zemax图像模拟详解

无人岛屿颈 · 发表于 2023-2-27 16:59:26

常规对于光学设计的成员来说，评价一个光学系统成像质量，专业的就是传递函数、畸变来评价一个光学系统成像清晰与否，是否变形，最多再加一个相对照度。但是对于非光学设计专业的朋友，上来会问一句传递函数是什么，电子信号里面好像也有一个如此术语？或者光学专业的会问什么样的传递函数代表像质量好呢？甚至一些光学设计的朋友对于为什么在截止频率下传递函数大于0.2基本上就可以了不甚了解？还有畸变，更别去说相对照度了。
相对照度详解
那么对于如何给一个非光学设计专业的去解释这个光学系统的成像质量呢？最好的莫过于一个景色经过了光学系统到达探测器上的景色是如何的？是像个近似眼那样模糊还是近在眼前呢？其实这也解释了传递函数的含义，就是一个完美的景色经过光学系统后探测器上得到的景色，这两个景色信号的一个比值就是传递函数。这里不讲解这个，这里讲解ZEMAX中的图像模拟。
ZEMAX的图像模拟是这样一个过程，原始数字图像，光学系统每个视场的点扩散函数，这两个矩阵一点乘即可，这一步在数字图像处理中称之为卷积，得到的就是探测器的图像。当然这卷积的过程不需要我们去计算，ZEMAX提供了这样的一个分析界面。扩展图像分析——》图像模拟，或者几何图像分析，前者可以分析受衍射极限的系统，后者则不考虑衍射极限，我们利用前者分析。

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点击图像模拟之后，得到如下一个图，右击设置，设置相关参数，相关参数可以参考HELP文件，或者下文。

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这里设置项很多，我们讲解一个视场高度这一个设置项，期望这里能讲解清楚明白，与其相关的就是视场设置项与导入文件设置项。
（1）导入文件，可以在里面选择照片作为理想的目标图片，常见选择的就是这个Demo picture-640x840.bmp。也可以自己定义照片，放置在文档中ZEMAX的IMAFiles文件夹中，路径如下图所示。

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这里选用Demo picture-640x840.bmp图片作为理想的目标图像，如下是用PS打开了这幅图：

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可以看到这幅图像素是640*840，或者22.58x16.93cm，二者的比值是一致的，这个比值是关键。

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（2）视场，这里默认的是 1-轴上视场，这个视场定义的是图片的中心为轴上视场，也就是轴上视场的主光线在图片的正中心。这里没必要去设置其余视场，这里设置的视场为轴上视场，那么视场高度则对应的是设计的整个视场。
这里利用讲义中的一个案例进行说明，如下所示，视场采用的是角度视场，此时应该是加近轴面，让角度视场变为物高：

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此时在第一个面加入近轴面，焦距设置4000000mm，此时计算物高视场（半视场）为：

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修改视场类型之后如下所示，这时候可以去查看下像质量之类的，没什么变化，这个4000000，可以设置更大，越大越接近infinity：

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（3）视场高度，光学系统是旋转对称系统的，系统的入瞳孔径是圆的，但是实际中接收图像的探测器是一个矩形的，探测器本身就是一个视场光阑，物面本身也是一个视场光阑，因为二者共轭。这里其实就是说理想的图片就是这里的视场光阑，这里设置的视场高度其实就是相对于上一步视场旋转轴上视场设置的，视场高度就是图片的尺寸。

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图上的圆的直径即为ZEMAX中的物高视场，即2X1.3318E+05。注意这里几个尺寸单位不一样，1.3318E+05mm，640X480pixel。此处就是需要把480pixel计算成单位为毫米的值，然后设置好即可，计算公式如下所示。

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此时把该值设置到视场高度，如下所示：

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此时下面给出了像尺寸为9.5691WX7.1768H毫米，可以计算此时的像面大小为：

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然后根据点列图可以计算像面大小：

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可以看出基本上一致。

zemax图像模拟详解

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