摘要：在OpticStudio中從設計鏡頭到分析雜散光為止是一個完整的設計流程，軟體中內建各種工具讓序列模式到非序列模式能輕鬆的無縫接軌，其中包含一鍵轉換非序列，以及關鍵光線組等工具。 @ lB{!j&q
本文章將使用內建的雙高斯鏡頭示範在OpticStudio中如何分析雜散光，內容包含： WN]k+0#
* 介紹雜散光 ?)9L($VVD
* 轉換序列式設計到非序列模式 xoVd[c!
* 設計鎖定工具 1gK|n
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 G@P;#l`(D
* 用 Filter String 篩選光路徑 y A5h^I
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 & %/p; ::A
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文章發布時間：April 23, 2017 QPm[4Fd{G
文章作者：Michael Cheng I'xc$f_+
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簡介 FWu:5fBZY
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： ;?u cC@
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6wpW!SWD
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： )q{qWobS0
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開啟範例檔 UXji$|ET6
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx 6"iNh)
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 C9 +rrc@4
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u>;aQtK~
設計鎖定工具 q25 p3
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 ,q%X`F
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粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： ;40Z/#FI
* 開啟 Ray Aiming r.)n>
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size d"5_x]Z;
* 改為 Angle 或 Object Height Q>Ct] JW&
* 固定表面孔徑：Circular Aperture dWzf C@]
* 移除漸暈係數 XR",.3LD
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 X.{xH D&_
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產生關鍵光線組 z~f; }`0
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： I]n X6=j5
n' ,7=~
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轉換到非序列 Q1Qw45$
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 Q}Ah{H0C
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 B Hp>(7,
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N @_ y<7#C
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 = W2.Nc
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8\E=p+C
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非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： )J]NBE:8
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我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： V}vL[=QFZ(
xBc$qjV
[ -Z 6Q zT
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檢查關鍵光線組的狀況 [ Cd#<Te3
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 m!zv t
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分析雜散光所需的設定 C% z9Q
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 z1tD2jL _
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 ~BTm6*'h
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然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 OWfB8*4@
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最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 P{s1NorKDh
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初步追跡結果 .@r{Tq,%q8
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 QHXpX9
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 e7iQ G@ i7
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X`L v}6}xT
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 L#D)[v"
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並且設定視窗如下圖。 @w%kOX
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可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 d hg($m
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B}y# AVSA
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使用Filter String m-[xrVV
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 nJg N2Z
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\ /wk!mWV@
M_?B*QZJI
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
3<Z@!ft8
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 n dB qXS
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_=[pW2p
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此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 =L"I[
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5M>SrZH
2*-qEUl1
給透鏡加上鍍膜 ,ueA'GZ
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 ]]u_Mdk
這裡我們在 ,F'y :px
物件6的Face 2以及 *= %`f=
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 # 5{lOeN
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]3U|K .G
=xH>,-8}
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 Y}\3 P aUa
+miL naO~L
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1JGww]JZo
i&}LuF8
分析特定區域的光 (使用Filter String) I=E\=UTG,5
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ b3=XWzK5
U|+`Eth8(
C0>)WVCK
Hc0V4NHCaL
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 +b dnTV6
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 =lh&oPc1
}V+&o\4
xLbF9ASim
AUU(fy#<
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 T< <N U"n
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 &9n=!S'Md
"W}+~Sn
X*r?@uK5
b Olb
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 fb!>@@9Z
0w$1Yx~C
*u34~v16,
^X*l&R_=R
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 i?F~]8
m`,h nDp
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 xAf?E%_pi
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 B /EGaYH
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 0te[i*G
\D ! I "mr
1Dm$:),^T}
I"jub
kI=Z
Wc/B_F?2
I \6^]pi,
進階路徑分析 ;uU 8$
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 38RyUHL=
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 QJH~YV\%
gn${@y ?
74~ %4
]u
>~:
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 k'd=|U;(FV
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 4Cf.%f9@
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。
[ "Jt2
5lm>~J!/^
0 ~nub
UZW)%
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 X
gA(
D
:AC( \
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 yKOC1( ~
;[j)g ,7{
O ;B[ZMV
&o)eRcwH`
Y X{F$BM
xR5zm %\
V)Y#m /$`
K!SF S
H*EN199
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
