Zemax激光光學(xué)設(shè)計實例應(yīng)用013邁克爾遜干涉儀仿真

1、013 :邁克爾遜干涉儀仿真在這一節(jié)的實例中， 我們要采用干涉分析等工具來仿真物理光學(xué)現(xiàn)象。下面，我們一邊建模一邊討論。圖13-1 理想成像LDE編輯器列表圖13-2 理想成像結(jié)構(gòu)及像差分析圖列表我們先建立一個簡單的理想光學(xué)成像系統(tǒng)（4F系統(tǒng)），系統(tǒng)設(shè)置中，物方類型選擇物面數(shù)值孔徑（隨意設(shè)置一個合理的值）；波長為默認(rèn)；視場為默認(rèn)0度。在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中輸入如圖13-1 所示的數(shù)據(jù)。停止面（Surface 1）的類型選擇Paraxial XY （傍軸光線），這樣就可以將這個面設(shè)置為“理想薄透鏡”。注意，“Paraxial ”為旋轉(zhuǎn)對稱理想透鏡，Paraxial XY ”為兩軸分離理想薄透鏡，可以

2、分別設(shè)置兩個軸不同的光焦度，即單獨(dú)設(shè)置一個軸就成為“理想柱面鏡”。其參數(shù)“ X-Power ”和“Y-Power ”分別為兩個軸的光焦度，即理想焦距的倒數(shù)。然后打開3D Layout查看光路結(jié)構(gòu)，同時調(diào)出各種像差分析圖，例如點(diǎn)列圖、光扇圖、光程差OPD圖表等等，看看理想情況想的像差分析圖表是什么樣子的。如圖 13-2 所 示，像差圖分析結(jié)果像差均為0,點(diǎn)列圖為理想點(diǎn)。再來看看理想情況下的成像效果。點(diǎn)擊Analysis Image Simulation ImageSimulation打開成像仿真器，默認(rèn)情況下的成像仿真為網(wǎng)格線條模式，如圖13-3 所示。圖13-3 理想成像仿真分析（網(wǎng)格線條模式

3、）點(diǎn)擊設(shè)置菜單，更改輸入文件，根據(jù)自己的喜好選擇物方圖像。軟件自帶了一個BMP格式的演示圖片（高一點(diǎn)的版本才有），可以用來模擬拍照實際成像效果。參數(shù)設(shè)置如圖13-4所示，其中視場高度（Field Height ）選項與系統(tǒng)設(shè)置中的視場類型有關(guān)，如果系統(tǒng)設(shè) 置中視場類型為視場角度，那么這里應(yīng)該是指物面對停止面STO的張角（全角），所以視場高度若再設(shè)為0,則表示物面尺寸為 0,可能無法看到成像。將視場高度（Field Height ） 的值設(shè)為5 （度），表示物面高度（Y方向）尺寸設(shè)定為tan5*50=4.4mm 。而X方向（寬 度）則根據(jù)圖片的比例（像素比例）直接換算得到。設(shè)置完畢，得到理想成像

4、系統(tǒng)的成像效果如圖13-15所示，成像比例一比一，清晰度和原圖一樣。如果你要采用自己感興趣的仿真圖片，可以自己將 BMP格式的圖片放在IMAFiles 文件目錄下即可。圖13-4 成像仿真分析參數(shù)設(shè)置（照片演示模式）圖13-5 理想成像仿真分析（照片演示模式）接下來，我們要采用干涉分析來檢驗像面的波前特性。在主菜單點(diǎn)擊Analysis 一Wavefront fInterferogram打開干涉分析圖像。這時候，我們發(fā)現(xiàn)沒有任何干涉圖像。為何？那是因為這里我們將像面放在了理想成像系統(tǒng)的最佳像面處，這時各種像差為0,點(diǎn)列圖為理想點(diǎn)，因此是無像差光學(xué)系統(tǒng)，波前光程差為0,無干涉圖樣出現(xiàn)。但是如果將像

5、面位置偏離理想像面，這日就存在像差了離焦。將Surface 2 的厚度由50改為50.1 ,并打開干涉圖樣參數(shù)設(shè)置對話框，如圖 13-6 所示，設(shè)置好參數(shù)。 注意，我們看到參數(shù)設(shè)置中有兩個光束選擇選項，分別為Beam1和Beam2 ,因為干涉必須Reference )是兩束光，其中一束是設(shè)計光路中的光束，還有一束是默認(rèn)的參考光束（圖13-6 干涉圖像仿真參數(shù)設(shè)置圖13-7 干涉圖像仿真分析設(shè)置好參數(shù)，確認(rèn)返回圖像窗口，得到如圖 13-7 所示的干涉圖樣。這是典型的牛頓要用到多重結(jié)構(gòu)。如環(huán)干涉圖樣。為了逐步深入，我們再來看看兩束設(shè)計光路的干涉情況。圖所示，輸入LDE編輯器面型數(shù)據(jù)，物方設(shè)為物面數(shù)

6、值孔徑 0.2 ,其他系統(tǒng)參數(shù)可以默認(rèn)。Surface 1和Surface 2分別為焦距不同的理想柱面鏡準(zhǔn)直，Surface 3為理想透鏡 TOC o 1-5 h z 聚焦，如此可以獲得一個橢圓光斑(離焦的時候)。圖13-8 理想系統(tǒng)LDE編輯器列表然后打開多重結(jié)構(gòu)編輯器，增加一個結(jié)構(gòu)，將兩個柱面鏡改為單個理想圓透鏡準(zhǔn)直，使得聚焦光斑為圓形對稱。如圖13-9 所示。然后打開報告圖表( Report Graphic4)設(shè)置參數(shù)使其分別顯示光路結(jié)構(gòu)和離焦光斑點(diǎn)列圖，如圖13-10 所示，結(jié)構(gòu)1為橢圓光斑，結(jié)構(gòu)2為圓對稱光斑。然后再次設(shè)置參數(shù)，將上面兩個子圖改為干涉圖樣 I Interferogra

7、m ),且分別與參考光束干涉，如圖 13-11 所示。圖13-9 多重結(jié)構(gòu)編輯器列表可見，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的參考光干涉圖樣均為牛頓環(huán)，只不過結(jié)構(gòu)1為橢圓形牛頓環(huán)。也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu) 1和結(jié)構(gòu)2分別與參考光進(jìn)行干涉的圖樣不同時，兩個結(jié)構(gòu)之間才 能形成干涉圖樣，否則完全相同的像差分布的結(jié)構(gòu)之間是不產(chǎn)生干涉圖樣的。接著，我們再打開新的一個干涉圖樣分析窗口，將干涉光束Beam 1和Beam 2分別設(shè)置為結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2,并將使用出瞳形狀(Use Exit Pupil Shape )去掉勾選，比 例因子設(shè)為5以方便看到范圍更大的干涉圖樣。最終得到如圖13-12 所示的干涉圖樣，即結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2所干涉形成的圖樣

8、為條紋。這里需要 注意的是，像面位置仍然不能放在理想?yún)R聚點(diǎn)，否則可能也無法看到干涉圖樣；不過若是采用實際的透鏡代替理想透鏡，因為像差的存在，像面放在任何位置應(yīng)該都能看到干涉圖樣。,碗4星亂鋪“ 1囪K4J UE I7 3B.E UH EE KFSD L即歸Bf皿廊KW：71U EXE IT 第七 IJC1S ABE iM*Fiai 5H5 即 EMJE 圖13-10 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的光路及光斑點(diǎn)列圖i .B0za HCEJElo.Boon0.7 a孰附叫 MQBJ!1 由.際己2mQi 二由口 也的如iEeih匕B4尻-I hr口 11 口 11-山耳口?。?3L1HU EEC 11T 313

9、Ea. 1 FT 口 EEUlI. E . UlU DEZ：.PEW TO IRLL1 h 5 Ant U=UES. RHHDK/URJE、E.iBK；SUNILL I nfixEKET HIFCL DCHICTTR HIIWETERSXTO-T - II 鞏 TTELT * 明AEgg Oc ZH；xi -0B30 7eiKJH 與 B00BHeMH與&碗 n MExem ,2BS2B .2B00 B t LERHl Q .。皿：|，匕叱匕歸口口產(chǎn)1 HEiN!=t：q 綸e!-上FHUb 上口卜1 Hr Cllll-，E：H工小門 士1W DEZ IT IDLE。.心宜.： nr e 3現(xiàn)

10、 a iiesq se.PBt： m WLLEV n.BWi I ACS. FiHEE-W 工！L(ENI.UTIIKi 川EEn rtriL jirrmcRiimj-ikErcHEX71LT - fl G3 TTD.T 13 lb吞EwBEQCZNTHPOlCH F&： ：葉 J QER邙Am宵HPCUfiH FClCuS SPOT dlRCRPH二H LT 315 IMIS PRE M.KraXMCC I CHIEF HTT圖13-11 結(jié)本1和結(jié)構(gòu)2的干涉圖及光斑點(diǎn)列圖圖13-12 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的相互干涉圖前面說過，干涉是兩束光束相互作用，并且這里不再是參考光束與設(shè)計光束之間干涉。所以

11、也會用到多重結(jié)構(gòu)，先建立一個基礎(chǔ)光路結(jié)構(gòu)(Config 1)。如圖13-13 所示，輸入透鏡面型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)參數(shù)中，采用物空間數(shù)值孔徑NA0.2 。 Surface 1和Surface 2為兩個理想柱面鏡，將光束準(zhǔn)直為橢圓光斑。其后有兩個反射鏡，用來改變光路方向，最后一個理想透鏡聚焦， 像面放在離焦位置。 如果想更真實一些的話， 可以將最后一個理想透鏡用實際透鏡替代。I enr& Data Editor: Con tig 1/2Surf: TypeRadiusThicknessGla2sSejni-Diaii.-ConicPar一P ar 1 (utl.Par 2 (utl F ar 3 (un

12、us.,jBJStandardInfinity25,0000.0000.0S70Paraxial KY25. DOO15. OOD UQ. ODOiQ. 0402Paraxial KY0- a DO3 5. U020D. DOO3St andard!Infinity60.000艮1030,. 04Coordihat,.0, QOO-。,000凡00Q0. DOO45.0005kSt mdardInfinityo, anoMIRROR】5+QQ口 UQ+Q6Coordinat.-50. DO一D.OOD0. 0000. DOO45. 000 P7Coordinat,D.JOOQ 0000.000

13、J. ooo0.咆8*StwdardInf imily0. ODOMIRROR15, OOD UQ.Q9Coordinatu a100. 00一L 000必 OOOi0. DOO. om P10Par 31sL 立I0.000B. 1032K OOi111StwdaedIfif25,0505.1030,0IKAStandardInfinityD+DIDELQ圖13-13 結(jié)構(gòu)1透鏡數(shù)據(jù)編輯器LDE列表然后打開3D Layout查看光路結(jié)構(gòu)是否與預(yù)期的相同；接著打開多重結(jié)構(gòu)編輯器, 增加一個結(jié)構(gòu)。如圖13-14 所示，增加若干個操作數(shù)，并修改結(jié)構(gòu) 2的屬性值。Multi-Configuratio

14、n EditorActive：Corvfig L*Contie 21: PAR210. 0400. 0002： PAK220.0000,. 0203: THIC350. 000100-000L： PAR3445.0000. 000卜：PAK37D. 00045, 000| 命 THIC9100_ 00050.000網(wǎng)T50.001Q, 000圖13-14 多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編輯器列表編輯完成，更新 3D Layout結(jié)構(gòu)圖，并顯示所有光路結(jié)構(gòu)。光線顏色顯示按照結(jié)構(gòu)區(qū)分，如圖13-15 所示，就是邁克爾遜干涉儀的基本光路結(jié)構(gòu)。1: 30 Layout3D LAYOUT圖13-15 多重結(jié)構(gòu)3D光路結(jié)構(gòu)

15、圖然后打開干涉分析圖(Interferogram ),干涉光束分別選擇結(jié)構(gòu) 1和結(jié)構(gòu)2 ,設(shè)置合適的比例因子，去掉“使用入瞳形狀”勾選，采樣率適當(dāng)設(shè)置高一點(diǎn)，最后得到的干涉圖樣如圖13-16 所示。這和之前圖 13-12 的干涉圖樣是一致的。然后，我們可以修改結(jié)構(gòu)7: CRVT在結(jié)構(gòu)2中的屬性值由 0改為參數(shù)，從而改變干涉圖樣。例如，將結(jié)構(gòu)操作數(shù)0.0004 ,更新得到的干涉圖樣如圖13-17 所示。圖13-16多重結(jié)構(gòu)干涉分析圖2; Irnterferagram1.00000.50060,B00G0.70000.60000.50000,40000.30000.20000.10000.0000

16、LNTERFEROCRRH BETWEEM CONFIGURfiTIDNS 1 RND 2FRI DEC 16 20 IE中，占32m 2 RT 0.0030, B.QBBO DEC.PEHK TD iJRLLEY * lb ,Q37Q UARJES, FRINGES/MAUE * 2, B0DE.A E A EE Of.ZMXSURFACE： IMAGEEXIT PUPIL DIAMETER： 1.LQBSE4a0Q MILLIMETERSXT1LT =口的.(TILT =亂睡.圖13-17邁克爾遜干涉儀多重結(jié)構(gòu)干涉分析圖圖13-18邁克爾遜干涉儀多重結(jié)構(gòu)干涉分析圖同理，也可以修改結(jié)構(gòu)1中的參數(shù)，例如將結(jié)構(gòu)操作數(shù) 7： CRVT的對象設(shè)為Surface