本文主要介紹了 OpticStudio 中的復(fù)合表面類型，該功能將作為 Zemax OpticStudio 22.3 版本（支持于訂閱制專業(yè)/旗艦版）和 Ansys Zemax OpticStudio（專業(yè)/旗艦/企業(yè)版）2022 R2.02版本中一項新穎、有趣且實用的功能。該功能將延展支持出 OpticStudio 中許多新功能和可能性。

 
簡介

序列模式下的全新復(fù)合表面能使用戶能夠添加多個表面的矢高輪廓，最終實現(xiàn)具有復(fù)雜矢高分布的新光學(xué)表面。如果用戶想要將不同類型的矢高分布疊加到一個表面，則可以使用新表面對應(yīng)的復(fù)合堆疊功能實現(xiàn)。此功能將啟發(fā)模擬分析中的無限可能性，涵蓋分析、公差等多個環(huán)節(jié)。

在本文中，我們將解釋復(fù)合表面的工作原理，然后將其功能應(yīng)用于在手機(jī)攝像頭模組中，對復(fù)雜非球面透鏡進(jìn)行公差分析。

 
復(fù)合表面的工作原理

如圖 1 所示，可以使用“表面屬性”中的“復(fù)合表面：添加矢高至下一表面 (Composite Surface: Add sag to the next surface)”復(fù)選框啟用復(fù)合表面屬性：

圖 1. 復(fù)合表面屬性設(shè)置界面

復(fù)合表面允許將任意數(shù)量的表面添加在一起，這些表面稱為“復(fù)合組件表面 (Composite Add-on)”，或簡稱為“組件面”。算法將把組件面的矢高輪廓將添加到下一個組件面上，總矢高最終將添加到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LDE）中的下一個表面中，該表面稱為“復(fù)合基礎(chǔ)表面 (Composite Base)”，或簡稱為“基面”，緊隨組件面之后。然后，基面矢高將是所有附加矢高及其基面矢高的總和。組件表面和基面的矢高總和稱為“復(fù)合堆疊 (Composite Stack)”。如圖 2 所示，組件面行顏色為淺黃色，基面行顯示為亮黃色。

圖 2. Composite Add-on, Composite Base and Composite Stack

我們可以發(fā)現(xiàn)，不能為組件面設(shè)置材料和膜層，因為它僅用于將矢高分布提供給復(fù)合基面而不起其他任何作用。組件面的材料和膜層性能將跟隨基面的屬性。另一個重要的點是無論為復(fù)合組件面設(shè)置怎樣的孔徑，當(dāng)算法計算矢高分布時，復(fù)合組件面的孔徑都將被認(rèn)為與基面相同。

在光線追跡中，光線僅考慮在基面所表達(dá)的總表面矢高，組件面不直接參與光線追跡。

基面的矢高圖將顯示包含所有復(fù)合組件面的總矢高，而不是僅顯示基面的矢高。

所支持表面

復(fù)合表面可支持的表面類型如下所示，組件面和基面所支持的表面類型相同：

雙錐面（Biconic）
雙錐 Zernike（Biconic Zernike）
切比雪夫多項式 (Chebyshev Polynomial)
偶次非球面（Even Asphere）
擴(kuò)展非球面（Extended Asphere）
擴(kuò)展奇次非球面（Extended Odd Asphere）
擴(kuò)展多項式（Extended Polynomial）
網(wǎng)格矢高面（Grid Sag）
不規(guī)則面（Irregular）
奇次非球面（Odd Asphere）
奇次余弦面（Odd Cosine）
離軸圓錐自由曲面（Off-Axis Conic Freeform）
周期面（Periodic）
多項式面（Polynomial）
Q型非球面（Q-Type Asphere）
Q型自由曲面（Q-Type Freeform）
標(biāo)準(zhǔn)面（Standard）
超圓錐面（Superconic）
傾斜面（Tilted）
環(huán)形面（Toroidal）
Zernike Fringe 矢高面（Zernike Fringe Sag）
Zernike 標(biāo)準(zhǔn)矢高（Zernike Standard Sag）
Zernike 環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)矢高（Zernike Annular Standard Sag）

表面堆疊

如果要將不同類型表面的矢高分布添加到一個表面，可以將多個附加表面添加為復(fù)合堆疊。

在下面的示例中（圖 3 所示），通過將組件面 4 添加到基面 5 形成 ROC（曲率半徑）= -500mm的拋物面反射鏡，另一個組件面 3 為表面矢高增加了 Zernike 項的擾動。

圖 3. 使用復(fù)合表面建模的拋物面反射鏡

可以從以下視圖中看到，啟用組件面（圖4 (a)）后，布局圖將顯示復(fù)合堆疊的總矢高，而不顯示單個組件面矢高。在圖4 (b) 中忽略所有附加表面的情況下，布局圖中將僅顯示基面（因此系統(tǒng)現(xiàn)在明顯失焦）。

圖4.（a）啟用組件面的拋物面反射鏡系統(tǒng) （b）忽略組件面的拋物面反射鏡系統(tǒng)

復(fù)合表面工具

添加復(fù)合表面后，有幾個用戶友好的工具可以使用。

忽略單個組件面

如圖 5 所示，選中“忽略此表面”復(fù)選框時，該組件面對復(fù)合表面的矢高貢獻(xiàn)將被忽略，行的顏色將變?yōu)樯罨疑?/p>

圖 5. 忽略單個組件面

如果要忽略或啟用系統(tǒng)中的所有復(fù)合表面，可以在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器上方的工具欄中用兩個按鈕來輕松控制。

忽略復(fù)合表面/啟用復(fù)合表面

圖 6. 忽略所有復(fù)合表面

圖 7. 啟用所有復(fù)合表面

隱藏/取消隱藏/刪除所有復(fù)合表面
在右鍵單擊菜單中，有三個選項可幫您根據(jù)需要輕松處理復(fù)合表面。

圖 8. 隱藏/取消隱藏/刪除所有復(fù)合表面

將復(fù)合表面與失高圖結(jié)合使用

我們可以使用 分析…偏振與表面物理…表面 (Analyze…Polarization and Surface Physics…Surface) 中的矢高圖功能來查看表面的矢高分布，以下是關(guān)于復(fù)合表面矢高圖的一些分析：

選擇“不移除”：矢高圖將顯示所選表面之前的所有組件面的總和。
選擇“移除復(fù)合矢高”：單獨繪制選定基面的矢高。
選擇“移除基底矢高”：僅顯示應(yīng)用于此表面的所有組件面矢高的總和。

在下面的示例中，如圖 9 (a) 所示，表面 3 和 4 是組件面，表面 5 是基面。復(fù)合表面矢高圖，圖9 (b)~(g) 解釋了上述與復(fù)合表面的矢高關(guān)系。

圖 9(a). 用于解釋復(fù)合表面矢高圖的手機(jī)鏡頭系統(tǒng)示例

如圖9 (b)~(d) 所示，當(dāng)使用“不移除”時，矢高會逐行加起來：

圖 9(b)

圖 9(c)

圖 9(d)

如果要單獨顯示某組件面的矢高，可以使用“移除復(fù)合矢高”或“移除基本矢高”，如圖9 (e)~(g) 所示：

圖 9(e)

圖 9(f)

圖 9(g)

復(fù)合表面與離軸孔徑 

復(fù)合表面也可以應(yīng)用于離軸系統(tǒng)的建模。

圖 10. 離軸反射式系統(tǒng)

如果單擊組件面的 “Composite” 選項卡中的“設(shè)置傾斜/偏心用于追隨基面孔徑 (Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture)”按鈕，則組件面將自動在基面的離軸孔徑上居中。點擊按鈕后 OpticStudio 會自動填充復(fù)合選項卡中的傾斜和偏心，以便組件面的矢高堆疊處于基面離軸孔徑的中心。其中，偏心與頂點位置匹配，而傾斜與離軸孔徑中心的基面旋轉(zhuǎn)方向匹配。

圖 11. “設(shè)置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑”和“更新傾斜”按鈕

對于復(fù)合堆疊，“設(shè)置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑光圈” 按鈕將用于基底之前的最后一個組件面，并且復(fù)合堆疊中的所有組件面將具有相同的傾斜/偏心屬性，即復(fù)合堆疊將具有相同的坐標(biāo)系。請注意，復(fù)合堆疊的傾斜/偏心只能在最靠近基面的組件面上看到，其中“設(shè)置傾斜/偏心用于追隨基底表面孔徑光圈”按鈕可以使用，對于所有其他組件面，這個按鈕將顯示為灰色。

 
如果用戶手動更改偏心值，則可以使用“更新傾斜 (Update Tilt)”按鈕（如圖 11 所示）自動填充更新后傾斜值，以便組件面的旋轉(zhuǎn)方向與指定偏心處的基面相匹配。

結(jié)合 TIRR、TEXI 和 TEZI 操作數(shù)進(jìn)行公差分析

在公差分析方面而言，上面的討論中我們知道可以使用復(fù)合表面的 Composite 屬性設(shè)置手動添加不規(guī)則度和公差。

 
此外，復(fù)合表面擴(kuò)展了現(xiàn)有 TIRR、TEXI 和 TEZI 操作數(shù)的功能，以前這三個操作數(shù)只能用于對以下表面進(jìn)行公差分析：

圖 12. 之前TIRR、TEXI和TEZI僅用于有限的表面類型

現(xiàn)在得益于復(fù)合表面，任何可以成為復(fù)合基面的表面類型都可以使用這三個操作數(shù)來執(zhí)行公差分析請注意，TIRR、TEXI 和 TEZI 的擴(kuò)展功能不包括對離軸孔徑的支持）。

 
對于符合條件的表面類型，TIRR 操作數(shù)將使用不規(guī)則面作為復(fù)合表面對這些表面進(jìn)行公差分析；TEXI 操作數(shù)將使用 Zernike Fringe 矢高面作為復(fù)合表面對這些表面進(jìn)行公差分析；TEZI 操作數(shù)將使用 Zernike 標(biāo)準(zhǔn)矢高面作為復(fù)合表面對這些表面的公差進(jìn)行分析。

我們以圖 13 所示的手機(jī)鏡頭設(shè)計為例。

圖 13. 手機(jī)鏡頭系統(tǒng)示例

公差數(shù)據(jù)編輯器（TDE）填充了手機(jī)鏡頭表面 3 和 4 的 TEZI 操作數(shù)。之前 TEZI 不能直接與 Q 型非球面一起使用，但現(xiàn)在您可以直接在 TDE 中進(jìn)行設(shè)置并使用以下公差功能，如圖 14 所示。

圖 14.在Q型非球面上使用 TEZI 操作數(shù)進(jìn)行公差分析

當(dāng)我們運行公差分析并保存蒙特卡羅文件時，您可以輕松檢查公差結(jié)果。

圖 15.  蒙特卡羅分析設(shè)置

我們還可以打開一個蒙特卡羅隨機(jī)文件來驗證并更好地了解操作數(shù)如何向表面添加不規(guī)則度。如圖 16 所示，Q 型非球面上增加了一個復(fù)合組件面，該表面帶有 TDE 中指定的 Zernike 標(biāo)準(zhǔn)矢高擾動項。

圖 16. TEZI 操作數(shù)使用 Zernike 標(biāo)準(zhǔn)矢高復(fù)合表面對 Q 型非球面表面進(jìn)行公差分析

后續(xù)我們將繼續(xù)更新文章來解釋上面使用的手機(jī)鏡頭系統(tǒng)設(shè)計，請持續(xù)關(guān)注[武漢宇熠]。

API控制

為復(fù)合表面添加了，IsCompositeSurface 和 SetOffAxisTiltAndDecenter() 兩個新的 API 命令。

IsCompositeSurface 用于此參數(shù)的 Sets 和 Get 值。SetOffAxisTiltAndDecenter() 根據(jù)離軸表面孔徑中心的復(fù)合表面基面法線矢量計算得出所需填充的恰當(dāng)屬性值。

下面提供一個 Python 代碼的示例片段供參考：

TheSystem = TheApplication.PrimarySystem;
TheLDE = TheSystem.LDE
# Get Surface j Information
CompositeTest = TheLDE.GetSurfaceAt(j)
# Check “Composite Surface:Add sag to the next surface”
CompositeTest.CompositeData.IsCompositeSurface=1
# Press “Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture” button
CompositeTest.CompositeData.SetOffAxisTiltAndDecenter()
# Extract Composite Surface Tilt/Decenter value
CompositeTiltX=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltX
CompositeTiltY=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltY
CompositeTiltZ=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltZ
CompositDecenterX=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterX
CompositDecenterY=CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterY
# Change the Tilt/Decenter values manually
CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceTiltX = 0
CompositeTest.TiltDecenterData.BeforeSurfaceDecenterY = 0

API控制

還有用于復(fù)合表面的新 ZPL 宏命令。

COMPOSITEON(surface number)  – 關(guān)鍵字
COMPOSITEOFF( surface number )  – 關(guān)鍵字
COMPOSITEOFFAXISAPERTUREON ( surface number ) – 關(guān)鍵字
ISCS(surface number) ->returns 1|0 – 數(shù)值函數(shù)

ISCS() 當(dāng)表面不是復(fù)合表面時將返回 0，如果表面是復(fù)合表面則返回 1。

 
有關(guān)這些命令的詳細(xì)信息，請參閱幫助文件。提供了一些示例代碼供參考：

! Uncheck the composite surface checkbox
PRINT “Turn off composite surface j”
COMPOSITEOFF j
A = ISCS(j)
! ISCS () return 0 if it’s not composite surf., return 1 if it’s composite
surf.
IF (A < 0.5)
PRINT ” ==> Composite surface flag is OFF”
ELSE
PRINT ” ==> Composite surface flag is ON”
ENDIF

! Check the composite surface checkbox
PRINT “Turn on composite surface j”
COMPOSITEON j
A = ISCS(j)
IF (A > 0.5)
PRINT ” ==> Composite surface flag is ON”
ELSE
PRINT ” ==> Composite surface flag is OFF”
ENDIF

! Press the “Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture” button
PRINT “Set Tilt/Decenter to follow Base surface aperture”
COMPOSITEOFFAXISAPERTUREON j
PRINT ” ==> Click Tilt/Decenter to follow Base surface aperture
button”

結(jié)論

本文介紹了 Zemax OpticStudio 22.3 和 Ansys Zemax OpticStudio 2022 R2.02 中的復(fù)合表面功能。它擴(kuò)展了 OpticStudio 中的許多新功能和可能性，希望它能幫助您更加高效工作，期待您的反饋！