本文將說明如何進行機構(gòu)元件的雜散光分析。我們可以在原始的系統(tǒng)中匯入CAD檔案作為OpticStudio的一個物件，并賦予它特定的光學特性。藉由路徑分析功能的協(xié)助，我們可以明確的辨識出機構(gòu)元件產(chǎn)生的雜散光線。

在進行光學系統(tǒng)設計時，光學工程師可根據(jù)分析的結(jié)果對機構(gòu)工程師提出系統(tǒng)改進的要求。本文是雜散光分析系列文章中的最后一篇。

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簡介

本文說明如何對機構(gòu)元件進行雜散光分析。這些非預期的光線可能來自鏡筒和外殼等機構(gòu)元件的散射，最后抵達探測器。當足夠的能量照射在這些物件的表面上時，反射和散射光將對像面上的能量分布造成可觀的影響。為此，在進行模擬系統(tǒng)的建構(gòu)時，我們需要特別注意機構(gòu)元件的表面，特別是某些只需一次散射即可抵達像面的光線路徑。

在OpticStudio中加入CAD元件

在OpticStudio中，我們可以將CAD元件以STEP、IGES、SAT、STL或Autodesk Inventor、Creo Parametric、的型式加入光學系統(tǒng)中。而在匯入的過程中，我們會以動態(tài)連接表示CAD元件（更多關(guān)于動態(tài)連接的描述，可參考”使用OpticStudio動態(tài)CAD連接Using the OpticStudio Dynamic CAD link”）。因此，光學設計者可直接將機構(gòu)工程師建立的機構(gòu)元件匯入OpticStudio中，并接著進行雜散光分析。我們會透過下方的示例說明操作的步驟。

下圖中的光機（opto-mechanical）系統(tǒng)包含了使用CAD軟件建構(gòu)的機構(gòu)元件。本文的示例系統(tǒng)可由文章頂端的連接下載。下圖的編輯器中，我們可以看到鏡頭之間具有間隔環(huán)（spacer），而墊片/扣環(huán)（pressure/retaining ring）則用于固定鏡頭。此外，鏡頭接環(huán)（lens mount）則包裹了整個光機械系統(tǒng)。

一般的情況下，機構(gòu)工程師在進行設計時，會審慎考慮系統(tǒng)內(nèi)部的幾何關(guān)系，確保各元件不會阻礙主要的行進光路。因此，一個設計良好的光機械系統(tǒng)理應不會因為機構(gòu)間的相互影響而產(chǎn)生雜散光。然而，機構(gòu)元件間仍難免出現(xiàn)一些相互的影響，且設計者也很難阻隔所有視場外的入射光進入系統(tǒng)。以上的這些干擾都是成像質(zhì)量下降的可能原因。

接下來我們將以示例系統(tǒng)說明如何辨別這些現(xiàn)象。

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為機構(gòu)元件套用光學特性

示例系統(tǒng)中的機構(gòu)包含了匯入的CAD物件和作為孔徑光欄的環(huán)狀面（annulus）物件。在接下來的步驟中，我們會為所有的機構(gòu)元件套用相同的反射和散射特性。

• 反射率：5 %

• 鏡面反射（Specular reflectance）：0.5 %

• 散射反射（Scattering reflectance）：4.5 %

• 散射模型（Scatter Model）：朗伯（Lambertian）

為確保CAD物件的所有表面都具有相同特性，我們可依下圖提取物件屬性（Object properties）…CAD…表面模式（Surface Mode）…采用每個零件單一表面（Use single surface，將所有元件表面套用相同光學特性）。

而散射和鍍膜特性則透過物件屬性（Object Properties）…鍍膜/散射（Coat/Scatter）進行設定，如下圖。

依上圖所示，我們將鍍膜設定改為I.95，即95%的能量可穿透表面，而剩下5%則會發(fā)生反射（注意，若編輯器中物件的材料被更改為鏡面（MIRROR），此時沒有光線會穿透物件。95%的能量將被吸收，而剩下的5%則會發(fā)生反射）。另外，我們將散射比例調(diào)整為0.9，代表90%的反射光線將根據(jù)上方散射模型（Scatter Model）的定義發(fā)生散射。在這樣的條件下，5%的光線入射元件表面后會反射，而0.05 x 0.9 = 0.045（4.5 %）的光線則會轉(zhuǎn)變?yōu)槔什⑸浞植肌?/p>

機構(gòu)元件產(chǎn)生的雜散光

為了找出示例系統(tǒng)中的雜散光來源，我們首先在入瞳處加入一個橢圓光源（Source Ellipse）作為雜散光源。該光源的位置和直徑都會與實際的入瞳一樣，即Z位置為4.0 e-3，X/Y半寬為7.0 e-3。為了模擬雜散光源能夠全向性的發(fā)光，具有朗伯散射特性的光源會是個好選擇，如此一來我們就能夠重現(xiàn)視場外的光線入射系統(tǒng)的現(xiàn)象。為此，我們將橢圓光源的余弦指數(shù)（Cosine Exponent）設為1，如下圖，使散射的角度分布與朗伯散射一致。

下圖為實體模型的結(jié)果。注意，我們須將光源1、3、4、5的展示光線（# Layout Rays）設為0。此外，由于雜散光探測器為第15個物件。因此我們會在設定中加入H15的篩選字串。畫面中顯示了穿過整個系統(tǒng)的光線和機構(gòu)元件的散射光，最終抵達探測器的結(jié)果。

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接下來我們將執(zhí)行光線追跡并儲存光線信息。編輯器中，我們將橢圓光源的分析光線數(shù)（# Analysis Rays）設為1E+6，其余的光源（物件1、3、4、5）則設為0，以便單獨觀察雜散光的結(jié)果。在光線追跡的視窗中，請勾選保存光線（Save Rays），將光線的信息儲存為ZRD檔案。另外，我們只希望得到光線在目標探測器上的照明結(jié)果，因此我們會在篩選字串字段輸入”H15”，如下圖。最后點選清除并追跡（Clear & Trace）。

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完成光線追跡后，點選退出（Exit）關(guān)閉光線追跡視窗。接著在分析（Analyze）…光線追跡分析（Raytrace Analysis）中打開路徑分析（Path Analysis）。

下圖中的第一條路徑符合我們的預期，光線依序經(jīng)過各個透鏡最后抵達探測器，過程中沒有在機構(gòu)元件表面發(fā)生散射。而在第二和第三條路徑中，光線分別在不同的機構(gòu)元件（物件20和21，墊片/扣環(huán)）表面發(fā)生散射，如下圖紅框內(nèi)所示。在第四條路徑中，光線自鏡頭接環(huán)（物件19）反射后抵達探測器。以上這些路徑在抵達探測器（物件15）前只發(fā)生了一次散射。另一方面，我們可以發(fā)現(xiàn)路徑七和八的過程中包含了兩次機構(gòu)元件（物件20和21）表面的散射。這些發(fā)生了多次散射的路徑（例如第八和第九條路徑）與只發(fā)生單次散射的路徑（第二和第三條路徑）相比，前者抵達探測器時的能量明顯較低，對最終成像結(jié)果的影響也較小。

下圖為使用篩選字串單獨顯示第二條路徑的結(jié)果，更詳細的描述可參考雜散光分析文章的第二篇。

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在OpticStudio中，我們可以使用路經(jīng)分析功能找出主要的雜散光路徑。藉由分析的結(jié)果，我們可以對光線在系統(tǒng)內(nèi)部的路徑有進一步的認知，了解需要對哪些元件和表面進行修正以降低散射光對成像結(jié)果的影響。在這個示例中，物件20和21造成的影響最為顯著。若使用的是Premium版的OpticStudio，我們可以使用路徑分析功能辨別雜散光源，并直接透過動態(tài)連接的方式進行CAD元件（Autodesk Inventor/Creo Parametric）的改善。光學設計者得以透過OpticStudio中各式的功能，發(fā)現(xiàn)并修正機構(gòu)元件對成像質(zhì)量造成的負面影響。