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。
q1E:l!2al 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：
Hi_ G * 介紹雜散光
zI~owK)%Z * 轉換序列式設計到非序列模式
9Lh|DK,nV/ * 設計鎖定工具
K78rg/` * 關鍵光線組產生器 & 追跡
2 MA]j T * 用 Filter String 篩選光路徑
Tz2-Bp]h * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
~[k%oA%W r_EcMIuk 文章發布時間：April 23, 2017
9dMrgz&' 文章作者：Michael Cheng
mAk{"6 5V A`{y9@h( 簡介
l{w#H| ] 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：
S4witIK5 
=h(W4scgqX 4 @.|_zY 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：
^\B :R, 
iqnJ~ g P;PQeXKw `IYuz: 開啟範例檔
K
~ 44i 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
VL9-NfeqR 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。
fj nT e 
,3I^?5 `V[!@b: kP xa7 設計鎖定工具
7VK}Dy/Vvn 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。
qH"G m 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
Y2o6kS{x * 開啟 Ray Aiming
nN$Y(2ZN * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
XW Jw J * 改為 Angle 或 Object Height
( 6(x'ByT * 固定表面孔徑：Circular Aperture
@DW[Z`X * 移除漸暈係數
#S%Q*k<hw 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
(wc03,K^ ,wKe
fpV;5 
QZ
`tNq :/ }AZc8o- 產生關鍵光線組
1>Q{Gs^ 在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下：
C8a*Q" _ >` X]I; 
B7\k< Nit0 `P Xz 轉換到非序列
4[ryKPa, 在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。
J==SZ v 有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件
E^w:KC2 @ y80ykGPT\& 
dk8wIa"K` 2tayP@$ 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。
K!D
o8| hP J4Oj1O 
% iJ%{{f` H7i$xWs 非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖：
M Jj4Hd %7Kooq(i 
2A4FaBq" ~.PP30 ' 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
R E1 /" [t Li 2Zndp 
8#R?]Uwq Gf8s?l 檢查關鍵光線組的狀況
'H9=J* 9oG 讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的
CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要
光束。
=Cqv= (3\Xy 
DaNW~rd{ GC8}X;((Y 分析雜散光所需的設定
O!D/|.Q#% 在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。
ashcvn~z 首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。
h72UwJ2rw "s
W-_j] 
]43[6Im #s5 pz8v 然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。
g|P C$p-z+ Y^$HrI(vq 
`n!viW|tB [%HIbw J 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
jc_\'Gr+[ b7C
e%Br 
j-]&'-h}# SM[{BH< 初步追跡結果
IL7`0cN( 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
>KG E- Yzj 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
3l!NG=R %R_{1GrL'c 
b
hjZ 7= 1;u4X `8 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
zH)_v W TOl}U 
_17|U K|N "oJ(J {Jat 並且設定視窗如下圖。
xu%'GZ,o9 Z\X'd_1! 
5/ecaAB2 mXjgs8 s
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
8uG0^ h} Y5A~E#zw 
.R 44$F A3P9.mur 使用Filter String
~pP0|B*% 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）。
zLjgCS<7 &j u- 
}4jC_ZAupt Uv?'m&_ 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%。
?`sy%G 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。
lH BI SVP:D3) 
#,f{Ok+ _[Gb)/@mM 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
(4~WWU (iT @
"d2.h 
+Al>2 ~
ayp b 
;cP8 ?U irx z l3 給透鏡加上鍍膜
_pDjg%A>n 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。
I{.HO<$7D} 這裡我們在
4-4?IwS 物件6的Face 2以及
;'kI/(;;C 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
H~+xB1 o 5Zyh26 
#0 y <a:}R tFU;SBt8Ki 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
=TcOn Q j r7z6__ _ 
4^Qi2[ w 9{J?HFw*; _\AUQ{ 分析特定區域的光 (使用Filter String)
l)}t,!M6 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
(9.yOc4
)5l u.R% 
VyZV (k A!HK~yk~Q 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。
;<6 "JP>0 現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。
.P/xs4 Bhuw(KeB 
.j 'wQ+_ X\A]"su 現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
JieU9lA^&B 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
ZJXqCo7O Kdt|i93 
rc~Y=m zGs|DB 然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。
FN{/.?w( y_%&]/% 
`!Ln|_,d Q_lu`F| 注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。
z zJ^x8#R 9eSRCLhgD 回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。
kkfC AM 但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。
Fzs>J&sY& 根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。
5ZsDgOeY 22bT3 
*PcVSEP/0 {5x>y:v 
c ,BAa*]K b+$o4 l/x 進階路徑分析
w|G~Il 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
jeFN*r _ 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
)<'yQW=6 32KR--mn% 
fk\5D[j^ 5`yPT>*#m> 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。
7K !GK 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
bw;iz ,Z 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。
BD4"pcr onh?/3l 
XPVV+. 0#
UAj T3 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。
VD4S_qx Nh :JU?h 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。
7 s-`QdWX {.#j1r4J` 
z@n+7p`w okh 0 _4 
3DI^y` av Jmy)J!ib* 
r&/D~g\"|[ 6NSO >/E 
a[JZ5D SNxz* `@4 （转自：中文版 Zemax Forum ）
