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。 n$Z@7r
本文章將使用內建的雙高斯鏡頭示範在OpticStudio中如何分析雜散光，內容包含： P
a gzp%m
* 介紹雜散光 (M iEXU~v
* 轉換序列式設計到非序列模式 #EiOC.A=
* 設計鎖定工具 KH)(xB=
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 ^w.x~#zI
* 用 Filter String 篩選光路徑 PW"G]G,
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 jk2h"):B>
9 WsPBzi"T
文章發布時間：April 23, 2017 -o<L%Y<n2
文章作者：Michael Cheng *a* \E
R
F gM<2$h
簡介 %j %}iM/(<
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： [H5TtsQ[
]q DhGt
e Oa:%{Kj
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： [$_d|Z
FN5*pVD;<
YB/A0 J
GUJ[2/V~A
開啟範例檔 S?Q4u!FC
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx i.I iwe0G
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 |?6r&bT
DQM\Y{y|3
jZu"> Eh,
a<l(zJptG
設計鎖定工具 dg/OjiD[P
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 K2,oP )0.Y
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： kRs(A~ngc
* 開啟 Ray Aiming _y&m4V uu
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size B`)o?GcVN
* 改為 Angle 或 Object Height 2bBTd@m4
* 固定表面孔徑：Circular Aperture R,CFU l7Q
* 移除漸暈係數 WmTSxneo
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 dxbP'2~
-M}#-qwf
U2z1HIs
kxt @t#
產生關鍵光線組 PLR[nB7K
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： RWtD81(oC'
]5W0zNb*
O1I R+"0
?ihkV? ;)
轉換到非序列 8qL *Nf
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 UA$
X jP
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|l+b aq
@0A7d
$J(
N%!8 I
w!o[pvyR$
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。 {LfVV5?
mDz{8N9<FG
8#NtZ
p@] \ N
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： f3Ior.n(
TB 9{e!4
&
.VciSq6
d{2+>
>d
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： }z6@Z#%q
^l|{*oj2
@ qWgokf
FI++A`
檢查關鍵光線組的狀況 3a #2 }
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。 FOiwB^$ >
nsF OtOdd
4h dxqI!y2
, 2T&33m
分析雜散光所需的設定 hI*gw3V
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。 |F z/9+I
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。 d:*,HzG
R=P=?U.
tcyami6D4
xayo{l=uGv
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。 x? 3U3\W
" Mzb
Rhh5r0 \5
f t W-
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。 4b]/2H
i356m9j
{/`iZzPg
/NfuR$oMd
初步追跡結果 bb}zn'x C
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 (A(7?eq
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 !_CBf #0
7l}P!xa&
DXu9 15
vw VeHjR
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 a@:(L"Or
o?(({HH
ApHs`0=(
|O3wAxc3W
並且設定視窗如下圖。 D/QSC]"
l,j7I3&~%
wdg,dk9e$
\6o%gpUkD
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 iJ n<
2"+8NfFl
JDPn
EH{m~x[Ei
使用Filter String BSt^QH-'
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）。 uYVlF@]
qv\n]M_&
r4&g~+ck
7\x7ySM
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%。 buV {O[
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。 u#(VR]u \7
3!E*h0$}
K|JpkEw
]@E_Hx{S
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 fA"N5qQI(
BfZAK0+*$
BUcPMF%\y:
tt5t(+5j
ipzv] c&
Y'-@ O"pK
給透鏡加上鍍膜 JSz;>
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。 SOE 5`
這裡我們在 ) CgKZ"
物件6的Face 2以及 .. jc^ 'L
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 qw^kA?
>YG1sMV-J
KnL- qc
8<V6W F`e
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 <ZmC8&Uo
|2RoDW
l0Rjq*5hJ
9* s'' =
oDz%K?29%
分析特定區域的光 (使用Filter String) O^|:q
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？ `)5,!QPQ7u
2gP^+.
z~Zu >Q1u[
]) `+
78
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。 _0HCtx ;
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。 FPAy.cljJ
rl:6N*kK
e !V3 /*F
>O0z+tj
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。 2rxZN\gyL
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 =AaTn::e/
sKE7U>mz|
Ml-GAkgG
.` w[A
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。 =Sjr*)<@j
?a)X)#l Q
.T!R&#]n
`Uz2(zqS
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。 op!ft/Yyb
1=U(ZX+u
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。 lI,lR
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!P T|
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。 KImBQ2 ^Tu
w_gFN% 8
yT3q ~#:
*yx5G-#?
wl^7.IR
(w1M\yodV
進階路徑分析 v w.rkAGY
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 Kp]\r-5UD>
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 f{i~hVF
&- 5`Oln
a,$v; s/
8%+F .r
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 Ca2He}r`
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 cA,`!dG2,
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 J&hzr t
s t7\k]J\
f0^;*Y
'R-Ly^:Qd
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 E \p Qh
ro fGD9f
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 6H ]rO3[8
2`Dqu"TWh
K3Sa6"U
m2{DLw".
v 0aV>-v
p1BMQ?=($
]J '#KT{
a+-X\qN
v47S9Vm+
B@+&?%ub:
（转自：中文版 Zemax Forum ）
