关于应力双折射（About Stress Birefringence）

应力双折射是由于光弹性效应作用在透射光学材料上的应力结果。应力可能来自机械和热载荷，也可能是制造过程中产生的残余应力，如注塑成型、金刚石车削、精密玻璃成型或研磨/抛光。应力双折射可能导致波前误差，尤其是偏振误差。

应力双折射与光线方向有关，其对不同余弦矢量的光线的影响会导致不同的相位延迟和光程差。

与晶体等材料的双折射相比，各向同性材料的应力双折射效应非常小。因此，STAR认为寻常光线和非常光线之间的光线路径差异可以忽略不计：只使用一条光线路径，并计算对电磁场的影响，以及光程差和相位延迟。

STAR利用FEA数据文件中的应力张量数据、材料库中定义的应力光学系数K11和K12。这两个应力光学系数都是必需的。如果应力光学系数是针对单个波长定义的，则模型认为它们在整个光谱范围内是恒定的。如果系数是针对多个波长定义的，则进行插值以考虑整个光谱范围内的变化。

应力双折射效应是在考虑波前穿过光场并到达应力部分时计算的，不同的光场会有不同的应力双折射效应。所有分析工具都考虑了应力双折射效应，包括偏振工具，如偏振光线追迹、偏振光瞳图等。

光线追迹模型（Ray Trace Models）：

STAR可以使用两种不同的光线追迹模型进行应力双折射分析。可以在体积数据概要（Volumetric Data Summary）中为每个加载了应力数据的表面选择光线追迹模型：

  • GRIN光线追迹（默认） – 利用Ansys Zemax OpticStudio的GRIN追迹器在系统中传播光线。此选项可能更精确，但需要更多的计算资源。建议将此方法用于成像分析（参阅下面的详述）。

  • 线性传播 – 假设材料中的光线路径变化可以忽略不计。因此，光线沿着线性路径穿过光学元件。虽然考虑了光程差，但光线沿着线性路径穿过材料。此选项可能会更快，但可能稍不准确。建议将此方法用于偏振分析（参阅下面的详述）。

详述（Discussion）：

虽然应力可能会产生明显的相位偏移，并对偏振产生重大影响，但对全局折射率的影响通常很小。虽然应力会产生渐变折射率材料，但在大多数情况下，材料中的光线路径变化可以忽略不计，假设光线通过线性路径一个有效的近似方法。

STAR中应力数据的线性光线追迹模型遵循这一近似方法。对于材料中沿直线分布的每个GRIN步长，考虑了光程以及应力对电场的影响：因此，这些影响会在偏振分析工具和成像工具（如波前图、PSF、MTF）中显现出来，但光线会继续沿直线传播。因此，观察几何传播的工具（如光斑大小分析）的唯一变化，将来自折射率的微小变化导致的材料界面折射率的变化。GRIN传播算法光线追迹模型考虑了材料中光线路径的变化。因此，该模型的精度更高，但需要更多的计算资源来评估每一步光线方向的变化，类似于计算"传统"渐变折射率材料。

线性模型不改变光线方向，但考虑了OPD的变化，这一事实与标准Zemax OpticStudio成像分析产生了一些冲突。OpticStudio中默认使用出瞳作为计算光程差（OPD）的参考面。因此，在进行光程差（OPD）计算时，首先要通过光学系统追迹给定的光线，一路到达像面，然后反向追迹回到位于出瞳处的“参考球面”。（参阅出瞳（Exit Pupil））。

OPD所指的"参考球面"的计算是基于将主光线反向追迹到出瞳。然而，当使用线性模型时，整个波前面上的OPD变化与主光线方向不匹配（因为方向不变，但OPD会改变），因此无法正确应用OPD矫正。波前倾斜不会被移除，结果可能会产生误导。

当参考OPD为"绝对"或"绝对2"（取决于系统是有焦还是无焦），并且"倾斜"被移除时，分析工具（如线性模型的波前图）中的结果将是一致的。

相位延迟的影响可以在偏振光瞳图中看到，其他偏振工具不受"OPD参考"选项的影响。

使用线性模型时，未矫正的OPD的影响将取决于所使用的成像分析工具。例如，波前图受到的影响可能会产生误导性的结果，而PSF受到的影响只是质心的位移 – PSF的形状将得到正确计算。MTF分析不应受到OPD矫正的影响。

一般来说，我们建议：

对于偏振分析，两种模型均可使用（选择取决于精度和速度要求）。

对于成像分析，应使用GRIN模型。

专家用户可以使用这两种模型来评估成像和偏振效应。

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