在现代光学设计领域，尤其是与成像质量和光学系统性能紧密相关的研究中，CRA（Chief Ray Angle，主光线入射角）是一个关键概念。CRA 的合理控制对于优化光学系统、满足特定成像需求以及提升整体性能具有重要意义。无论是数码摄影、机器视觉还是其他光学应用，理解并掌握 CRA 的定义、影响因素以及控制方法都是光学工程师必备的专业技能。本文将深入剖析 CRA 的内涵，探讨其限制因素，并通过实际案例详细讲解 CRA 的控制策略，旨在为光学设计从业者提供实用的指导和参考。
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对于彩色图像，还需要介绍拜尔阵列。拜尔阵列（Bayer filter array）是数码摄影中用于实现色彩分离的一种滤光片阵列。它由红、绿、蓝三种滤光片按照特定的排列方式组成，覆盖在图像传感器的感光元件上。由于拜尔阵列的滤光片具有方向性，对入射光的方向较为敏感，因此对主光线入射角有一定的要求。
为了确保拜尔阵列能够准确地分离色彩并获得高质量的图像，主光线入射角通常需要满足以下条件。若镜头与探测器的CRA不匹配，除了造成像面非均匀性外，还会影响色彩还原的准确度。
- 入射角范围 ：一般而言，拜尔阵列系统设计时，期望主光线入射角在较小的范围内变化，这是因为较大的入射角可能导致滤光片的光谱特性发生变化，引起色彩串扰和色彩失真等问题。
- 角度一致性 ：在图像传感器的不同区域，主光线入射角应保持相对一致。这有助于确保整个图像的色彩均匀性和准确性，避免出现局部色彩偏差或图像失真现象。
2.1 光学系统结构设计
2.2 控制孔径光阑位置和大小
2.3 像差校正
2.4 特殊光学元件的使用及布局
在这一小节中，将通过一个具体的光学系统案例，详细阐述如何应用上述 CRA 控制方法，以满足设计要求。
假设我们要设计一款用于微单相机的广角光学镜头，其主要参数如下：
1）焦距：18mm ±5%；
2）FNO. ≤ 2.0；
3）光学畸变 ：– 2% ~ +1%（全视场）；
4）光学后焦 ≥ 16.5 mm；
5）CRA ≤ 18°
根据设计要求，我们初步设计了一个由六片透镜组成的光学系统，包括两片负透镜和四片正透镜，采用塑料非球面设计。初始设计的光学系统结构如图所示。
通过光学设计软件 ZEMAX 进行分析，初步计算得到各个视场的 CRA 分布如图所示，这里我直接利用了通用绘图工具。
从图中可以看出，初始设计中边缘视场的 CRA 超过了 18°，明显超过了指标要求。这个时候我们有两种优化方法，一是直接利用RAID操作数，控制最大视场对应的CRA，二是可以利用EXPP操作出控制出瞳距，实际上这二者是等价的，大家都可以试试。
通过对 CRA（主光线入射角）的深入剖析，我们了解到它在光学系统设计中占据着举足轻重的地位。从其定义来看，CRA 影响着成像的位置、大小以及整体成像质量，在像平面处决定了成像点偏离主光轴的程度，尤其对于非对称光学系统和特殊成像要求的系统，精准控制 CRA 至关重要。同时，拜尔阵列对主光线入射角有着严格要求，以确保色彩分离的准确性并获得高质量图像。
在控制 CRA 的方法上，我们探索了多种途径。光学系统结构设计方面，调整透镜位置和间距、引入非球面或自由曲面透镜都能有效改变光线传播路径，进而影响 CRA。孔径光阑的位置和大小优化也是控制 CRA 的关键手段，它能调节光束的发散或汇聚程度。此外，像差校正、特殊光学元件的使用及布局也为 CRA 的控制提供了有效途径。这些方法或通过调整光线传播方向，或通过优化光学系统参数，都能实现对 CRA 的精准调控。
