Ansys Zemax丨如何反转一个光学系统

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引言

有时，根据分析数据对光学系统进行逆向工程可能更容易或更方便。OpticStudio 通过“反转元件”工具使这一操作成为可能。虽然该工具的预期用途是反转光学系统中的单个元件或一系列元件，但也可以将其改用于反转整个序列系统。

本文将介绍如何通过使用“反转元件”工具来反转整个光学系统。虽然该工具并非为此应用而创建，但通过采取几个简单的额外步骤，它确实可以被改用于这一目的。

准备反转系统

为了演示如何在 OpticStudio 中反转整个光学系统，请下载所附的序列文件。初始布局如下所示：

这是一个典型的无限共轭下的库克三片式照相物镜系统。

反转系统时，你应该采取的第一步是考虑在反转后的系统中使用何种系统孔径定义。如果可能的话，将系统孔径类型更改为“浮动静止尺寸”（Float By Stop Size）。这种定义方式更可取，因为此后原始系统和反转系统可以使用相同的系统孔径定义。

如果无法做到这一点，你需要考虑如何将系统孔径定义从像空间转换到物空间（即交换入瞳直径与出瞳直径）。在本例中，“浮动静止尺寸”可以正常工作。这可以在系统资源管理器……孔径中进行更改：

接下来，建议开启近轴光线瞄准。即使原始系统不存在光瞳像差，反转后的系统也未必如此。光线瞄准可以在系统资源管理器……光线瞄准中开启。对于本例，将光线瞄准设置为：近轴。

有关在 OpticStudio 中使用光线瞄准的更多信息，可以在知识库文章《如何使用光线瞄准》中找到。

为了确保我们反转系统时光学元件的尺寸不会发生变化，我们将固定每个面的半口径。这可以通过选择镜头数据编辑器工具栏中的“将半口径转换为圆形孔径”来轻松完成。

在继续之前，我们还需要考虑如何在反转后的系统中定义视场点。为此，你需要原始系统中像面上每个视场点的主光线位置或入射角。如果反转后的系统在物空间为聚焦系统，则可以使用位置或入射角数据，通过角度或物高定义来指定视场点。

另一方面，如果反转后的系统在物空间为无焦系统，则需要使用主光线入射角数据以角度方式来指定视场。位置和入射角数据可以通过光线追迹计算（分析……光线与光斑……单光线追迹）来确定。位置数据也可以使用光斑图分析（以主光线为参考）来确定。

在本例中，反转后的系统在物空间为聚焦系统，因此我们可以使用像面上每个视场点的主光线位置。点击“分析……光线与光斑……标准光斑图”打开光斑图窗口。然后，记录每个视场点的像面（IMA）坐标。

在本例中，视场1、2、3的像面坐标分别为0、12.419和18.137 mm。这些将用于反转系统中物高视场点的定义。

反转系统

接下来，通过选择镜头数据编辑器工具栏中的“反转元件”来反转系统中的所有光学面。

在指定要反转的面范围时，包括除物面和像面之外的所有面。

下一步需要做什么取决于原始系统的性质：

在本例中，原始系统在物空间为无焦系统，在像空间为聚焦系统。为了正确定义新的物方和像方厚度，请将像面前一个面的厚度复制到物面。

现在得到：

接下来，我们可能需要更改系统资源管理器“孔径”选项卡中的“无焦像空间”设置。如果原始系统在像空间为无焦系统，则应取消勾选此框。另一方面，如果原始系统在像空间为聚焦系统（如本例所示），则应勾选“无焦像空间”设置。

同样，我们可能需要更改系统资源管理器“孔径”选项卡中的“物方远心”设置。如果原始系统在像空间为远心系统，则应勾选此框。另一方面，如果原始系统在像空间不是远心系统（如本例所示），则应确保此设置未被勾选：

最后，我们需要如前所述转换视场定义。由于原始系统在物空间为无焦系统、在像空间为聚焦系统，我们将使用原始主光线像面坐标，以物高方式设置反转系统中的视场点。我们可以使用“转换为：”工具，但随后必须将所得高度值中的负号翻转，以获得所需的视场值。

如果你现在打开一个新的三维布局窗口，可以看到该光学系统已被成功反转。

如果你在查看整个系统时遇到困难（如上图所示），可能需要更改“第一面”设置。