Ansys Zemax | 建立增强现实头戴式显示器

增强现实(AR)系统为多道光路的架构和自由曲面(free-from optics)的使用提供了良好的示范。这篇文章说明了如何在序列模式中，使用楔形棱镜(wedge-shaped prism)和自由曲面建立头戴式显示器(HMD)。我们将以三个范例档案演示不同阶段的模型建立。

简介

在设计一个增强现实(augmented reality, AR)透视头戴式显示器(OST-HMD)时，我们会针对两道光路进行优化：微显示器的投影路径以及供用户看见外界的透视路径。为了达到最佳的AR效果，光学设计者必须确保虚拟图像和现实景物能正确结合。此技术可被广泛应用在军事和医疗辅助等方面。

考虑到实际用途，设计者必须将整个光学系统设计成一个精巧且非侵入式的装置，同时具备大视角(FOV)和小f-number等优点。这篇文章说明如何使用楔形自由曲面棱镜和胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens)建立上述的光学系统。

参考专利

本文的范例参考了专利Patent US 2014/0009845 A1的设计。

在范例档案中，我们针对各表面大量的运用了倾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意图中，我们可以看到系统使用自由曲面棱镜(FFS prism)和胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens, 图中黄色部分)这两个光学组件改变入射光的行进方向。FFS的使用增加了设计的自由度，使系统可使用较少的光学组件达成目的，大幅减少装置的重量。另一方面，胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens)可有效修正畸变，改善透视影像的质量。

下图参考自专利并稍加修改。

设计方针

OST-HMD包含了两个光学组件：1)楔形FFS棱镜和 2) 胶合辅助镜头。在OpticStudio中我们会先建立FFS棱镜，并根据原始规格进行参数设定，接着以微显示器投影路径(第一道光路)为目标进行优化。在完成上述步骤后，我们在多重结构编辑器(multi-configuration editor)中建立胶合辅助镜头。借由这个镜头的辅助，可以有效减少畸变的影响，并消除光学系统的场曲情况。透过以上的步骤，我们可以改善第二道光路使观察者看到的外界景物不会扭曲变形。

在仿真环境中，我们翻转了整个光学系统，使光线路径与现实情况完全相反。在实际应用上，我们会以微显示器作为HMD的光源，人眼的视网膜则会是像面。前后者分别作为整个光学路径的出/入瞳。然而为了精确的架设各个组件且能有效的在OpticStudio中进行优化，我们会将实际的出瞳作为OpticStudio中的入瞳，并以微显示器作为整个系统的像面。在接下来的篇幅，我们都会以光线在OpticStudio中的追迹方向来描述。

关于HMD的建立，首先我们会逐一插入表面以建立棱镜，并追迹单一视场角(field angle)的一条主光线。接下来，为了倾斜棱镜使光线按预期的路线行进，我们会在适当的位置插入Coordinate Break表面。此外，我们还需要考虑组件的几何关系，并为各表面设定适合的材质，使这个光学系统成为一个合理的设计。

由于序列模式(Sequential Mode)无法仿真出全反射(TIR)的现象，我们必须在发生TIR的表面上再覆盖上一个表面，并定义该表面为具有Pickup solves的反射镜表面(MIRROR)，使追迹光线能符合实际情况。在完成对单一视场的优化之后，我们接着利用多重结构编辑器(Multi-Configuration Editor, MCE)建立第二道光路。最后我们会纳入制造上的考虑，并对整个系统的表现进行最终的优化。

楔形自由曲面(FFS)棱镜

为了简化一开始的光线追迹过程，我们将系统的入瞳大小设置为6mm(人眼瞳孔尺寸约为2-8mm)，并设定单一视场点(field point)。当所有的表面都正确的被建立，且光线能顺利的通过棱镜后，我们可以逐步的扩大FOV和入瞳尺寸。(更多关于FOV的论述可参考后续的”定义视角”段落)

在序列模式中，我们利用多个倾斜或偏心表面建立棱镜。为了确认各表面的位置和存在必要性，我们必须思考系统中的光线是如何通过棱镜，并与各表面交互作用的。在下方示意图中我们可以清楚看到光线的路径、各表面的作用和编号，这些信息有助于棱镜模型的建立。

上方示意图中的红色数字代表该表面在镜头数据编辑器(Lens Data Editor, LDE)中的表面编号，Coordinate Break的存在已纳入考虑。至于“S#”则代表了棱镜的实际表面，可以在本文参考的专利模型中找到对应的表面。(我们也可以在LDE中的Comment区域看到上述的编号)

举例，我们可以看到上方红框中的8-9-10表面代表了示意图中的表面9，同时也代表了实际棱镜的S1’表面，即S1的反射面(内表面)。而表面8和10则分别代表了LDE中的表面8和10，并作为表面9的Coordinate Break。

进行以上步骤时，光阑(stop, 在此为系统的入瞳)位置将被设为全局坐标参考(Global Coordinate Reference)。棱镜的第一面(S1或是Coordinate Break加入后LDE中的Surface 3)位于光阑后方18.25mm处，等同于Surface 1在LDE中的厚度。而这个距离在实际应用上是作为使用装置时的适眼距(eye relief)。除了坐标的设定之外，我们还需要思考如何设计表面的倾斜或偏心，才能使入射光顺利到达像面。专利设计中的参数和示意图可以在这方面提供不少帮助。

如下方示意图，可以看到入射光自S1(LDE中的Surface 3)进入棱镜，接着落在S2(LDE中的Surface 6)上。示意图中的S2作为一个平面镜，使进入棱镜的光线全数反射。在实际应用上S2是一个镀膜的半反射镜(half-mirror)。光线在到达该表面后会分成两个行进路径: 1)在棱镜内部发生反射，最后到达上方的微显示器；2)使外界光线顺利通过的透射路径。我们会在稍后的篇幅使用多重结构化编辑器建立第二道光路。为了使光线符合示意图中的行进方向，我们会再次使用倾斜和偏心的功能调整表面的位置。

注意: 为了更完整的呈现光线追迹路径，我们根据专利中微显示器的位置对像面进行调整，透过表面的倾斜或偏心使光学组件呈现正确的几何关系。

检视光路图，我们会发现光线须在S1的内表面(即S1’)反射，才能顺利抵达微显示器(像面)。根据专利的说明，前述的光线转折是由界面处的全反射(TIR)所造成。我们在后续的”全反射(TIR)”段落中会提到更详尽描述，此处仅针对OpticStudio的操作做说明。

由于在序列模式中无法仿真TIR，因此我们需要额外将S1’设为反射镜表面。此外，将表面的求解(Solve type)设为Pickup，可使此表面更符合S1(LDE中的surface 3)的实际表现，允许入射光同时呈现反射和穿透的现象。我们可以根据下图完成上述的设定步骤，使各表面对应的参数随LDE中Surface 9变更。

最后我们以相同的方式在像面(LDE中的Surface 12)前插入一个表面，并设定正确的x-tilt和y-decenter。

定义视角 (FOV)

由于自由曲面的设计会随视场(field)变化，为了分析系统的FOV我们需要尽可能设定更多的视场点。OpticStudio允许使用者在给定的视场中间分割，并有效率进行优化。此外，这些视场点还必须在X和Y方向给予定义。由于范例档案中的光学系统并非旋转对称(该系统对称于YZ平面，但对XZ平面是非对称的)，我们无法确保光线在正向和负向均有相同的行进路线。

全反射 (TIR)

在实际的光学系统中，从微显示器出发的光线会在S1’面发生TIR。当光线从高折射率的介质射向折射率较低的介质，且入射角大于临界角时，此现象可能会发生在两介质的交界面。TIR的临界角如下所示：

ni 代表光线入射的介质折射率，而nr 代则是发生折射的介质折射率。在本范例中，光线自PMMA(n=1.492)射向S1’表面。此时S1’表面的外侧为空气，因此nr=1。由以上的关系式我们可以得到TIR发生的临界角(θc)为 42.09度。实际的光线入射角会成为优化过程中的约束条件。

创建矩形孔径

我们可以在LDE的semi-diameter参数调整表面上的孔径(aperture)大小。考虑现实中楔形棱镜的几何关系，本范例中会以矩形孔径的形式呈现。矩形孔径可被定义在棱镜的任何表面上，我们可以在 Surface Property…Aperture Type中将孔径改为Rectangular Type。(由于Coordinate Break是虚拟表面，这些表面不会对光线行进造成任何改变，因此我们无法在此定义孔径。)

优化

系统针对RMS波前(wavefront)进行优化，并且以质心(centroid)为参考点。我们可以逐步增加光瞳采样(Pupil Integration)中的环(ring)和臂(arm)以改良设计。以上步骤均可在优化函数编辑器(Merit Function Editor)中完成。至于约束条件的部分，我们可以选择以有效焦距(EFL)、厚度、全局坐标、光线路径长度、倾斜/偏心参数、角度和畸变等物理量作为限制。

首先，我们需要使用全局坐标约束条件(GLCX/GLCY/GLCZ)确保S1和S1’表面(LDE中的Surface 9和3)对齐，毕竟在实际应用上这两个面本来就是一体的。这些操作数(operand)将被用在surface 9和3的pickup参数上。

为了使整体光学架构更为简洁，我们可将光线路径长度作为约束条件。特别是从S3到像面以及S1’到像面的距离，针对这两个长度进行限制可确保像面被放在合理的位置。

对表面的倾斜/偏心参数进行限制可使棱镜在优化过程中保持正常的形状，避免出现其中一个表面异常远离其他表面的现象。一开始所有表面的型态为标准透镜(Standard Lens)，在优化的过程中会渐渐的变成偶次非球面(Even Asphere)，部分表面最后将变为自由曲面型态。在本案例中，S1、S1’和S3表面(LDE中的 surface 3, 9, 12)会以Extended Polynomial的型态呈现，surface 2则会是Even Asphere。

设定多重结构化编辑器(Multi-Configuration Editor)

到目前为止，第一道光路(投影路径)的优化已大致完成。接下来我们将进行第二道光路(透视路径)的建立和优化。在这个阶段中，我们主要针对S2表面上的辅助镜头(auxiliary lens)进行设计。

下图为FFS棱镜优化完成后的LDE，参数可能会因为优化的过程和视场的添加而存在些微的差异。我们可以在最终的范例档案中得到非球面和自由曲面系数。

注意: 在进行优化后，各表面在LDE中会呈现不同的颜色。我们也可以根据偏好在surface property中对颜色进行变更。

在进行辅助镜头的建构时，我们首先将S4加入已建立的FFS棱镜模型中。此时多重结构编辑器(Multi-Configuration Editor, MCE)可以帮助我们将整个系统一分为二。如下图，我们可以看到投影路径和透视路径清楚的呈现。

在根据光路对光学系统进行划分前，我们需要先在像面前加入S4表面(在实际应用上，S4会是第二道光路的光线在到达像面前的最后一个表面)。在LDE中加入S4和对应的Coordinate Break后的结果如下(surface 14, 15, 16为新增的内容)。

接下来我们会以多重结构编辑器(Multi-Configuration Editor, MCE)对光学系统进行划分。在明确的分割系统后，我们可针对不同目标和表面特性对单一光路进行优化。举例而言，设计者可以在针对FFS棱镜以RMS波前和有限远像面优化的同时，对辅助镜头和透视光路以无焦(afocal)为目标进行相同操作。在透视路径中，我们希望能在配戴装置的情况下仍可清晰看到外界景物，因此像面在这道光路中不会是位于焦点上的。为了使HMD的存在不影响使用者正常观看周遭环境，在模拟中我们必须使无穷远出发的影像光线能顺利映像在人眼的角膜(cornea)上。同时，我们还需要对辅助镜头进行优化，减少透视光路的畸变并消除光学系统的屈光效果。关于MCE的设定，我们可以在Help Files中找到许多有用的信息。(推荐阅读 “Multiple Configuration Editor” 和 “Multi-Configuration Operands” 这两个段落)

观察上方个别光路的示意图和LDE，可以发现第一道光路包含了LDE中surface 0到surface 13的所有组件，以及像面(surface 17, 18)。第二道光路则涵盖了S1和S2表面，但不包括S1’和S3表面。因此在针对此光路进行设计和优化时，S1’和S3及相对应的Coordinate Break均会被忽略，仅会考虑Surfaces 0-7, 14-16 和 18。同时，像面的Coordinate Break也会被忽略，因为我们希望像面可以垂直于Z轴，正如实际应用上的外界入射光。

在上方的MCE中，我们可以看到在configuration被设置为参数 ”1”，代表该操作数是有效的，而”0”则代表了该操作数不会对优化结果造成影响。透过操作数IGNR的设置，我们可以决定哪些表面会真正影响模拟结果，而哪些表面则是要被忽略的。举例而言，观察MCE我们可以发现surface 14到16(第3到5横列)不会对第一道光路造成影响。

此外还有一点特别重要的是操作数GLSS的使用，我们利用这个操作数将Surface 6(FFS棱镜的S2)材质改为玻璃。该表面在一开始的第一道光路中被当作反射镜表面，为了模拟第二道光路，我们必须赋予该表面可被穿透的特性，以便在序列模式下同时仿真出透射和反射的效果。此外，多重结构操作数AFOC可使第二道光路中的 ”离焦空间(Afocal Image Space)” 设置被启用。

在优化多重结构的过程中，MCE和LDE的参数均可被调整以改进结果。我们可以借由操作数CONF将操作数归类到多重结构的其中一种结构中，这些操作数只会对该结构造成影响。在CONF后方的”Cfg#”输入结构的编号，例如本例的第一道光路即输入”1”，MCE会将此横列下方的所有操作数纳入该结构的优化计算，直到下一个CONF出现为止。

分析

我们可以利用MCE或者其他工具栏的功能对系统的表现进行分析。由于本范例中的模型使用了自由曲面且具有缺乏旋转对称的特性，我们使用了Huygens PSF的分析方法。

如果想在分析的过程中加入矢高(sag)和曲率(curvature)的考虑，我们可以在上方工具栏中依序选择分析(Analyze)...表面(Surface)...矢高图(Sag)/曲率图(Curvature)。更多细节上的变更可以在设定(Settings)选单中完成。

视场光焦图(Field Map)是另一个我们可以选用的分析工具，我们可以在分析(Analyze)...PAL/Freeform中找到这个功能。在设定选单中我们可以针对各种特性进行分析，例如特定表面的光焦度(power)。在本范例中，我们使用该功能评估在透视路径(see-through path)中光线抵达像面时所受到屈光的影响。要达到使人眼无法辨别差异的程度，设计者必须尽可能减少光学系统的屈光能力(约小于0.5D)，才可降低使用时的疲劳和不适感。

参考资料

1. Cheng, Dewen, Hong Hua, and Yongtian Wang. “Optical See- Through Free- Form Head- Mounted Display.” U.S. Patent 0009845. 9 January 2014

Ansys Zemax | 如何导入CAD物体

这篇文章介绍了如何将STL、IGES、STEP和SAT等格式的CAD（计算机辅助设计，ComputerAidedDesign）物体导入到OpticStudio中。CAD文件的格式一般与您所使用的CAD软件相关，格式种类众多，不同的格式也有各自擅长的领域。如，STL格式是利用三角形网格来表示三维物体的，所以，对于那些原本就是由多个平面围成的物体来说是一个不错的选择，该格式也常应用于3D打印领域。IGES格式与STEP格式在不同的CAD软件中都有良好的兼容性。在二者中做选择时，要看它们当中哪一个的模型导出程序对物体模型的表示方式更适合于您的物体模型。如果您使用基于ACIS引擎的CAD软件，那么推荐您使用SAT格式的CAD文件。简介在OpticStudio中导入CAD物体是非常重要的功能，尤其是在对复杂的光机元件进行杂散光分析时，光线会在这类光机元件上发生较为严重的反射和散射效应。导入CAD功能在照明系统中同样重要，例如在汽车仪表盘中，光线可能会入射到一个复杂的光导管之中。OpticStudio的导入CAD物体功能非常灵活且强大，它支持多种常见的CAD文件格式。导入CAD物体CAD物体结构可能十分复杂，一根光线可能会在物体中产生多次反射、折射或散射等相互作用。因此，我们使用非序列光线追迹来描述光线与物体之间的相互作用。在序列系统中，我们也可以使用混合模式来进行类似的非序列光线追迹。OpticStudio支持四种静态CAD文件格式：STL、IGES、STEP和SAT（如SLDPRT和ZPO这样的动态CAD格式，不在本文的讨论范围之内）。在四者之中，只有STL格式是用小的三角形表面连接在一起，来近似表示物体模型的曲面，其它三种格式会使用平滑而连续的表面进行建模。物体上的小平面(Facets)只用于在屏幕上显示。因此，在连续且光滑的CAD物体表面进行的光线追迹在CAD模型精度下是精确的，尽管我们使用小平面来绘制物体。需要特别注意的是，虽然OpticStudio支持由实际的小平面组成的CAD物体模型，但是在多数时候，我们见到的由小平面组成的CAD物体仅仅是显示成这样，而光线追迹的精度仍会以实际表面的精度为准。STL格式STL(StereolithographyTessellationLanguage)格式在3D打印技术中应用广泛，它能够简单地对常见的三维形状进行建模。它利用三角形的鳞甲面来描述物体模型，即一系列小的三角形面拼合在一起来近似表示物体模型的表面。您可以从参考资料1中查看有关STL格式的概述。STL文件中的每一个小三角面都是由它三个顶点的{x,y,z}坐标以及表面法向量来定义的。下面是STL格式的示例文件的前几行代码，它由AutoCAD软件生成：solidAutoCADfacetnormal0.0000000e+0000.0000000e+0001.0000000e+000outerloopvertex6.0000000e+0004.0000000e+0006.0000000e+000vertex6.0000000e+0006.0000000e+0006.0000000e+000vertex4.0000000e+0006.0000000e+0006.0000000e+000endloopendfacetfacetnormal0.0000000e+0000.0000000e+0001.0000000e+000outerloopvertex6.0000000e+0004.0000000e+0006.0000000e+000vertex4.0000000e+0006.0000000e+0006.0000000e+000vertex4.0000000e+0004.0000000e+0006.0000000e+000endloopendfacet（需要注意，OpticStudio会同时导入STL格式的ASCII版本和二进制版本）STL格式的小平面特性决定了它非常适用于建模反射镜和棱镜。然而它不擅长表示光滑的曲面，这是因为使用小三角形鳞甲面来表示曲面的方式会降低光线追迹的精度。STL格式的CAD物体需要使用物体类型“CAD零件：STL(CADPart:STL)”进行导入。后缀名为.stl的文件必须保存在Zemax根目录下的objects文件夹中的CADFiles文件夹下。当导入完成后，您可以像设置其他物体位置那样来设置CAD物体的位置。如下图所示，我们可以用STL格式精准地模拟由多个平面构成的棱镜，但对于球体来说，STL格式只能近似地模拟。球面是由三角形网格模拟形成的：在本例中，屏幕上显示的小平面就是实际从STL物体文件中生成的，并且光线会直接与这些小平面接触。IGES格式IGES(TheInitialGraphicsExchangeSpecification)是美国的国标格式，建立这一格式的初衷是在不同CAD软件之间实现便利的数据传输。IGES物体需要保存在Zemax根目录下的objects文件夹中的CADFiles文件夹下，并且需要使用物体类型“CAD零件：STEP/IGES/SAT(CADPart:STEP/IGES/SAT)”进行导入。下图所示物体是由SoildWorks软件导出的IGES格式模型：现在，Solidworks输出这个物体的格式是任意的，很可能是NURBS格式(请参阅参考资料3)，在屏幕中物体是通过小平面来显示的，而实际的IGES物体的结构更加复杂：需要注意的是，OpticStudio使用这些小平面只有一个原因：仅用于在屏幕上绘制物体。IGES格式的物体在内部计算时仍会采用光滑且精确的物体模型，而不是采用像STL物体那样的小平面。STEP格式STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)是一个综合的ISO标准(ISO10303)格式，它用来描述如何表示和交换数字产品的信息。对于OpticStudio的用户来说，选择IGES格式还是STEP格式都没有任何问题。OpticStudio可以很好地处理这两种格式。因此在选择格式时，您可以根据CAD软件导出模型的质量来决定。IGES是较旧的格式，一些CAD的供应商会使用他们自己的导出程序，因此根据供应商不同，数据可能存在少许偏差。而STEP格式则较新，大多数CAD供应商都会使用像StepTools这样的内置库程序进行导出，因此CAD文件在STEP格式进行数据交换时能够保持更好的一致性。在OpticStudio中，STEP格式物体导入的方法与IGES格式物体的方法完全相同。SAT格式SAT格式是SpatialTechnologies公司采用ACIS(AndyCharlesIan’sSystem)几何建模引擎开发出来的。它可以直接表示ACIS建模引擎的内部数据结构。也就是说，当您在一个以ACIS为基础的CAD软件中加载SAT格式的文件时，软件不会对这个文件进行编译，而是直接使用文件中的数据。因此，SAT格式本质上不是一个用于CAD数据交换的格式，它本身就是一个CAD格式。所以如果您使用基于ACIS的CAD软件，那么您可能会使用到SAT格式的文件，否则您可能不会接触到SAT格式的文件。此外，SAT格式文件可以平滑且连续的表示物体，其导入OpticStudio的方法也与导入IGES文件相同。调整CAD物体的属性和参数您可以在非序列元件编辑器的参数数据表格或物体的属性窗口中修改和控制已导入CAD物体的属性和参数。这些操作适用于上文提到的全部四种CAD文件格式。可修改的属性和参数有：材料(Material)：每个物体仅能定义一种材料。比如，这个咖啡壶是由玻璃罐、塑料盖、塑料手柄、将手柄与罐身连接的铝环，以及将手柄与铝环固定的金属螺丝组成。如果想导入这样一个咖啡壶整体，则需要在CAD软件分别导出这些零件的CAD文件，再把这些文件分别导入到OpticStudio中；或者，可以分解导入的物体，再单独赋予每个子物体相应的光学特性。分离的子物体可以以一个主物体为基准，采用相对参考的方式来确定它们与主物体之间的位置关系，以便整个咖啡壶能够作为一个整体来一起进行移动或旋转。缩放(Scale)：这是一个无量纲的参数，您可以利用这个参数对物体尺寸进行缩放。模式(Mode)：它用来调整模型建立的时间与光线追迹的速度。如果模式参数为1，则表示模型建立的时间短但模型的光线追迹速度慢；如果参数值为2，则表示模型建立的时间中等且模型光线追迹的速度也属于中等水平；如果参数值为3，则表示模型建立时间较慢但模型的光线追迹速度较快。一般情况下，在OpticStudio中建立光学系统时使用模式1，而在进行大量光线追迹时使用模式3。需要注意的是，不同的模式只会影响光线追迹的速度和物体初始加载的时间，并不会影响光线追迹的精度。X，Y和Z像元数(X,Y,ZVoxels)：该参数用来表示使用多少个体元来表示所定义物体的不可见的边界。体元技术允许通过在给定的体元数量下，预先计算物体或物体的一部分，以实现光线的快速追迹。进入一个体元空间的光线只可能与所有体元的一个子集相交；因此只需要判断这些子集体元上是否发生了光线与物体的相交即可。像元数越大，则模型的建立时间越长，但光线追迹的速度越快。通常情况下需要实验几次才能确定合适的像元数。需要注意的是，像元数会影响光线追迹的速度和以及建立物体所需的内存，但同样不会影响光线追迹的精度。分解文件？(Explode?)：该参数表示CAD零件是否已被分解。这个参数是OpticStudio用来表示分解状态的，不需要用户进行设置。如果您想要分解一个CAD物体，可以选择非序列元件编辑器工具栏上的CAD>分解CAD装配体文件(ExplodeCADAssembly)来实现。弦公差(ChordTolerance)：该选项位于物体属性(ObjectProperties)中的CAD标签中，它只影响物体在布局图中的渲染效果。OpticStudio在渲染物体时，会将物体表面近似表示为多个三角形的鳞甲面，弦公差表示三角形鳞甲面上的点与物体真正的表面之间所允许的最大偏差距离。如果把这个值改小，则会添加更多的三角形面来精细地表示物体表面，但会降低渲染的速度并占用更多内存。如果该值保持默认值0，则OpticStudio会自动根据物体的尺寸选择一个合适的弦公差，以快速地渲染物体的形状。同样的，弦公差的值不会影响光线追迹的计算精度。光线追迹的精度与速度所要导入的物体是由多个平面构成时，推荐使用STL格式，而所要导入的物体由光滑连续的表面组成时，推荐使用IGES、STEP和SAT格式。并不是所有类型的表面形状使用CAD文件格式（例如IGES、SAT、STEP）都可以得到足够的光线追迹精度。对于平面、球体和圆柱体来说，在正确设置的情况下使用CAD格式可以具有很高的光线追迹精度。然而对于高阶的面型来说，CAD格式通常无法高精度地表示这些表面。例如，对于一个具有r的十六阶项的非球面来说，CAD格式的文件无法准确地对该表面进行描述。在这种情况下，CAD软件一般会使用一条分段的曲线进行近似拟合，这是一个使用多个低阶曲线进行分段拟合的方法。一般使用多个三阶或四阶多项式所对曲面进行近似描述。这样做的精度对于机械设计来说是足够的，但是当进行光线追迹需要曲面精确度在亚波长量级的情况，这样的低阶多项式精度是远远不够的。这个问题通常出现在我们在OpticStudio中进行高光学精度的表面建模后，使用CAD文件导出该表面，然后再重新导入该CAD文件进行光线追迹的情况。例如，当OpticStudio将内置的非球面以CAD样条曲线的形式导出时，零件的光学精度就会损失。对于非成像系统中光学元件，以及对机械元件进行杂散光分析时，CAD文件的精度一般满足需求。然而对于成像系统来说，我们需要格外注意导入的CAD零件是否能足够准确地表示您想要的面型。需要注意的是，OpticStudio在进行内部光线追迹时的精度大约在1E-12量级，而CAD物体的精度则要低多个数量级。对于球面透镜这样的简单物体来说，如果使用CAD格式的文件导入后进行光线追迹，会比使用相同的OpticStudio内置面型进行光线追迹的速度慢很多。因此通常来讲，我们应尽可能使用OpticStudio的内置面型进行建模。导入的CAD物体的光线追迹速度很大程度上取决于文件中对物体形状的表示方法。对于同一个物体来说，在OpticStudio所支持的CAD格式中也可能有无穷多种表示方式。例如，其中一种有效的表示方法也许只需要几条样条曲线就可以描述一个物体的形状；而不太实用的表示方法则可能需要成百上千条更小的样条曲线来模拟这个物体。虽然从机械建模的角度来看，两种方式都是有效的，而且都能生成相同的物体，但是有庞大数量的样条曲线表面会严重影响光线追迹的速度。唯一的改进的办法是回到CAD文件中，查看有没有更加有效的表示物体的方式。根据我们的经验，通过调整CAD导出程序得到不同的物体表示方法，可以使光线追迹速度或者物体尺寸产生几个数量级的差异。参考文献1.Beard,Tom."MachiningFromSTLFiles."ModernMachineShop.January01,1997.AccessedJanuary17,2019.http://www.mmsonline.com/articles/019704.html.2.CADEXLtd.2008.IGES.Accessed2019.https://cadexchanger.com/iges.3.Tiller,Wayne,andLesA.Piegl.1996.TheNURBSBook(MonographsinVisualCommunication).Springer.4.STEPTools,Inc.2019.WhatisSTEP?http://www.steptools.com/stds/step/step_1.html.5.DassaultSystemes.2019.Spatial.https://www.spatial.com/.ACISandSATareregisteredtrademarksofSpatialCorporation.