200 mm 定焦镜头教程（A 部分）：加载、检查并运行基线光线追迹

1. 引言

定焦镜头是焦距固定的镜头，与变焦镜头不同，后者的 焦距可连续变化（见 ??）。 定焦镜头在摄影与成像系统中被广泛使用，因为设计可以围绕 单一焦距进行优化：与规格相近的变焦镜头相比，定焦镜头 通常在光学上更简单，往往支持更大的可用光圈，并且在相同 尺寸与成本下能够提供更干净的离轴性能。在本教程中，我们使用一支 200 mm 定焦镜头作为 以几何为先的“读光线”练习：目标不是 merit function，而是学习如何快速发现 错误的光阑位置、非预期的截光，以及探测器平面位置不正确的问题。

在本教程中，我们使用一支 200 mm 定焦镜头来演示如何在 3D 中检查多片 摄影镜头，运行基线光线追迹，并对输出进行定性解读。 目标不是用 merit function 去“评分”该镜头；而是学习如何阅读 几何结构与光线路径，从而快速发现截光、光阑位置不当，以及 离轴敏感性。

本教程的工作流与专业光学设计中的标准实践一致： 在引入任何优化或定量的 merit function 之前，首先通过检查光线路径、光阑位置与探测器 行为对镜头模型进行几何验证。如果模型无法通过这些检查，数值指标是没有意义的。

2. 加载 200 mm 定焦镜头示例

在主窗口中点击 New simulation。这将打开仿真库 （??）。 双击 Ray tracing 进入光学示例 （??）， 然后选择 Prime 200mm lens（或 200mm prime lens）并选择一个工作目录 （例如，你的主目录）。

3. 在 3D 场景中定位自己，运行基线光线追迹

加载完成后，Optical Workbench 应以类似于 ?? 的视图打开。 光轴从左到右。左侧你应看到一个或多个 光源 （绿色），中间是 透镜元件（彩色玻璃表面），右侧是 探测器平面（紫色）。

对于该设计，你可以将其理解为“前组光学”加上“靠近探测器的后段”： A 部分的关键只是识别 (i) 主透镜元件，(ii) 光阑/孔径对象， 以及 (iii) 探测器平面。（如果你好奇：该演示所基于的公开远摄设计 使用可移动的物镜段，以及一个相对于胶片/传感器平面固定的后校正元件。）

用鼠标进行探索：在黑色背景上拖动以旋转视图，并检查元件间距。 目标是在运行任何东西之前，你能够自信地通过目视定位光阑与探测器。

点击 Run simulation（主工具栏中的蓝色三角形）。运行完成后，你应看到 光线从光源发出，穿过完整的镜头堆栈，并落到探测器平面上（见 ??）。

4. 定位并打开关键输出

切换到 Output 选项卡。你应看到一个探测器文件夹（通常为 detector0）以及 相关的光线追迹输出（示例见 ??）。 每个探测器都有自己的输出目录：打开 detector0（它以“相机/CCD”图标显示）。

打开 detector0 后，你应看到包括 RAY_image.csv 在内的文件 （示例见 ??）。 双击 RAY_image.csv 以查看探测器图像。 在真实相机中，该探测器平面对应传感器/胶片平面：也就是说，在现代数码相机中， 你会在放置于该平面的 CMOS/CCD 传感器上形成该图像。

一个快速的对焦合理性检查（移动探测器平面）

建立直觉的最快方式是移动 探测器平面，而不是移动透镜元件。 从概念上讲，这相当于让传感器相对于镜头前后移动，并观察模糊如何变化。 你的目标是通过肉眼找到使探测器上光斑最小的探测器位置。

首先，启用屏幕尺寸标注。在黑色背景上右键单击，选择 View，并启用 Show dimensions（见 ??）。 你现在应该能看到对象的 x/y/z 位置以及厚度/长度（显示为 dx 等）。

现在沿光轴前后移动探测器平面，并观察光斑如何变化。 为了得到清晰演示，将其移动到极端位置（明显过于靠前，然后明显过于靠后），然后 寻找光斑最小的位置。你可以在每次更改后重新运行仿真， 或者（用于快速定性检查）直接观察光线在探测器平面上的交点如何移动。

“最佳焦点”是否就是光斑最小的位置？ 对本教程而言：是的——将最小 足迹视为最佳合焦条件。（之后，诸如 RMS 光斑半径等指标会将这一思想形式化， 但学习以几何为先的工作流并不需要它们。）

如果你想得到“传感器到最后一片元件的距离”的数值，你可以直接从屏幕几何中估算： 读取最后一片透镜元件的 x 坐标（其参考位置），加上其厚度 dx， 然后从探测器平面的 x 坐标中相减。这样可得到最后一片元件后表面与探测器平面之间的 近似间距。在你通过目视得到的最佳合焦位置重复该操作并记录数值。