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。
1S +T:n 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：
zcOm"- E- * 介紹雜散光
J.g6< n * 轉換序列式設計到非序列模式
Q>\DM'{:4 * 設計鎖定工具
FW3E UC)P * 關鍵光線組產生器 & 追跡
2.@IfBF6 * 用 Filter String 篩選光路徑
e8_EB/)_Z * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
I3Z\]BI i-WP#\s 文章發布時間：April 23, 2017
.DnG}884 文章作者：Michael Cheng
9&kPcFX B XdlA)0S) 簡介
})PU`?f 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：
RMs8a ZCa 
)"tM[~e` 3T 0'zJ2f 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!d(NA<|0] 
<?;KF2A({ >wYmx4W> By*YBZ 開啟範例檔
hSps9*y 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
K-c>J
uv&, 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。
z^/9 YzA!6 
j,i)ecZ> l \m7~
l] 設計鎖定工具
3RlNEc%) 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。
ycIcM~ <4 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
w:1U wgcPC * 開啟 Ray Aiming
I~ mu 'T * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
VS~+W=5} * 改為 Angle 或 Object Height
LH@Kn?R6 * 固定表面孔徑：Circular Aperture
}KftV nD? * 移除漸暈係數
BoARM{m 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
m("KLp8 <
jX5}@`z 
GJ?J6@| 'w/ S6j 產生關鍵光線組
B1Z ; 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：
olHmRJ -Vmp6XY3q 
qckRX+P` ME5M;bz( 轉換到非序列
79jnYjk 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。
Efpj u( 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
BryD?/}P)M @!!5el { 
`Xi)';p !"F8jA} 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!x \U V ( p CU:'" 
&-vHb [*H h6 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：
^%U`|GBZp vZqW,GDfXo 
=|c7#GaiF pQ ul0] 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
[KW)z#`* 0 @
vzQ$ 
gEgd/Le eQfXUpk3@I 檢查關鍵光線組的狀況
3?+t%_[ 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。
*m'&<pg]X w`/~y
Uw)B(;Hy ? SK@lr 分析雜散光所需的設定
z4]z3U<}3] 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。
:prx:7 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。
kFfNDM#D bc& 5*? 
3CSw cD ,s,AkH 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。
zP$ "6~. {3Dm/u%=9| 
Q[T)jo,j% T.WN9= N 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。
vc P_gJz & }_tALg 
a\p`J 9Z@ J g.^h1>x 初步追跡結果
tCj \U+; 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。
W$gjcsv 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
R0q|{ 5S +}f}!h; 
z gxMDLH Lr "V 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
>GDf*
ox[ Xw162/:h 
}C
J K9*Z 'SWK{ t \4 並且設定視窗如下圖。
WjvgDNk $o
;48uV^ 
Zo Ra^o 8;3I:z&muQ 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
@A-E C&.Q|S2_ 
fV!~SX6S YgQb(umK 使用Filter String
TO/SiOd 現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能（下圖中紅框框起來的部分）。
`mS0]/AV/ ;"NW= P& 
[q|8.>sB tSTl#xy 接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
H_u% e*W 現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。
<4"Bb_U f!B\X*| 
PJ)d5D%T c
<X( S 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
ERfSJ 5^N` ~ 
.6iJ:A6T `I (5Aj" 
{YIVi:4q Et;Ubj"+ 給透鏡加上鍍膜
H<l0]-S{ 為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。
K6nNrd}p: 這裡我們在
TTSq }sb} 物件6的Face 2以及
tG 0
&0` 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
<t,lq 6PMu*-Nv!j 
R`%O=S*] Tqx 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
]ia{N uAV-wc 
zHXb[$ Q p '=XW#2 > X D \;| 分析特定區域的光 (使用Filter String)
7fW$jiw 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
w#>CYP`0k6 )yS S 2 
lh;;%@1DM n-C FB:L 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。
F441K,I 現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。
U)_x(B3d/ }t1 J`+x% 
>oyZD^gj @KU^B_{i 現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
fczH^+mI 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
s<8|_Dt _Hv@bIL' 
Ot s] y GO6uQ}; 然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。
|p*s:*TJp |N5|B Q(y$ 
vgKdhN2kI Yo,n#<3 7 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。
v(Q-RR 69zM WuY 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。
b25C[C5C 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。
UQJ 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。
P?<G:]W `q7X(x 
Y".4."NX # 6 M3BF 
*;~i\M9_ l ' Uj"9r, 進階路徑分析
y2> AbrJ 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
R(GL{Dh}L 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
5:SS2>~g "E7YCZQR 
{A{ sRT=% *^p^tK 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。
GNoUn7Y 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
Z
\;{e'#o 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。
XM:\N$tg h&:XO9dY 
oN= >U"<\1 Mo[yRRS# 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。
S H6T\}X: /vw$3,*z 下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。
NoT%z$ 1n v}Kj+9h 
%G'P!xQhy 1F{,Zr 
=8Gpov1!V~ _''9 -t;n, 
Eb9n6Fg 1krSX 2L 
3NN )ql (E7C9U* （转自：中文版 Zemax Forum ）
