zemax中的ray fan和spot diagram的含义

xx_912 · 发表于 2006-3-3 02:16:49

　在zemax中有一个重要的分析手段，就是显示ray fan图。显示ray fan可以通过多种方式，比如菜单 analysis－fans－ray aberration显示；也可以通过直接点击在菜单栏目上的Ray按钮。
ray fan表示是光学系统的综合误差。
　　它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从－1到＋1之间。显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。
　　由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示。
　　要概念上理解ray fan图，我们假设有一个薄透镜的光学系统。光阑就在这个薄透镜上。有一个在子午面上的轴外点，发出一束光线射向这个透镜，那么它在子午面的ray fan图将是这样绘制的：
　　首先，这一束光线会射向光学系统的入瞳（同时也是光阑）上，会在子午面上有一个光束的分布。因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示－1到＋1的横坐标。显然主光线的位置是光阑的中点，就是0的位置。
　　然后这一束光线继续穿过光学系统，最后折射到像面上。由于由像差的存在；在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。（对于理想的光学系统，还是应该形成一个点）
　　这个线上一定会有一个点，是由主光线形成的。这个点就做为整个像差的参考原点。其他的各个点到这个点的位置差值就是在ray fan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值！
　　这样，一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。只要有足够的点，就能连接绘制一个完整的ray fan图。
　　这就是ray fan图的含义，它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。
需要指出的是：
● 由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的ray fan都有两个。一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）
● 又由于系统选择的光线不同，在每个视场的ray fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。
● zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。
　　ray fan缺省的位置是IMA面位置，缺省的采样点是20个点等等都可以在setting中进行重新设置。
　　关于rayfan中各种图形的含义，需要设计人员根据光学经验进行判断。
　　比如S行状的ray fan表示这个系统有球差。多个S行状（蛇行状）的ray fan表示这个系统有高级球差等等。
spot diagram
　　spot diagram是另外一种重要的分析像差的工具。spot diagram可以通过方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单 Analysis-Spot Diagrams-Standard，进行查看。
　　参照上边的说明，spot diagram的形成，我们也可以在轴外子午面上选择一点做为发光点。这个点同样将光线射向系统的入瞳和光阑位置。和ray fan不同的就是，这次我们考虑的更全面些。这一束光线不是一个子午面的方式，而是一个面阵的方式发散。而是全面的射入入瞳。为了计算和比较，有几种布置光线的方式可以选择，比如随机点方式，矩形方式，圆形方式，还有三角方式等等。目的是能尽量保证平衡射入这个系统。
　　光线进入系统以后经过转折等，最后仍然是射入IMA面。对于理想光学系统，这些光线会再次重复为一个光点。但对于有像差的光学系统，这些光线会在IMA面上形成一系列的图形。这图形实际就是模拟显示了光学系统对这个轴外点的实际成像！
　　不同的像差有不同的像表现，同时随着像差的大小不同，这个像，也叫斑点的大小也不一样，显然像差越小的光学系统，其斑点也越小。衡量这个斑点大小有个定义，就是RMS半径定义，另外还有一个就是几何半径的定义。RMS是均方根半径，可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。
需要说明的是：
　　不同的射入入瞳的光线排列会对最后的RMS半径等有影响，但并不大。
　　关键影响RMS半径的是，每个斑点的中心点参考点的选择：一种选择的方式是根据主光线的位置做为斑点中心光线的中点。另外一种方式是采用斑点的实际重心做为斑点中点。
　　对于一个轴对称系统，在轴上，显然主光线中心和斑点重心是一点没有差别，但在轴外点成像。主光线的中心计算出来的RMS显然要比斑点重心计算的RMS半径要大。其实，通常采用的是斑点重心的参考中点方式。

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