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。 t/_\w"
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： WX]O1Y
* 介紹雜散光 _BONN6=*y
* 轉換序列式設計到非序列模式 (BngwLVDK
* 設計鎖定工具 +4 3~4_Oj
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 zhbSi w
* 用 Filter String 篩選光路徑 ,N;2"$+E
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 JLz32 %-M
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文章發布時間：April 23, 2017 [#YzU^^Ib
文章作者：Michael Cheng YQtq?&0Ct
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簡介 io(!z-$
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： }%AfZ 2g;h
uF1&m5^W
F'F 6 &a+
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： ` %^w-'
:I2,
Mlr'h}:H
G
B,O
開啟範例檔 ng~LCffpY
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx R4T@ ]l&W
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。 <lNNT6[/r
C <(qk _
{p $@)b
*&\6x}.I4
設計鎖定工具 Ux{0)"fj
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。 MppT"t
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： gz~ug35
* 開啟 Ray Aiming iBtG@M
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size ?3qp?ea
* 改為 Angle 或 Object Height 8)1=5 n
* 固定表面孔徑：Circular Aperture Bo14t*(
* 移除漸暈係數 KeB??1S
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 .'$8Hj;@
.t8hTlV?<B
~ ^D2]j
6k![v@2R
產生關鍵光線組 Gy;Fe=
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： Qa\,)<'D:
(:o:_U
(+0(A777M
/d">}% Jn
轉換到非序列 H+-x.l`
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 VbMud]40F
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 `p1B58deC
<RpTk*Yo^=
i(.V`G=
MM* ~X"A
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 W}"tf
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n~BQ q -1
_Pa@% /
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： if*~cPnN
D U)q]'[u
),y`Iw
6 V ncr}
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： zUDXkG* Lv
LFqY2,#i
'Z=_zG/ RX
Hmk xE
檢查關鍵光線組的狀況 %Y0BPTt$
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。 -q[x"Ha%
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(d@(QJ
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分析雜散光所需的設定 j cvq:i{
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。 t#8QyN
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。 $aB`A$'hK
n7Bv~?DM
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Gc*=n*@^K
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。 kOdpW
B2*>7 kc_s
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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。 *JZ9'|v_H
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L[<Y6u>m!1
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初步追跡結果 }EHL
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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。 lq]8zm<\)]
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 __s'/ 6u
Rq e|7/As
J> G' H)
fv+d3s? h
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 ,)!%^ ~v
ePl+ M
R]Z#VnL@qz
S!x;w 7j
並且設定視窗如下圖。 #` U?,>2q
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#`= >Mza
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 M
#0v# {o
. XbDb
n[qnrk*3
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_3N,oCRm
使用Filter String 8' '1H<f
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）。 6(t'B!x
\}9)`1D
F
Pjc;zNA
q[W@.[2y)
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%。 #Tag"b`
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。 >D i`zw~
f k6=;{
/X0<2&v
!>!jLZ0
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 ; 14Q@yrZ0
-:F r($^
$G}k'[4C
7<(U`9W/q
#K$0%0=M
W!kF(O
NA
給透鏡加上鍍膜 dD 'KP4Io@
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 zL50|U0H
這裡我們在 38l :Y"
物件6的Face 2以及 y?3u6q++
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 ;9fWxH
>b#CR/^z
g2}aEfp!H
WLh!L='{BK
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 8@rF~^-_
3m21n7F4*
){ u#
(sW
)@y'$)5s
-`Zk`s|!
分析特定區域的光 (使用Filter String) k%-UW%
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？ 3BLH d<
rTJU)4I^h
G MLx$?=j
qX6zk0I a
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 s2 aFme
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 JJM!pD\ h
'& gUAt
,O^kZ}b
-s le7 k
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 ~"wnlG-:
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 9WQ'"wyAQ
FcOrA3tt
h]|2b0
(tzAUrC
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 7<2?NLE8*
**6X9ZIX[
_jxysFl=
|qf9-36
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 (f#{<^ gd
RJN
LcIm
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 f_ hG2S k
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 ~aL?{kb+
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 l a]Zk
8jLO-^X< <
cj[%.M5iBA
'$ G%HUn
Z%r8oj\n
[f$pq5f='
進階路徑分析 {w99 ~?
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 1JI7P?\B
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 %V!!S #W
MpIP)bdq7
d+8|aS<A
g$# JdN
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。 9w\C
vO&R
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 3+M+5
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。
)$2h:dw_
z KG]7
KDDx[]1Q
-#AO4xpI
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 IF?
C\ cZ
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 s NC~S%[
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oYeFO w`
]k.YG !$
q&wv{
S?~/
V ]
+ j6^g*
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tZD^<Q7}\
Z2k5q s7g
（转自：中文版 Zemax Forum ）
