通过主光线寻找入瞳和出瞳位置

引言

在成像系统中，光学的入瞳和出瞳都非常关键。

有时还需要在系统n计过程中控制其大小和位置，本文将使用ZEMAX软件来详细讨论。

我们必须先理解入瞳和出瞳这两个光学术语的含义，也就是说这两个术语在光学系统中是通过什么标准定义的。

入瞳：即孔径光阑在物空间的像，那么我们使用几何光路来分析这对物像关系时，入瞳位置便是所有视场主光线在物空间的延长线交点，入瞳大小即所y视场边缘光线在物空间交点垂直高度。

出瞳：即孔径光阑在像空间的像，同样用几何光路分析出瞳与光阑物像关系的话，出瞳位置是所有视场主光线在像空间延长线交点。

在这里光阑位置有两种特殊情况需要大家明白，

1、如果光阑置裎锟占洌ü饫磺懊婷挥腥魏喂庋透镜），那么光阑本身便是入瞳。

2、光阑置于像空间，那么光阑本身便是出瞳。

为了让大家能够更清楚理解上一段话，我们以ZEMAX软件自带的经典双高斯照相物镜为例来详细说明。

C:\Users\Administrator\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Objectives

Double Gauss 28 degree field.zmx

在第一个面前面插入一个虚拟面，输入一个负的厚度值来表示物空间光线的虚传播（即物空间光线的反向延长线）。

如下图，通过模拟虚传播我们找到了光阑在物空间成像位置和成像大小。结合系统数据可查看：

同样道理，我们可以用像空间光线的虚传播方法找到出瞳位置和大小。如下图：

理解了入瞳和出瞳在光学系统中的定义，我们就不难解决第二个问题了。

出瞳位置在许多特定的光学系统中有着严格的要求，比如最常见的目镜设计，要求出瞳就必须在外面，以保l人眼的观察效果。那么我们在优化时就要学会出瞳的控制：

这里我们提出两种控制出瞳的方法:求解类型控制和操作数控制。

在厚度求解类型里有一个主光线高度解（Chief Ray Height）,这个解类型表示指定主光线在下一个面上的高度。

《求解C——厚度:主光线高度(Chief ray height)》

根据出瞳的定义我们知道，主光线在像空间高度为零时即表示像面必定为出瞳位置。如上图所示，我们在像面前的厚度上设置这个解（后面C表示主光线高度解），此时像面便是出瞳（如箭头所指），在优化时可直接使用厚度控制操作数TTHI来约束出瞳位置（如上图）。

另外，我们可以直接使用出瞳位置操作数EXPP来控制，记住这个位置始终是相对于像面为参考的：

这个问题提及到了光瞳像差，由于光瞳是光阑在物空间或像空间所成的像，既然是成像，当然会有像差存在，入瞳和出瞳也不例外。我们可以通过光瞳像差图来查看光瞳的像差大小（Pupil Aberration），双高斯镜头光瞳<差大约5%。

由于光瞳像差的存在，几何光线在传输时会出现瞄准的问题，即以光阑为标准时，入瞳便不会完全瞄准，反之亦然，

如下<我们以入瞳为标准，则光阑便不会被完全充满：

在小角度光学系统设计时，通常不考虑光瞳产生的像差，但广角系统设计时，光瞳像差会大到无法忽略的程度，此时我们必须开启光线瞄准功能让光线强制充满我们的光阑：

Ray Aiming: Paraxial(see……）

勾选Use Ray ……

本文中主要讨论了，三个问题：

入瞳和出瞳位置与主光线的关系  

优化设计中控制出瞳位置

入瞳和出瞳 系统像差的影响

《利用REAY控制光学系 出瞳位置》

《ZEMAX中的Ray Aiming(光线瞄准)》

作者QQ及微信：49922779