本帖最后由 wilhelm 于 2017-11-15 10:19 编辑
使用物理光学传播(POP)第三部分：查看光束的相位 Using the Physical Optics Propagation(POP)Part3: Inspecting the Beam Phases Knowledge base链接：
总结：这篇文章是这一系列的第三篇，该系列使用示例系统来展示如何正确的进行使用物理光学传播（POP）。在第一部分中，我们讨论了示例系统以及光束查看器（Beam File Viewer）。在第二部分中，我们讨论了如何查看光束的强度以及其过程中可能存在的问题。在第三部分中，我们将讨论如何查看光束的相位以及其过程中可能存在的问题。
原文作者：ErinElliott
发表日期：09/14/2016
应用范围：OpticStudio物理光学传播（POP）
文章正文： 引言
这篇文章是这一系列的第三篇文章，这一系列通过示例系统展示如何正确使用物理光学传播（POP）。 在第一篇中我们讨论了示例系统以及光束查看器（Beam File Viewer）。以下是原帖链接：
中文论坛链接： 待添加
在第二部分中，我们讨论了如何查看光束的强度以及其过程中可能存在的问题。以下为原帖链接： http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/using-physical-optics-propagation-(pop),-part-2
中文论坛链接：
在第三部分中，我们将讨论如何查看光束的相位以及其过程中可能存在的问题。
示例系统
正如第一部分中所述，我们使用光束查看器（Beam File Viewer）来查看光束在系统中不同表面上的参数。
图1：示例系统的布局图(Layout)和镜头编辑器(LDE)数据
因为我们在物理光学传播分析(POP)过程中保存了光束数据，所以我们可以在光束查看器中选择合适的数据，来查看任意面的光束。
查看相位数据
现在振幅采样足够，让我们来看一下对相位的采样。通常来讲，相位特征的变化相比幅度特征要更快且更不容易采样。
一个透镜通常会对入射光束大的截面引入二次方相位。在OpticStudio中，相位区间只从-π到π。如果一个透镜对光束产生大于π的相位变化，相位图将显示“相位区间跳变(PhaseWrapping)”。举例来讲，一个3π/2将显示π/2。相位区间跳变只是作图规则，透镜对输入光束并不产生实际的相位不连续的影响！
在光束查看器中，我们看一下透镜前表面，表面4。强度分布如图所示。
现在我们可以用光束查看器显示相位数据而不是强度。
伪彩结果图看起来还不错(图4)。由于相位区间跳变的原因，图表中出现了一个圆环。但是所有相位的比例关系都被正确采样。
我们可以通过截面图来看相位是否被正确采样（在光束查看器设置中，在显示为（Showas）菜单下选择，X截面(Cross X)，Y截面(Cross Y)）。图5显示了截面图。我们可以看出如若没有相位区间跳变，透镜引入的相位将会是非常平滑的曲线，并且正确采样。（在本例中，透镜引入的相位变化与r^4成线性关系，因为透镜表面是表达式含有r^4的非球面。一个球面镜引入的相位变化与r^2成线性关系。）
在所有的案例中，确保系统中每一个面的相位变化都正确采样是很重要的！
图4：第四表面的相位，第一个透镜的前表面。图中的圆环是由于显示规则所致，及相位区间跳变
图5：第四表面相位变化的截面图，第一个透镜的前表面，图中显示出相位被正确采样 大孔径系统
让我们看一看大孔径系统的相位。下面这个系统的数值孔径NA为0.2，焦距大概为40mm。系统的光圈值F/#为2.4。同样的，两个透镜的曲面都带有非球面系数以矫正球差。
数值孔径0.2的光对应束腰半径为1.56um。我将运行如图7设置参数下的物理光学分析。如本系列第一篇所述，在透镜前和透镜后我调整了采样频率。
在第一个透镜的前表面，透镜的强度分布看起来没问题且正确采样。但如果这时我显示相位，我将得到如图8，9，10所示的图案。从中心向边缘看，相位图中的第一层环是正确采样。随着半径增加，相位变化得更陡，并且圆环没有被正确采样。这引起了图像混叠：相位变化的很快，但采样频率很低，导致了奇怪的几何图形。这种图形不能代表透镜引入的真实的相位变化。
图8：透镜1的前表面的相位图表采样不足，导致了图像混叠。
图10：相位截面图非常清晰的显示处采样不足的部分。
预测正确的采样频率
所以我们应该设置怎样的采样频率来对透镜引入的相位进行合适的采样呢？
采样频率可以通过OpticStudio中的评级函数（Merit Function）来计算。（使用zemax宏语言(ZPL Macro)也可以计算。）评价函数如图11所示：
函数编辑逻辑如下： 1、测量靠近光束边缘的两条光线的光程差，这两条光线在光瞳面上相差甚微。（这里就是相位曲线变化最陡的地方） 2、计算对这两条光线的相位变化进行采样所需要的像素个数。 3、将这一数值乘以全孔径直径以得到整个孔径所需要的像素个数。
计算显示当光程差像差1个波前时，我们需要4个像素对其采样。对整个光瞳进行采样需要38,000 x 38,000个像素点。对于每个波前2个像素点这样低于实际需要的采样率，需要16,000 x 16,000个像素点。储存像这一数量的点阵需要4.3GB的内存。
更多有关内存的信息可以在OpticStudio的帮助菜单中搜索“存储要求”(Memory Requirement)。
计算这一规模的数据是有可能并不现实，这取决于你的计算机的硬件水平或花更多的时间进行计算。
对于大多说大孔径系统，通常来说，基于光线的光纤耦合算（Ray-based Fiber Coupling）更为合适，物理光学传播分析不是必须的。对于绝大多数光纤耦合系统，透镜边缘产生的衍射效应并不明显。在这样的情况下，请使用基于光线的光纤耦合算法。
图11：对大数值孔径透镜引入的相位变化，使用评价函数编辑器计算所需的合适的采样频率。 总结
1、必须检查系统中的每个面是否都已正确采样。 2、大孔径系统需要很高的采样率以及很长的计算时间。 3、有些透镜的相位计算所需电脑硬件条件可能超过你当前的电脑。
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发表于 2017-11-1 14:18
发表于 2017-11-1 15:50
