ZEMAX | 杂散光分析——第一篇

在进行光学设计时，即使系统设计得再完善，我们仍可能在像面上看到一些预期之外的能量分布。如何找出这些由非预期光线所产生的能量，并试着以外加的光学元件吸收或阻挡这些光线，将是杂散光分析中至关重要的环节。

本文是三篇杂散光分析系列文章中的第一篇，将介绍如何将序列系统转至非序列模式中，并观察此时系统产生的杂散光。

简介

一般情况下，在进行机构的设计之前，我们必须先考虑杂散光的影响。杂散光意味着入射光无法经由原先预期的路径穿透整个光学系统到达像面，如此的结果将导致最终成像质量的下降。

以摄影为例，视场外的强光源（例如太阳）为常见的杂散光来源。这类光源的光可藉由系统的机械或光学元件散射到达像面。另一方面，部份视场内光源的光会在镜面进行多重二次反射（secondary reflection）后汇聚在像面上。

准备工作

首先，我们将以一个示例系统介绍杂散光的分析。藉由Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx的路径打开OpticStudio内置的示例档案。

我们会使用OpticStudio中一些好用的功能完成杂散光分析的准备。如下图，第一步我们先使用镀膜表面（Coat Surfaces）功能移除所有表面上的镀膜。稍后我们会另外分析镀膜的影响。

锁定设计（Design Lockdown）功能

接着点选公差（Tolerance）中的锁定设计（Design Lockdown）功能，并依下图勾选第一个选项。如此一来，系统中的镜面将更符合实际情形，而分析的结果也会更准确。如果需要关于这项功能进一步的介绍，可参考帮助手册（Help）中的内容。

特定光线生成器（Critical Rayset Generator）

在转为非序列模式之前，我们可以先输出序列模式中一些关键的光线路径，像是主光线和部份的边缘光线，因为这些光线只能在序列模式中产生。而在完成输出后，我们就可以在非序列模式中检视这些光线了。操作的步骤如下：

将系统转换为非序列模式

在OpticStudio中，以非序列模式进行杂散光分析是最方便的。我们可以透过转换为NSC（Convert to NSC Group）功能一步完成由序列模式到非序列模式的转换。

更多关于序列模式和非序列模式的转换将在下期的更新中跟大家见面。

在文件（File）工具栏中提取转换为NSC（Convert to NSC Group），维持所有预设设定并点选确定（OK）。

如下图，我们可以看到整个系统已转为非序列模式了，编辑器中所有的镜面皆变更为物件。同时，我们可以注意到一些新增的光源和探测器，等效于序列模式中的视场点和像面。这样的结果就如同将原始的序列系统建立在非序列模式中一般。

光线分裂（split ray）是进行非序列模式杂散光分析时十分好用的功能。在分析（Analyze）工具栏中选择非序列3D视图（NSC 3D Layout），并在设定中勾选NSC光线分裂（Split NSC Rays）。如此一来，我们就可以在视图中观察到光线在各表面上部份反射、部份穿透，以及多重反射的现象。这样的结果是在序列模式中无法达成的。

我们也可以使用非序列实体模型（NSC Shaded Model）观察结果，如下图：

检视特定光线

在分析（Analyze）工具栏中提取特定光线比对（Critical Ray Tracer），我们可以看到每个视场中的主光线和边缘光线顺利通过整个非序列系统。每当新的机构元件（例如CAD档案的汇入或OpticStudio的原生物件）加入光学系统中，我们会需要再次使用这项功能，以确保新的元件不会对特定光线造成阻碍。

杂散光分析必要设定

至此，我们已完成大部分光学系统方面的建构，准备进行主要的杂散光分析了。但在开始之前，还有一些必要的设定需要进行调整。

首先是将每条光线最大交点数目（Maximum Intersections Per Rays）和每条光线最大片段数目（Maximum Segments Per Rays）调整为最大值（分别为4000和2000000）。在进行杂散光分析时，有时目标光线会进行多次的反射和散射。若光线的最大交点数和片段数不足，我们将难以对所有的状况进行分析。

此外，我们将分析光线的数量（# Analysis Rays）降至5000条。

当进行杂散光的分析时，每条行进光线将分裂为更多的子光线。与未勾选光线分裂时相比，此时的追迹耗时将变为原本的数十倍。为了顺利的完成模拟，我们将减少光线的数量以降低追迹的时间。

最后一步则是设定探测器的像素为150x150，越少的像素也意味着所需的追迹光线可以降低。

光线追迹初步结果

当我们完成了前述的设定后，接着就可以进行光线追迹检视初步的结果了。点选分析工具栏中的光线追迹（Ray Trace），并调整视窗中的设定如下图。要注意的是”使用偏振（Use Polarization）”和”NSC光线分裂（Split NSC Rays）”两个选项必须勾选。

在完成追迹后，我们可以在分析工具栏中打开探测器查看器（Detector Viewer），如下图。

并将视窗依下图进行设定：

下方的结果图中，我们可以看到浅蓝色点所代表的杂散光能量分布。在这个系统中，这些非预期的光线来自于多重反射。这样的结果与前述有NSC光线分裂时的3D视图相同。由于NSC光线分裂的现象可以在非序列模式中呈现，因此我们才能观察到多重反射的结果。