什么是光線瞄準？

在Zemax OpticStudio中，光線瞄準是一種光線追跡的迭代算法：根據(jù)系統(tǒng)所設定的孔徑，找出填滿光闌（Stop）邊緣的光線。

通常只有在入瞳（系統(tǒng)光闌在物空間的成像）的像差較為嚴重或者有偏心/傾斜的狀況下使用這個功能。

Ray-Aiming選項在System> General> Ray Aiming菜單下指定。

當沒有使用光線瞄準時，真實的光線會瞄準近軸的入瞳,近軸近似下,入瞳是從物面看光闌（Stop）的成像。入瞳的大小以及位置可以在 “Analyze > Reports > Prescription Data”工具中General菜單找到。如果物面和光闌表面之間沒有任何光學元件即光闌在第一個表面的情況下，不需要開啟Ray Aiming。當光闌不在第一個表面的情況下，需要進行Ray Aiming。

Ray Aiming有兩種算法：“Paraxial Ray Aiming”和“Real Ray Aiming”,這兩種算法在精度上并無區(qū)別，只是后者比前者可以處理的范圍更廣泛一些，但是速度會慢很多。

一般原則：只要在必要的時候使用“Ray Aiming”,當需要使用時優(yōu)先使用“Paraxial Ray Aiming”。

光瞳像差光扇圖

我們可以使用光瞳像差光扇圖來查看系統(tǒng)是否有明顯的光瞳像差

光瞳像差光扇圖在“Analysis >Aberrations > Pupil Aberration”里打開。下圖系統(tǒng)存在明顯的光瞳像差。

輕度光瞳像差

打開范例文件，其系統(tǒng)Layout圖如下所示：

假設該系統(tǒng)是一個相機鏡頭系統(tǒng)，其中光闌的半徑設定為10個鏡頭單位。

此時的系統(tǒng)孔徑（System Aperture）需要定為“float by stop size”。這樣光闌半徑可以直接在鏡頭編輯其中手動設定。

此時沒有使用光線瞄準。從物面出發(fā)的光線是指向入瞳的，但是入瞳的大小以及位置在近軸計算下只參考物面以及光闌中間的光學元件的光學倍率（Optical Power），并沒有考慮像差。

打開并放大Layout圖，可以看到光闌的邊緣光線（Marginal Ray）并沒有精確地落在光闌的邊緣。同時打開光瞳像差光扇圖，從圖中也可以看出沒有使用光線瞄準時最大光瞳像差為3%，這表明光線瞄準并不是必須的。用戶需要在增加的光線跟蹤精度與計算時間之間折中考慮。一般來說，光線瞄準會使光線追跡速度降低2到8倍。

現(xiàn)在我們把光線瞄準設定為“Paraxial”，并再次觀察Layout圖。

光線瞄準的算法會不斷在物空間中迭代直到找到交匯在光闌面上正確的光線。上圖顯示出所有的邊緣光線都會交到光闌的邊緣位置。請注意光瞳像差仍然存在，但是在取樣光闌時會考慮進去。光線瞄準功能并不會消除光瞳像差，而是在取樣入射光線時會把光瞳像差考慮進去。

顯著的光瞳像差

以下這個例子屬于必須使用光線瞄準，打開范例文件 ,光線瞄準設定為“OFF”，其系統(tǒng)Layout圖如下所示：

從上圖可以看出所有物空間發(fā)出的光線都指向近軸的入瞳，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，入瞳的位置是以表面1為起點定義的，其詳細數(shù)值可以在Prescription Data中查看，下圖可以看出入瞳位置為1.8295個鏡頭單位。

為了使得各個視場、波長的實際光線都可以穿過光闌，光闌面的半直徑會自動變化。請注意，在不使用光線瞄準的情況下，從視場3出射的光線并不能到達光闌面，因為對于視場3的角度，光線不能依次通過光闌前的每個面。

Zemax OpticStudio中使用光線瞄準以填滿光闌之前必須設定光闌的大小，除非有像上文的情況：系統(tǒng)孔徑（System Aperture）定義為“float by stop size”以及手動設定其半直徑。當光線瞄準設置為“Paraxial”時，光線要瞄準的光闌大小由光闌面上近軸邊緣光線高度決定。

想要查看光線高度，可以在不設定光線瞄準的情況下：打開“Analysis > Rays & Spots > Single Ray Trace”，將視場設置為1，光瞳坐標設置為Px=0及Py=1，即軸上物點的邊緣光線。在“Paraxial Ray Trace Data”中可以看到光闌面上，Y的高度為0.424799，而在“Real Ray Trace Data”Y的高度為0.43225。實際和近軸光線有差距并且在視場2時更加明顯。

我們將光線瞄準設置為“Paraxial”，回到Single Ray Trace可以看到對于所有視場以及波長，實際和近軸光線的差距為0。下圖為光線瞄準設置為“Paraxial”時的Layout圖。

對于有輕度像差的系統(tǒng)，一般來說，用近軸光線決定的光闌大小會與實際光線的有輕微的不同。但通常近軸與實際兩者光線在的光闌面上高度相差足夠小可以忽略此效應。

盡管如此，光線瞄準還是有個“考慮像差”的選項即“Real Ray Aiming”，它使用實際光線而不是近軸光線來決定光闌大小，這個選項幾乎不會被用到。

此處的Real Ray Aiming并不會比Paraxial Ray Aiming的計算結(jié)果更加精準，只是前者可能可以處理一些后者無法正常工作的案例。而當這二者都能工作的情況下，其計算精度是一樣的

在默認設置里“Use Ray-aiming cache”會被勾選，而“Robust Ray-aiming”不會被勾選。這些預設通常不需要更動，想知道更多這方面的資訊，請參閱使用者手冊的相關(guān)條目。

偏心的光闌

近軸光線計算入瞳大小以及位置會忽略面的傾斜以及偏心。因此，近軸入射光瞳的頂點總是沿著物空間局域Z軸的延長線上。如果光闌面相對于近軸入瞳有顯著偏心或傾斜，就需要使用光線瞄準，即使在物面以及光闌之間沒有任何光學元件存在，請看下圖

總結(jié)

本文已經(jīng)展示了基本的光線瞄準的概念及其序列模式下的一般使用方式。綜上所述：

1、只有在需要時才使用光線瞄準。

2、優(yōu)先使用Paraxial Ray Aiming。

3、光線瞄準不會消除光瞳像差，而是在選擇輸入光線時考慮像差。

4、使用光線瞄準，并在系統(tǒng)孔徑設定“float by stop size”時，可以用來強迫光線填滿使用者設定的光闌尺寸。

5、具有偏心/傾斜光闌的系統(tǒng)也許會需要光線瞄準。