ZEMAX | 杂散光分析——第二篇

进行光学设计时，即便设计者费尽心思改进系统，仍难以避免一些非预期的能量出现在像面上。因此，如何找出这些非预期的光线来源，并增添新的元件以吸收或阻挡这些能量，将会是杂散光分析环节的重要课题。本文是系列文章的第二篇，将介绍如何使用路径分析（Path Analysis）功能和筛选字串（filter string）辨别杂散光的路径。

简介

我们已在 系列文章的第一篇 （点击查看） 介绍了观察杂散光的基础知识。进行杂散光分析时，最终的目标为找出杂散光的来源并尝试改善。而在这篇文章中，我们会继续以同一个示例档案进行设计，说明如何辨别杂散光的特定光线路径，以及如何藉由镜面镀膜改善这些非预期的能量来源。

使用筛选字串辨别杂散光路径

首先，我们要找出杂散光的来源并试着改善。在下方的结果图中，我们可以看到许多非预期的反射光（鬼影）出现在像面上。为了区分出这些光线，我们可以使用OpticStudio中的筛选字串功能，如下方绿框内所示。

接着，我们试着找出这些光线中在像面（探测器）上能量较强的路径。我们将会需要重设光线追迹相对阈值强度（Minimum Relative Ray Intensity），如下图红框处所示。该数值代表了追迹光线与光源光强的比值，透过对该数值的设定，我们能够调整可被追迹光线的能量最小值。预设的阈值强度为1.000E-6，即当光线能量高于光源出射光的1.000E-6时可被追迹。透过这样的调整，我们可以简单的将鬼影光线中能量较低的部份过滤掉，仅保留高能量的鬼影。在稍后的篇幅中，我们将介绍路径分析功能，可帮助我们较轻易的区分出能量较强的杂散光路径。

我们在阈值强度的字段输入0.005，这将使OpticStudio在进行光线追迹时，忽略光强小于0.005倍原始能量的光线。

重新整理视窗数次，我们将看到如下的结果，显示出系统中最主要的鬼影路径。

镜面镀膜

我们可以从结果图中发现最主要的鬼影光线路径包含了一条来自中央凹面镜（物件6、10）的二次反射光，如上方的两张图。为了降低鬼影光线的能量，我们可以在镜面上进行镀膜。在物件6的第2面和物件12的第1面上进行AR镀膜，我们将看到结果有明显的变化。

再次进行光线追迹后，我们可以看到周遭的鬼影明显的减少。与第一篇文章中最后的结果相比，此时的成像有了不错的改善，大部份浅蓝色的光点已消失不见。我们可以对系统中其他的镜面进行这样的步骤，以了解镀膜对光学表现带来的影响。

特定区域光线分析（使用筛选字串）

在初步消除部分的杂散光后，我们仍能在探测器上发现不少非预期的能量分布，特别是在像面中底部中心位置呈弧形的光点，如下图所示。我们该如何快速的找出这些光点的来源呢？

这里我们可以再次使用筛选字串。在OpticStudio中，筛选字串功能可以帮助我们依据光线的特性进行区分，我们可以在帮助文件中找到将近100条相关指示。如前述的步骤所示，我们可以使用一些逻辑符号（例如&、|、^）结合一个以上的筛选条件。
如果想要单独检视探测器上特定范围（如上图框选的区域）的入射光线，我们可以在筛选字串字段键入下图中的4项限制条件以达成目的。

勾选光线追迹视窗中的保存光线（Save Rays）选项，并再次进行光线追迹。
如此一来，OpticStudio会将追迹光线的信息储存为Zemax光线数据库（.ZRD）档案。

我们可以在视图（Layout plot）中加载预先储存的ZRD档案，接着在下方筛选字串字段填入限制条件。

筛选字串开头的{#50}代表我们希望只显示前50条符合筛选条件的光线，这可以避免视图显得太过杂乱无章。在模拟结果中，我们可以看到抵达像面上目标区域的所有光线路径。即使我们已预先对光线路线进行限制，但此时的光线路径还是太过复杂。然而，根据过往的设计经验，我们可以得知这些光线的能量不尽相同。因此接
下来我们的目标就是找出其中最主要的杂散光来源。

进阶光线路径分析

如下图，在分析（Analyze）工具栏中的光线追迹分析（Ray Trace Analysis）字段，我们可以找到路径分析（Path Analysis）功能。这项功能可以协助我们找出最主要的杂散光线路径。注意我们可以在筛选字段再次输入条件以限制目标的范围。

在套用限制条件后，我们会发现能量最集中的路径是沿着物件3 > 6 > 17，如上图所示。为了在视图找到这条光线路径，我们在原先的筛选字串末端加上&_1，将会出现以下的结果。

我们顺利的找到了由透镜侧面反射所产生的杂散光路径。实际上，当我们为系统添加了外壳后，这样的现象将不再发生。此外，这条光线路径同时也是像面上弧形杂散光点的来源。下方的示意图依序呈现了第二、第三和第四条光线路径。为了得到这样的结果，我们将会需要再筛选字串末端分别加上&_2、&_3和&_4