[光学原理与应用-339]：ZEMAX - Spot Diagram（点列图）是评估光学系统成像质量的核心工具，它通过几何光线追迹直观展示像差对成像的影响。
在ZEMAX中，Spot Diagram（点列图）是评估光学系统成像质量的核心工具，它通过几何光线追迹直观展示像差对成像的影响。以下是关于Spot Diagram的详细解析：
一、Spot Diagram的核心原理
- 定义：根据几何光学，理想光学系统应将物点发出的所有光线汇聚于像面一点。但实际系统中，由于像差（如球差、慧差、像散等）的存在，光线会分散成弥散光斑，即点列图。
- 参考点：点列图的位置可相对于不同参考点计算：
- Chief Ray（主光线）：默认参考点，表示光线相对于主光线在像面的偏移。
- Centroid（重心）：以光线分布的平均位置为参考，适用于非对称像差分析。
- Middle（中间）：使最大误差在x/y方向对称分布。
- Vertex（顶点）：以表面局部坐标原点为参考。
二、Spot Diagram的关键信息解读
- RMS与GEO半径：
- RMS半径：所有光线到参考点的均方根距离，反映像斑的统计离散程度。数值越小，成像越接近衍射极限。
- GEO半径：最外层光线到参考点的最大距离，表征像斑的极端扩散范围。
- 像斑形状与像差关联：
- 对称圆形：可能接近衍射极限或存在轴对称像差（如球差）。
- 彗星状：表明存在慧差，轴外点成像模糊。
- 线状或椭圆：像散特征，子午面与弧矢面光线聚焦不一致。
- 非均匀分布：可能存在非对称像差或系统装配误差。
- 艾利斑（Airy Disk）对比：
- ZEMAX可显示艾利斑（半径=1.22λF），若点列图半径接近或小于艾利斑，系统接近衍射极限，此时需用波像差或MTF评估性能。
三、Spot Diagram的应用场景
- 像差诊断：
- 通过观察不同视场、波长的点列图形状，快速定位主导像差类型（如球差、慧差）。
- 示例：若轴上点列图呈圆形扩散，可能需优化球差；若轴外点呈彗星状，需校正慧差。
- 系统优化：
- 结合优化工具（如Optimization Wizard），以RMS半径为目标函数，自动调整曲面参数（曲率、厚度）或材料，缩小像斑尺寸。
- 示例：通过优化镜头曲率，将轴上RMS半径从143μm降至11μm。
- 公差分析：
- 在公差分析中，点列图可展示制造误差（如表面倾斜、厚度偏差）对成像的影响，帮助设定合理的公差预算。
- 照明系统设计：
- 在非序列模式下，点列图可分析光源能量分布（如LED准直系统），优化光束控制结构。
四、操作技巧与注意事项
- 参数设置：
- Ray Density（光线密度）：建议设置为5-24，平衡计算效率与精度。
- Wavelength（波长）：根据应用选择关键波长（如可见光、红外）。
- Field（视场）：覆盖全视场范围，分析边缘视场像差。
- 结果验证：
- 若点列图显示异常（如光线未追迹到像面），检查系统设置（如孔径类型、波长范围）。
- 对比不同参考点（Chief Ray vs. Centroid）的结果，确认像差分析的稳健性。
- 高级功能：
- Through Focus Spot Diagram：分析离焦对像斑的影响，辅助调焦设计。
- Ray Fan Plot：结合点列图，量化像差随孔径高度的变化。