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。 }B`T%(11=
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： M@ =VIrX,m
* 介紹雜散光 ,5}")T["u
* 轉換序列式設計到非序列模式 )}to7r7 `
* 設計鎖定工具 ==npFjB
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 U>hpYqf_
* 用 Filter String 篩選光路徑 R*O<(
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 |"+UCAU
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文章發布時間：April 23, 2017 $u c mE
文章作者：Michael Cheng |xFSGrC
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簡介 ,uL}O]L
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： =J E 5/
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* ?~&O.R"
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： LMaY} m>
L=&dJpyfT
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開啟範例檔 3vj 1FbY
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx ^WUG\@B
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 .R _-$/ZP
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設計鎖定工具 4tlLh`-8
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。 c JOT{
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： 4Un%p7Y~
* 開啟 Ray Aiming $
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* 系統孔徑設為 Float By Stop Size 3M"eAK([
* 改為 Angle 或 Object Height FvVM}l'
* 固定表面孔徑：Circular Aperture
j>)yV@g/
* 移除漸暈係數 zt 2#6v
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 cd.|>
H|z:j35\
g|<$ \}
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產生關鍵光線組 b,lIndj#
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： v5 I}a7
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轉換到非序列 {7^D!lis
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。 (3N;-
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 :xZ^Jq91
u&r+ylbs I
}TG=ZV i
e VRjU
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。 ]dL#k>$0q
] ] 50c
*eAzk2
- aQf( =
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： \s_`ZEB
c}mWAZ=wF
6 $
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我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： A;7At!kK
^ ^k]2oG
~JTp8E9kw
a1g aB:w5n
檢查關鍵光線組的狀況 en-H X3'
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。 cc:,,T /i
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分析雜散光所需的設定 !1xX)XD4y
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。 8}{W.np_
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。 66|$X,
4+q3
Kw
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e#s-MK-Q
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 M`tNYs]V
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X^)v ZL?
L[O.]2
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 xMHu:,ND
A3Oe=rB
/s "Lsbe
Q3 yW#eD
初步追跡結果 >M^4p
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 */y (~O6
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 1Y{pf]5Wx
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hv#|dI=kZR
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追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 L%
`lC]
Q=#N4[W'
!b8.XGo
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並且設定視窗如下圖。 l 1eF&wNC
M&^Iun
CC,CKb
d#-'DO{k
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 `,$PRN"]
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;Miag'7
=> X"
使用Filter String m.w.h^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）。 P;
9{;
sU0W)c;
~;yP{F8?
1)hO!%
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%。 ^n9)rsb
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。 +AYB0`X)
C^*3nd3
] [ 1
iKT
H& !? c5
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 $$e"[g
B3'-:
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"g:1br?X,9
?<STl-]&
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給透鏡加上鍍膜 R?i C"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。 jW;g{5X
這裡我們在 A^vvw~!d
物件6的Face 2以及 jKr>Ig=$tA
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 4~~G
i`XE
N;R I
A
IIO-Jr
L)X[$:
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 ZK 5
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PauF)p
0bl 8J5Ar5
/Jf}~}JP
分析特定區域的光 (使用Filter String) 7&
'p"hF
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？ "ifv1KZ#
Y+ !z]S/x
Z7dyP R
c0QKx=
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。 Hv-f :P O
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。 Cq [<CPAS
Zmz $
hr
f"R'Q|7D
s y>}2orj~
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。 S#*aB2ZS
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ne
8rF.D
]XEUD1N;I
b=XXp`h~a
@{U@?6eZ
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。 }~Ir &
c'
Q4Fzj0'
L\xR<m<,
"Z)zKg
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。 ;k
(M 4?
0 DX)%s,KO
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。 Ynl Zyw!
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。 AmB*4p5b
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。 RC!9@H5S#
|p`}vRv
Uh
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Ou{V DE
=0mn6b9-=
o^W.53yX
進階路徑分析 FD/=uIXH2
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 R5=M{
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 Xa$-Sx
6 #k mV
Y2}m/7aF
<=]:ED $V@
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 uZa)N-=b2
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 La$?/\Dv)
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。 ,:8 oVq>?
;]>a7o
oZ> 2Tt%
B/I1<%Yk
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。 rPK 1#
HL%|DCo
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。 ^00C"58A
10CRgrZ
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R%6K xN)+@
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Z@0IvI
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
