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。 YNM\pX'
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：
5-'vB
* 介紹雜散光 8XbR
* 轉換序列式設計到非序列模式 yX9B97XyC
* 設計鎖定工具 yiT{+;g^
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 {wu!6\:<??
* 用 Filter String 篩選光路徑 wItz cY1m
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 hEOJb
@:R
k,]{NO
文章發布時間：April 23, 2017 .
bG{T|
文章作者：Michael Cheng kPJ~X0Fr{t
FOp_[rR
簡介 2u&c
&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： ,k%8yK
\X opU"
l$`G:% qHj
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： VRhRwdC
m|dF 3 0~A
Wf1-" Q
4~WlP,,M
開啟範例檔 M9g1d7%
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx IMR$x(g=
F
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。 '%O\ E{h
X,53c$
bV7QVu8
^ K>pT}u
設計鎖定工具 uN&M\(
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。 ~y%7w5%Un
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： J WS q"N
* 開啟 Ray Aiming K!b>TICa:
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size !L$oAqW
* 改為 Angle 或 Object Height 9jjL9f_3
* 固定表面孔徑：Circular Aperture 0C7 " 3l
* 移除漸暈係數 -AeHY'T
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 "b;k.Fx
"2 K|#,%N
`R ]&F$i(E
Z{16S=0
產生關鍵光線組 %>]#vQ|
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： % NwoU%q
sp,(&Y]US
P#9-bYNU
WFks|D:sB
轉換到非序列 U a!Odju*w
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。 v _.j/2U
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 b6$4Ul-.
.?7So3
<sF!]R&4
l?N`V2SuR
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 ],# ZPUn
ix+x3OCip
E<P*QZ-C3
l> 33z_H^
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： xKisL=l6Y
\ !6t
c{ZqQtfM
f Y2l.H\f
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： :'TX"E!
C(ZcR_+r$,
yl|R:/2V
,7/\&X<`B
檢查關鍵光線組的狀況 0c{Gr 0[>
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。 T&e% /
|Yg}WHm
K N|'|2/|
U@MOvW)
分析雜散光所需的設定 7YSuB9{M
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。 )z|_*||WU^
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。 7jD@Gp`" 3
~9]Vy
(L
o<Ke 3?J\
W'8J<VBD
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。 f2 VpeJ<p
y0lL Fe~
`
C/fF_YA
| H5Ync[s
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。 (u$!\fE-et
*YMXiY JR
P'KY.TjWb
XP3QBq
初步追跡結果 ei(| 5h
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 F12S(5Z0%
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 GWVE IZ
sT@u3^>
U Ek |8yq
DWHOS XA4
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 NO%|c|B|
w`2_6[ ,9
i@sCMCu6
4"rb&$E
並且設定視窗如下圖。 )2
F^J&g%ql
6uv'r;U]
<5C=i: 6%
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 t ;bZc s
;w>Q{z
[j]}$f Fe
\f ~u85
使用Filter String .CB "@.7
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 q>wa#1X)
~`a#h#
hA$c.jJr.Z
_S[Rvb1e
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%。 $NH`Iu9 t
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 6tCV{pgm
{3_F fsg`
mCZF5r
!M#?kKj
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 96^1Ivd
2\kC_o97
)4 VL m
W,L>'$#pM
10a=Y G
5G
dY7t_1
給透鏡加上鍍膜 x(T!I&i={
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。 !ds"88:5^
這裡我們在 S0X.8Bq
物件6的Face 2以及 AOq9v~)z-
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 {g23[$X]N
#Q!c42}M
BdRE*9.0
v>yGsJnV'
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 /;]B1 T7
H@O r X
_
cHV3cz
),W (TL
+A.a~Stt
分析特定區域的光 (使用Filter String) /I`!i K
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ Z n"TG/ :
Q:Nwy(,I
HT1dvC$COo
HCn ]#
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。 Z1qATX Xf
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。 Sj=69>m]5
a v| 6r#
V"D<)VVA
AU${0#WV_
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
!EyGJa[ i
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ^~*[~
GXAk*vS=G
iM Y0xf8l
%o _0M^3W
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 Ke;X3j ]`
MSm`4lw
S
&lT KYP
3T. M?UG>
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 3Wtv+L7Br
]I.& .?^i0
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 OKLggim{
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 W;)F NP|MT
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 Rs( CrB/M
Gh>fp
1RUbY>K#U
(w@MlMk
GF/x;,Ae
.]sIoB-5 4
進階路徑分析 ?H86Wbz
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 lXL7q?,9
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 uJ!s%s2g
ba)Yb P[
g cK"
(gJ
)]/n
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 ~ m;MM)_V
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 g,GbaaXH
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 7 )6Yfa]I%
O]r3?=
RNrYT|
E( 4lu%
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 Z!=Pc$?
yU8Y{o;:
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。 GPqB\bxb'
6x zR*~ 7
36A.h,~
*e"GQd?
p 31rhe
$CYpO}u#
L kZo/K~
BnnUUaE
+}L3T"
_Ag/gu2-?
（转自：中文版 Zemax Forum ）
