波面，波前及其重建？

今天谈一谈波面，波前的一些事，在成像系统设计，波面/波前是一个很重要的概念，尤其系统几何像差比较小，波前(Wavefront)数据，或者波前差(Wavefront Error)经常用于衍射等计算。

在一些主流光学设计软件比如Zemax中，波前数据（Wavefront Data）更准确的说，应该称之为波前差(Wavefront Error)或者光程差(OPD),如下图：

波前差描述成像光束波面与参考波面的偏差，对于成像系统，参考球面一般是理想球面波。

对于小像差系统，波前差求导便可以得到几何像差分布(Ray Aberration).这里强调小像差系统，主要是因为上述波前差是部分波前像差表征（Partial Wavefront），对于大像差系该部分波前差难以准确描述系统光学特征，也难以还原系统光学特征，作为对比，后面我们会提出全波面（Full Wavefront Data）的概念，可以用于描述大像差系统及柱面像散系统。

可以这么去理解，上述的部分波前差（Partial Wavefront）类似于照明光学中的远场光源数据（Far Field，像IES数据格式）。部分波前差是对严格波面或者全波面的降维处理.

OK,我们来讨论两个问题：

1. 我们从市面上买回一台高精度显微镜，在此基础上再加装一些自制目镜或者其他光路部分，那么如何选择一个合适的起点，使得两部分光路完全衔接起来？跟供应商要完整的显微光路数据?，供应商是不可能给的，这辈子是不可能给的。

 2.或者说，如果供应商只提供波前数据，我们能否建立一个光路系统来近似描述供应商的系统？

有朋友可能会考虑用理想透镜系统(Paraxial Lens)来近似，但理想系统跟实际系统有多大偏差，谁也不清楚，要求较高的干涉仪系统会考虑系统的回程波差(Retrace Error)，理想透镜无力分析这种实际系统的回程偏差行为，因此简单的理想透镜系统在实际应用中有很大的局限性与不确定性。

其实如果我们有系统的波前数据，完全可以建立高精度的系统来还原系统的光学特征。结合ARtrix计算全息（CGH）工具箱，我们可以利用波前差数据来还原系统的光学波前，而无需知道原系统的设计细节，无需担心数据泄密。

这样还原出来的波面，可以作为干涉仪/显微镜后续设计的起始点，最大限度的保证设计的可靠性。

对于CGH设计，我们可以采用A-理想透镜（理想球面波）形式，也可以采用B-完全的实际透镜形式（实际波面，最高精度）；有时候实际透镜数据不易获得（供应商保密需要），又担心理想透镜形式不够精确，这时候可以选择形式C-采用像差数据形式，（上述的两种的折中形式），精度一般也非常高。

C-UseAberration File:采用像差数据形式

该功能目前支持以下几种像差数据格式：

1-   Zemax Wavefront Map

2-   Zemax Zernike Fringe Coefficients

3-   Zemax Zernike Standard Coefficients

上述三种形式的数据可以直接从Zemax的Analyze菜单>Wavefront菜单下保存导出，注意以上三种数据实际是部分波前数据（Partial Wavefront），比较适合小像差系统的像差还原。对于大像差系统或者存在明显像散的系统如柱面镜系统，部分波前的数据描述不够准确，这时候可以选择用全波面数据（Full Wavefront Data）来还原，全波面数据是一种近场数据格式，CGH工具箱自带有采集工具，来采集系统入瞳，出瞳等系统全波面数据，CGH工具箱可以自动识别上述4种数据格式。

4-   FullWavefront Data(全波面数据)，形式如下：

实例分析：

供应商有一反摄远镜头，结构如下，用户想配套做一个CGH设计，供应商只提供镜头的波前数据

波前数据可选：

A: 部分波前数据（Partial Wavefront Data）

1. WavefrontMap

2. Zernike Fringe Coefficients

3. Zernike Standard Coefficients

B:  全波前数据(Full Wavefront Data)

这里选Zernike Fringe Coefficients data与Full Wavefront Data做比较

Zerinke Fringe Coefficients Data可由Zemax 直接导出，Full Wavefront Data可以通过FullWavefront_Collection.zpl来采集，它们都是txt数据，都可以通过CGH工具箱Load按钮来加载，区别在于：

前述三种部分波前数据，只能通过出瞳建立简单的模型（Simple Model）,而全波前数据不仅可以建立：

简单模型（Simple Model）,也可以建立高级模型（Advanced Model）(包含入瞳及出瞳数据)，并且对于大像差系统及像散系统，全波前数据建模更准。

通过ZernikeFringe Coefficients自动建立的Simple Model，如下

通过FullWavefront Data自动建立的Advanced Model，如下所示

以上模型都可以通过Fit File按钮或者Build按钮来自动建立，与原始系统的数据对比如下：可以看到全波前数据精度最高，部分波前数据精度次之，而理想透镜系统则很难去评估精度。

如果用户直接点击CGH工具箱上的Build按钮，则直接自动生成CGH与待测表面的测试光路。采用全波面的Advanced Model模式，可以避免理想光路近似的不确定性，另外可以高精度的对回程误差（Retrace Error）进行定量分析。

当然了，用户如果可以拿到实际透镜系统，则可以通过Real Lens选项，直接Load Lens，只需要几秒钟时间，便可以自动生成CGH设计光路。