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。
`[X5mEe 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：
SI^!e1@M[ * 介紹雜散光
tp7cc;0 * 轉換序列式設計到非序列模式
^FIpkhw * 設計鎖定工具
s< h]2W * 關鍵光線組產生器 & 追跡
JPR o<jt= * 用 Filter String 篩選光路徑
R %aed>zo * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
$!H;,Jxv f#FAi3 文章發布時間：April 23, 2017
W; P8=q 文章作者：Michael Cheng
g\ilK:r} MZZEqsD5 [ 簡介
x2%xrlv<J/ 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：
Py_yIwQqg 
@FO= 0_ ;y ga %gu9 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：
I!Z=3 $, 
`bY >f_5+ leR-oeSO DP_ ]\V<sT 開啟範例檔
Z8I Y!d 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
# 3UrGom 作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。
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Gl ; xd _c$l@8KS^ P'l'[Kz{' 設計鎖定工具
EX@wenR 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。
X\sO eb:] 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
=#L\fe)q) * 開啟 Ray Aiming
ktF\f[ * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
Fa b gJ u * 改為 Angle 或 Object Height
S8>1l?UH * 固定表面孔徑：Circular Aperture
w5Lev}Rb * 移除漸暈係數
.6C9N{?Tqf 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
nM#/uuRl| %La<] 
r`-=<@[ .=G ?Zd 產生關鍵光線組
X/ Sp!W-H 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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ES-LLhVf 
e\)r"!?H` 9 696EQ,I 轉換到非序列
8=TM _ 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。
9 4.|l 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
C}jFR] x) AcHr X=O 
( sDZ&R T"IDCT'z 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。
2 Sgv D*0[7:NSO 
kLE("I:7 "~2SHM @q 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：
| -l9 Z e92,@ 
#M ;j*IBl* Z X0 #I W 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
u!CcTE * z"%{SI^ 
{Qba`lOkq E %%iVFPX 檢查關鍵光線組的狀況
TGDrTyI?y 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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D]=V6l= 1`Z:/]hl 分析雜散光所需的設定
nPW=m`jG 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。
"W^+NeLc 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。
q:cCk#ra 8hV>Q 
9 ;Qgby J7 pF*2 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。
MFyi#nq Nr"gj$v 
)tm%0z7R )">uI\bi 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
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laRn! [[ mrQT:B\8 初步追跡結果
dv cLZK 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
M 4E|^p=5 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
RF }R~m9] ujW C!*W(Q 
)mH(Hx )8E[xBaO 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
K BlJJH`z{ : #OaE, 
)i"52! ly`\TnC 並且設定視窗如下圖。
O/.8;.d;4Y kq*IC&y 
Gvl,M\c9- >r>pM(h 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
yu }T><Wst *|OUd7P:hU 
V]Kk = }XD=N#p@z 使用Filter String
XMF#l]P 現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能（下圖中紅框框起來的部分）。
?aQVaw&L!7 bg2r 
"
1h~P, )}J}d) 接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
T"e"?JSRJ 現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。
p^C$(}Yh yu jv^2/ 
p'kB1)~| bo#?,80L}` 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
Lh-+i E~S~Ld% 
YRu/KUT$ 7 -n:;/ere7- 
\;Sl5*kr L*6>S_l[ 給透鏡加上鍍膜
n){u!z)Al 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。
)&[ol9+\ 這裡我們在
~X-v@a 物件6的Face 2以及
3
jghV?I{T 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
LYuMR,7E CN6b 982& 
&r!jjT c3 )6{ 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
n{!=g R.v. 8"ulAx74> 
"d*-k R z>HM$n`YD au+ a7~0~ 分析特定區域的光 (使用Filter String)
\98|.EG 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
+hIMfhF ahR-^^'$ 
~Efi|A / D .YT u$T 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。
in> ?kbaG+ 現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。
rW2l +:@c ~"cqFdnO 
={I(i6 HHZrovA# 現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。
~V/?/ J$ 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
rs@qC>_C0 {;= { abj 
`8D'r|=`Eh 3JZ9 G79H 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。
Zzv, p Q Kh vP> 
960rbxKy3 x KXD`-|W 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。
(o8?j^ -v cK t8e^P 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。
51puR8AG> 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。
G}`Hu_ [\) 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。
R-5e9vyS JjG>$z 
G:; (, ;CA7\&L> 
^S^7 u AeEF/* 進階路徑分析
\ )BDl 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
y 73@t$| 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
p"q4R2_/jh 6}q# c 
Q".AmHn
Mh5 =]O+ 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。
)%9 P ;/ 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
PxgLt2dXa 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。
-42jeJS J,^e q@( 
E#,n.U>#) zbP#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。
si|b>R&Z +7b V 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。
S ) *!j I g}'(V>( 
fQ~YBFhlr mYqR N1% 
H3jb{S
b ch]Q% M 
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{ALe IF.6sJg: 
FrD,)Ad8Q u6BLhyS （转自：中文版 Zemax Forum ）
