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。
?!Rl p/ 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：
5W 5\ *L * 介紹雜散光
]Ny. gu * 轉換序列式設計到非序列模式
"%qGcC8 * 設計鎖定工具
CuT[V?^iD * 關鍵光線組產生器 & 追跡
Uu
}ai."iB * 用 Filter String 篩選光路徑
S >*i^If * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
jW?.>( .~ZNlI {K 文章發布時間：April 23, 2017
-[0)n{AVvU 文章作者：Michael Cheng
ldI;DoE#U1 4K[U *-\" 簡介
_9\ ayR>d 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：
Ks8S^77 
y5|`B( W O|2x0K 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：
]/bf#&@g`k 
0qw,R4YK 1 /7H` O? A5y?| q>5 開啟範例檔
#*}4 = 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
'WxcA)z0cQ 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。
{xr4CDP 
&0Wv+2l @ WP2|0ib HMrS :: 設計鎖定工具
.OX.z~":y 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。
42ttmN 1F 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
i/-Xpj]Zf * 開啟 Ray Aiming
nd'zO#"m? * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
~Q>97% * 改為 Angle 或 Object Height
qD7# q] * 固定表面孔徑：Circular Aperture
pRPz1J$58 * 移除漸暈係數
nFX8:fZ$> 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
&AZr (> aoI{<,( 
`fY~Lv{4d_ iW.8+? Xq& 產生關鍵光線組
fC&Egy 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：
R l^ENrv!] eaYQyMv@ 
@ m1v B! H2E!A2\m 轉換到非序列
|XLx6E2F 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。
5?k F'yksR 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
zw7=:< z= ;]KGRT 
Nt $/JBB[$ m9wV#Ldu 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。
|Y0BnyGK aq oT 
dfO@Yo-?*' R1{ " 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：
t
/EB
y"N# ZiSy&r:( 
j42U|CuK Hh$x8ADf 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
=S|SQz5%w V[HH P_ 
x6.a n_W6 Jc-0.^]E} 檢查關鍵光線組的狀況
vp[~%~1( 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。
#J\
2/~ N$6Rg1 
{h7*a= x5c
pv 分析雜散光所需的設定
rgRh ySud 在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。
4 "@BbVYR 首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。
:@`Ll;G v,KH2 (N 
L/" u,~[ n^UrHHOL 然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。
D""d-oI [ n-#?6`>a 
f)({;,q 1YTnOiYS1 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
(9*=d_= ]$EKow i 
)^|zuYz N dp&4G6Y<A 初步追跡結果
k10dkBoEX 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。
CGbW] D$@ 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
Vx~[;*{,C9 7 1z$a 
>wNE!Oa*B W&A22jO.1 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
F7E # x PxM]3Aoa 
'%. lY9D %A,4vLe~6 並且設定視窗如下圖。
vnw83 a%3 CKNC"Y*X 
-|~6Zf" ^ *C8BzcH 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
' &^:@V /VgA}[%y 
: tu6'X\k b%2+g<UKh 使用Filter String
;_@u@$=~ 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）。
1[
ME/r +?),BRCce 
6#MIt:# /[#<@o 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%。
Ko]A}v\] 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。
*r6+Vz i l(dVW 
*[]7l]XK . T$U,rOB" 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
4GH?$p|LX P sij*%I4 
%G1kkcdH< xL3-(K6e 
_Y4%Fv>@ '2vZ%C $ 給透鏡加上鍍膜
*,.WI )@ 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。
Z
7rVM 這裡我們在
ykrb/j|rK 物件6的Face 2以及
HFu#-}i NV 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
8%S5Fc #am I'{-T=R-q 
R *lJe6 ma)Y@Uw M 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
R#eY@N}\ y#!8S{ 
<t>"b|fW GD<xmuo QCIH1\`jW 分析特定區域的光 (使用Filter String)
`h*)PitRa 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？
i1e|UR-wl Lt $LXE 
N2[EdOJT_ n@<+D`[ .V 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。
h W\q 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。
. Xn w@\k' DUUQz:?{J 
u;R < )F
Q
'^ 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。
49q\/ 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
tu8n1W P ~/Gla k 
7t
&KKKV #!(OTe L 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。
Y -%g5 .\ K0+b; 
[}Vne ;V eT * )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。
c@!%.# | y qO AK`{b 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。
VX0q !Q 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。
.G8+D%%. 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。
<2@V$$Qg.~ e=S51q_0 
0IO#h{t u
hW @
Y+ 
@k~'b :% -xiv 進階路徑分析
,U':=8 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
Q'x Z\t 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
S?TyC";! =g)|g+[H 
F*Lm=^: &} %rZ 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。
#;,dk(URo 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
J<J_yRg 2 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。
S- @E g*]Gc% 
+
q@kRQY;n %6c[\ubr 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。
9,8}4Y=GVI rBR,lS$4 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。
\0.
c_ !U,W; R 
R)4L]ZF "\0&1C (G 
\ H
<k a?&{eMEe} 
8:s"
^YLN |oCE7'BaP 
5k /Y7+*?E ~@g7b`t=la （转自：中文版 Zemax Forum ）
