光学设计ZEMAX——什么是MF、RMS均方根点半径

2021年11月15日 3点热度 0条评论 来源: qq_45657754

摘自:链接: https://m.sogou.com/transcoding/sweb/detail.jsp?vrid=30000000&sct=178&spver=1&clickTime=1592912517452&mcv=55&pid=sogou-mobb-f65854da4622c1f1&clk=11&pno=1&url=http%3A%2F%2Fwww.zhengshili.com%2Fnews%2F%3F2179.html&pcl=292%2C2256&id=c91ccf5e-1a12-4b6b-a337-75eb19cc0956&sed=0&wml=0&rcer=Q9PEmkhUmNFhqcJrx&linkid=summary&is_per=0&g_ut=2&dp=1&ml=34&key=%E5%85%89%E5%AD%A6%E8%AE%BE%E8%AE%A1MF%E6%98%AF%E4%BB%80%E4%B9%88.

综述

总的来说就是:RMS是只由像差引起的弥散斑,艾里斑是由衍射极限引起的弥散斑,是不可超越的,是必然存在的。当RMS斑在Ariy里就可以认为此系统良好。此外,MF值可以近似等效看作RMS斑,且值越小越好。

详解

点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说,它就是通过计算,把一系列物方的点通过光学系统以后,成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

为了表现方便,它可以选择一系列预定的模板形式,具体来说,比如一个在轴上的点,从无限远成像到IMA面上,ZEMAX就模拟在无限远有若干个发光点(光束),这些点平行射入入瞳,然后经过光学系统,最后成像在IMA面上。显然如果光学系统是完美的光学系统,那么这些点成像点为一个理想的点。但对于实际的光学系统,就会成像为一个弥散斑。那么这个弥散斑在IMA面上的像,就是Spot Diagram。同理,在非轴上点,也可以参照主光线的角度和位置,形成一系列的发光点,经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过Spot Diagram观察出光学设计的质量,简单说,这个弥散斑越小越好。如果你发现弥散斑足够小,满足你对光学系统最小弥散斑的要求(spot diagram的单位是微米)那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。换句话说,就是你的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道你的光学系统足够的好?这里有个参考,就是airy斑的参考。airy斑是物理光学的一个概念。它指出在形成的弥散斑直径在2.44F(主波长)以内的时候,该光学系统可以认为是理想(完美)光学系统。这样当你在Spot Diagram图中,在setting菜单中,设置显示airy斑。然后发现你的点列图完全都在airy斑环之内,你就可以认为你的光学系统设计已经完美。但实际上,很少有光学系统,可以满足符合airy斑直径的要求。那么说明你的光学系统有像差。

究竟是哪种像差在起主要作用?主要的像差有,球差,慧差,像散,场曲,畸变。这些像差在spotdiagram上的表现各不相同。但由于一个光学系统通常是各种像差的混合。因此需要你对spotdiagram的形状进行判断。确认是主要是哪种像差,然后通过修改玻璃,或者曲率以及光阑的位置等加以调整。

不同的像差有不同的像表现,同时随着像差的大小不同,这个像,也叫斑点的大小也不一样,显然像差越小的光学系统,其斑点也越小。衡量这个斑点大小有个定义,就是RMS半径定义,另外还有一个就是几何半径的定义。RMS是均方根半径,可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。

在Spot Diagram中还有几个参数可以参考,RMS RADIUS,均平方根半径是一个重要的半径参数,它是弥散斑各个点坐标,参考中心点,进行的坐标平方和后,除以点数量,然后开方的值,这个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小,以定量的反映这个系统实际的斑点大小。但它不是全部弥散斑的直径,全部弥散斑的直径是GEO RADIUS。RMS RADIUS是重要的反映弥散质量的参数,它和在优化中和MF的值极大的吻合。(就是说MF的某个视场最后值就是RMS的半径)

需要说明的是:不同的射入入瞳的光线排列会对最后的RMS半径等有影响,但并不大。

关键影响RMS半径的是,每个airy斑的中心点参考点的选择:一种选择的方式是根据主光线的位置做为斑点中心光线的中点。另外一种方式是采用斑点的实际重心做为斑点中点。

对于一个轴对称系统,在轴上,显然主光线中心和斑点重心是一点没有差别,但在轴外点成像。主光线的中心计算出来的RMS显然要比斑点重心计算的RMS半径要大。其实,通常采用的是斑点重心的参考中点方式。

Spot Diagram与RayFan的区别:
Spot Diagram的形成,我们也可以在轴外子午面上选择一点做为发光点。这个点同样将光线射向系统的入瞳和光阑位置。和Ray Fan不同的就是,这次我们考虑的更全面些。这一束光线不是Ray Fan的一个子午面方式,而是一个面阵的方式发散。而是全面的射入入瞳。为了计算和比较,有几种布置光线的方式可以选择,比如随机点方式,矩形方式,圆形方式,还有三角方式等等。目的是能尽量保证平衡射入这个系统。

    原文作者:qq_45657754
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