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。 =yqg ,w&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： AlrUfSBB
* 介紹雜散光 JPT&!%~
* 轉換序列式設計到非序列模式 ]>sMu]biH
* 設計鎖定工具 z=jzr=lP
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 U;.cXU{
* 用 Filter String 篩選光路徑 c(?O E'
"Z
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 UQ^
)t
]
p"cY/2w:j
文章發布時間：April 23, 2017 V)`Q0}
文章作者：Michael Cheng \[+':o`LH
G8^b9xoA+.
簡介 :t+Lu H g
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： [ CU8%%7
Ai)Q(]
x 5U; i
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： Wk-. dJ
p< @+0Uw2
Dn~t _ n
H0.&~!,*
開啟範例檔 iHo0:J~
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx t `\l+L
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。 ,0>_(5
_J3 \e%ys
;Oqbfl#%
F
'HYWH0?
設計鎖定工具 Uf[Gs/!NV
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。 >6;RTN/P2
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： F2 0%r 0
* 開啟 Ray Aiming @
eP[*Q
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size )GC[xo4bg
* 改為 Angle 或 Object Height +#'QP#
* 固定表面孔徑：Circular Aperture "rQ?2?
* 移除漸暈係數 :J5CmU $
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 ooYs0/,{
oX/#Mct{s
U.W Mu%
*O Kve
產生關鍵光線組 0R,Y [).U
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： [vCZD8"Y8
zjx'nK{eI
u/?;J1 z:
qRZLv7X*j
轉換到非序列 LA837%)
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。 90$`A MR
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 9>5]y}.{
GlXzH1wZ
MS%h`Ypo
UFa 00t^5
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 R&}{_1dj8
g[xn0 rG
Yg`z4 U'6~
b@[5x v\J
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： Nx(y_.I{K
MWc {7,
=j1Q5@vS
z* :.maq
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： /#?i +z
s0'Xih sw6
s|8_R;
Dr"F5Wbg
檢查關鍵光線組的狀況 a,p7l$kK
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。 4T#Z[B[
4dvuw{NZ
O7I|<H/gVE
P1QGfp0-J
分析雜散光所需的設定 ^`!EpO>k9
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。 i+.b R.WO
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。 QGd"Z lQ
5 % aT
W?auY_+P
<^j W
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。 jvos)$;L-
[kq+a] q
%"RgW\s[R
Wj.
_{
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。 !ly]{DTmm
$f<R j/`&
F%QVn .
uU00ZPS*G[
初步追跡結果 7J2i /m
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 PfVjfrI[
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 ;H8A"$%n~
MA:8g D
Lv
, Ls
<)(S To
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 eJ!a8
~A=Z/46*Z
# S 4{,
iP JZ %
並且設定視窗如下圖。 L$FLQyDR
cB7=4:U
Iih~rWJ
O-vvFl#4
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 5 lC "10
~?{@ 0,$
TNV#
Mzx y'U V
使用Filter String 5f BW#6N/
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）。 u3 7@9
b-+iL
=lG5Kc{B
rT
~qoA\
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%。 ,*V{g pC7
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。 [ 0} ^w[
B9^@]
<H~ (iQ
?H3xE=<X
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 %zB
`Sd<
#s Ebu^
t
<#Yr%a
'5eW"HGU]`
{j
E}mzi
mOyBSOad4
給透鏡加上鍍膜 p9 |r y+t
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。 ([ xYOxcp5
這裡我們在 ` oYrW0Vm
物件6的Face 2以及 W 6~B~L
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 @&d/}Mx"t
:nw4K(:f
?!-2G
[N925?--S
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 810u +%fu
VHB5
[3rvRJ.
w.Ft-RXA W
H5=-b@(
分析特定區域的光 (使用Filter String) #G^?4Z a
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？ b Y;ah;<
U)+Yh
UMw1&"0:
dH zo_VV
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。 i%0Ml:Y
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。 h4S,(*V$!
q!9SANTx
pNI=HHx
h{kAsd 8 G
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 m> ? OjA!
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 C jsy1gA
.QzHHW4&0
'cT R<LVo
*^Wx=#w$V
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。 7\K=8G
&jf :7y
o6ec\v!l-
U*=ebZno
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。 W :jC2,s!m
S=ebht=
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。 *K'(t
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。 ;2-,Xzz8
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。 0S; H`w_S
TB4 |dj-%
CbA!
{d(@o!;Fi
<MI>>$seiJ
kc\ ^xq~
進階路徑分析 gEMxK2MNXj
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 1pVagLlb:7
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 :e`;["(,
no C ]&4b
`[w:l[i
)}1 J.>5
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 G@ XKE17
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 U|={LU
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 3@*J=LGhKc
lphQZ{8
r:2G 11[
%%}U
-*b
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 3G
dWq*
n:,At] ky
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 [*Nuw_l
0{j] p^'<
/\hybx'
+LCpE$H
yf*^Y74
>uN{co hs
T$)&8"Xya
F$7>q'#
@-Tt<pl'L
-uXf?sT V
（转自：中文版 Zemax Forum ）
