013：邁克爾遜干涉儀仿真在這一節(jié)的實(shí)例中，我們要采用干涉分析等工具來(lái)仿真物理光學(xué)現(xiàn)象。下面，我們一邊建模一邊討論。41LensDataEditorSurf:TypeCo.?RadiusThicknessGlassSemi-Dia??ConicPar??X-PowerY-F'ciwerOEiJSt：di'LdardInfinity50.00.0000.0STOParaxialXY50.010.210.0400.040血St：±t'Ldard.Infinity0.0000.0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(gè)簡(jiǎn)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(gè)合理的值）；波長(zhǎng)為默認(rèn)；視場(chǎng)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（Surface1）的類型選擇“ParaxialXY”（傍軸光線），這樣就可以將這個(gè)面設(shè)置為“理想薄透鏡”。注意，“Paraxial”為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱理想透鏡，“Paraxialxy”為兩軸分離理想薄透鏡，可以分別設(shè)置兩個(gè)軸不同的光焦度，即單獨(dú)設(shè)置一個(gè)軸就成為“理想柱面鏡”其參數(shù)“x-power”和“Y-Power”分別為兩個(gè)軸的光焦度，即理想焦距的倒數(shù)。然后打開(kāi)3DLayout查看光路結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(lái)看看理想情況下的成像效果。點(diǎn)擊AnalysisfImageSimulation—ImageSimulation打開(kāi)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。fll 1:ImageSimulationX=-1.222,Y=0.5929IMAGESIMULATION:GEOMETRICRBERRATIONSMONDECIN2015OBJECTHEIGHTIS5.0000DECREES.FIELDFOSITIONi0.Q0DQ.(3.如眈DEGCENTER:CHIEFRAYIMRCESIZEIS4.3b33UX4.3633H(MILLIMETERS)LENS.ZMX匚口NFIGURFITION1OF1圖13-3理想成像仿真分析（網(wǎng)格線條模式）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(gè)BMP格式的演示圖片（高一點(diǎn)的版本才有），可以用來(lái)模擬拍照實(shí)際成像效果。參數(shù)設(shè)置如圖13-4所示，其中視場(chǎng)高度（FieldHeight）選項(xiàng)與系統(tǒng)設(shè)置中的視場(chǎng)類型有關(guān)，如果系統(tǒng)設(shè)置中視場(chǎng)類型為視場(chǎng)角度，那么這里應(yīng)該是指物面對(duì)停止面STO的張角（全角），所以視場(chǎng)高度若再設(shè)為0，則表示物面尺寸為0，可能無(wú)法看到成像。將視場(chǎng)高度（FieldHeight）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）

IMAGESIMULATION:GEOMETRICABERRflTIONSMON肚衣1420IEOBJECTHEIGHTIS".'5.Q000uEGREES,FIELI'jPOSITIONi0.Q00Q. DEG「entER:CHIEFpflYIMAGESIZEISE.8178UX4.3633H(MILLIMETERS)LENS.EH迖匚UNF工GUEFIT工CiN1CF1圖13-5理想成像仿真分析(照片演示模式)接下來(lái)，我們要采用干涉分析來(lái)檢驗(yàn)像面的波前特性。在主菜單點(diǎn)擊Analysis—Wavefront—Interferogram打開(kāi)干涉分析圖像。這時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何干涉圖像。為何？那是因?yàn)檫@里我們將像面放在了理想成像系統(tǒng)的最佳像面處，這時(shí)各種像差為0，點(diǎn)列圖為理想點(diǎn)，因此是無(wú)像差光學(xué)系統(tǒng)，波前光程差為0，無(wú)干涉圖樣出現(xiàn)。但是如果將像面位置偏離理想像面，這時(shí)就存在像差了——離焦。將Surface2的厚度由50改為50.1，并打開(kāi)干涉圖樣參數(shù)設(shè)置對(duì)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(gè)光束選擇選項(xiàng)，分別為Beaml和Beam2,因?yàn)楦缮姹仨毷莾墒?，其中一束是設(shè)計(jì)光路中的光束，還有一束是默認(rèn)的參考光束(Referenee)。

圖13-6干涉圖像仿真參數(shù)設(shè)置fil1:InterferogramINTERFEROGRAMBETWEENREFERENIZEBERMAND匚口NFIGURflTION1WEDDEC：IE2Q1E0,t228fiaRT0.0000.0.QD0QDEG.PERKTOUALLEY=fe.2720WAUES.FRINGES/UAUE=2.0D0QSURFACE:IMAGEEXITPUPILDIAMETER:2.0HL2E4-00LMILLIMETERSXTILT=0.B0fil1:InterferogramINTERFEROGRAMBETWEENREFERENIZEBERMAND匚口NFIGURflTION1WEDDEC：IE2Q1E0,t228fiaRT0.0000.0.QD0QDEG.PERKTOUALLEY=fe.2720WAUES.FRINGES/UAUE=2.0D0QSURFACE:IMAGEEXITPUPILDIAMETER:2.0HL2E4-00LMILLIMETERSXTILT=0.B0dYTILT=0.B0.1.00000.90000.80000.?0000.60000.50000.H0000.30000.20000.10000.0000LENS.ZMX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。這是典型的牛頓環(huán)干涉圖樣。為了逐步深入，我們?cè)賮?lái)看看兩束設(shè)計(jì)光路的干涉情況。要用到多重結(jié)構(gòu)。如圖所示，輸入LDE編輯器面型數(shù)據(jù)，物方設(shè)為物面數(shù)值孔徑0.2，其他系統(tǒng)參數(shù)可以默認(rèn)。Surface1和Surface2分別為焦距不同的理想柱面鏡準(zhǔn)直，Surface3為理想透鏡聚焦，如此可以獲得一個(gè)橢圓光斑(離焦的時(shí)候)。圖13-8理想系統(tǒng)LDE編輯器列表然后打開(kāi)多重結(jié)構(gòu)編輯器，增加一個(gè)結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)柱面鏡改為單個(gè)理想圓透鏡準(zhǔn)直，使得聚焦光斑為圓形對(duì)稱。如圖13-9所示。然后打開(kāi)報(bào)告圖表(ReportGraphic4)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(duì)稱光斑。然后再次設(shè)置參數(shù)，將上面兩個(gè)子圖改為干涉圖樣(Interferogram),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(jiàn)，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(guò)結(jié)構(gòu)1為橢圓形牛頓環(huán)。也就是說(shuō)，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(shí)，兩個(gè)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?cè)俅蜷_(kāi)新的一個(gè)干涉圖樣分析窗口，將干涉光束B(niǎo)eam1和Beam2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(useExitPupilShape)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(wú)法看到干涉圖樣；不過(guò)若是采用實(shí)際的透鏡代替理想透鏡，因?yàn)橄癫畹拇嬖?，像面放在任何位置?yīng)該都能看到干涉圖樣。

圖13-10結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的光路及光斑點(diǎn)列圖圖13-11結(jié)構(gòu)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(shuō)過(guò)，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(jì)光束之間干涉

所以也會(huì)用到多重結(jié)構(gòu)，先建立一個(gè)基礎(chǔ)光路結(jié)構(gòu)（Config1）。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。Surface1和Surface2

為兩個(gè)理想柱面鏡，將光束準(zhǔn)直為橢圓光斑。其后有兩個(gè)反射鏡，用來(lái)改變光路方向，最后

一個(gè)理想透鏡聚焦，像面放在離焦位置。如果想更真實(shí)一些的話，可以將最后一個(gè)理想透鏡用實(shí)際透鏡替代。LensDataEditor:Config1/2Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-Diam??ConicPar??Par1(un??Par2(un??Par3(unus??OBJStandardInfinity25.0000.0000.0STOParaxialXY25.00015.000U0.0000.0402ParaxialXY0.00015.000U0.0200.0003StandardInfmity50.0005.1030.04Coordinat??0.0000.0000.0000.00045.0005*St:atidardInfmity0.000MlffiOR15.000U0.06Coordinat??-50.000.0000.0000.00045.000P7Coordinat??0.0000.0000.0000.0000.0008*St:ELtidardInfinity0.000MIF^OR15.000U0.09Coordinat??100.000.0000.0000.0000.000P10Paraxial0.0005.10325.00111StandardInfinity25.0505.1030.0口趙StandardInfmity0.0100.0圖13-13結(jié)構(gòu)1透鏡數(shù)據(jù)編輯器LDE列表

然后打開(kāi)3DLayout查看光路結(jié)構(gòu)是否與預(yù)期的相同；接著打開(kāi)多重結(jié)構(gòu)編輯器增加一個(gè)結(jié)構(gòu)。如圖13-14所示，增加若干個(gè)操作數(shù)，并修改結(jié)構(gòu)2的屬性值。圖13-14多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編輯器列表編輯完成，更新3DLayout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)。圖13-15多重結(jié)構(gòu)3D光路結(jié)構(gòu)圖然后打開(kāi)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)參數(shù)，從而改變干涉圖樣。例如，將結(jié)構(gòu)操作數(shù)7：CRVT在結(jié)構(gòu)2中的屬性值由0改為

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

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(duì)象設(shè)為Surface