новый ряд между оператором CONF и первым оператором OPDX. Измените тип оператора в этом новом ряду на оператор REAY. Введите число " в колонку Int1 (это номер поверхности, для которой мы хотим контролировать высоту лучей) и число 1.00 для Ру. Введите в колонку Target значение 10. Это даст нам на выходе системы коллимированный пучок с диаметром 20 мм. Все операторы, стоящие под операторм CONF 1 будут работать в этой конфигурации. Под оператором CONF 2 не нужно вводить такого оператора, так как нельзя получить на выходе точную величину сжатия пучка 5:1 Одновременно для двух разных длин волн. Теперь вернемся к редактору данных оптической системы и придадим статус переменных величин радиусам кривизны поверхностей 1, 2 и 4 , как это было в самом начале этого проекта. Придадим статус переменной величины также конической постоянной поверхности 1. Переходим далее к процедуре оптимизации (Tools, Optimization). Обратите внимание на то, что в окне оптимизации указано пять переменных параметров (три кривизны поверхностей, одна коническая постоянная и одна толщина для мультиконфигурации). Теперь кликнем мышкой на экранную клавишу Automatic и, когда закончится процесс оптимизации, на Exit. П1 -24 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
Теперь дважды кликнем заголовок "Config 1" в таблице мультисистемного редактора и обновим график OPD. Увидим, что характеристики системы на волне 1.053 превосходны. Теперь дважды нажмем на заголовок "Config 2" и снова обновим график OPD (на этот раз - для волны .6328). Характеристики системы также хорошие. Обратите внимание на то, что мультисистемный редактор показывает две разные величины для расстояния между линзами для двух разных длин волн. Используя клавиши Ctrl-A, Вы можете быстро переходить от одной конфигурации системы к другой- Возможны, конечно, работы с более сложными мультисистемами, но процедура использования ZEMAX для них в основном будет такая же, как и для этого примера. Lesson 6: fold mirrors and coordinate breaks Лекция 6: Наклонные зеркала и излом оптической оси Что Вы будете изучать в этой лекции: Улучшение знаний об использовании поверхностей типа "coordinate breaks", детальные примеры их использования, правило знаков для элементов с наклонами и децентровками, введение в систему наклонных зеркал. Для введения в систему наклонных зеркал в основном используется автоматическая процедура "Add Fold Mirror", но более детальное описание введения в систему отдельных поверхностей типа "coordinate breaks" дано здесь для полноты. В предыдущей лекции было показано, как можно спроектировать телескоп системы Ньютона. В этой лекции Вы познакомитесь с тем, как вводятся зеркала в оптическую систему, а также с тем, как используются фиктивные поверхности "coordinate breaks". Важнейшие моменты этой лекции следующие: ■ 1) Величины толщин (расстояний) всегда изменяют свой знак после зеркала. После нечетного числа зеркал все толщины должны быть отрицательными. Это условие знаков не зависит от общего числа зеркал или от числа имеющихся поверхностей "coordinate breaks". 2) Поверхности "coordinate breaks" обычно вводятся парами и образуют вместе с наклонным зеркалом сэндвич . 8 этой лекции будет показано, как можно вводить в систему наклонные зеркала для изменения направления сходящегося пучка лучей. Начнем с образования нового файла путем File, New (при этом таблица редактора данных будет очищена от каких- либо текущих данных). В новом файле будет автоматически установлено только одно направление в поле зрения и только одна длина волны, что подходит для нашей задачи. В Lens Data Editor (LDE) будет показано только три поверхности: OBJ (объект), STO (апертурная диафрагма системы) и IMA (изображение), которые идут под номерами 0.1 и 2. Введем на место поверхности STO параксиальную линзу, дважды кликнув на наименование типа этой поверхности и выбрав в открывшемся списке тип "paraxial". Далее, установим величину толщины поверхности STO, равной 100, -эта величина равна фокальной длине параксиальной линзы, которая автомати- автоматически устанавливается по умолчанию. Далее входим в System, Селега! и в открыв- открывшемся окне вводим величину апертуры системы, равной 20 (это будет соответство- соответствовать линзе F/5). Нажмем на ОК для закрытия этого окна. Теперь откроем окно с изображением трехмерной проекции схемы (Analysis, Layout, 3D Layout). Вы увидите плоскую поверхность слева и пучок лучей, сходящийся к фокусу справа. Для ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1-25
создания сходящегося пучка лучей может быть использована любая другая оптическая система мы чспользуем здесь параксиальную линзу только для простоты. Теперь введем в систему одно наклонное зеркало для направления сходящегося пучка лучей вверх Для этого зеркало должно быть ориентировано под углом 45 градусов к оси системы Предположим, что мы хотим, чтобы зеркало было установ- установлено на расстоянии 30 мм от параксиальной линзы. Для этого требуется ввести в систему три новые поверхности: поверхность типа coordinate break для поворота координатной системы на 45 градусов, зеркальную поверхность и поверхность для второго поворота координатной системы для направления оси системы в сторону распространения отраженного от зеркала пучка лучей. Это очень важный момент: для введения в систему наклонного зеркала необходимо ввести три новые поверхности! Для введения трех новых поверхностей нажмем в каком-либо месте на строку поверх- поверхности изображения (для перенесения на нее курсора) и затем нажмем три раза на клавишу insert Изменим толщину поверхности 1 (поверхность STO) на 30. Напишем в колонке Glass для поверхности 3 слово "MIRROR" (зеркало). Изменим толщину поверхности 4 (расположенной перед поверхностью изображения) на -70. Обратите внимание на то. что эта толщина имеет отрицательный знак, так как все толщины изменяют свой знак на противоположный после нечетного количества зеркал. Теперь обновим окно с изображением схемы. Схема изменится, и Вы увидите, что пучок лучей, идущий ранее к фокусу, падает на зеркальную поверхность и отража- отражается от нее назад к новому фокусу, расположенному теперь на 40 мм левее паракси- параксиальной линзы; поворотное зеркало еще не имеет наклона к оси системы Для того, чтобы наклонить зеркало на 45 градусов, изменим тип пока еще "пустых" поверхностей 2 и 4 на поверхности типа "coordinate breaks", дважды кликнув на колонку типа поверхности в строчках этих поверхностей и выбрав из открывшегося перечня тип "Coordinate Break". Теперь по зтим строчкам переместимся в правую часть таблицы (используя курсорные клавиши) до появления колонок с названиями параметров "Par 1", "Par 2" и так далее. Б этих колонках в строках поверхностей 2 и 4 будут показаны нулевые значения. Нажмите на элемент параметра 3 в строке поверхности 4 и Бы увидете, что в названии этой колонки высветился заголовок'Tilt About X" (наклон относительно оси X). Дважды кликните этот элемент (убедитесь, что курсор находится именно в строке поверхности 4) и выберите из открывшегося списка тип "Рюкир"(взять значение от ....). Установите в графе "From Surface" число 2 и в графе "Scale Factor" число 1.0. Это будет означать, что угол поворота второй поверхности "coordinate break" всегда будет равен углу поворота первой поверхности "coordinate break" (имеющей номер 2). Нажмите на ОК. Обратите внимание на то, что в следующем элементе табли-цы появилась буква "Р". указывающая на тип параметра (Pickup). I V \ за Lnvoui LC».S ««5 КО ПНЕ. Тми НЯГ 27 |Q ч Рис. Е6-1 П1-26 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
Теперь переместим курсор в строку поверхности 2 и введем число 45 в колонку "Tilt About X". В главном меню выбираем System и затем Update All (обновить все окна), и Вы должны увидеть схему, показанную на рис Е6И. Обратите внимание на то, что толщина параксиальной линзы - это расстояние от нее до осевой точки поворота первой поверхности coordinate break. Толщина первой поверхности coordinate break равна нулю; это означает, что зеркало расположено в той же точке. Однако поверхность coordinate break повернула систему координат на 45 градусов. Само зеркало не поворачивалось, а повернулась только координатная система, в которой оно находится. Зеркало также имеет нулевую толщину, так как мы хотим сделать еще один поворот на 45 градусов, прежде чем переместиться к следующей поверхности. Вторая поверхность coordinate break, во-первых, еще раз поворачивает координатную систему на 45 градусов и, во-вторых, перемещает пучок на -70 единиц к фокальной поверхности. Заметьте, что всем наклонам и децентрировкам предшествует шаг установки толщины. Для введения другого поворотного зеркала кликнем на строку поверхности изображе- изображения, чтобы установить на ней курсор, а затем нажмем три раза клавишу Insert. Изменим толщину поверхности 4 от -70 до -30, напечатаем в колонке Glass в строке поверхности 6 слово MIRROR и установим толщину поверхности 7, равной +40 (знак толщины снова меняется после зеркала). Для поверхностей 5 и 7 установим тип "coordinate break" и введем в колонку "Tilt About Xм поверхности 5 число -45. Дважды кликнем элемент этой же колонки в строке поверхности 7 и установим тип этого параметра - "Pickup". Используем pickup от поверхности 5 с масштабом 1. Обновим окно с изображением схемы. Схема должна выглядеть так, как пока- показано на рис. Е6-2. 3D LE4S HR5 *.Э 7KJ ."ЙУ 27 с; \:tnm\s*S4.ES\i.tssCH.6- ггд Рис. Е6-2 Введенная нами вторая серия поверхностей break-mirror-break сломает пучок лучей еще на 90 градусов, так что он пойдет параллельно начальной оси. То, что мы ввели в обеих сериях поверхностей тип pickup для вторых поверхностей coordinate break, просто позволяет изменять повороты пучка с помощью только двух чисел. Попробуйте ввести числа 30 и -60 для наклонов поверхностей 2 и 5 соответственно, а затем выберите System, Update All, чтобы увидеть этот эффект на Зй-схеме. ПРИЛОЖЕНИЕ I: Начальный курс обучения П1-27
Lesson 7: the achromatic singlet Лекция 7: Ахроматическая линза Что Вы будете изучать в этой лекции: Использование редакторв Extra Data Editor, оптимизация при использовании бинарных поверхностей. Использованные в этой лекции процедуры доступны только для программ в редакции ZEMAX-EE. Эта лекция предполагает, что Бы успешно освоили материал лекций 1 и 2 и что Вы уже знаете, как выполняются основные операции задания длин волн и величины апертуры. которых исправлены хроматические аберрации первого порядка. Фокус заключается в том, чтобы использовать обычный преломляющий синглет, одна из поверхностей которого является дифракционной. Кривизна передней поверхности синглета обеспечивает основную оптическую силу, а слабый дифракционный компонент на второй стороне обеспечивает достаточную дисперсию для компенсации дисперсии стекла. Например, линзовый синглет с фокальной длиной / имеет оптическую силу ip = f~l Изменения величины оптической силы для области длин волн ?*F - Яс определя- определяются числом Аббе V для стекла, из которого Сделан синглет: V * Заметим, что для большинства стекол дисперсия невелика; например, ВК7 имеет значение V, равное 64,2 Поэтому изменения 8 оптической силе составляют около 2 % от ее величины. Дифракционная оптика непосредственно влияет на фазу волнового фронта, добавляя оптическую силу пучку лучей. Для дифрактивной поверхности с квадратическим фазовым профилем фаза определяется уравнением 7 = Лг , где А выражено в радианах на линейные единицы в квадрате, г - радиальная координата. Можно легко показать, что оптическая сила поверхности с таким фазовым профилем определяется выражением 7Г Заметьте, что оптическая сила такой поверхности линейно изменяется в зависимости от длины волны! В той же самой области длин волн, в которой оптическая сила преломляющего синглета изменяется на 2%, оптическая сила дифракционного компонента изменяется почти на 40%; кроме того, знак дисперсии может быть изменен путем изменения знака постоянной А. Это свойство может быть легко использовано путем небольшого увеличения оптической силы преломляющемого компонента и последующей компенсации этой величины с помощью дифракционного компонента. Необходимая величина увеличения оптической силы может быть выбрана на основе балансировки продольного хроматизма. Чтобы увидеть, насколько просто это может быть сделано, войдите в программу ZEMAX и выберите из главного меню File. New. Затем в редакторе данных LDE измените тип стандартной поверхности STO на тип Binary 2, дважды кликнув слово "Standard" и выбрав из открывшегося списка тип "Binary 2"; затем нажмите на "ОК" Переместите курсор вниз на строку IMA и нажмите клавишу Insert для добавления П1 -28 SUPPLEMENT 1: TUTORIAL
еще одной строки. Установите величину толщины новой поверхности (#2) равной 100, а величину толщины поверхности #1 (STO) равной 10. Для поверхности #1 введите марку стекла "ВК7". Теперь в главном меню войдите в System, General, введите величину апертуры системы, равной*20, и нажмите на "ОК". Наконец, войдите в System, Wavelengths и введите три длины волны: .486, .587 и .656. Сделайте длину волны .587 главной. Во-первых, мы посмотрим, насколько хороши характеристики выпукло-плоской линзы. Сделаем радиус поверхности #1 переменной величиной. Затем войдем в Editors, Merit Function. В меню редактора Merit Function Editor (MFE) войдем в Tools, Default Merit Function. Увидим, что оценочная функция определена, так что нажмем на ОК. Закроем окно MFE. Теперь войдем в Tools, Optimization. Нажмем на "Automatic", и величина оценочной функции быстро уменьшится. Нажмем на "Exit" и войдем в Analysis, Fans, Optical Path. Появится график OPD, показывающий, что величина аберраций составляет около 8 длин волн. Обратите внимание на то, что в этой схеме в основном преобладает продольный хроматизм. Имеются также значительные сферические аберрации и аберрация дефокусировки. Эти характеристики настолько хороши, насколько это возможно для выпукло-плоской линзы. Для улучшения схемы войдем в Editors, Extra Data. В редакторе EDE введем число "Г в графу "Max Term #" и число 0й в графу "Norm Radius". Сделаем величину в третьей колонке под названием "Coeff on РЛ2" переменной величиной с помощью клавиш Ctrl-V. Теперь из главного меню войдем в Tools, Optimization; в окне оптимиза- оптимизации должно быть показано, что имеется две переменные величины (радиус и опти- оптическая сила дифракционной поверхности). Нажмем на "Automatic", и увидим, что величина оценочной функции стала быстро уменьшаться, так как ZEMAX начал использовать оптическую силу дифракционной поверхности для коррекции продольного хроматизма. Нажмем на "Exit". Теперь войдем в System, Update All, и увидим, что обновленный график OPD показывает максимальную величину аберрации около одной длины волны. Большая часть из оставшихся аберраций — это вторичный спектр и сферическая аберрация. Что можно сделать с этой сферической аберрацией? Мы можем ее компенсировать дифрактивной оптикой более высокого порядка. Обратимся снова к редактору EDE, изменим число порядков на 2, сделаем переменной величиной коэффициент четвертого порядка и вновь проведем оптимизацию. Обновим график OPD, и увидим, что аберрации стали существенно меньше одной длины волны. Дифракционная оптика открывает перед конструкторами большие возможности. Системы, в которых используются дифракционные элементы, обладают возможностью иметь большее пропускание и более хорошие характеристики в сравнении с чисто преломляющими системами. Однако нанесение дифракционного элемента для видимой области спектра является трудным в производстве; кроме того, этот элемент обладает большим рассеянием, чем обычная оптика. ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Начальный курс обучения П1 -29
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: RELEASE NOTES Перечень изменений и дополнений, внесенных в ZEMAX с марта по сентябрь 2002 г April 4, 2002 New Features 1. Physical Optics Propagation. This extensive new feature is documented in the new manual. 2. Surface Coordinate Breaks An alternative to using the Coordinate Break surface. See the new manual for details. 3. A very powerful new surface irregularity model has been added to the tolerance analysis feature. The new irregularity allows direct specification of the RMS surface irregularity in lens units. The irregularity is implemented using standard Zernike terms. Up to 231 terms are allowed, and the coefficients are chosen to yield exactly the desired irregularity in both sensitivity and Monte Carlo analysis. The new operand is called TEZL see the new docs for details. 4 NSC Detector Viewer plots now show true intensity in units or radiometric or photometric units per steradian, rather than per pixel. 5. Imported SAT/IGS files no longer are reloaded when changing the position of the object. speeding up manipulation of these objects. 6. New ZPL keyword EXPORTCAD allows IGES/STEP/SAT file export of lens data. 7. New DDE data item ExportCad allows IGES/STEP/SAT file export of lens data. Bug Fixes 1. The MIT vs. 1-icld plot was ignoring surface thermal muki-config data. 2. The Skew Gaussian Beam feature was ignoring the cffeclhe propagation length through grins. 3. The system aperture type paraxial working F/£ gave inaccurate results if the EFl was shorter than roughly 10.0 units. 4. The Zone plate surfaced was ignoring'the last two defined zones. May 16,2002 New Features 1. New ZPL keyword POP allows physical optics propagation analysis data to be saved from a macro. 2. ZPL function STDD and keyword SFTSTDD are used for reading selling the surface tilt and dcccmcr data. SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -1
3. ZPl kevword XDIFFI \ now supports string variable names. 4. Л new source has been added to NSC lhai simulates a Gaussian distribution. 5. NSC detector objects maj now be exported to CAD format files. 6. NSC Coaling/Scattering group data is now listed on the prescription report. 7. fhe polarization pupil map now supports showing data at any surface. 8. Hie Cl£NX and CF-NY operands now support computation of the ccmroid at any surface. 9. Fhe GFNC operand now supports the choice of reference to chief ray. ccmroid. or \ cries. 10. Л new "overall weight" ma> be applied lo ihc default merit function lo scale the weights relative to the user defined operands. ! 1. 'I he merit function report now lists the default merit function and user added merit function operands as separate values. 12. For tolerancing. the term "criteria" is now used instead of "merit function" to a\oid confusion with the merit function used for optimization. 13. The memory manager for ABg data used by /I:M.\X has been modified to use substantially less memory when ABg scatter data is not being used. 14. The active cursor coordinates have been added to the surface sag and surface phase grey scale and false color plots. 15. The speed of the performance test has been increased to lake less time on slow computers. Bug Fives 1. The transfer function for ranges of surfaces in POP could suffer from incorrect phase scaling. 2. The pop surface transfer function may add the incorrect sign of the phase aberrations in refractions following mirror spaces. 3. /PI function MCOP was causing an incorrect syntax error. 4. The /PI NS I"R command ignored the polarization setting if polarization was switched off on the ray trace control dialog. 5. The MTF vs. Field plot only worked properly in configuration 1. 6. The auto-thermal tool was not copying over all existing operand data. 7. The lens catalog insert did not correctly reverse lenses inserted after a mirror. 8. The scale lens feature incorrectly scaled phase terms on the binary 1 and 2 surfaces. 9. NSC Binary 2 objects with very large phase coefficients were not ray tracing correctly. 10. When splitting and scattering rays in NSC mode, the ghost and diffracted from flags could get mixed up. 11. The prescription report was listing the surface decenler у as the x value. SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -2
12. 1 he consider distortion option on extended diffraction image analysis was using the incorrect Held position to account tor distortion. June 10,2002 New Features 1. The MACROS directory for ZPL macros now supports subdirectories. This allows organization of macros into user defined subdirectories. 2. The POP contour display now supports user defined contour intervals. 3. Two new NSC objects have been added The extended polynomial lens and surface. These are solid and shell objects similar to the extended polynomial surface type. 4. The "Zero phase for relative intensity below" control has been added to the POP ZBF Viewer. 5. DDE keyword ImportExtraData added lo import extra data for grid sag and other extra data surfaces. 6. FICP operand allows optimization of POP fiber coupling results. 7. POP fiber coupling may now be computed with the receiving fiber centered on the incoming beam or the surface vertex. 8. The "scatter towards" list no longer automatically includes the object from which the ray was scattered, the user is thus allowed to decide to include the scattering object or not. 9. ZEMAX now automatically switches from Index/Abbe offsets to linear offsets for lolerancing on materials only defined outside the visible band. Bug Fixes 1. An infinite loop could occur in the glass substitution algorithm if no glass can meet the template specs. 2. The MFE could crash if the default merit function generated fewer operands than was currently displayed. 3. The MCE operand MCOM did not properly truncate comments too long lo display. 4. When using polarization to compute the FFT MTF. ZEMAX would use the defined wavelength weights rather than the transmission resulting from the polarization trace. 5. The extended polynomial surface was incorrectly supporting thermal pickups on values other than the normalization radius. July 9, 2002 New Features 1, A new "zoom in by factor" on the POP analysis window makes it easier to omit the guard band from the display. 2. The POP window now displays system, receiver, and total coupling for fiber computations. SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -3
3. FICP now includes the bysicm transmission 4. The coating TAPR feature now supports rotated taper functions, and a new taper of the form of an x, >. polynomial. 5. \ctivc cursor support has been added to the 2D Illuminjtion plot. 6. l-'xicnsion items SctMulticon and GetMuhicon ha\e been added to sei/rcirieve mulii- configuration data. 7. 1 he glass substitution template now allows disabling of each template test indi\ iduaiiy, and the user may choose lo exclude or include glasses which have no data provided. 8. Thin film coating layer thicknesses may now be individually modified. optinii/eiL and toleranced on any surface. 9. New operand CODA allows detailed access to coating and polarization ray trace data for optimization. 10. The DDF items GelSurfacc and SeiSurface have been replaced with GetSurfaceData and SeiSurfaccData to allow for better access to surface data and easier future expansion. 11. Tolerance operand "SVUD" has been added to provide control over the Monte Carlo random number generator. Bu» Fixes 1. The chromatic focal shift plol makes a straight line if me primary wavelength is under mulii- configuration editor control, 2. XSC diffractive objects did not zidd phase in ihe "phase" column of the ray database viewer or coherent detector data. 3. Parameter pick up solves did nol work from the object surface. 4. The Image Analysis feature was improperly normalizing some B1M files. 5. The ray reflection polarization phase coefficients were improperly computed. The field data is correct. 6. Systems with severe caustics in cosine space or huge aberrations returned incorrect geometric fiber coupling estimates. July 24, 2002 New Features 1. NSC objects now support a "draw axis" option, which shows the orienuition and position of the object local coordinate system. 2. Operand CMVA added to return the coating mullipler value of any layer. 3. NSC object "asphcric surface 2" has been added which supports decentered annular elliptical and rectangular apertures. 4. l*he "scale lens" feature has been added to Ihe NSC tools menu. SUPPLEMENT 2: Release notes П2
5. A new method for calling user defined surface DI Us has been defined which supports all available lens data editor parameters. Bug Fixes 1. The ZERN operand could cause a program crash during optimization under rare circumstances. 2. Operand CODA did not return an error code if the ray cannot be traced. 3. The auiothcrmai setup feature may incorrectly consider a coordinate break to be a refractive surface. 4. DDE item importExtraData could cause a memory error. 5. The default merit functions were not constructed properly when toelrancing a single configuration of a multi-config lens. All configs were considered, even if only I was being tolcranccd. 6. The thin film ray phase was not computed correctly for the special case of very thick coatings. August 26, 2002 \c\v Features 1. A new "offense against the sine condition" operand, OSCD, has been added. 2. The wireframe, solid model, and shaded model plots now support the option to square edges or not. 3. Zone plate surfaces may now be mirrors. 4. The POP propagation report now checks for inadequate sampling and insufficient guard bands at every surface, and issues a warning if detected. The propagation report is a display option for POP text windows. 5. POP now supports arbitrary transmission on user defined surfaces even if polarization is ofT. 6. New optimization operand POPD has been added to return data from ihe Physical Optical Propagation feature for optimization. Supported data include fiber coupling, total power, peak irradiancc. beam position, beam ccntroid* RMS data, and encircled energy. More data may be added in future expansion. 7. The NSC detector viewer now plots radiance or luminance (power area,solid angle) in either angle or position space. S. More comprehensive support for adjusting mulli-config data while scaling lenses and adding fold mirrors has been added. 9. 193.10 Tllz. or j wavelength oi~ 1.55252 um. has been added to the default list in the Wavelength Data dialog box. 10.1'ser defined surface DLL's are now passed a scaling parameter so they may scale data used bv the 01 I. SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -5
В и,» 1. Mirrors were ignored by the default element tolenmcing routine: this bug was introduced in the prior release. 2. Universal plot sellings sa\cd in NSC mode could cause program errors in sequential mode. 3. fhe "oui" surface on the Gaussian Beam Skew optimization operands did not increment when surfaces were inserted or deleted. 4. /1-Л1ЛХ now does a better job of handling true /его transmission data on glasses. 5. Default decenter tolerances did not rccogni/e elements made of model glasses. 6. POP would add phase of the incorrect sign on certain mirror surfaces that triggered a transition between inside and outside the Rayleigh range propagations. 7. The surface number on the CliNX and CT'N V operands was not incrementing when new surfaces were inserted. This fix required the exchanging of the Samp and Surf parameters for these operands. 8. The nominal value of the T1ND operand was not listed on the tolerance data editor. 9. The physical optics analysis was not properly handling ray tracing through gradient index and birefrinyeni media, even if "use rajs" was checked. 10. The tolerance TOFF operand was not usable for comments. September 19,2002 New Features 1. The "Annotate" feature now supports arrows. 2. The ЛХС1 operand now supports real rays using a user defined pupil zone, or paraxial rays. 3. New operand SPCH computes sphcrochroniatism. 4. New operand LONA computes longitudinal aberration. 5. New extension keyword SctVig sets vignetting factors. 6. 7.PL SETVAR now supports siring variable arguments for code values. 7. The Autoihemial feature now does a better job of adding thermal pickups for all parameter data. 8. MCE operands have been added to set the global polarization slate. 9. The relative illumination XY scan plot and text now shows the wavelength selected. 10. POP now supports bulk absorption even when not using rays to propagate through absorbing met! ia. 11. NSC detector rectangles may now support coaling and scattering properties. 12. The glass substitution algorithm has been improved for significantly better global r SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -6
optimization when there arc many glasses to substitute. 13. DDE operands GclMulticon and SctMullicon have extended functionality. 14. The escape key now terminates long Zernike coefficient computations. 15. Global oplimi7aiion may now be performed with no variables defined, using only glass substitutions. Fixes 1. A very rare condition could cause a program crash in the ghost focus generator. SUPPLEMENT 2: Release notes П2 -7