zemax场曲畸变图_《ZEMAX光学设计超级学习⼿册》⼀⼀
本节书摘来⾃异步社区出版社《ZEMAX光学设计超级学习⼿册》⼀书中的第2章，第2.4节，作者： 林晓阳 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”查看。
2.4 像分析
ZEMAX光学设计超级学习⼿册
图像分析在光学模拟过程中的使⽤是必不可少的，其中⽐较常⽤的分析功能有模拟图像(Image Simulation)、双⽬分析(Biocular Analysis)、计算(Calculations)等。
2.4.1 模拟图像
模拟图像(Image Simulation)菜单包括模拟图像、⼏何像分析、⼏何图像分析、部分相⼲像分析、拓展衍射像分析、IMA/BIM格式浏览⽂件等⼦菜单项，如图2-48所⽰。
(1)模拟图像(Image Simulation)：模拟图像功能主要⽤来仿真、分析、查看，如畸变、场曲、⾊差的直观图像。
(2)⼏何像分析(Geometric Image Analysis)：⼏何像分析功能有很多应⽤。它可以⽤于模拟⾯光源，分析实⽤的鉴别率，显⽰畸变，表现成像物体的外形提供像⾯旋转时的直观感觉。计算⾯形或点物体像耦合到光纤中去的耦合效率，显⽰光束的“轨迹”，展⽰任意⾯上照度的图形。
ZEMAX⽀持两种不同的IMA⽂件格式，⼀种是ASCII码，⼀种是⼆进制码，不管哪⼀种格式，该⽂件的名称必须以IMA作为扩展名。ZEMAX能⾃动地区别这两种⽂件类型。
ASCII码成像⽂件是⼀种⽂本⽂件。它的扩展名是IMA，位于⽂件顶部，是⼀个表⽰⽂件⼤⼩的数字(⽤像素表⽰)，期于的⾏列包含着像素的数据。每⼀个字符代表⼀个像素，所有IMA⽂件是⽅块状排列着的，内含nn个像素。例如⼀个77代表字母“F”的IMA⽂件，可写成以下形式： 7
0111110
0100000
0100000
0111100
0100000
0100000
0100000
注意：⽂件开始处有单个数字“7”，然后按回车键，输⼊七⾏七列的数据，每⾏结尾按回车键，每⼀列之间不能⽤空格键或任何其他的字符分隔。像⽂件必须是正⽅形的，ZEMAX为储存成像⽂件分配⾜够的内存。如果内存不够，它会报告出错。
每⼀个像素的光强度可以是0到9之间的任何数字，每个像素的光线条数和该数字的⼤⼩成正⽐，若数 52se
字为0，该像素不发射任何光线。
⼆进制的IMA⽂件⽐ASCII码格式的⽂件复杂，并且不能⽤⽂本编辑器编辑。然⽽⼆进制⽂件功能特别强。在⼆进制IMA⽂件中每⼀个像素⽤不带符号的字节表⽰，这意味着它有256个灰度等级来表⽰强度。并且每⼀种波长可以⽤分隔的像素图来表⽰，因此它是可以模拟像⾯光源那样的实际照⽚。 ⼆进制的IMA⽂件格式要求在开头部分有3个16字节的⼆进制数。第1个16位数代表⼀个等于零的带符号的整数。第2个带符号的16位⼆进制数是像素图的宽度(以像素来表⽰)，它可以是1到4000之间的任意数。第3个带符号的16位⼆进制数是像素图的数⽬，它代表⽂件中所描述的颜⾊(或波长)的个数。
例如，3种颜⾊的50×50的像的⼆进制像素图，在⽂件头上将有6个字节(0，50，3)，接着，是代表第1种颜⾊的2500个字节，然后是代表第2种颜⾊的2500个字节，再是代表第3种颜⾊的2500个字节。这样总共字节数是7500个。每⼀种颜⾊按照每⾏的列排列(按列排⽐按⾏排更快)。
每⼀个像素种的光线是从像素单元中的坐标之间随机选择的。每⼀个光线的⼊瞳坐标也是随机选择的。对指定的像素和近轴图形，⼊瞳光线分布是均匀的(如果采⽤光线定位的话，⼊瞳会产⽣某些变形)。
在ASCII码的IMA⽂件中，每⼀像素所产⽣的光线总数等于该像素的光强乘以波长数乘以光线密度。每
⼀条光线所⽤的波长是随机的，并且和波长数据屏幕中提供的波长权因⼦成正⽐。在⼆进制的IMA⽂件中从每⼀像素产⽣的光线数和光线密度乘以相对于256的分数密度成正⽐。
视场⼤⼩决定了光学系统可以看到的成像⽂件的物理⼤⼩。例如，视场⼤⼩为(在这⾥已假定视场⼤⼩是⽤物⽅或像⽅的⾼度来表⽰)，使⽤30×30个像素的像⽂件，那么每⼀个像素所代表的区域是67×。 如果同样的像⽂件后来⼜⽤在全视场为40度的系统，那么视场⼤⼩就是40度，每⼀个像素就代表1.33度。如果⽤量度单位来区别各个物体形式，同⼀个像⽂件可以应⽤于不同的场合，如图象⽂件“letterf.ima”包含了7×7个像素⽹格，代表了⼤写字母F，像的⼤⼩可以是，然后是，再是，可以得出该光学系统能分辨出多⼩的字母，⽽⽤不着修改IMA⽂件。
注意：如果视场是由像⾼定义的，那么视场尺⼨决定了像空间的物的⼤⼩，⽽不是物空间的物的⼤⼩。
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视场尺⼨总是⽤视场的同⼀单位度量。同样对像⾼⽽⾔，视场⼤⼩决定了像⾼。物的⼤⼩由视场⼤⼩除以镜头的放⼤率得出。
视场位置的选择使得像质分析有很⼤的灵活性。例如，字母F的像⽂件，可以在视场的若⼲位置进⾏测试以便判断分辨率是否是受到视场像差的影响。物的⼤⼩⽤字母的⾼度来设定，但是以所选定的视场点的主光线的交点为中⼼的。
在默认情况下，光源是⼀个光线的均匀辐射体，在这⾥均匀是指在“⼊瞳”⾯上均匀，所有发出的光线都均匀地落在⼊瞳之内，它们的权因⼦都相等。因为光线波长是按照波长权重的⽐例关系随机地选择的，所以不需要⼀个明确的波长加权因⼦。均匀设置通常对物距很⼤的⼩视场系统⽐较合适，光源也可以设定为朗伯体，这种光源的所有光线的权因⼦是它们的余弦因⼦。
在默认设置时，所有⽆渐晕的光线被显⽰出来，在确定探测器的选项时，允许设置数值孔径，这样可以把⼤于所规定的数值孔径的光线排除在外。作为例⼦，本功能可以⽤于估计光纤光线耦合效率。
探测器上像素的尺⼨和数量也可以设置。这些值只能⽤于“⾯形图”和“三维直⽅图”选项。本功能只是简单地统计落到每⼀个像素的光线数⽬，把结果⽤三维强度图形⽅式来表⽰最后的像。为了计算和显⽰⾯形图和三维直⽅图，需要庞⼤的内存和计算时间。
百分效率是由下式定义的：
图像说明⽂字
式中i的求和是对所有未产⽣渐晕的光线进⾏的，⽽j的求和是对所有已发射的光线进⾏的。如果在计算中选择了“Use Polarization”这⼀设置的话，那么所计算的效率中就考虑到了光学系统中反射和透过的损失。它还考虑到了渐晕、光源分布、波长的权重和探测器的数值孔径。为了限制像接收直径(如在光纤中)，可在紧靠具有最⼤径向孔径的像⾯的前⾯放置⼀个圆形孔径。
本功能另⼀个普通的⽤处是选择⼀个⽹格状的物体(如GRID.IMA抽样⽂件)，然后利⽤最后得到的像来评价畸变。本功能对把物⾼作为所选择的视场类型的系统特别有效，这是因为畸变是指整个物平⾯上的固定放⼤率的偏离。
然⽽对⽤⾓度来定义视场的系统⽽⾔，像分析功能会产⽣虽然是正确的但容易引起误解的结果，这是因为在作像分析时，将把扩展的光源像⽂件分成等⾓度的⼩⾯积，⽽不是等⾼度。
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例如，⽤10个像素宽的像⽂件来表达的视场宽度时，每平⽅毫⽶有1个像素，同⼀个像⽂件⽤于视场为10度的系统时，每个平⽅⾓度有1个像素。在这两种情况下，物的形状是完全不相同的，在这种场合应使⽤更⼴义的⽹格畸变图。
b301当观察⾯形图和三维直⽅图时，按左、右、上、下⽅向键及Page Up或Page Down键时可转动所显⽰的像，以得到不同的透视。
在像分析窗⼝中选择“Text”选项将产⽣并显⽰⼀个ASCII⽂件，⽂件中列出了光线数据。如果将“Show”这⼀选项设置成“Image Diagram”，⽂件将有9列，第1列为光线序号，第2列和第3列分别为X和Y⽅向的视场坐标(⽤度或物⾼表⽰)，第4、5列为归⼀化的瞳坐标Px和Py，第6列为波长序号，第7列为光线的权重，它与光源的特性有关，第8、9列为以参考光线为基准的⽤透镜单位表⽰的像坐标，如果“Show”这⼀选项选择为“表⾯图”或“三维直⽅图”，那么“Text”将列出每⼀像素中加权的光线数。
⽤“Esc”键可以中断像分析时的长时间的计算。
(3)⼏何图像分析(Geometric Bitmap Image Analysis)：⽤RGB Bitmap⽂件做光源，产⽣RGB彩⾊像。
(4)部分相⼲像分析(Partially Coherent Image Analysis)：部分相⼲像功能只是它利⽤了复杂的光学传函计算(OTF)来计算像的外形。本⽅法考虑了光束通过时的频谱限制和其他与衍射有关的实际光学系统对像构成的影响。
(5)拓展衍射像分析(Extended Diffraction Image Analysis)：⽤OTF计算扩展光源的像的外观。像⾯上不同视场上的OTF不同。
(6)IMA/BIM格式浏览⽂件(IMA/BIM File Viewer)：提供这两种不同图⽚格式。
2.4.2 双⽬分析
双⽬分析(Biocular Analysis)如图2-49所⽰。城市雕塑网
(1)观察视场(Fild Of View)：提供多重结构下视场点。如图2-50所⽰。
(2)双⽬垂直⾓差/集中、收敛(Dipvergence/Convergence)：提供多重结构下收敛⾓度。如图2-51所⽰。
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2.4.3 计算**
计算(Calculations)如图2-52所⽰。
(1)光线追迹(Ray Trace)：单⼀光线的近轴或实际追迹。
如果选中“Ym、Um、Yc、Uc”，那么H x、H y、P x、P y及全局坐标设置将被忽略。对于其他设置本功能允许使⽤者确定归⼀化的物⽅坐标，归⼀化的光瞳坐标、波长序号，然后在各个⾯上考察实际和近轴光线的坐标。
所得到的第⼀套数据代表实际光线，所出现的数值代表光线与⾯交点的坐标(在该⾯的局部坐标系或全局坐标系)⽅向余弦(或⾓度的正切)是光线在该⾯折射后的数据。
⽅向余弦是由光线与特定轴线所成的夹⾓的余弦(如X⽅向的⽅向余弦是光线与x轴构成的夹⾓的余弦)。
第⼆套数据库与第⼀套数据类似，只是对近轴光线计算出来的。⾓度的正切总是采⽤局部的Z坐标⽽不考虑全局坐标系统的设置。
(2)光线耦合效率(Fiber Coupling Efficiency)：计算单模光纤藕合系统的耦合效率。
(3)YNI贡献(YNI Contributions)：列出每个⾯的近轴YNI贡献值，拉赫不变量。
浪潮财务共享(4)⾯型凹陷表(Sag Table)：列出所选⾯上，距顶点不同距离处的表⾯z坐标。
(5)主要参数(Cardinal Points)：主点、节点、焦点和反主点的位置列表。
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