波面,波前及其重建?


波面,波前及其重建?

2021-01-16 拾風專欄

今天談一談波面,波前的一些事,在成像系統設計,波面/波前是一個很重要的概念,尤其系統幾何像差比較小,波前(Wavefront)數據,或者波前差(Wavefront Error)經常用於衍射等計算。

在一些主流光學設計軟體比如Zemax中,波前數據(Wavefront Data)更準確的說,應該稱之爲波前差(Wavefront Error)或者光程差(OPD),如下圖:

波前差描述成像光束波面與參考波面的偏差,對於成像系統,參考球面一般是理想球面波。

對於小像差系統,波前差求導便可以得到幾何像差分布(Ray Aberration).這裡強調小像差系統,主要是因爲上述波前差是部分波前像差表徵(Partial Wavefront),對於大像差系該部分波前差難以準確描述系統光學特徵,也難以還原系統光學特徵,作爲對比,後面我們會提出全波面(Full Wavefront Data)的概念,可以用於描述大像差系統及柱面像散系統。

可以這麼去理解,上述的部分波前差(Partial Wavefront)類似於照明光學中的遠場光源數據(Far Field,像IES數據格式)。部分波前差是對嚴格波面或者全波面的降維處理.

OK,我們來討論兩個問題:

1. 我們從市面上買回一台高精度顯微鏡,在此基礎上再加裝一些自製目鏡或者其他光路部分,那麼如何選擇一個合適的起點,使得兩部分光路完全銜接起來?跟供應商要完整的顯微光路數據?,供應商是不可能給的,這輩子是不可能給的。

2.或者說,如果供應商只提供波前數據,我們能否建立一個光路系統來近似描述供應商的系統?

有朋友可能會考慮用理想透鏡系統(Paraxial Lens)來近似,但理想系統跟實際系統有多大偏差,誰也不清楚,要求較高的干涉儀系統會考慮系統的回程波差(Retrace Error),理想透鏡無力分析這種實際系統的回程偏差行爲,因此簡單的理想透鏡系統在實際應用中有很大的局限性與不確定性。

其實如果我們有系統的波前數據,完全可以建立高精度的系統來還原系統的光學特徵。結合ARtrix計算全息(CGH)工具箱,我們可以利用波前差數據來還原系統的光學波前,而無需知道原系統的設計細節,無需擔心數據洩密。

這樣還原出來的波面,可以作爲干涉儀/顯微鏡後續設計的起始點,最大限度的保證設計的可靠性。

對於CGH設計,我們可以採用A-理想透鏡(理想球面波)形式,也可以採用B-完全的實際透鏡形式(實際波面,最高精度);有時候實際透鏡數據不易獲得(供應商保密需要),又擔心理想透鏡形式不夠精確,這時候可以選擇形式C-採用像差數據形式,(上述的兩種的折中形式),精度一般也非常高。

C-UseAberration File:採用像差數據形式

該功能目前支持以下幾種像差數據格式:

1- Zemax波前圖

2- Zemax Zernike條紋係數

3- Zemax Zernike標準係數

上述三種形式的數據可以直接從Zemax的Analyze菜單>Wavefront菜單下保存導出,注意以上三種數據實際是部分波前數據(Partial Wavefront),比較適合小像差系統的像差還原。對於大像差系統或者存在明顯像散的系統如柱面鏡系統,部分波前的數據描述不夠準確,這時候可以選擇用全波面數據(Full Wavefront Data)來還原,全波面數據是一種近場數據格式,CGH工具箱自帶有採集工具,來採集系統入瞳,出瞳等系統全波面數據,CGH工具箱可以自動識別上述4種數據格式。

4-   FullWavefront Data(全波面數據),形式如下:

實例分析:

供應商有一反攝遠鏡頭,結構如下,用戶想配套做一個CGH設計,供應商只提供鏡頭的波前數據

波前數據可選:

A: 部分波前數據(Partial Wavefront Data)

WavefrontMap

澤尼克(Zernike)條紋係數

澤尼克標準係數

B:  全波前數據(Full Wavefront Data)

這裡選Zernike Fringe Coefficients data與Full Wavefront Data做比較

Zerinke Fringe Coefficients Data可由Zemax 直接導出,Full Wavefront Data可以通過FullWavefront_Collection.zpl來採集,它們都是txt數據,都可以通過CGH工具箱Load按鈕來加載,區別在於:

前述三種部分波前數據,只能通過出瞳建立簡單的模型(Simple Model),而全波前數據不僅可以建立

簡單模型(Simple Model),也可以建立高級模型(Advanced Model)(包含入瞳及出瞳數據),並且對於大像差系統及像散系統,全波前數據建模更准。

通過ZernikeFringe Coefficients自動建立的Simple Model,如下

通過FullWavefront Data自動建立的Advanced Model,如下所示

以上模型都可以通過Fit File按鈕或者Build按鈕來自動建立,與原始系統的數據對比如下:可以看到全波前數據精度最高,部分波前數據精度次之,而理想透鏡系統則很難去評估精度。

如果用戶直接點擊CGH工具箱上的Build按鈕,則直接自動生成CGH與待測表面的測試光路。採用全波面的Advanced Model模式,可以避免理想光路近似的不確定性,另外可以高精度的對回程誤差(Retrace Error)進行定量分析。

當然了,用戶如果可以拿到實際透鏡系統,則可以通過Real Lens選項,直接Load Lens,只需要幾秒鐘時間,便可以自動生成CGH設計光路。

CGH工具箱目前接受功能定製,如有功能定製需要,可發送郵件至[email protected],或者武漢墨光:[email protected]