| 光的传播是一个相干过程. 在只有空间和玻璃间传播的波前, 波前的一部分会与另一部分发生相干干涉. 模拟这种相干传播属于物理光学领域. |
Physical Optics Propagation (POP)用衍射计算的方法计算光线在光学系统面(几乎包括ZEMAX中所有的面型)与面间的传播. |
POP功能广泛, 强大. 初始光束可以是完全任意的. ZEMAX可以模拟任意复杂的电场分布. 可以在ZEMAX镜头模型中任意面插入初始光束. 光束可以在任意范围的光学面传播. 可以计算光学面间每个空间的完全衍射传播. 每个光学面, 运用传递函数来计算, 考虑面间的传播效应, 也考虑渐晕, 孔径, 偏振, 薄膜, 透过率, 像差, 畸变, 放大率和衍射. |
POP可以用于预期像差的校正和针孔的透过率, Talbot成像, 边缘衍射效应, 激光光束传播, 任意光纤耦合, 菲涅耳波带板等. |
光束模拟 |
| 光束可以用数组模拟. 数组每个点储存复振幅电场. 支持任意振幅和相位分布, 不限于高斯光束. |
电场复值的相位决定波前相对于参考面的相位. 电场复值的振幅决定每个面积单位的用户选择的束能量值, 例如, 瓦/平方厘米. |
POP支持用户选择的数组大小, X和Y方向采样, 点到点间隔可以不同. 大小和采样可以动态变化以符合传播中的光束. |
初始光束可以用以下方式定义: |
- 高斯光, 可以是变形的或发散的
- 振幅均匀"top hat"
- 由用户编写的外部函数定义
- 由用户定义的数据文件定义
- 由先行POP分析定义
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一旦光束定义好, 与任意主光线一致的传播方向也确定. POP支持任意旋转方向的光线传播. 此功能不限于共轴或对称光束及系统. |
传播方式 |
| 面与面间的光束传播可以用菲涅耳衍射传播或角频谱传播算法. ZEMAX可自动选择获得最高精确度的算法. 衍射传播算法对于任意光束, 任意传播距离都可获得正确结果. |
ZEMAX可自动根据光束的大小定义数组大小。为减少相位误差，ZEMAX找到最好的光学面作为位相参考. |
面间的传播 |
| 当光束到达两个介质之间的光学面, ZEMAX计算该光学面的物空间和像空间之间的传递函数. 传递函数要考虑光学面对光束的所有影响, 包括: |
- 波前位相
- 像差
- 光学面的振幅透过率
- 偏振
- 薄膜效应
- 光栅, 二元或衍射面的位相
- 光束大小的改变, 放大率
- 倾斜或衍射引起的长宽比的改变
- 光学面任意孔径的渐晕
- 光焦度
- 保持精确的重采样
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用局部光学面特性的精确光线追迹来计算传递函数. 所用光线称为"试探光线(probing rays)".试探光线用来仿真局部光束的性质. 对实际物理光束的振幅和位相波动不敏感. |
对于偏振光的光线追迹, 传递函数考虑偏振影响. 用正交的复振幅和位相传递函数来模拟由光学面薄膜引起的损失和相位偏转. |
传递函数描述整个光学系统的面与面间的光线传播, 也可应用于多面. 不考虑衍射影响, 将加快分析速度. |
光线坐标系统可沿主光线传播, 也可根据坐标断点或斜面的需要旋转. 传递函数可用来计算ZEMAX的所有面型, 甚至用户自定义面和衍射面. |
支持偏振 |
| 自然光可以用简单的复振幅数组模拟. |
偏振光由两个正交的数组表示. 每个数组表示的光线传播独立. 光学面的偏振传递函数可计算该对偏振光线. 考虑镀膜和不镀膜光学面的振幅和相位透过率与偏振的关系. |
POP输出 |
| ZEMAX可用光学面图, 轮廓图, 灰度图, 伪彩色图, 或截面图及文本列表来描述光学系统任意面的光线辐射或位相. |
任意面或所有面的全部光线信息可以存成数据文件以供以后使用. 已存的光线文件也可以在另一个镜头中使用. |
POP光纤耦合 |
| ZEMAX可以计算光束和任意模式光纤之间的耦合效率. |
光纤模式定义方式与初始光线相同, 用公式, 用户提供的任意函数或数据文件来定义. 可以计算靠近或远离光线焦点处的光纤耦合. |
光线追迹与POP比较 |
| 光线追迹是仿真光在光学系统中传播的应用广泛的方法, 然而光线追迹并不是适用于所有的光学模型. 在光是非相干的情况下, 光线的传播是独立的, 不受其他光线的影响. 运用光线追迹来模拟光的传播, 叫做几何光学. |
ZEMAX中的几何光学支持基于几何光线追迹的传统的衍射计算, 如衍射PSF和MTF. 光线在光学系统中传播, 它的光程用于再现像空间的波前. 用从出瞳到像空间的简单的夫琅和费衍射计算PSF和MTF. |
使用几何光学模型, 所有的衍射假设发生在从出瞳到像空间的最后光线传播处. 不考虑透镜孔径的衍射和光束在透镜之间传播的情况. 多数光学系统, 包括绝大多数的成像系统, 这种简单的模型是足够的. 其他系统则不行. |
POP基于每个光学面的衍射传播, 不只是出瞳. POP考虑透镜孔径, 靠近焦点处的小孔径(如针孔)的衍射. 几何光学不能计算靠近焦点处针孔的像差校正及能量传递, 而POP则可以. 另一个例子是Gibb现象, 通过一个孔径后光束的强度和相位发生变化. |
支持特殊面 |
| ZEMAX支持几乎所有的光学面, 包括非球面, 衍射面及用户自定义面. POP功能支持衍射传播和传递算法. |
光线追迹也支持梯度折射率, 双折射和非序列面. 光线追迹发生在两个相邻光学面间. 完全衍射传播可以使用振幅和相位传递函数. |
光学面传递函数的概念也可以扩展到多面, 可用一个传递函数来描述一组面. |
用户也可选择用光线追迹而非衍射传播来描述面组. |
与ZEMAX集成 |
| POP与ZEMAX完全集成, 用现有的ZEMAX镜头文件, 定义初始光束参数和传播过程. POP容易使用. |
可以从辐照度图(power per area, 在激光应用中称为光强)看到光束数据. 可显示自然光辐射, 或光束的X-或Y-偏振. 也可显示相位图. |
辐照度和相位可以用截面图, 光学面图, 灰度图, 伪彩色图或轮廓图显示. 光学系统的面数据可以以线性或对数形式显示. |
进行长距离的传播计算后, 以前的传播光线的数据也可在不同的光学面或以不同的格式快速显示. |
任意选定面的光束辐射可在透镜的外形图中显示. 可以通过光束相对于光学元件的大小来控制光束传播. |
POP可获得最佳的高斯光束参数, 包括光束大小, 束腰, 发散角, Rayleigh范围及相对束腰的光束位置. |
旋转高斯光束 |
| 可用POP的子功能对高斯光束快速分析, 也可以是旋转高斯光束(非共轴, 非子午). 该功能可得到X和Y方向的光束大小, 束腰, 发散角, Rayleigh范围和光束位置. |
旋转高斯光束功能的优点是快速计算和任意面的旋转高斯光束的优化特性. |
POP应用 |
| POP一般允许ZEMAX可以仿真的几乎所有光学系统的任意光线的快速传播. 一般应用包括: |
- 仿真像差的空间滤波
- 考虑透镜/孔径边缘的衍射
- 相干光的光纤耦合
- 通过复杂光学系统的任意激光光束的传播
- 光束整形装置分析
- 通过透镜阵列的光的衍射传播
- 传播光的相干作用
- 光学空间的衍射传播的正确仿真
- 像差引起的束腰焦点的偏移计算
- 光学面的光通量和辐照度计算
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