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。
OJTEvb6nPg 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：
QbG`F8dj * 介紹雜散光
Zrm !,qs * 轉換序列式設計到非序列模式
_^Yav.A= * 設計鎖定工具
>#8J@=iuqv * 關鍵光線組產生器 & 追跡
ly)L%h G * 用 Filter String 篩選光路徑
NUb:5tL * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
n^:Wc[[m g)UYpi?p-} 文章發布時間：April 23, 2017
e_z"<yq 文章作者：Michael Cheng
:j4i(qcF bP3S{Jt-| 簡介
[X=J]e^D 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：
ptvM>zw'~g 
xjO((JC ," ~4l&
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：
&XH{,fv $ 
gW_^GrK pI ]xf|xs zm`^=cV 開啟範例檔
~ @Au < 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
{nyVC%@Y 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。
s\# eD0| 
3|g]2|~w@h Q?"-[6[v 5p5S_%R$e 設計鎖定工具
pGh A 接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。
Bp:i[9w 粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
n] ]!:jFC * 開啟 Ray Aiming
J^]Y`Q` * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
UB&)U\hn * 改為 Angle 或 Object Height
Y/aNrIK7 * 固定表面孔徑：Circular Aperture
p/GYfa
dU * 移除漸暈係數
qGgqAF#B 關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。
JJe?Zu\ "Ca?liy 
2 (Ez
H ]/C1p G*o 產生關鍵光線組
-+#g.1UL/ 在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下：
U3zwC5}BN &:ib>EB03= 
)$ +5imi 7
*#pv}Y 轉換到非序列
rBUdHd9 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。
j )[
w X 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
=5yI >A0 USrg,A 
bWAVBF {V)Z!D 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。
5lMm8<v I!;&#LT+b 
DMY?'Nts! d;kdw 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：
6 NJ5v + B[R1XpB7 
a ykNH>#Po N>$Nw<wV 我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下：
+R_w- NI L*VO2YI 
-r!N;
s$t LOkNDmj 檢查關鍵光線組的狀況
b6k'` vLA 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。
6jRUkI-! <Eo; CaaF/ 
8R6!SB D%0GX Up 分析雜散光所需的設定
5r:SBt|/ 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。
aiKZ$KLC 首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。
Rj|8l K;, wM;9plYlw0 
ZMHb GCUzKf& 然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。
JWa9[Dj hoc$aqP6pp 
* \Y \$w tBp146 ` 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。
CE$c/d[N . 1r?<1vh:z 
8gv \` @}K'I c 初步追跡結果
iR9
$E 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。
/.<T^p@\& 注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
HXT Bxh af61!?K 
#cqia0.H S=>54!{`x 追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。
%&+j(?9 coHzbD~#H 
" r!O9X6 O!}TZfC 並且設定視窗如下圖。
L\Uf+d:&}G Vf#X[$pc/ 
6.},y<E ')w:`8Tl 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
J#7\R':}zl X !g"D6' 
QCFLi n+r 05mj V6j7m 使用Filter String
PpD ?TAlA 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）。
s
l|n]#) t@[&8j2B> 
sas}k7m" 3~~Kt H= 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%。
gwDQ @ 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。
Z,%^BAJ ]a )o@FI 
yrOWC iB;EV8E 此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。
p]/HZS.- b .}n%gc~ A 
G. Z:00x ?.d6!v A 
kLa9'c 0 P` Hxj> { 給透鏡加上鍍膜
?AC flU_k 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。
64Gd^.Z 這裡我們在
u`I&& 物件6的Face 2以及
I8;xuutc 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
h/E+r:2 ] o! W
71 
U~8;y' u;f${Wn'3 再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
#zflU9 9d .{[+ d3+, 
P;_}n bB 'B dZN w U".^
+ 分析特定區域的光 (使用Filter String)
N>kY$ *
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？
b&[bfM< a *?b nw? 
]
TY $ {j$ :9 H 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。
t5:
1' N9P 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。
hKVj\88 \)KLm 
WWf#in oYOR%'0*m+ 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。
Q h*"B 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
A [W3.$s T<:mG%Is 
$gZC"~BR AA=zDB<N 然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。
Hw"Lo Vh |^l17veA@ 
UnTnc6Bo7W in}d(%3h 注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。
yN- o?[o
zciL'9 回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。
e_U1}{=t 但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。
i7rO 5< 根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。
l9Xz,H 1jHugss9| 
vndD#/lXq ;iA6[uz 
h{ xq :Vd o.uUa 進階路徑分析
PB[ Y^q 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。
iO$Z?Dyg9 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
Bs?B\k= tW$Di*h 
{X r|L fHFy5j0H 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。
2TQyQ% 讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
PMOyZ3 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。
hYvWD.c} \S5YS2,P 
]2zzY::Sd= oGIh:n7 q+ 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。
IA6,P>}N 62 s0 $vw 下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。
T:<mme3v %imI.6 
Fu%D 2%V$/ |$^a"Yd`9 
6gy; Xg x Z=6 
gdj,e ^ + cXdF 
K^6fg,& @Z+(J:Grm5 （转自：中文版 Zemax Forum ）
