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。
,oPxt 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：
VE1j2=3+o * 介紹雜散光
D;jbZ9 * 轉換序列式設計到非序列模式
?;.=o?e9 * 設計鎖定工具
M4CC&?6\ * 關鍵光線組產生器 & 追跡
6V}xgfB * 用 Filter String 篩選光路徑
o^MoU2c * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
@8+v6z {"2CI^!/U. 文章發布時間：April 23, 2017
E7_OI 7C 文章作者：Michael Cheng
p=zT Y7L 4S[) 5su 簡介
pYu6[ 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：
Q#.E-\=^ 
):}A Quy] 3 `mtc@* 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：
25j\p { * 
m~fDDQs c@)?V>oe u8`S*i/)m 開啟範例檔
};EB[n 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
0PsQ
1[1 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。
|JP'j1 Ka 
C5$?Y8B3 R,=8)OI2 53pT{2]zAi 設計鎖定工具
E*fa&G~s ) 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。
@Y>PtA&w* 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
Y6v# 0pT * 開啟 Ray Aiming
7Cbr'!E\_V * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
ccp9nX v * 改為 Angle 或 Object Height
-m mQ]'.0 * 固定表面孔徑：Circular Aperture
4FZ/~Y1} * 移除漸暈係數
gs0`nysM# 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
H{Lt,# jp@X,H ES 
apgKC; q5@Nd3~h 產生關鍵光線組
_@gg,2
u- 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：
wL^x9O|`p9 C dPQhv)m 
a? PH`5O PMW@xk^<Y 轉換到非序列
E|SmvI V- 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。
-yg;,nCg 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
1
XJZuv,T: 8>D*U0sNl 
s*Z
yr%R T4gfQ6# 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。
B4+c3M\ $V D`X<b4e8/ 
F M YcZ+4 pY&dw4V 非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖：
R!WDQGR(2 d{@'&?tj 
\Cin%S. C Gl45HyY_ 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
N2k{@DY LTH, a?lD 
% W| Sl !W0 JT#0 檢查關鍵光線組的狀況
~i'!;'-_} 讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的
CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要
光束。
SkVah:cF- Z?3 B1o9 
;E5XH"L\ [fb9;,x` 分析雜散光所需的設定
px+]/P <dX 在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。
)`\Q/TMl5 首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。
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$#W^JWN1 7!m<d,]N 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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Z("N
*`VP; GkU$Z @ 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
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,n/yH 7M5H vG#w% 
G i$\th, US-f<Wq 初步追跡結果
+>[zn 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。
*`/4KMrq 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
-ik((qx_ D(dV{^} 9 
mL'A$BR` d/$e#8 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
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pSL 
T-kHk( %]tW2s" 並且設定視窗如下圖。
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R3)ccom v~ ._]f$: 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
aYHs 35 ^"vmIC.h 
EU H9R8) ^( 7l! 使用Filter String
HTMo.hr 現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能（下圖中紅框框起來的部分）。
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v?< C$LRX7Z`o 
F* Yx1vj hg'eSU$ J 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%。
r8czDc),b 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。
$`t2SD bS 55/M w 
UX|3LpFX&I 8+(wAbp 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
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F4Cq 85# 1}ifJ~)5S 
G2@'S&2@s +x4*T 給透鏡加上鍍膜
,5 3`t 為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。
('d, Sh 這裡我們在
G'nSnw 物件6的Face 2以及
uz=9L<$ 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
$I ,Np)i {%, 4P_m 
5C*- v,hF .6 bo 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
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.~E 
la$%%@0/ "(';UFa g0;6}n 分析特定區域的光 (使用Filter String)
jr-9 KxE 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？
&Fk|"f+ >I&s%4 
uo|:n "v j*1MnP3/8Y 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。
l%yQ{loTh 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。
6bf!v =~)rT8+) 
>29c[O"[ ~Q]::
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。
W3%RB [s- 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
bV#j@MJ~0 yRQNmR;Uy 
k%s,(2)30 %Z*)<[cIE0 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。
" Z dI~ 'S#^ 70kt 
Un5 AStG ,t'"3<^Jg 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。
eV;nTj 8# 1 o 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。
- | =) 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。
##1/{9ywy 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。
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% Mdu\ci)lr 
te jpY t [G7&ovj
PklJU:Pu\U AF{@lDa1h 進階路徑分析
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N73 u 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
@;S)j! m` 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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H
q ZHj7^y@P 
3u;0,:X& AthR|I|8 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。
#N y+6XM 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
( "<4Ry.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。
/7-FVqDx8 wx2 z 9Q 
m/,8\+ _u~`Rl A 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。
C]na4yE 8 wDBU+Z 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。
0 r; tI" C9>^!?> 
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4NI b_E0 #210 Yp# （转自：中文版 Zemax Forum ）
