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AnsysZemax|如何在OpticStudio中模拟人眼

2022-12-28 17:12阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2185075743

本文是人眼模型的一个案例研究，并提供了更高级的序列模式建模技术的演示。我们将在OpticStudio中使用Liou & Brennan 1997眼睛模型创建人眼模型。在OpticStudio中成功生成这个眼睛模型后，我们将使用它来设计一个自由形式的渐进眼镜镜片。

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简介

准确的人眼模拟和建模是一个难题；这是一个不断激发新的发展的课题。在本研究中，我们将使用在《Optics of the Human Eye》一书中展示的Liou & Brennan 1997模型在OpticStudio中创建人眼模型1。这是一个相当全面的眼睛模型。它考虑了许多其他模型没有考虑到的现实因素，如偏置瞳孔、弯曲的视网膜表面、向内的眼球和前后半部分具有两种不同梯度折射率剖面的晶状体。
在OpticStudio中成功生成这个眼睛模型后，我们将使用它来设计一个自由形式的渐进眼镜镜片。

人眼模型

我们将从建立人眼模型开始。你可以使用附件中的“Human_Eye_Model.ZMX”，以跳过手工输入所有的表面。该文件在本文的“附件下载”一节中的ZIP压缩文件中可用。
如果你要手动输入而不是加载附件，你要先把OpticStudio设置为序列模式，然后设置System...General...Units...Lens Units为“毫米”。接下来，你要设置波长(在系统部分找到)为“F, d, C(可见)”，如下所示:
图片
接下来，进入System Explorer...Aperture，设置光圈类型为Float By Stop Size，然后进入System Explorer...Glass Catalogs并添加目录MISC到您的玻璃目录。在视场数据编辑器中只设置一个视场，类型为Angle(Deg)， X-Field值为5:
图片 现在在光阑前插入3个表面，并在光阑后插入另外3个表面。下面是建立所有表面的一步一步的指导，一次一个。调整每个参数步骤如下；任何被省略的参数都应该保持默认值。
Surface 0 OBJ
Comment
 Object
Thickness
 1.0E+009
Surface 1
Comment
 Input Beam
Thickness
 50
Surface 1只是一个虚拟平面，我们用它来让布局图更容易理解。因为我们只需要这个表面来可视化光线通过它，我们可以通过Object Properties...Draw来隐藏它，然后检查Do Not Draw This Surface。
Surface 2
Comment
 Cornea
Radius
 7.77
Thickness
 0.55
Material
 Model: 1.376, 50.23
Semi-Diameter
 5
Conic
 -0.18
要设置这些材料参数，你需要右键单击玻璃单元格，从下拉列表中选择“模型”作为解决类型，然后输入值。
图片 接下来，我们将在Surface 3插入角膜和房水之间的界面。
Surface 3
Comment
 Aqueous
Radius
 6.4
Thickness
 3.16
Material
 Model: 1.376, 50.23
Semi-Diameter
 5
Conic
 -0.60
Surface 4代表系统的孔径光阑，在镜头数据编辑器中被标记为“STO”。这是我们眼睛模型的瞳孔平面。
Surface 4
Comment
 Pupil
Material
 Model: 1.376, 50.23
Semi-Diameter
 1.25
为了模拟偏移的瞳孔位置，我们需要偏心这个表面。打开Surface Properties，然后点击Tilt/Decenter选项卡。设置这个表面的Decenter X值为-0.5mm，然后在After surface选择Reverse This Surface，如下图所示。
图片 现在我们将对模型晶状体的前后部分进行建模。
Surface 5
Surf:Type
 Gradient 3
Comment
 Lens-front
Radius
 12.4
Thickness
 1.59
Semi-Diameter
 5
n0
 1.368
Nr2
 1.978E-003
Nz1
 0.049057
Nz2
 -0.015427
Surface 6
Surf:Type
 Gradient 3
Comment
 Lens-back
Radius
 Infinity
Thickness
 2.43
Semi-Diameter
 5
n0
 1.407
Nr2
 -1.978E-003
Nz2
 -6.605E-003
接下来，我们将模拟晶状体后部和眼睛玻璃体之间的界面。
Surface 7
Comment
 Vitreous
Radius
 -8.1
Thickness
 16.23883
Material
 Model: 1.336, 50.23
Semi-Diameter
 5
Conic
 0.96
最后，我们将在Surface 8上建模眼睛的视网膜。这在镜头数据编辑器中被标记为“IMA”，代表图像表面。
Surface 8
Comment
 Retina
Radius
 -12
Semi-Diameter
 5
快速检查一下系统的3D布局(第一个表面被设置为表面2，而不是默认的表面0)，显示出有些东西不是很正确:
图片 在布局图中，顶部和底部的边缘光线被瞳孔切断。这是不可能的，特别是当我们选择系统的光圈类型为Float By Stop Size：根据定义，顶部和底部边缘光线应该成功地通过瞳孔。我们的光瞳有些问题。当我们的瞳孔不可信时，我们会检查Pupil Aberration Fan(这是一个分析工具，可以在Analyze Tab...Aberrations...Pupil Aberration下找到)。我们系统的光瞳像差光扇图是这样的:
图片 光瞳像差光扇图告诉我们在负X轴方向上有40%的瞳孔像差。这是由于OpticStudio将光线瞄准(非偏心的)近轴入瞳造成的。记住，我们让瞳孔偏离0.5mm，这是瞳孔半直径的40%，在x轴的负方向。
幸运的是，OpticStudio有一个简单的解决方法:光线瞄准（Ray Aiming），前往System Explorer...Ray Aiming，设置光线瞄准为Paraxial，如下图所示：
图片 点击OK按钮，现在我们看到光瞳像差被消除了:
图片

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