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。
mFJb9 , 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：
Vho^a:Z9}W * 介紹雜散光
/V
f L( * 轉換序列式設計到非序列模式
J ec<1|
* 設計鎖定工具
0]MI*s>& * 關鍵光線組產生器 & 追跡
Aj "SSX!L * 用 Filter String 篩選光路徑
CQ^ I;[=d * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
~ Pi CA '^~3 8=FA 文章發布時間：April 23, 2017
Xr$hQbl5D 文章作者：Michael Cheng
*D;VZs0O *[0)]|r 簡介
cvO;xR 使用者用序列模式設計鏡頭，處理完
成像品質、畸變、相對
照度以及
公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈
光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例：
SCKpW#2dP{ 
|
sZu1K q($fl7}Y 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：
Nj|~3
*KO 
wm
s@1~I .aE %z/@s= jS'hs>Ot 開啟範例檔
=%R|@lz_x 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
L l'!aar, 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。
(]*!`(_b 
k80!!S=_> Jej-b<HmQ atWB*kqI 設計鎖定工具
;+4X< )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。
2mVLR;s{_ 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
OCYC
Dn * 開啟 Ray Aiming
"RM vWuNt * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
W.VyH|? * 改為 Angle 或 Object Height
j aq/]I7 * 固定表面孔徑：Circular Aperture
a@U0s+V&a0 * 移除漸暈係數
Al Q 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
XqK\'8]\Mw dI|`"jl# 
?UV ^6 NP5;&}uv*! 產生關鍵光線組
;
#^Jy#) 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：
?L~Z]+- Dt8wd,B 
Zfn390 _ .3*VkAs 轉換到非序列
&+>)H$5 在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。
W_z?t ; 有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件
b1`(f"&l hg=BXe4: 
~TEKxgU F W zf8*^ 按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。
l\Or.I7n
Z,bv D'u 
9X PQ1LSx {|Pz 9a- : 非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖：
KV$J*B Y IfGQeynj 
lj o^ 2 H<6/i@ly 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
UCP4w@C Cq, hzi- 
I+^B] @" l
TJqWSV=f 檢查關鍵光線組的狀況
DG
$._ 讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的
CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要
光束。
[F< Tl = %7 oB[2 
2 o5v{W h.W;Dmf6] 分析雜散光所需的設定
JV#)?/a$z 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。
g)Byd\DS 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。
j!H\hj/] `+ (|$?C u 
:
*Nvy={c #j{!&4M 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。
Eb<iR)e H= "wPFQXU 
Gv,0{DVX< fYzOT, c 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-#t&yjh# o(/(`/ 
hL,+wJ+A n_n0Q}du 初步追跡結果
YJ`[$0mam 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
G/Xa`4"_ 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
L:y}
L Pb|'f( 
!m#cn eV fFfH9 cl! 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
U$`)|/8 $3! j1 
y/m^G=Q6g# {da Nw>TH 並且設定視窗如下圖。
Ha\q }~_ x hFQ jV?V 
=Po!\[SBU [Pdm1]":( 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
_|ucC$* {37DrSOa 
.d5|Fs~B 9_rNJLj8y 使用Filter String
+SmcZ^\OZ 現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能（下圖中紅框框起來的部分）。
zJ#e3o . ZpHT2-baVe 
W9?Yz l QK\QvU2y 接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
Lrr^obc 現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。
7 ; C9V` < ,l&), 
!+.|T9P 1V?}";T 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
5( lE$& O xqbHe 
/ '=C<HSO J!
>HT'M 
-pj&|<
h+9 ehXj.z 給透鏡加上鍍膜
'
%OQd?MhL 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。
J?-"]s`J 這裡我們在
x!q$`zF\\ 物件6的Face 2以及
>#R< *?*D} 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
HB\y [:E |G jd 
A0M)*9 f @3[Z Q F 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
(^eSm]< e(BF=gesgp 
Nm<3bd q+t*3;X. KS'? DO 分析特定區域的光 (使用Filter String)
T"t3e=xA 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
Qg?^%O' c\.4 I4uy 
[Y *p
I&f FgRlxz 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。
B{QY-F~ 現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。
oj@B'j !yH&l6s 
^MUtmzh br <,? 現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
,g{` M]Ov 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
S8<O$^L^ zp"sM
z] 
1I KDp]SN $t-HJ<! 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。
bWwc2##7jo c^UG}:Y 
%`HAg MgP O} QTg 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。
G(|ki9^@"9 >m T2g 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。
GKtG#jZ& 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。
Gs.id^Sf 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。
[1d lV/ F^&_O*" 
+QuaQ% lA pb}QP 
A"#Gg7]tl' 5>"$95D 進階路徑分析
+l2{EiQw 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
UbJ_'>hK 6 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
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J ze yu<sd}@ 
WWc{]R^D a*NcL(OC 分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。
zOCru2/ 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
]U! ?{~ 把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。
U8?QyG
2A 7:R8QS9 
3rTYe6q$U ,S2D/Y^> 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。
>"{3lDy q- | OUr=b 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。
65\'(99y U gE0k|Z(RF 
7<mY{!2iF? 7*M+bZ`x 
4E J ,*Tf9=z 
5< GC ^hq`dr|R= 
J p!Q2} g a? .7F （转自：中文版 Zemax Forum ）
