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。
oMj"l#a* 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：
BoYY^ih * 介紹雜散光
Mh-"B([Z * 轉換序列式設計到非序列模式
'kt6%d2 * 設計鎖定工具
[1 P_^.Htr * 關鍵光線組產生器 & 追跡
]$r]GVeN}H * 用 Filter String 篩選光路徑
O0L]xr * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
1LRP
R@b^ `D~oY = 文章發布時間：April 23, 2017
x-CjxU3 文章作者：Michael Cheng
>,]a>V uhfK \.3 簡介
D5P-$1KPt 使用者用序列模式設計鏡頭，處理完
成像品質、畸變、相對
照度以及
公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈
光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例：
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Q:megU'u 1Ys=KA-!_x 在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例：
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ue@/o,C> GEc-< `- 18rV Acj 開啟範例檔
xz!0BG 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
pxTtV g. 作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。
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63=&??4 C`i#7zsH %u66H2 設計鎖定工具
k4LrUd 接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。
V 4V`0I 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
[S,$E6&j$" * 開啟 Ray Aiming
+ \Jo^\ * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
0 q"4\#4l * 改為 Angle 或 Object Height
MSS[-} * 固定表面孔徑：Circular Aperture
k}fC58q * 移除漸暈係數
%"mI["{ 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
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@iuX~QA[9 % akW43cE 產生關鍵光線組
_F6<ba}o3 在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下：
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@`L ;_S+ [E
a{); 轉換到非序列
I sI5c 在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。
jSE)& K4nI 有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件
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$ uTrM8 QNx]8r 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。
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R %RbC!P ;99oJD, 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：
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A| f6H6UUx )]C]K B 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
"ZGP,=?y2 Li5&^RAo|J 
GO"|^W 3Y38l P:>h 檢查關鍵光線組的狀況
B= d< L^ 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。
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?3BcjD0 =_-u;w1D 分析雜散光所需的設定
p }! i _P 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。
/lC# !$9vz 首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。
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Hdew5Xn(: %evb.h) 然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。
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06Wqfzceb G7&TMg7i 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
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9k;,WU(K< 9DA |; | 初步追跡結果
Nksm&{= 6S 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
%htI!b+"@ 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
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Ps@']]4>W DehjV6t 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
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tR>zBh_b p48enH8 CO 並且設定視窗如下圖。
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9 ~W]D!m, ^ l#6Es 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
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2ul8]= 4q] 6[/ 使用Filter String
1@ OpvO5 現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能（下圖中紅框框起來的部分）。
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Qq:}Z7
H #l}Fk)dj 接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
23r(4 現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。
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)$TN%h V! y]yl7g =~ 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
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B<EqzP*# zn-=mk;W 
-OJ <Lf+"= *>W<n1r@] 給透鏡加上鍍膜
`C: 7 N=9 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。
fd *XK/h 這裡我們在
X:s~w#>R 物件6的Face 2以及
8:& ! F`o 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
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(UkDww_! eQuw uT 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
T9$~tv,5F DRm`y>. 
%WU=Vy 4 c"tlNf ? uEb:uENk'( 分析特定區域的光 (使用Filter String)
\r:* `Z*y 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
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5 !A:xV]6] E\D,= |Mul 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。
pv0|6X?J" 現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。
6 Tmz!E0 =aB +|E 
E pF9& ) @}6<,;|DQ 現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
s~Ivq+ipr; 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
Kkq-x'gt^ 3\RD %[} 
yFk|8 d-| ]CNPy$>* 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。
KH#z =_ CP\[ 9#]: 
H^kOwmSzh VB90 5 % 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。
jo&j<3i TY% c`Q5 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。
s/@uGC0> 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。
~/A2 :}Cp= 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。
(5]
[L<L 95IP_ 1}? 
5)Z=FUupA~ Sydl[c pH$ 
I*%3E.Z@g %1p-DX6 進階路徑分析
B~}BDnu 6 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
%0y -f 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
8!35
K rNhS\1 - 
wg[
+NWJ G HQ~{ 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。
#tg\
bb 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
.*6 NqX$ 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。
{i=V:$_# bK }ZR*) 
'%/=\Q` 3}V (8 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。
tYTl- c G0h&0e{w 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。
*PlKl_nP6 vbJdhaf 
*\#<2 QAe [L-wAk:Fb 
&b JBsd@Os IR3SP[K" 
q'7.lrKwa> Q'jGNWep 
}>AA[ba"' *MfH\X379 （转自：中文版 Zemax Forum ）
