Размерность и величина апертуры системы

Lens Title

Наименование схемы

Наименование схемы будет появляться на всех выходных графиках и текстах. Наиме­нование схемы нужно просто напечатать в строке Lens Title. Дополнительная текстовая информация может быть введена в большинство графиков; смотри в этой главе ниже раздел "Configuring the environment".

Aperture Type Тип апертуры

Апертура системы определяет размер пучка, идущего через систему вдоль оси! Для установки апертуры системы Вы должны определить тип апертуры системы и ее величину. Используйте курсорные клавиши для выбора нужного типа апертуры системы из выпадающего списка. Типы апертур системы могут быть следующие:

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                                                                                  7 -1

Entrance Pupil Diameter: Диаметр входного зрачка в линейных единицах как он видится из пространства объектов.

Image Space F/#: Сопряженное с бесконечностью параксиальное F/# в пространстве изображений.

Object Space Numerical Aperture: Числовая апертура (п sin9m) крайнего луча в пространстве объектов.

Float by Stop Size: Определяется величиной полудиаметра поверхности, на которую помещена апертурная диафрагма системы.

Paraxial Working F/#: Параксиальное F/# в пространстве изображений при работе с конечного расстояния.

Object Cone Angle: Половина угла (в градусах) крайнего луча в пространстве объектов; может превышать 90 градусов!

Эти термины были ранее определены в главе "Conventions and Definitions". Если Вы выберите тип "Object Space N.A." или тип "Object cone angle", то "толщина" объекта должна быть конечной величиной. Для данной схемы можно определить только один тип апертуры системы; например, если выбран тип "Entrance Pupil Diameter", то все другие типы апертур определяются самой схемой.

Aperture Value

Размерность и величина апертуры системы

Размерность величины апертуры зависит от типа апертуры. Например, для апертуры "Entrance Pupil Diameter" ее величина выражается в установленных линейных единицах. ZEMAX совместно использует установленный тип апертуры системы и ее величину, определенную в соответствующих единицах, для вычисления таких фундаментальных величин, как размер входного зрачка и величины чистых апертур для всех компонентов системы. Исключение составляет только апертура "Float by Stop Size": если выбран этот тип апертуры, то величина апертуры системы определяется величиной полудиаметра диафрагмы, установленной на апертурной поверхности в редакторе Lens Data Editor.

Lens Units

Единицы измерения

Имеется возможность выбора следующих линейных единиц измерения: миллиметры, сантиметры, дюймы и метры. Эти единицы используются для измерения таких параметров, как радиусы, толщины и диаметр входного зрачка. Для большинства диаграмм в качестве единиц измерения всегда используются микроны, так как они являются функциями длин волн.

Glass Catalogs Каталоги стекол

Имеет редакционная строка и группа электронных флажков с перечнем имен файлов (без расширения), в которых записаны используемые в данное время каталоги стекол. По умолчанию флаг установлен на каталог "Schott"; что означает, что в схеме могут быть использованы стекла из этого каталога. Если требуются другие каталоги, то установите флаг на них. Если требуются каталоги, для которых не предусмотрены

7 -2                                                                                                 Chapter 7: SYSTEM MENU

    флажки, то просто напечатайте в редакционной строке имена файлов (без расширения), в которых они записаны. В этой строке можно записать через пробел большое число различных каталогов. Смотри главу "Using Glass Catalogs".

Notes

Заметки

Это поле позволяет ввести несколько строк текста, который будет записан в файл текущей схемы.

Advanced

Дополнительные характеристики

Эта команда вызывает диалоговое окно "Advanced System Data", которое исполь­зуется для определения не столько общих характеристик системы, сколько для определения данных, ассоциируемых с отдельной поверхностью. Смотри также раздел "General".

Ray Aiming

Алгоритм "нацеливания" луча

Меню выбора режима "нацеливания" лучей (Ray Aiming) имеет три установки: None, Paraxial Reference и Real Reference. Если выбрана установка "None", ZEMAX будет использовать параксиальные величины размера и положения входного зрачка, определенные при установке величины апертуры и вычисленные на оси по запущенным от поверхности объекта лучам для главной длины волны; это означает, что ZEMAX будет игнорировать аберрации входного зрачка! Для слабых систем с умеренными угловыми полями это вполне приемлемо; однако некоторые системы, такие как системы с небольшими F/# или системы с большими угловыми полями зрения, могут иметь значительные аберрации входного зрачка. Аберрации зрачка производят два главных эффекта: изменение положения зрачка для разных углов поля и изменение формы зрачка.

ZEMAX может учитывать аберрации входного зрачка, если выбрать одну из установок "ray aiming". При включении режима "ray aiming" путь каждого луча рассчи­тывается с помощью итеративной программы, которая "нацеливает" луч так, чтобы он пересекал поверхность апертурной диафрагмы в правильном месте.

Правильное место на поверхности апертурной диафрагмы определяется, прежде всего, вычислением радиуса апертурной диафрагмы. Затем вычисляются "правиль­ные" координаты на поверхности апертурной диафрагмы - путем использования линейного масштабирования координат зрачка. Например, краевой луч имеет координату Ру = 1.0. "Правильная" координата на поверхности диафрагмы рассчиты­вается путем умножения радиуса диафрагмы на Ру.

Абсолютная величина радиуса апертурной диафрагмы может быть вычислена по трекам либо реальных, либо параксиальных лучей. Если выбрана установка "Real Reference", то для этой цели используется трек крайнего луча с главной длиной волны, исходящего из центральной точки объекта и идущего через систему к апертурной диафрагме. Высота этого луча на поверхности апертурной диафрагмы будет приравнена величине ее радиуса. Если же используется установка "Paraxial Reference", то вместо этого луча будет трассирован параксиальный луч. При выборе "Real Reference" все лучи нацеливаются к их "правильным" положениям на

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                    7 -3

поверхности апертурной диафрагмы, определенным по ее реальному радиусу, в то время как параксальные лучи всегда относятся к параксиальной величине диафрагмы.

При использовании "ray aiming" апертурная диафрагма, а не входной зрачок является однородно освещенной поверхностью! Это может приводить к неожиданным результатам. Например, когда в качестве величины, определяющей апертуру системы используется Object Space NA, ZEMAX трассирует лучи с правильной величиной NA к положению и размеру параксиального входного зрачка. Если затем производится установка "ray aiming" в положение "Paraxial Reference", то трек реального луча будет отнесен к параксальной величине диафрагмы. Это может привести к получению другой величины числовой апертуры, чем была установлена для системы. Это происходит из-за того, что угол луча был определен (нацелен) с учетом какой-либо аберрации зрачка. В таком случае для устранения этого несоответствия следует использовать установку "Real Reference".

Хотя "ray aiming" является более точной процедурой, чем "paraxial pupil aiming", большая часть треков лучей при этом будет вычисляться от двух до восьми раз дольше (см. опции "Tolerance", описываемые дальше). Поэтому установка "ray aiming" должна использоваться только в тех случаях, когда это действительно требуется. Для определения величины аберраций входного зрачка в Вашей системе, просмотрите график аберраций зрачка (см. главу "Analysis Menu") при отсутствии какой-либо установки "ray aiming". Величина аберраций зрачка в пределах нескольких процентов в основном является незначительной. Если же Ваша система имеет значительные аберрации зрачка, то произведите установку ray aiming и повторите вычисление абер­раций. Аберрации будут уменьшены до нуля или очень близкой к нему величине. Точность алгоритма "ray aiming" определена в разделе опции "Tolerance", приведенном ниже.

Use Ray Aiming Cache

Использование буферной памяти для Ray Aiming

Если установить этот флаг, то ZEMAX поместит в буферную память (кэш) координаты луча, вычисленные алгоритмом Ray Aiming, которые будут использованы при трассировке нового луча. Использование кэш позволяет в огромное число раз увеличить скорость трассировки лучей при работе с алгоритмом Ray Aiming. Однако для использования кэша требуется, чтобы через систему мог быть трассирован главный луч. Для некоторых систем трассировка главного луча невозможна и кэш должен быть отключен.

Robust Ray Aiming (slow)

Надежный "Ray Aiming" (медленный алгоритм)

Если выбрать эту опцию, то ZEMAX будет использовать более надежный, но и более медленный, алгоритм "Ray Aiming". Эта опция должна использоваться только в том случае, если алгоритм ray aiming является недостаточным даже с включенным кэш. Алгоритм "Robust Ray Aiming" не работает без кэш. Этот алгоритм обеспечивает дополнительный контроль за ходом лучей для уверенности в том, что при наличии многих оптических путей к одному положению апертурной диафрагмы, выбран только правильный из них. Это типичная проблема для светосильных широкоугольных систем, в которые внеосевые лучи могут найти виртуальные пути к диафрагме, что сбивает алгоритм "ray aiming".

7 -4                                                                                                 Chapter 7: SYSTEM MENU

   Pupil Shift: X, Y, and Z

Смещение зрачка по осям X. Y и Z

Для большинства систем простое использование алгоритма ray aiming будет устранять эффекты воздействия аберрации входного зрачка, по меньшей мере - для обеспечения правильной трассировки лучей через систему. Это не приводит, конечно, к фактическому устранению аберраций, а только к их учету. Для некоторых широкоугольных или сильно наклоненных и децентрированных систем алгоритм ray aiming не сможет работать без помощи разработчика. Проблема заключается в том, что при трассировке лучей в качестве первого приближения используется параксиальный входной зрачок. Если аберрации зрачка очень большие, то существует возможность, что даже это первое приближение не может быть использовано для трассировки лучей, а необходимо предоставить алгоритму второе, более точное приближение.

Решение этой проблемы может быть достигнуто приближенной установкой величины смещения реального зрачка относительно его параксиального положения. Эта операция называется "Pupil shift" (Смещение зрачка) и состоит из трех составляющих:

х, у и z. Все эти три величины (по умолчанию равные нулю) должны быть использованы для оказания помощи алгоритму в нахождении более подходящего первого приближения для операции ray aiming. Положительная величина смещения Z указывает на то, что реальный зрачок находится за (то есть правее в принятой оптической координатной системе) параксиальным зрачком, а отрицательная величина этого смещения указывает на смещение аберрированного зрачка вперед. Большинство широкоугольных систем имеют зрачки,смещенные вперед.

Величина смещения зрачка по оси Z линейно масштабируется по углу поля трассируемых лучей, так что эта величина должна относиться к смещению зрачка для максимального поля. Величины смещения зрачка по осям Х и Y используются для изменения положения зрачка в случаях, когда плоскость объекта сильно наклонена или когда апертурная диафрагма сильно децентрирована. Если выбрана опция "Scale pupil shift factors by fields", то величины смещения X и Y также будут масштабироваться по полю; в противном случае будет использоваться одна и та же величина смещения для всех полей. Все смещения выражаются в установленных линейных единицах.

Важно понимать, что точные значения величин смещения не так важны. Если обеспечена возможность трассировки лучей в первом приближении, то этого достаточно, чтобы алгоритм ray aiming надежно определил точное положение зрачка. Величины смещения зрачка необходимы только для обеспечения стартовых условий для алгоритма ray aiming. В общем, путем подбора величин смещений зрачка можно определить подходящие значения.

Apodization Type

Тип аподизации

По умолчанию зрачок всегда освещен равномерно. Однако бывают случаи, когда зрачок должен быть освещен неравномерно. Для этих целей ZEMAX предоставляет возможность моделирования аподизации зрачка, которая означает варьирование облученности по площади зрачка. Поддерживается три типа аподизации зрачка:

uniform (равномерное), gaussian (гауссовское) и tangential (тангенциальное). Тип uniform означает, что лучи равномерно распределены по входному зрачку, моделируя тем самым равномерную освещенность входного зрачка.

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                                                                               7 -5

Тип аподизации "Gaussian" обеспечивает гауссовское распределение лучей по входному зрачку. С помощью фактора аподизации определяется уменьшение амплитуды по радиальной координате. Амплитуда пучка лучей нормализуется к единице для центра зрачка. Амплитуда в других точках входного зрачка определяется выражением:

где G - фактор аподизации и р - нормированная радиальная координата зрачка. Если фактор аподизации равен нулю, то зрачок будет освещен равномерно. Если фактор аподизации равен 1.0, то амплитуда пучка падает в е раз на краю входного зрачка (что означает падение интенсивности в е² раз, что составляет около 13% от пикового значения). Фактор аподизации может быть любым числом, равным или большим 0.0. Значения больше 4.0 не рекомендуются. Это связано с тем, что для вычислений будет использоваться слишком мало лучей для получения значимых результатов, если амплитуда будет уменьшаться слишком быстро с удалением от оси.

Аподизация типа "Tangential" (тангенциальная) подходит для моделирования осве­щенности плоской поверхности (такой как входной зрачок, который всегда является плоским) точечным источником. Для точечного источника интенсивность лучей, освещающих различные области плоскости, удаленной от источника на расстояние Z, определяется выражением:

где г - расстояние от вершины плоскости, а интенсивность нормирована к единице на оси. Подставляя вместо г нормированные координаты зрачка и извлекая из выражения корень квадратный, получаем выражение для амплитудной аподизации:

где tan9 - тангенс угла между линией, соединяющей точечный источник с верхней точкой входного зрачка, и осью Z. ZEMAX использует положение и размер входного зрачка для автоматического вычисления величины tan9 при вычислении аподизации;

коэффициент аподизации игнорируется.

ZEMAX также поддерживает аподизацию, определямую пользователем для любой поверхности, а не только для входного зрачка. Задание аподизации поверхностей осуществляется с помощью поверхностей типа "User defined surface", описание которых дано в главе "Surface Types".

Apodization Factor Коэффициент аподизации

Величина коэффициента аподизации определяет быстроту затухания амплитудной интенсивности по зрачку. Смотри раздел "Apodization Type".

7 -6                                                                                                 Chapter 7: SYSTEM MENU

Reference OPD

Опорная поверхность для вычисления OPD

Разность хода лучей (Optical Path Difference, или OPD) - величина, которая представляет фазовые ошибки волнового фронта, формирующего изображение. Любые отклонения OPD от нуля приводят к деградации изображения, образованного оптической системой.

Так как выходной зрачок является изображением апертурной диафрагмы системы в пространстве изображений, он определяет область в пространстве изображений, в которой пучок лучей имеет четко определенные границы. Освещенность в области выходного зрачка в основном плавно меняется по амплитуде и фазе, и существуют четко определенная граница между областями с нулевой и ненулевой амплитудой. Говоря другими словами, разумно предположить, что волновой фронт, идущий от выходного зрачка, не испытывает больше дифракционных эффектов. Это асимптотически правильно, если все апертуры в системе имеют большие размеры, чем размеры падающего на каждую из них пучка, ограниченного диафрагмой системы. Даже если выходной зрачок является действительным, что бывает довольно часто, он еще определяет область в пространстве изображений, в которой пучок свободен от дифракционных эффектов. Большую информацию об образовании дифракционного изображения и важности выходного зрачка можно найти в книгах, ссылки на которые даны в первой главе.

По мере того, как волновой фронт распространяется от выходного зрачка к плоскости изображения профиль пучка усложняется по амплитуде и фазе и волновой фронт расширяется из-за эффектов дифракции. С этой точки зрения ошибка фазы, измеренная в плоскости выходного зрачка, однозначно и критически важна для описания волнового фронта и качества изображения.

По умолчанию ZEMAX использует выходной зрачок в качестве опорной плоскости для вычисления OPD. Поэтому, когда производится вычисление OPD для данного луча, луч трассируется через оптическую систему вплоть до плоскости изображения, а затем трассируется назад - к "опорной сфере", которая лежит в выходном зрачке. Оптическая разность хода, измеренная "назад" до этой поверхности, представляет собой физически значимую фазовую ошибку, величина которой важна для дифракционных вычислений, таких как МПФ, ФРТ и функции распределения энергии. Дополнительная длина оптического пути, возникающая в результате трассирования луча назад к выходному зрачку, вычитается из радиуса опорной сферы, что дает небольшую корректировку OPD, называемую коррекционным членом ("correction term"). Эти вычисления являются корректными и представляют собой хороший метод для всех практически важных случаев.

Однако ZEMAX позволяет использовать для вычисления OPD две другие опорные поверхности.

Использование в качестве опорной бесконечно удаленной поверхности ("Infinity") является приближением к случаю, когда выходной зрачок удален очень далеко (если даже этого не может быть), и когда величина коррекционного члена строго задается угловой ошибкой луча. Существует только один возможный смысл для использования этой установки: в маловероятном случае, когда ZEMAX не может правильно вычислить положение выходного зрачка. Это может произойти с какой-нибудь необычной оптической системой, которая не образует изображения апертурной диафрагмы (действительного или мнимого). ZEMAX снабжен специальным кодом для

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                                                                                  7 -7

определения всех известных случаев, когда это может произойти, и поэтому эта установка не должна использоваться без специальных рекомендаций группы технической поддержки фирмы Focus Software. В настоящее время не известны случаи, для которых можно было бы рекомендовать эту установку.

Установка опорной поверхности типа "Absolute" означает, что ZEMAX не будет учитывать коррекционный член при вычислениях OPD, а просто подсчитает полную длину оптического пути луча и вычтет ее из длины оптического пути главного луча. Этот метод не может быть физически значимым и может использоваться только с целью отладки или тестирования алгоритма вычисления OPD, разработанного Focus Software.

Итак, всегда используйте установку "exit pupil", а другие установки используйте только после получения соответствующих инструкций от Focus Software Engineer. В противном случае Вы можете просто получить ошибочные данные.

Paraxial Rays Параксиальные лучи

Обычно свойства параксиальных лучей могут быть определены для систем, не обладающих вращательной симметрией. Поэтому ZEMAX при трассировке паракси­альных лучей игнорирует все наклоны и децентрировки в системе, заданные поверхностями типа coordinate break. Игнорируя наклоны и децентрировки, ZEMAX может вычислить параксиальные свойства эквивалентной центрированной системы, которая обычно соответствует даже системам, не обладающим вращательной симметрией.

Поэтому очень рекомендуется установка "Ignore Coordinate Breaks", которая задана по умолчанию. При выборе других установок ZEMAX может дать ошибочные результаты при вычислении параксиальных данных, ray aiming и OPD.

Известен только один случай, когда может потребоваться установка "Consider Coordinate Breaks". При трассировании лучей через сильно наклоненную дифракционную решетку учет наклонов и децентрировок может потребоваться даже для параксиальных лучей, в противном случае траектории лучей могут не удовлетворять уравнению решетки; это обусловлено тем, что угол отклонения лучей дифракционной решеткой существенно зависит от угла падения лучей.

Fast Asphere Trace

Check GRIN Apertures

  Контроль GRIN - апертур

Эта установка инструктирует Z   EMAX о том, что необходимо производить контроль за прохождением лучей через поверхности с градиентом показателя преломления (GRIN-поверхности). Каждый трек луча в пределах среды с градиентом показателя преломления будет контролироваться: не прошел ли луч вне границ, определенных фронтальной поверхностью, и если это так, то он будет виньетирован. Если эту установку снять, то луч может пройти вне границ, определенных фронтальной поверхностью, если на ней не установлена апертурная диафрагма.

Use Т, Р

Fast Semi- Diameters

Vignetting factors

Коэффициенты виньетирования

ZEMAX предоставляет также возможность ввода коэффициентов виньетирования для каждого поля. Четыре коэффициента виньетирования имеют обозначения VDX, VDY, VCX и VCY. Величины этих коэффициентов должны быть равны нулю, если в системе нет виньетирования. Коэффициенты виньетирования описаны в главе "Conventions and Definitions" в разделе "Vignetting Factors".

В диалоговом окне имеется также электронная клавиша под названием "Set Vig". Если нажать эту клавишу, то коэффициенты виньетирования для каждого поля будут вычислены заново на основе данных текущей схемы. Алгоритм вычисления факторов

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                     7 -11

виньетирования рассчитывает "виньетирующие" коэффициенты децентрировки и сжатия зрачка таким образом, что четыре краевых луча, идущих через верхний, нижний, левый и правый края зрачка, пропускаются в пределах всех определенных пользователем полудиаметров каждой поверхности; используется только главная длина волны. Команда "CIr Vig" служит для обнуления коэффициентов виньетирования.

Алгоритм стартует с запуска "сетки" лучей через зрачок. На каждой поверхности, для которой самим пользователем были установлены величины полудиаметров, производится проверка: проходит луч через эту апертуру или нет. Все лучи, прошедшие через все поверхности, затем используются для вычисления центроида невиньетирующего зрачка. Заметьте, что используются только установленные пользователем (а не вычисленные автоматически) величины полудиаметров, а поверхностные апертуры (такие как круглые и прямоугольные) игнорируются. Точный контур невиньетирующего зрачка затем вычисляется итеративным методом с точностью около 0.001%.

Алгоритм может не работать в некоторых случаях. Для таких систем факторы виньетирования должны подбираться и устанавливаться вручную. Точность алгоритма расчета факторов виньетирования можно проверить путем трассирования нескольких краевых лучей.

Lens Title

Наименование схемы

Наименование схемы будет появляться на всех выходных графиках и текстах. Наиме­нование схемы нужно просто напечатать в строке Lens Title. Дополнительная текстовая информация может быть введена в большинство графиков; смотри в этой главе ниже раздел "Configuring the environment".

Aperture Type Тип апертуры

Апертура системы определяет размер пучка, идущего через систему вдоль оси! Для установки апертуры системы Вы должны определить тип апертуры системы и ее величину. Используйте курсорные клавиши для выбора нужного типа апертуры системы из выпадающего списка. Типы апертур системы могут быть следующие:

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                                                                                  7 -1

Entrance Pupil Diameter: Диаметр входного зрачка в линейных единицах как он видится из пространства объектов.

Image Space F/#: Сопряженное с бесконечностью параксиальное F/# в пространстве изображений.

Object Space Numerical Aperture: Числовая апертура (п sin9m) крайнего луча в пространстве объектов.

Float by Stop Size: Определяется величиной полудиаметра поверхности, на которую помещена апертурная диафрагма системы.

Paraxial Working F/#: Параксиальное F/# в пространстве изображений при работе с конечного расстояния.

Object Cone Angle: Половина угла (в градусах) крайнего луча в пространстве объектов; может превышать 90 градусов!

Эти термины были ранее определены в главе "Conventions and Definitions". Если Вы выберите тип "Object Space N.A." или тип "Object cone angle", то "толщина" объекта должна быть конечной величиной. Для данной схемы можно определить только один тип апертуры системы; например, если выбран тип "Entrance Pupil Diameter", то все другие типы апертур определяются самой схемой.

Aperture Value

Размерность и величина апертуры системы

Размерность величины апертуры зависит от типа апертуры. Например, для апертуры "Entrance Pupil Diameter" ее величина выражается в установленных линейных единицах. ZEMAX совместно использует установленный тип апертуры системы и ее величину, определенную в соответствующих единицах, для вычисления таких фундаментальных величин, как размер входного зрачка и величины чистых апертур для всех компонентов системы. Исключение составляет только апертура "Float by Stop Size": если выбран этот тип апертуры, то величина апертуры системы определяется величиной полудиаметра диафрагмы, установленной на апертурной поверхности в редакторе Lens Data Editor.

Lens Units

Единицы измерения

Имеется возможность выбора следующих линейных единиц измерения: миллиметры, сантиметры, дюймы и метры. Эти единицы используются для измерения таких параметров, как радиусы, толщины и диаметр входного зрачка. Для большинства диаграмм в качестве единиц измерения всегда используются микроны, так как они являются функциями длин волн.

Glass Catalogs Каталоги стекол

Имеет редакционная строка и группа электронных флажков с перечнем имен файлов (без расширения), в которых записаны используемые в данное время каталоги стекол. По умолчанию флаг установлен на каталог "Schott"; что означает, что в схеме могут быть использованы стекла из этого каталога. Если требуются другие каталоги, то установите флаг на них. Если требуются каталоги, для которых не предусмотрены

7 -2                                                                                                 Chapter 7: SYSTEM MENU

    флажки, то просто напечатайте в редакционной строке имена файлов (без расширения), в которых они записаны. В этой строке можно записать через пробел большое число различных каталогов. Смотри главу "Using Glass Catalogs".

Notes

Заметки

Это поле позволяет ввести несколько строк текста, который будет записан в файл текущей схемы.

Advanced

Дополнительные характеристики

Эта команда вызывает диалоговое окно "Advanced System Data", которое исполь­зуется для определения не столько общих характеристик системы, сколько для определения данных, ассоциируемых с отдельной поверхностью. Смотри также раздел "General".

Ray Aiming

Алгоритм "нацеливания" луча

Меню выбора режима "нацеливания" лучей (Ray Aiming) имеет три установки: None, Paraxial Reference и Real Reference. Если выбрана установка "None", ZEMAX будет использовать параксиальные величины размера и положения входного зрачка, определенные при установке величины апертуры и вычисленные на оси по запущенным от поверхности объекта лучам для главной длины волны; это означает, что ZEMAX будет игнорировать аберрации входного зрачка! Для слабых систем с умеренными угловыми полями это вполне приемлемо; однако некоторые системы, такие как системы с небольшими F/# или системы с большими угловыми полями зрения, могут иметь значительные аберрации входного зрачка. Аберрации зрачка производят два главных эффекта: изменение положения зрачка для разных углов поля и изменение формы зрачка.

ZEMAX может учитывать аберрации входного зрачка, если выбрать одну из установок "ray aiming". При включении режима "ray aiming" путь каждого луча рассчи­тывается с помощью итеративной программы, которая "нацеливает" луч так, чтобы он пересекал поверхность апертурной диафрагмы в правильном месте.

Правильное место на поверхности апертурной диафрагмы определяется, прежде всего, вычислением радиуса апертурной диафрагмы. Затем вычисляются "правиль­ные" координаты на поверхности апертурной диафрагмы - путем использования линейного масштабирования координат зрачка. Например, краевой луч имеет координату Ру = 1.0. "Правильная" координата на поверхности диафрагмы рассчиты­вается путем умножения радиуса диафрагмы на Ру.

Абсолютная величина радиуса апертурной диафрагмы может быть вычислена по трекам либо реальных, либо параксиальных лучей. Если выбрана установка "Real Reference", то для этой цели используется трек крайнего луча с главной длиной волны, исходящего из центральной точки объекта и идущего через систему к апертурной диафрагме. Высота этого луча на поверхности апертурной диафрагмы будет приравнена величине ее радиуса. Если же используется установка "Paraxial Reference", то вместо этого луча будет трассирован параксиальный луч. При выборе "Real Reference" все лучи нацеливаются к их "правильным" положениям на

Глава 7: МЕНЮ "SYSTEM"                                    7 -3

поверхности апертурной диафрагмы, определенным по ее реальному радиусу, в то время как параксальные лучи всегда относятся к параксиальной величине диафрагмы.

При использовании "ray aiming" апертурная диафрагма, а не входной зрачок является однородно освещенной поверхностью! Это может приводить к неожиданным результатам. Например, когда в качестве величины, определяющей апертуру системы используется Object Space NA, ZEMAX трассирует лучи с правильной величиной NA к положению и размеру параксиального входного зрачка. Если затем производится установка "ray aiming" в положение "Paraxial Reference", то трек реального луча будет отнесен к параксальной величине диафрагмы. Это может привести к получению другой величины числовой апертуры, чем была установлена для системы. Это происходит из-за того, что угол луча был определен (нацелен) с учетом какой-либо аберрации зрачка. В таком случае для устранения этого несоответствия следует использовать установку "Real Reference".

Хотя "ray aiming" является более точной процедурой, чем "paraxial pupil aiming", большая часть треков лучей при этом будет вычисляться от двух до восьми раз дольше (см. опции "Tolerance", описываемые дальше). Поэтому установка "ray aiming" должна использоваться только в тех случаях, когда это действительно требуется. Для определения величины аберраций входного зрачка в Вашей системе, просмотрите график аберраций зрачка (см. главу "Analysis Menu") при отсутствии какой-либо установки "ray aiming". Величина аберраций зрачка в пределах нескольких процентов в основном является незначительной. Если же Ваша система имеет значительные аберрации зрачка, то произведите установку ray aiming и повторите вычисление абер­раций. Аберрации будут уменьшены до нуля или очень близкой к нему величине. Точность алгоритма "ray aiming" определена в разделе опции "Tolerance", приведенном ниже.

Use Ray Aiming Cache

Использование буферной памяти для Ray Aiming

Если установить этот флаг, то ZEMAX поместит в буферную память (кэш) координаты луча, вычисленные алгоритмом Ray Aiming, которые будут использованы при трассировке нового луча. Использование кэш позволяет в огромное число раз увеличить скорость трассировки лучей при работе с алгоритмом Ray Aiming. Однако для использования кэша требуется, чтобы через систему мог быть трассирован главный луч. Для некоторых систем трассировка главного луча невозможна и кэш должен быть отключен.

Robust Ray Aiming (slow)

Надежный "Ray Aiming" (медленный алгоритм)

Если выбрать эту опцию, то ZEMAX будет использовать более надежный, но и более медленный, алгоритм "Ray Aiming". Эта опция должна использоваться только в том случае, если алгоритм ray aiming является недостаточным даже с включенным кэш. Алгоритм "Robust Ray Aiming" не работает без кэш. Этот алгоритм обеспечивает дополнительный контроль за ходом лучей для уверенности в том, что при наличии многих оптических путей к одному положению апертурной диафрагмы, выбран только правильный из них. Это типичная проблема для светосильных широкоугольных систем, в которые внеосевые лучи могут найти виртуальные пути к диафрагме, что сбивает алгоритм "ray aiming".

7 -4                                                                                                 Chapter 7: SYSTEM MENU

   Pupil Shift: X, Y, and Z

Смещение зрачка по осям X. Y и Z

Для большинства систем простое использование алгоритма ray aiming будет устранять эффекты воздействия аберрации входного зрачка, по меньшей мере - для обеспечения правильной трассировки лучей через систему. Это не приводит, конечно, к фактическому устранению аберраций, а только к их учету. Для некоторых широкоугольных или сильно наклоненных и децентрированных систем алгоритм ray aiming не сможет работать без помощи разработчика. Проблема заключается в том, что при трассировке лучей в качестве первого приближения используется параксиальный входной зрачок. Если аберрации зрачка очень большие, то существует возможность, что даже это первое приближение не может быть использовано для трассировки лучей, а необходимо предоставить алгоритму второе, более точное приближение.

Решение этой проблемы может быть достигнуто приближенной установкой величины смещения реального зрачка относительно его параксиального положения. Эта операция называется "Pupil shift" (Смещение зрачка) и состоит из трех составляющих:

х, у и z. Все эти три величины (по умолчанию равные нулю) должны быть использованы для оказания помощи алгоритму в нахождении более подходящего первого приближения для операции ray aiming. Положительная величина смещения Z указывает на то, что реальный зрачок находится за (то есть правее в принятой оптической координатной системе) параксиальным зрачком, а отрицательная величина этого смещения указывает на смещение аберрированного зрачка вперед. Большинство широкоугольных систем имеют зрачки,смещенные вперед.