ZEMAX软件技术应用专题：关于Image Simulation图像模拟的二三事

wavelab86

使用过程中，大家常常遇到的问题解答如下

问：什么是图像模拟？

答：图像模拟工具通过将源位图文件与点扩散函数阵列进行卷积来模拟图像的形成。考虑的效应包括衍射，像差，畸变，相对照度，图像方向，偏振影响等。此工具有助于可视化所设计光学系统的图像质量。它提供了一种定性但直接的方法来评估成像系统的性能，并使客户更容易"看到"模拟的图像质量。

问：图像模拟与几何图像分析？

答：如果您的系统远未受到衍射限制，您可以使用几何图像分析 （GIA）。GIA 使用纯几何光线追踪，被认为是模拟图像的"黄金标准"。

但是，如果您的系统受到衍射限制，则需要包括衍射效应。在这种情况下，您应该使用图像模拟。图像模拟使用惠更斯PSF与源位图进行卷积，以考虑衍射效应。

值得注意的是，即使选择了 "像差：衍射"，如果像差非常严重以至于无法准确计算衍射 PSF，分析仍可能自动切换到几何。 有关此内容的讨论列在帮助文件中。

问：使用图像模拟的推荐方法是什么

答：使用图像模拟工具时，建议使用视场角或物高来定义【Field Height视场高度】选项。

对有限共轭系统使用"物高"（如下图所示，这点需要注意），对无限共轭系统可使用"视场角"，因为这些字段类型明确定义了对象在图像空间中的大小和方向。

当我们采用视场角来定义setting中的Field Height时我们需要注意，具体我们建议查看帮助文件：

帮助文件中概述的使用视场角来定义的主要困难是视场角单位本质上是变形的。

由于无限共轭系统不允许将物高作为定义，因此，如果您仍然希望使用物高来定义此处的Field Height，则可以使系统转换为有限共轭，方式是可以在前面添加一个近轴透镜paraxial lens。

问：图像模拟中的设置

答：有关详细信息，请参阅帮助文档、上述研讨会和知识库文章的说明。下面我们强调下看到用户问得最多的一些设置：

1. Oversampling vs Guard band 过采样与安全宽度它们都可以提高源位图的分辨率，或者换句话说，它们使用了不同的方法来达到增加单位视场对应像素数的目的。过采样通过将一个像素复制成 2 个、4 个或更多相同的相邻像素，增加光源位图的像素分辨率，而安全宽度则通过重复倍增像素数，增加光源位图的像素分辨率，从而使原始图像周围出现黑色"安全宽度"。当源位图具有低像素分辨率时，可以使用这两个选项; 如果点扩散函数与光源位图视场尺寸相比较大，则此功能特别有用。 2.Wavelength波长如果选择“RGB”，则定义3 个波长，分别为红色波长定义0.606 微米、绿色波长 0.535 微米 和蓝色波长 0.465 微米；不管当前波长定义如何，都是如此。如果选择“1+2+3”，则使用波长数据 栏中当前定义的波长 1、2 和 3。对波长 3 使用光源位图的红色通道，对波长 2 使用绿色通道，对 波长 1 使用蓝色通道。无论使用此选项定义的波长为多少，显示的图像都将为 RGB 格式。 3.Aberrations像差当系统有衍射限制时，选择衍射，惠更斯PSF用于卷积。当系统以几何像差为主时，选择"几何"作为像差。 4.PSF X/Y点PSF X/Y 点指定图像仿真在整个视野中计算的 PSF 函数数，并将其用于与源图像的卷积。对于这些格点之间的视场点，将使用插值 PSF。根据系统视场范围内的性能变化相应地调整此数字。例如，如果您的PSF函数在整个视场范围内非常稳定，则可以使用较小的数字;但是，如果 PSF 大小从轴上到轴外变化很大，则应使用较高的 PSF 点。换句话说，整个视场内的性能变化越大，就越需要更多的PSF点来准确模拟结果。
很难说应该使用一个明确的数字，但我们建议从低数字开始，比如3x3或5x5，并查看PSF网格，看看从中心到边缘的PSF大小变化有多大。您选择的 PSF 点数将对最终的模拟图像产生影响，这意味着您使用的 PSF 点越高，结果越准确，但这将以更长的计算时间为代价。因此，请根据系统视场范围内的 PSF 性能变化相应地选择此数字。
例如，下面我们将 PSF X/Y 点设置为 9x9，您可以清楚地看到 PSF 函数从中心到边缘的变化。这意味着最终的模拟图像的边缘更加模糊，因为源图像将使用更大的点扩散函数进行卷积。在这样的系统中，选择 3x3 PSF 网格可能不足以准确模拟整个视场内的性能变化。较高的 PSF 点有助于获得更准确的结果。

5.X/Y 像素和像素大小这允许您在模拟图像中包含探测器像素分辨率的影响仿真 ，以便您了解系统是否受到探测器分辨率的限制。

问：与图像模拟相关的programming资源

答：在此列举下相关的Macro和ZOSAPI讨论链接，大家可以找找灵感

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