Zemax OpticStudio 中的歸一化半徑

ZemaxOpticStudio中的歸一化半徑今天我們要討論的是OpticStudio中的歸一化半徑提問在設計中使用二元面（Binary）、擴展多項式面（ExtendedPolynomial）以及澤尼克面（Zernike）這類具有衍射效應的表面時，OpticStudio是如何定義歸一化半徑（NormalizedRadius）的呢？歸一化半徑OpticStudio在模擬許多具有衍射效應的表面時，會使用含歸一化距離參數(shù)R的表達式來描述由衍射而導致的相位變化。本文將以二元面2（Binary2）為例，講述歸一化半徑的使用方法。二元面2的面型和偶次非球面的定義方式完全一致，二元面2的不同點在于其在偶次非球面的面型基礎上又添加了用多項式表達的附加相位，多項式描述如下：其中N是多項式的項數(shù)，M是衍射級，P表示歸一化的極坐標孔徑坐標，Ai為孔徑上對應極坐標點的系數(shù)。一根入射到光學表面上徑向高度為r的光線，在孔徑上的歸一化極坐標由P=r/R定義。其中R為歸一化半徑。我們不使用透鏡單位下的坐標而是用歸一化坐標，是因為這會使熱分析和優(yōu)化絕熱的衍射光學面及多項式非球面時變得非常容易。對于熱分析和衍射表面的優(yōu)化，由于熱膨脹可以理解為元件尺寸的縮放，因此通常來講只需將歸一化半徑設置為熱拾取求解，即可實現(xiàn)整個面型的縮放。許多非球面使用歸一化半徑的原因也是如此。需要注意的是如果設置歸一化半徑為1，則歸一化坐標即為原坐標。一般情況下，我們需要將歸一化半徑R設置為與表面凈口徑相同或稍大于表面的工作孔徑，但歸一化半徑的確切數(shù)值在這里并不重要，因為我們可以縮放系數(shù)Ai來得到相同相位的表面。您可以查看接下來這個示例：示例文件為OpticStudio內(nèi)置的“消色差單透鏡”（對應文件位置為Zemax根目錄下Samples->Sequential->Diffractivecomponents->Achromaticsinglet）。其中單透鏡的色差由具有衍射效應的二元面2矯正。這里我們使用兩個結構分別設置二元面的歸一化半徑為30mm和50mm，并提取3項相位系數(shù)。將兩種結構的3項附加相位系數(shù)設為變量，使用默認的最小均方根光斑半徑作為評價標準，對兩個結構優(yōu)化。通過改變兩種結構下的附加相位系數(shù)以矯正系統(tǒng)色差，優(yōu)化結果如下：rJActive:IfZConfig虹Config21MCOM- 2Normalizedradius=30m...NorrralizEd「adius=SOm...2PRAM*2/14so.ooo50.0003PRAM/2/15-2955.48&V-8209.689V4PRAM-2/161045.435V8066.626V5PRAM-2/174.278VV雖然在不同結構中優(yōu)化器優(yōu)化出的系數(shù)并不相同，但經(jīng)過歸一化半徑縮放后，每個結構的相位分析結果都是一樣的。您也可以在分析選項卡->偏振與表面物理組->表面下拉菜單->相位圖功能來查看二元面的附加相位分布：

￡u「frc#Ph/BACBFMUEir5B1flltTM哽712f防glueti響仍-35UhIts-srtptn&ticTZplradianscath.Him?的pOfectfltir:e..供w■0MllllMtCFE..Zaiu2eiaxDpticStudia10.1McAf0HTicLn|r“F.p mxCn"*#rA?"1 3\^Grflph、Tflxt卜r古卜r古SyrfsCTiPh&w *-axv □/—A?E3- 3*a-0§gd*d-Automatk:+tunrcnt「**m，聲蕓Ej.二芷，a同時，OpticStudio內(nèi)置有可以讀取表面附加相位的擴展程序幫助您進一步了解該相位信息，如下圖所示：kv-HUbwiti0*119114*IPrftjiwnnrBingiI r— p回 ?lb臉海一UwUse*IhttrAGtJveZOS-ARC*C++MATLABPyttw^I&t和點55XiiAly&M-*EKwraiaHE哪EMmlmHelp-* ■ ?ILkt?~zp&"A^jwrr場西理切二 ［野J〔yOEio■ _1<ihgfa￥§■土3PLqmm< ?rk:i￡)Btl部iB CwwisdIUmuptfitffau OC+—I1<?biO-￡C d<kd?NSOi心腿itsSurfBCC "、 f 響g0Surf:Ty|MCommentiRradiun-ThicknesiMatwri口呻ilm耶$#gCfllcul?tioriTlS!lMTVi>ioriPlDlOBJECT SLlmd^rdl*InfifUEy皿嗣ty1STOP SUrid^id*1DQ.DOO5.000 E2Opw) Bmary2*-loaooo913272500U3IM^GE Std^dfiril■tnAviity■3jS10t-03H

如上圖所示，橫坐標為凈口徑；藍色曲線表示二元面引入的附加相位，單位為周期；紅色曲線表示相位在不同凈口徑處的變化情況（輪廓頻率），單位為周期每毫米。在不同歸一化半徑下縮放系數(shù)這一過程可由宏來完成，如下圖所示。您需要輸入目標歸一化半徑和對應的二元面（binary2）的面序號，則宏程序?qū)⒆詣油瓿蓪Ξ斍案郊酉辔幌禂?shù)的縮放。Cksngeektr^dataofbinary^todifferentnorrrijiizedra-diuE.ZPL?,—nxU息金宣9C1|lIH三INPUT"Targetnormalizedradius"rad2INPUT"Th已surfacenumberofbinary2"jsurFORPAAT0.5GETEXTRADATAl.surFlaxterm=VEC1(1)radl=VEC1(2)ratio二rad2/radlSURPsurjlljrad^jZk=2ratiap-1FOR.i=ljMazterrn,1ratiop=ratiop■*ratio*ratioCoeff= :'!(￡+.：)*ratiopP