這篇文章旨在向新用戶介紹序列模式的功能。文中介紹了如何設(shè)置系統(tǒng)屬性，使用布局圖 (Layouts)、基本的分析功能和擴展的光源模型，以及對離軸系統(tǒng)進行建模。

簡介

光線追跡廣泛應(yīng)用于模擬光在光學系統(tǒng)中的傳播過程。使用光線追跡的方式對光的傳播進行模擬的方法通常稱為幾何光學。

在序列模式的光線追跡過程中，光線會按預(yù)先定義的一系列表面的順序進行追跡，從物面穿過整個系統(tǒng)傳播到像面上。其中，光線與所定義的每個序列表面只接觸一次。使用序列表面能夠很好地描述成像系統(tǒng)。并且光線在序列表面中追跡的計算速度非?？?，因此在進行光學系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和公差分析時非常有用。通過光線追跡可以快速實現(xiàn)光學成像系統(tǒng)的像差計算，例如光線光扇圖 (ray fan) 的繪制、衍射計算以及波前差計算等。

許多傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)都可以歸類為光學成像系統(tǒng)，包括相機物鏡、遠攝鏡頭、顯微鏡、望遠鏡、中繼鏡和光譜儀系統(tǒng)等。

OpticStudio中的圖形界面

當您首次打開OpticStudio時（無論是試用版還是完整的許可證版），您將看到如圖所示的界面，其中包括了分析功能導(dǎo)航欄 (Ribbon)、工具欄 (Toolbar)、系統(tǒng)選項欄 (System Explorer)、狀態(tài)欄和透鏡數(shù)據(jù)編輯器（Lens Data Editor）。

OpticStudio提供的所有功能都可以在分析功能導(dǎo)航欄、自定義工具欄或者系統(tǒng)選項欄中相應(yīng)的子菜單里找到。大部分功能都可以通過在分析功能導(dǎo)航欄上方的工具欄中設(shè)置快捷鍵來實現(xiàn)快速訪問。您可以在文件?(File)?菜單中的配置選項?(Project Preferences)?里對快捷鍵進行設(shè)置。

在分析功能導(dǎo)航欄下是透鏡數(shù)據(jù)編輯器。編輯器所在窗口可以布局在特定區(qū)域或者切換到浮動狀態(tài)。當窗口是浮動狀態(tài)時，它能夠被鼠標拖動或者縮放。默認的窗口狀態(tài)可以在配置選項中設(shè)置，或者在設(shè)置 (setup)?菜單中的窗口?(Window Control)?中進行調(diào)整。透鏡數(shù)據(jù)編輯器是一個數(shù)據(jù)列表，它包括了備注 (Comments)、半徑 (Radius)、厚度 (Thickness)、材料 (Glass)、半口徑 (Semi-Diameter) 和圓錐系數(shù) (Conic constant) 等數(shù)據(jù)列，其中后5項參數(shù)決定了光學元件的主要特性。這些數(shù)據(jù)列按默認順序排列，您可以通過按住列表名稱并前后拖動的方式來調(diào)整排列的順序。

表格的每一行都對應(yīng)一個光學表面，每個表面都有自己的局部坐標系。每個表面在光軸上的位置是參考于前一個表面的。也就是說，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的厚度參數(shù)表示當前表面相對于前一個表面的距離，而不是相對于一個全局的參考點的距離。

在默認情況下，編輯器中會包含三個表面：物面 (Object)、光闌面 (Stop) 和像面 (Image)。數(shù)據(jù)編輯器在第一欄里對這些表面進行了標記，并且這些表面的表面類型默認為標準面 (Standard)。OpticStudio還支持其他多種表面類型。其中一些表面類型會需要用到比標準面更多的定義參數(shù)。當使用這類表面類型時，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中會出現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)列以供參數(shù)定義。

在透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及其他所有的編輯器中，它們和Microsoft的Excel電子表格有相似的功能。您可以在行或者列上右鍵點擊來進行凍結(jié)、隱藏、插入或刪除等操作?？梢赃x取多個單元格里的數(shù)據(jù)并復(fù)制，也可以從剪貼板里復(fù)制粘貼數(shù)據(jù)到表格中。

布局圖窗口

首先請確認在配置選項 (Project Preferences)?的常規(guī)?(General) 選項卡中勾選“使用Session文件 (Use Session Files)”選項。這樣當您打開一個已經(jīng)勾選了該選項的OpticStudio文件后，軟件將自動打開文件上次保存時所有已經(jīng)打開的分析窗口。取消勾選該選項會使OpticStudio打開文件時不打開任何分析窗口，從而加快文件的加載速度。如果勾選“計算數(shù)據(jù)保存于Session文件 (Include Calculated Data in Session)”則已經(jīng)計算的分析數(shù)據(jù)也將會保存到文件中。

當點擊文件?(File）?菜單中的打開?(Open)?按鈕時，您將會看到包含所有示例文件的目錄。打開文件Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx。這會使OpticStudio加載該文件并在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中輸入該文件的數(shù)據(jù)。在這個示例中，總共包含了12個表面，其中表面6對應(yīng)系統(tǒng)的光闌面。每個表面都包含半徑、厚度、玻璃材料和半口徑參數(shù)。這該示例文件為一個常用的照相物鏡系統(tǒng)。

如果勾選了“使用Session文件 (Use Session Files)”，則加載該示例文件時會打開一個布局圖窗口。布局圖可以用來直觀地查看所載入透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

布局圖窗口和其他窗口一樣可以被拖動和縮放。如果需要更改窗口的設(shè)置，點擊窗口菜單欄中的設(shè)置?(Settings)。在彈出的下拉對話框中您可以自行更改布局圖的相關(guān)設(shè)置。OpticStudio默認自動應(yīng)用設(shè)置的更改，也就是當更改設(shè)置參數(shù)后點擊所編輯的參數(shù)以外的區(qū)域時，更改會自動生效。在當前窗口中，您可以取消勾選“自動應(yīng)用?(Auto-Apply)”選項來取消這一功能，您也可以在配置選項 (Project Preferences)?中的常規(guī) (General)?選項卡的設(shè)置中對所有的分析窗口進行統(tǒng)一的設(shè)置。在本例中，我們將光線數(shù)?(Number of Rays）?設(shè)為7，并勾選“光線箭頭?(Fletch Rays)”選項。一旦更改的設(shè)置生效，布局圖會在每個視場中繪制7條光線而不是原來的3條，同時在光線上會有箭頭標記出光線的傳播方向。在OpticStudio的其他分析窗口中進行設(shè)置更改和本例類似。

為了更清楚的查看布局圖中的內(nèi)容，您可以對窗口進行縮放。您也可以通過轉(zhuǎn)動鼠標滾輪或者點擊鼠標左鍵拖動選取一個方形區(qū)域的方式來放大布局圖中的一部分。通過對布局圖進行多次放大，您可以看到很多系統(tǒng)的設(shè)計細節(jié)。如果想讓布局圖恢復(fù)到原先的比例大小，您可以點擊窗口工具欄中的整屏顯示?(Reset Zoom)?按鈕。

您可以在分析?(Analyze)?菜單欄的視圖?(System Viewers)?中打開其他類型的布局圖。所選擇的布局圖會在一個新的窗口中顯示。您可以在頂部工具欄中定義各種分析功能的快捷鍵，您也可以在配置選項 (Project Preferences)?中的快捷鍵?(Shortcut Keys)?中設(shè)置鍵盤快捷鍵。

使用技巧：您可以點擊窗口右上角的關(guān)閉按鈕來關(guān)閉任意一個浮動的窗口，鎖定狀態(tài)的窗口的關(guān)閉按鈕位于窗口標題的右側(cè)。

點列圖分析

OpticStudio可以生成許多不同類型的分析窗口。

如果您勾選了使用Session文件選項，那么在打開示例文件時同樣還會默認打開矩陣點列圖?(Matrix Spot Diagram)?分析窗口。在這個窗口中展示了不同的視場和波長組合下像面上的光斑形狀。

OpticStudio還支持其他類型的點列圖分析。選擇分析菜單欄中的光線跡點?(Rays & Spots)?中的標準點列圖?(Standard Spot Diagram)?功能。您將看到當前透鏡系統(tǒng)的點列圖分析結(jié)果。

點擊點列圖分析窗口的設(shè)置 (Settings)?選項?？梢钥吹?，在設(shè)置菜單中包含樣式?(Pattern)?選項，該選項默認為六邊?(Hexapolar)。它用來定義光線從物面入射到系統(tǒng)入瞳時的光線分布，在默認情況下光線在光瞳中的分布為六邊形。點擊樣式的下拉菜單，選擇雜亂?(Dithered)?并點擊確定。點列圖會重新繪制，現(xiàn)在光線的分布從原先的六邊形分布變成偽隨機分布。

使用技巧：在分析窗口中單擊右鍵彈出下拉菜單，打開設(shè)置對話框?(Settings)?同樣可以對該窗口進行設(shè)置。

光線和OPD光扇圖分析

在OpticStudio中，可以通過分析光線像差和光程差的方法來衡量一個光學系統(tǒng)的幾何像差。您可以在分析 (Analyze)?菜單中的像差分析?(Aberrations)中找到這些功能。

打開光線像差圖?(Ray Aberration)，分析窗口中顯示了每個視場和波長下子午方向和弧矢方向的光扇圖。

除了光線像差，OpticStudio也能生成波前像差光扇圖。這類分析圖表也稱為OPD光扇圖（光程差，Optical Path Difference）。在分析菜單中的像差分析下拉菜單中選擇光程差圖?(Optical Path)。OpticStudio將對每個視場和波長繪制相應(yīng)的波前像差光扇圖。

使用技巧：許多分析圖表都支持窗口光標?(Active Cursor)?功能，當您的鼠標光標移動到圖表上方時，該功能可以顯示光標所在位置的坐標信息。您可以在剛打開的光線光扇圖和OPD光扇圖中嘗試這一功能。

MTF分析

OpticStudio同樣支持對系統(tǒng)進行衍射分析。

點擊文件 (File)?菜單中的打開 (open)?按鈕，打開Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 degree field.zmx，該示例文件為一個簡單的名為庫克三片鏡的三透鏡物鏡系統(tǒng)。

使用技巧：您也可以通過點擊頂部工具欄中的打開按鈕來選擇要打開文件。

點擊分析 (Analyze)?菜單中MTF曲線?(MTF)?中的FFT MTF來查看這個鏡頭的MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）分析結(jié)果。OpticStudio會以空間頻率為自變量，使用快速傅里葉變換 (Fast Fouier Transform, FFT) 的方法計算每個視場下子午方向和弧矢方向的響應(yīng)，并以圖表的形式展示出來。OpticStudio還支持基于惠更斯積分 (Huygens Integral) 的MTF算法。

如果您想查看這個鏡頭設(shè)計的MTF衍射極限，您可以在FFT MTF窗口中打開設(shè)置?(setting)?菜單，勾選“顯示衍射極限?(Show Diffraction Limit)”選項并點擊確定OK。衍射極限將添加到圖表中。

拓展圖像分析

雖然大部分分析功能是通過設(shè)置一系列視場點來對物面進行采樣的，但OpticStudio也支持使用擴展圖像作為物面，對其成像結(jié)果進行模擬分析。OpticStudio支持幾何圖像、衍射圖像、部分相干圖像或使用測量所得的光源數(shù)據(jù)進行模擬。我們將展示一些基礎(chǔ)的分析功能，同時也會提供進階功能的相關(guān)材料。

在OpticStudio中幾何圖像分析?(Geometric Image Analysis)?功能可以用來創(chuàng)建擴展圖像。這一功能可用于分析物面上以任意視場點為中心的平面擴展光源，并計算成像的有效分辨率、畸變和系統(tǒng)效率等參數(shù)。

您可以使用庫克三片鏡系統(tǒng)來測試OpticStudio中的圖像分析功能。點擊文件菜單欄中打開按鈕下方的下拉箭頭，OpticStudio會顯示最近打開過的文件。在下拉列表中，選擇之前打開過的庫克三片鏡文件。幾何圖像分析 (Geometric Image Analysis)?功能位于分析 (Analyze)?菜單欄中擴展圖像分析?(Extended Scene Analysis)?中。打開后您將看到字母“F”的圖案（默認的擴展圖像）會以點列圖的形式展現(xiàn)在窗口里。

如想使用網(wǎng)格圖案代替字母“F”，您可以選擇幾何圖像分析窗口的設(shè)置菜單，選擇其中文件?(File)?菜單里的GRID.IMA文件。有關(guān)使用IMA格式文件生成擴展圖像的詳細信息可以在幫助系統(tǒng)中搜索查看。您可以在設(shè)置菜單中把顯示?(Show)?選項修改成偽彩色?(False Color)。這會模擬使用有限像素數(shù)量的探測器對擴展圖像所成的像。點擊確認，重新生成分析結(jié)果。

OpticStudio還支持幾何位圖圖像分析?(Geometric Bitmap Image Analysis)?功能，它和幾何圖像分析類似，但可以擴展使用BMP、JPG或者PNG格式的圖片文件作為物面圖像。OpticStudio會追跡紅、綠、藍三種波長的光線到像面或者其他指定表面上的探測像素上，從而生成RGB三色圖像。OpticStudio也可以追跡光譜中其它三種波長的光線。這一功能可以用來分析實際圖像或者使用所支持的格式保存的自定義圖像。通常情況下為了保證圖像的采樣率足夠，OpticStudio需要追跡數(shù)量非常多的光線。

打開幾何位圖圖像分析窗口，并如下圖所示對設(shè)置進行修改：將輸入?(Input)?改為ALEX200.BMP，將像面上的X像素 (X Pixels)?和Y像素 (Y Pixels)?改為100，將X像素大小 (X Pixel Size)?和Y像素大小 (X Pixel Size)?改為0.5，然后增加追跡的光線數(shù)目，把光線/像素 (Rays/Pixel)?改為100，最后點擊確定。

幾何圖像分析和幾何位圖圖像分析都是基于幾何光線的進行分析的。圖像模擬?(Image Simulation)?功能可以實現(xiàn)更全面的分析。它可以基于點擴散函數(shù) (Point Spread Function, PSF) 卷積的方法進行幾何計算或者衍射計算。部分相干圖像分析?(Partially Coherent Image Analysis)?功能可以模擬部分相干的物面圖像。您可以聯(lián)系工作人員了解更多信息。

離軸系統(tǒng)

OpticStudio也可以對離軸光學系統(tǒng)進行建模，例如包含反射鏡、傾斜的元件或者離軸的圓錐曲面鏡的光學系統(tǒng)。

打開文件\Zemax\Samples\Sequential\Tilted systems & prisms\Tilted mirror.zmx，該文件展示了在OpticStudio中構(gòu)建反射鏡系統(tǒng)。如文件中的3D布局圖所示，鏡面（表面3）是傾斜的，并且光路由于反射鏡的存在而產(chǎn)生折疊。

該系統(tǒng)中的反射鏡使用坐標間斷?(Coordinate Break)?表面類型來實現(xiàn)的。在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中，點擊表面2數(shù)據(jù)行的任意列，用鍵盤上的右方向鍵往右滾動表格，使數(shù)據(jù)編輯器顯示圓錐系數(shù)?(Conic)?數(shù)據(jù)列之后的數(shù)據(jù)。您將看到定義元件偏心和傾斜的數(shù)據(jù)表格?？梢钥吹奖砀裰?strong>傾斜X (Tilt X)?中的參數(shù)是10，這表明反射鏡繞X軸旋轉(zhuǎn)了10°。

現(xiàn)在打開文件\Zemax\Samples\Sequential\Telescopes\Unobscured Gregorian.zmx，這是一個由兩個圓錐反射鏡構(gòu)成的望遠鏡系統(tǒng)。從文件默認打開的實體模型?(Shaded Model)?圖可以看到，主反射鏡和次反射鏡使用坐標間斷面進行了傾斜，這使得次反射鏡（表面5）不在系統(tǒng)輸入光的光路上，從而避免了遮光問題。

使用技巧：在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中選中一個表面時（點擊該表面），該表面會在任何視圖窗口中高亮顯示。在上述的實體模型視圖中，主反射鏡（表面4）為高亮顯示。

該望遠鏡系統(tǒng)的主反射鏡是一個離軸的圓錐曲面鏡的一部分，該表面上的偏心孔徑使反射鏡面與入射光束對準。如果需要查看該表面的孔徑設(shè)置，您需要選中表面4，然后單擊透鏡數(shù)據(jù)編輯器左上角的表面屬性?(Surface Properties)，或者直接通過雙擊表面4在表面類型列的對應(yīng)單元格打開表面4的表面屬性對話框。點擊左側(cè)的孔徑?(Aperture)?選項卡，查看該孔徑的偏心設(shè)置。

系統(tǒng)孔徑，視場和波長數(shù)據(jù)

每個光學系統(tǒng)都對系統(tǒng)孔徑有詳細指標，例如F/#（相對孔徑）、入瞳直徑 (Entrance Pupile Diameter)、數(shù)值孔徑 (Numerical Aperture) 或者物方錐角 (Cone Angle)。該參數(shù)定義了光學系統(tǒng)從物方空間收集到的軸上光束的寬度。在OpticStudio中，該數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)選項欄中的孔徑菜單中進行設(shè)置。點擊系統(tǒng)孔徑左側(cè)的下拉箭頭，您可以在展開的菜單中對系統(tǒng)孔徑進行設(shè)置。

視場數(shù)據(jù)用來定義物面上發(fā)射光線的位置。該數(shù)據(jù)同樣可以在系統(tǒng)選項中設(shè)置。如果您想查看有關(guān)視場設(shè)置的全部信息而不是在系統(tǒng)選項中概覽，您可以展開視場設(shè)置菜單后點擊打開視場編輯器?(Open Field Data Editor)，?打開視場數(shù)據(jù)編輯器對話框。

您可以在波長數(shù)據(jù)菜單中設(shè)置追跡光線的波長。同樣，它在系統(tǒng)選項中也有對應(yīng)的菜單，雙擊波長的標題可以打開波長數(shù)據(jù)編輯器?(Wavelength Data)?進行相關(guān)設(shè)置。

進階學習與探索

您可以隨時打開Sequential文件夾下的其他示例文件、已有的自定義文件或者從頭創(chuàng)建您自己的系統(tǒng)，來繼續(xù)探索OpticStudio序列模式。您可以在打開的示例文件中嘗試分析菜單欄中的其他分析功能。

OpticStudio中的幫助系統(tǒng)?(Help Sytem)?是非常好的學習資源，您可以在探索其他分析功能時查看幫助系統(tǒng)以獲取更多信息，幫助系統(tǒng)可以在幫助菜單中打開。