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。 jE wt1S V
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： #@xB ?u-0q
* 介紹雜散光 2Y<]X7Ch:
* 轉換序列式設計到非序列模式 Z zjCS2U
* 設計鎖定工具 4 R(m$!E!
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 gWoUE7.3`
* 用 Filter String 篩選光路徑 ,tcUJ}l
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 0~ K&P#iR
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文章發布時間：April 23, 2017 1q@R04 i
文章作者：Michael Cheng 3kk^hvB+f
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簡介 l^Ofl ZC~
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： pkae91
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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： HsUh5;
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7Xu# |k
開啟範例檔 {=?(v`88
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx }]PHE(}7
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。 _ilitwRN3
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設計鎖定工具 *U]&a^N
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。 3l 45(%g+
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： \wk ;Bo
* 開啟 Ray Aiming o5
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* 系統孔徑設為 Float By Stop Size mO]>]
* 改為 Angle 或 Object Height * 4Ldh}S!
* 固定表面孔徑：Circular Aperture R y#C#0
* 移除漸暈係數 _@!vF,Wcf
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 N0-J=2
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"C\yM{JZ
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產生關鍵光線組 -l57!s~V
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： R-9o 3TPa
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A8{ xZsH
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轉換到非序列 MO0NNVVi%U
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> dGIb
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 pR9 3T+X
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G^#>HE|
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。 GRbbU#/=G
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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： >MN "87U6
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XLC qB|8`V
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我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： n}IGxum8`
EI6kBRMo
Cj-&L<
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檢查關鍵光線組的狀況 qe{;EH*
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。 5l1R")0`t_
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分析雜散光所需的設定 hE 5? G;
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。 ]zaTX?F:
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。 Ovk=s,a)K
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OxGfLeP.R!
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Eq{TUTr
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。 pXO09L/nv
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'LPyh ;!f
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。 ZH;4e<gg
ygIn6.p
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初步追跡結果 7WS$ fUBi
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。 5 tpC$4m
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 i SezrN
E-.X%xfO
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追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 (FApkvy
f ;BY%$
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並且設定視窗如下圖。 XH~(=^/_
E qz|eS*6
\z.bORy
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可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 A /I\M N|
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使用Filter String iZy>V$Aq
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）。 L5I!YP#v
,H+Y1N4W(
ao9#E"BfM
we` BqZV
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%。 LJ~#0Zu?
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。 -fFtHw:kHh
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@a@}xgn{
PY7H0\S)
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 bl
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AE~a=e\x
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給透鏡加上鍍膜 Pz0MafF|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。 ;LP3
這裡我們在 ) dk|S\
物件6的Face 2以及 i;9X_?QF
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 6?[P^{GpH
G3^<l0?S
l%_K$$C
7 nnF!9JOv
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 3f^Pr
J";N^OR{A%
bVU4H$k
E&kv4,
b_nE4>
分析特定區域的光 (使用Filter String) J1I,;WGf
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ 1 qNO$M
a r8iuwfZ
tlp,HxlP
! Ea >tQ|
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。 \O "`o4
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。 VrPsy) J68
$k0(iFzR1
#&kj>
wl]3g
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 I9G^T' W
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 Skci;4T(
I?g}q,!]
xgcJEox!
+U<YM 94?
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 asYk #;z\"
i,ZEUdd*_
Nf!N;Cy?
o B5\^V$
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。 _x(hlHFk
b)'CP Cu*
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。 .%n_{ab1
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。 LXX('d
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。 W{'hn&vU
{Cm!5Q Yy
`$JvWN,kB
EP@u4F
W
!j-/ql
\;N+PE
進階路徑分析 Vxap+<m
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 9 pnOAM}
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 *nU5PSs
Jyg1z,B <
w*XM*yJHU
lfDd%.:q4S
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 J'
uaZI>'
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 L>IP!.J]?
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 1+$F= M~
:5/Ue,~ag
4!{lySW
D^O[_/i&
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。
p*lP9[7
2{=D)aC$ f
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。 ?:9y
!Q=
G3TS?u8Q
VI4mEq ,V
i
kfJ! f
C <:g"F:k
HI|egf@
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G YQ:G=
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
