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如何使用漸暈系數(shù)

概述

本文介紹了在具有固定孔徑的系統(tǒng)建模中如何使用漸暈系數(shù)。漸暈系數(shù)可用于確定穿過(guò)無(wú)遮攔系統(tǒng)的光束的尺寸和形狀。結(jié)合漸暈系數(shù)也可實(shí)現(xiàn)此類系統(tǒng)的高效優(yōu)化機(jī)制。

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簡(jiǎn)介

漸暈現(xiàn)象描述的是圖像的亮度在其邊緣相對(duì)于其中心降低的效應(yīng)。

入射光束的漸暈現(xiàn)象一般由表面孔徑導(dǎo)致。它可能是設(shè)計(jì)師為限制像差而故意為之，也可能是系統(tǒng)中光束超過(guò)具有固定尺寸的光學(xué)組件所致的無(wú)意后果。

在 OpticStudio 中，您可以使用四個(gè)比例系數(shù)和正切角對(duì)此效應(yīng)進(jìn)行建模：VCX、VCY、VDX、VDY 和 TAN。

本文中給出了如何手動(dòng)和自動(dòng)設(shè)定漸暈系數(shù)的示例。本文還給出了一個(gè)展示漸暈系數(shù)主要作用的示例。

設(shè)置漸暈系數(shù)：手動(dòng)設(shè)置

原則上，用戶可以為漸暈系數(shù)指定任意一組值。此功能的用途之一是構(gòu)造進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的入射光束。

探究 Vignetting example.ZMX 文件中提供的單透鏡系統(tǒng)（可在本文開頭處下載此系統(tǒng)的文件）。在此系統(tǒng)中，直徑為 10 mm 的軸上圓形光束入射到透鏡上。光束的直徑由系統(tǒng)孔徑?jīng)Q定：

現(xiàn)在想像我們要讓尺寸為 8 x 6 mm 的橢圓光束入射到系統(tǒng)中，可以通過(guò)修改軸上視場(chǎng)點(diǎn)觀察到的光瞳的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以下公式確定適當(dāng)?shù)臐u暈系數(shù) VDX 和 VDY：

其中 P'x 和 P'y 為按比例歸一化的光瞳坐標(biāo)。

您可以在設(shè)置…編輯器…視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器(Setup...Editors...Field Data Editor)中指定漸暈系數(shù)：

您可以在點(diǎn)列圖中觀察生成光束的形狀：

設(shè)置漸暈系數(shù)：自動(dòng)設(shè)置

如果我們不想自己指定漸暈系數(shù)該怎么辦？我們可以讓 OpticStudio 自動(dòng)計(jì)算所需的漸暈系數(shù)。

重新打開 Vignetting example.ZMX。在此文件中，我們?cè)诠怅@面上放置具有所需尺寸的橢圓孔徑。

邊緣光線現(xiàn)在被孔徑漸暈，因?yàn)槲覀兊娜肷涔馐▓A形，直徑 10 mm）超過(guò)了孔徑大小。使用系統(tǒng)資源管理器中的“設(shè)置漸暈 (Set Vignetting)功能，OpticStudio 能夠?qū)⒐馔叽缧薷臑槿肷涔饩€的尺寸，從而確保輸入光束沒有任何漸暈。

此功能可為每個(gè)定義的視場(chǎng)點(diǎn)計(jì)算適當(dāng)?shù)臐u暈系數(shù)，確保來(lái)自每個(gè)視場(chǎng)的頂部 (Px = 0, Py = 1)、底部 (Px = 0, Py = -1)、左側(cè) (Px = -1, Py = 0) 和右側(cè) (Px = 1, Py = 0) 邊緣的光線都能穿過(guò)系統(tǒng)中的所有孔徑。對(duì)于本例，OpticStudio 自動(dòng)計(jì)算的漸暈系數(shù)與我們手動(dòng)計(jì)算的值相同：

然而，不要低估“設(shè)置漸暈”工具的能力！在可能傾斜和/或偏心以及/或包含不對(duì)稱孔徑的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，此工具非常有助于用戶確定可從每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)穿過(guò)系統(tǒng)的最大光束尺寸。

例如，請(qǐng)打開位于 {Zemax}\Samples\Sequential\Objectives\ 目錄中的“Cooke 40 degree field.zmx”文件。在此文件中，我們將使用“傾斜/偏心元件 (Tile/Decenter)”工具（位于鏡頭數(shù)據(jù)編輯器工具欄中）來(lái)傾斜和偏心三透鏡組的第二個(gè)元件：

有關(guān)借助此工具來(lái)傾斜和偏心元件的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱標(biāo)題為“如何傾斜和偏心序列光學(xué)元件”的文章。由于傾斜和偏心，來(lái)自每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的入射光束部分都會(huì)被漸暈：

然后，“設(shè)置漸暈”工具可用于確定適當(dāng)?shù)臐u暈系數(shù)：

這樣可確保光束沒有任何漸暈：

使用漸暈系數(shù)進(jìn)行高效優(yōu)化

在 OpticStudio 中使用漸暈系數(shù)的主要好處之一是其有助于高效地優(yōu)化漸暈系統(tǒng)。

OpticStudio 使用兩種不同的光瞳采樣算法進(jìn)行優(yōu)化：高斯求積 (GQ) 算法和矩形陣列 (RA) 算法。GQ 算法更高效，但此算法不考慮漸暈，該算法假定所有入射光線都能到達(dá)像平面。因此，如果光線在系統(tǒng)中發(fā)生漸暈（例如由于表面孔徑導(dǎo)致的漸暈），則無(wú)法使用 GQ 算法，必須改為 RA 算法。

然而，如果漸暈系數(shù)用于修改系統(tǒng)中由每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)觀察到的光瞳，則（原則上）OpticStudio 從每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)發(fā)射的所有光線都將穿過(guò)系統(tǒng) - 不會(huì)出現(xiàn)任何漸暈。在本例中，我們可以使用 GQ 算法。

我們來(lái)考慮一個(gè)示例。重新打開“Cooke 40 degree field.zmx”文件。然后，將表面 5 和 6 的半口徑更改為“5”。

點(diǎn)擊視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器中的“設(shè)置漸暈”，設(shè)定適當(dāng)?shù)臐u暈系數(shù)：

現(xiàn)在，我們將使用評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)估算此系統(tǒng)中的 RMS 光斑半徑。為此，請(qǐng)?jiān)趦?yōu)化向?qū)е休斎肴缦轮禈?gòu)造默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)：

評(píng)價(jià)函數(shù)值為 9.93E-3，對(duì)應(yīng)于 9.93 微米的 RMS 光斑半徑：

如果我們?cè)黾硬蓸樱?GQ 算法中使用的環(huán)數(shù)和臂數(shù)），而評(píng)價(jià)函數(shù)值不會(huì)發(fā)生顯著變化，則表明我們最初的采樣結(jié)果良好。生成此結(jié)果所需的光線數(shù)量對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)函數(shù)中 TRAC 操作數(shù)的數(shù)量：函數(shù)中有 63 個(gè) TRAC 操作數(shù)，即需要 63 條光線。

我們現(xiàn)在使用 RA 算法進(jìn)行光瞳采樣。我們系統(tǒng)地增加采樣網(wǎng)格中的光線數(shù)量，直到找到與 GQ 算法類似的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)需要 10x10 的網(wǎng)格：

對(duì)應(yīng)于需要 298 個(gè) TRAC 操作數(shù)。因此，對(duì)于 RA 算法，我們需要 298 條光線，也就是超過(guò) GQ 算法生成相同結(jié)果所需的光線數(shù)量的四倍。這表明 GQ 算法非常高效。然而，如果我們未使用漸暈系數(shù)來(lái)消除此系統(tǒng)中的漸暈，則只能使用 RA 算法。

在某些情況下無(wú)法使用 GQ 算法，因?yàn)榇藭r(shí)漸暈系數(shù)不能適當(dāng)?shù)孛枋鰸u暈光瞳。這些情況包括具有極其不對(duì)稱或異形孔徑的系統(tǒng)，或者像差以高次項(xiàng)為主的系統(tǒng)中存在漸暈時(shí)的情況。在這些情況下，優(yōu)化時(shí)必須使用 RA 算法，并選中“刪除漸暈”選項(xiàng)。然而，對(duì)于具有圓形、橢圓形或矩形孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，漸暈系數(shù)能夠安全地用于描述光瞳，則可以選擇 GQ 算法。

總結(jié)

漸暈系數(shù)用于描述視場(chǎng)點(diǎn)在存在漸暈時(shí)觀察到入射光瞳的方式。這些系數(shù)可修改入射到 OpticStudio 的入射光束的形狀，從而消除系統(tǒng)中的漸暈。當(dāng)優(yōu)化過(guò)程中漸暈系數(shù)可使高斯求積采樣算法更加高效時(shí)，該算法尤其方便。然而，請(qǐng)記住，如果模型中應(yīng)該發(fā)生漸暈的光線在實(shí)際情況下到達(dá)了真實(shí)設(shè)計(jì)中的像平面，那么在 OpticStudio 中使用漸暈系數(shù)預(yù)測(cè)的性能可能過(guò)于樂觀。