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。
%e`$p=m 本文章將使用內建的雙高斯鏡頭示範在OpticStudio中如何分析雜散光，內容包含：
5*E#*H * 介紹雜散光
@#P,d5^G
* 轉換序列式設計到非序列模式
Zum0J{l
h * 設計鎖定工具
u{FDdR9< * 關鍵光線組產生器 & 追跡
+<}0|Xl& * 用 Filter String 篩選光路徑
NTS# sgP * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
!<UJ6t} hFk3[zTy 文章發布時間：April 23, 2017
~ }!3G 文章作者：Michael Cheng
+8v9flh 2-"0 ^n{ 簡介
0vVV%,v 使用者用序列模式設計鏡頭，處理完
成像品質、畸變、相對
照度以及
公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈
光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例：
[tg^GOf ' 
w,O,W[C u5~Ns&o&N 在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例：
"*;;H^d 
3d-%>?-ee H*bs31i{ ?%VI{[y#> 開啟範例檔
M;0]u.D*= 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
@x eAc0.^ 作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。
Y!WG)u5 
.AYj'Y qim
'dp: rU;RGz 6} 設計鎖定工具
}lK3-2Pk 接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。
k ^ YO%_ 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
dJv!Dts')C * 開啟 Ray Aiming
4GR !y) * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
8/t$d#xHI * 改為 Angle 或 Object Height
+rIL|c}J * 固定表面孔徑：Circular Aperture
cgb2K$B_" * 移除漸暈係數
'S[++w?Qq 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
@]q BF ]6 7@6g<"I 
RZe'Kw - -QyhwG = 產生關鍵光線組
gr-fXZO 在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下：
<$N"q 2kv7UU#q2 
TRZRYm" Ne $"g[uFU 轉換到非序列
*xE,sj+( 在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。
VdP`a(Yd; 有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件
5@hNnh16 @Kf_z5tm: 
T~fmk
f$ [xh*"wT#g 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。
4lq H8l. a=XW[TY1 
-k(CJ5 H9 Cda!Mk: 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：
SlSM+F Mc-)OtmG[ 
R.LL#u}; s/:Fwr4q#a 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
kD) $2I? K^rIG6 
`:O\dN>ON P ]i
=r] i 檢查關鍵光線組的狀況
_U{([M>; 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。
Gn) y>
AN bS
>0DU 
+3i 7D hUz[uyt 分析雜散光所需的設定
W23]B x 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。
KOg?FmD 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。
Y F:2>w< [+w 3J#K 
b dJ+@r \<vNVz7.D 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。
?R-9W+U %f $T<}y_nHl 
aS|wpm)K>8 7 Z UiY 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。
m, ')&{Rd Dml*T( WM> 
AM} brO 1Uf*^WW4 初步追跡結果
CK_(b" 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
|3K)$.6~ 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
!3oKmL5 sA9 &/p/ 
hJ 5z/5aE; Q,Z*8FH= 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
Px M!U!t 4 $,,Ppn 
$j I>[% _,6f#t 並且設定視窗如下圖。
Ufo>|A6;$ BpO9As 1um 
*m+5P r`7 `\<37E\N} 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
Je4Z(kj 0 g M>=%/. 
BO.dz06(Rw _SZ5P>GIU 使用Filter String
]WJfgN4 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）。
/?"8-0d lH|LdlX 
5 / m$)wE g^kx(p<u` 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%。
?p[O%_Xf 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。
Swtbl`, *jzLFuWIG 
ovf/;Q/} }8'&r(cN4 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
e=/&(Y L6
6- LMkH 
=A[5 =
k> 7s'- +~ 
6S?x
D5 ( yy2Ie 給透鏡加上鍍膜
<XQ.A3SG! 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。
Gie@JX 這裡我們在
XeUC0K[D 物件6的Face 2以及
$ 2z
_{@Z 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
~3WL)% 5 HV)[us 
\tJFAc 6R}j-1
<n 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
Q^eJ4{Ya: 3$M 3Q]z 
}4%/ pOi:f m8R=?U~!S XOb}<y)r~ 分析特定區域的光 (使用Filter String)
N:+
taz- 初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？
(N~$x L x|',6S 
sLcY,AH ro| vh\y 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。
V*jsq[q = 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。
,ul5,ygA >`V}U*}*H 
B(HT.%r^A N=,j}FY 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。
3"
Vd==oK~ 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
0.(<'!"y x%BF {Sw 
;\b@)E} *FgJ|y6gk 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。
6p<` h^ /I c[N& 
2M6d MvS hCc0s Rp 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。
|w) 5;uQ&\ k&s; {|! 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。
W3pQ? 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。
cqL(^R. 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。
`6w#8} jMpa?Jp 1 
RR25Q. c z-u?s`k** 
M'jXve(=yF K} x/ BhE+ 進階路徑分析
BnEdv8\,&s 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
9Vh_[^bR 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
( )|3
6M><(1fT 
zNtq"T [ hLuJWjCV 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。
(r F?If 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
emWG Io 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。
~$aTM_4 ( tn<
VK. 
RV !<?[ Cd~LsdKE5 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。
B?(4f2yE eqFvrESN~= 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。
9O;vUy) };SV!'9s?~ 
Ml` vx H-&3} 
:('I ) C L+R >%d
s 
76MsrOv55 B7 c[ 4 
h3 @s2 fK zh?4K*>.k （转自：中文版 Zemax Forum ）
