ZEMAX | 如何使用光线瞄准?

什么是光线瞄准？

在 OpticStudio中，光线瞄准是一种光线追迹的迭代算法：根据系统所设定的孔径，找出填满光阑（Stop）边缘的光线。

通常只有在入瞳（系统光阑在物空间的成像）的像差较为严重或者有偏心/倾斜的状况下使用这个功能。

Ray-Aiming 选项在 System> General> Ray Aiming 菜单下指定。

当没有使用光线瞄准时，真实的光线会瞄准近轴的入瞳,近轴近似下,入瞳是从物面看光阑（Stop）的成像。入瞳的大小以及位置可以在 “Analyze > Reports > Prescription Data”工具中General菜单找到。如果物面和光阑表面之间没有任何光学元件即光阑在第一个表面的情况下，不需要开启Ray Aiming。当光阑不在第一个表面的情况下，需要进行Ray Aiming。

Ray Aiming有两种算法：“Paraxial Ray Aiming”和“Real Ray Aiming”,这两种算法在精度上并无区别，只是后者比前者可以处理的范围更广泛一些，但是速度会慢很多。

一般原则：只要在必要的时候使用“Ray Aiming”,当需要使用时优先使用“Paraxial Ray Aiming”。

光瞳像差光扇图

我们可以使用光瞳像差光扇图来查看系统是否有明显的光瞳像差。

光瞳像差光扇图在“Analysis >Aberrations > Pupil Aberration”里打开。下图系统存在明显的光瞳像差。

轻度光瞳像差

打开范例文件，其系统Layout图如下所示：

假设该系统是一个相机镜头系统，其中光阑的半径设定为10个镜头单位。

此时的系统孔径（System Aperture）需要定为“float by stop size”。这样光阑半径可以直接在镜头编辑其中手动设定。

此时没有使用光线瞄准。从物面出发的光线是指向入瞳的，但是入瞳的大小以及位置在近轴计算下只参考物面以及光阑中间的光学元件的光学倍率（Optical Power），并没有考虑像差。

打开并放大Layout图，可以看到光阑的边缘光线（Marginal Ray）并没有精确地落在光阑的边缘。同时打开光瞳像差光扇图，从图中也可以看出没有使用光线瞄准时最大光瞳像差为3%，这表明光线瞄准并不是必须的。用户需要在增加的光线跟踪精度与计算时间之间折中考虑。一般来说，光线瞄准会使光线追迹速度降低2到8倍。

现在我们把光线瞄准设定为“Paraxial”，并再次观察Layout图。

光线瞄准的算法会不断在物空间中迭代直到找到交汇在光阑面上正确的光线。上图显示出所有的边缘光线都会交到光阑的边缘位置。请注意光瞳像差仍然存在，但是在取样光阑时会考虑进去。光线瞄准功能并不会消除光瞳像差，而是在取样入射光线时会把光瞳像差考虑进去。

轻度光瞳像差

以下这个例子属于必须使用光线瞄准，打开范例文件 ,光线瞄准设定为“OFF”，其系统Layout图如下所示：

从上图可以看出所有物空间发出的光线都指向近轴的入瞳，镜头数据编辑器中，入瞳的位置是以表面1为起点定义的，其详细数值可以在Prescription Data中查看，下图可以看出入瞳位置为1.8295个镜头单位。

为了使得各个视场、波长的实际光线都可以穿过光阑，光阑面的半直径会自动变化。请注意，在不使用光线瞄准的情况下，从视场3出射的光线并不能到达光阑面，因为对于视场3的角度，光线不能依次通过光阑前的每个面。

OpticStudio中使用光线瞄准以填满光阑之前必须设定光阑的大小，除非有像上文的情况：系统孔径（System Aperture）定义为“float by stop size”以及手动设定其半直径。当光线瞄准设置为“Paraxial”时，光线要瞄准的光阑大小由光阑面上近轴边缘光线高度决定。

想要查看光线高度，可以在不设定光线瞄准的情况下：打开“Analysis > Rays & Spots > Single Ray Trace”，将视场设置为1，光瞳坐标设置为Px=0及Py=1，即轴上物点的边缘光线。在“Paraxial Ray Trace Data”中可以看到光阑面上，Y的高度为0.424799，而在“Real Ray Trace Data”Y的高度为0.43225。实际和近轴光线有差距并且在视场2时更加明显。

我们将光线瞄准设置为“Paraxial”，回到Single Ray Trace可以看到对于所有视场以及波长，实际和近轴光线的差距为0。下图为光线瞄准设置为“Paraxial”时的Layout图。

对于有轻度像差的系统，一般来说，用近轴光线决定的光阑大小会与实际光线的有轻微的不同。但通常近轴与实际两者光线在的光阑面上高度相差足够小可以忽略此效应。

尽管如此，光线瞄准还是有个“考虑像差”的选项即“Real Ray Aiming”，它使用实际光线而不是近轴光线来决定光阑大小，这个选项几乎不会被用到。

此处的Real Ray Aiming并不会比Paraxial Ray Aiming的计算结果更加精准，只是前者可能可以处理一些后者无法正常工作的案例。而当这二者都能工作的情况下，其计算精度是一样的

在默认设置里“Use Ray-aiming cache”会被勾选，而“Robust Ray-aiming”不会被勾选。这些预设通常不需要更动，想知道更多这方面的资讯，请参阅使用者手册的相关条目。

轻度光瞳像差

近轴光线计算入瞳大小以及位置会忽略面的倾斜以及偏心。因此，近轴入射光瞳的顶点总是沿着物空间局域Z轴的延长线上。如果光阑面相对于近轴入瞳有显著偏心或倾斜，就需要使用光线瞄准，即使在物面以及光阑之间没有任何光学元件存在，请看下图

轻度光瞳像差

本文已经展示了基本的光线瞄准的概念及其序列模式下的一般使用方式。综上所述：

1. 只有在需要时才使用光线瞄准。

2. 优先使用Paraxial Ray Aiming。

3. 光线瞄准不会消除光瞳像差，而是在选择输入光线时考虑像差。

4. 使用光线瞄准，并在系统孔径设定“float by stop size”时，可以用来强迫光线填满使用者设定的光阑尺寸。

5. 具有偏心/倾斜光阑的系统也许会需要光线瞄准。