杂散光分析——第三篇

简介

在OpticStudio中加入CAD元件

在OpticStudio中，我们可以将CAD元件以STEP、IGES、SAT、STL或Autodesk Inventor、Creo Parametric、的型式加入光学系统中。而在汇入的过程中，我们会以动态连接表示CAD元件（更多关于动态连接的描述，可参考”使用OpticStudio动态CAD连接Using the OpticStudio Dynamic CAD link”）。因此，光学设计者可直接将机构工程师建立的机构元件汇入OpticStudio中，并接着进行杂散光分析。我们会透过下方的示例说明操作的步骤。

一般的情况下，机构工程师在进行设计时，会审慎考虑系统内部的几何关系，确保各元件不会阻碍主要的行进光路。因此，一个设计良好的光机械系统理应不会因为机构间的相互影响而产生杂散光。然而，机构元件间仍难免出现一些相互的影响，且设计者也很难阻隔所有视场外的入射光进入系统。以上的这些干扰都是成像质量下降的可能原因。

接下来我们将以示例系统说明如何辨别这些现象。

为机构元件套用光学特性

示例系统中的机构包含了汇入的CAD物件和作为孔径光栏的环状面（annulus）物件。在接下来的步骤中，我们会为所有的机构元件套用相同的反射和散射特性。

• 反射率：5 %

• 镜面反射（Specular reflectance）：0.5 %

• 散射反射（Scattering reflectance）：4.5 %

• 散射模型（Scatter Model）：朗伯（Lambertian）

为确保CAD物件的所有表面都具有相同特性，我们可依下图提取物件属性（Object properties）…CAD…表面模式（Surface Mode）…采用每个零件单一表面（Use single surface，将所有元件表面套用相同光学特性）。

而散射和镀膜特性则透过物件属性（Object Properties）…镀膜/散射（Coat/Scatter）进行设定，如下图。

机构元件产生的杂散光

下图为实体模型的结果。注意，我们须将光源1、3、4、5的展示光线（# Layout Rays）设为0。此外，由于杂散光探测器为第15个物件。因此我们会在设定中加入H15的筛选字串。画面中显示了穿过整个系统的光线和机构元件的散射光，最终抵达探测器的结果。

完成光线追迹后，点选退出（Exit）关闭光线追迹视窗。接着在分析（Analyze）…光线追迹分析（Raytrace Analysis）中打开路径分析（Path Analysis）。

下图中的第一条路径符合我们的预期，光线依序经过各个透镜最后抵达探测器，过程中没有在机构元件表面发生散射。而在第二和第三条路径中，光线分别在不同的机构元件（物件20和21，垫片/扣环）表面发生散射，如下图红框内所示。在第四条路径中，光线自镜头接环（物件19）反射后抵达探测器。以上这些路径在抵达探测器（物件15）前只发生了一次散射。另一方面，我们可以发现路径七和八的过程中包含了两次机构元件（物件20和21）表面的散射。这些发生了多次散射的路径（例如第八和第九条路径）与只发生单次散射的路径（第二和第三条路径）相比，前者抵达探测器时的能量明显较低，对最终成像结果的影响也较小。

下图为使用筛选字串单独显示第二条路径的结果，更详细的描述可参考杂散光分析文章的第二篇。

在OpticStudio中，我们可以使用路经分析功能找出主要的杂散光路径。藉由分析的结果，我们可以对光线在系统内部的路径有进一步的认知，了解需要对哪些元件和表面进行修正以降低散射光对成像结果的影响。在这个示例中，物件20和21造成的影响最为显著。若使用的是Premium版的OpticStudio，我们可以使用路径分析功能辨别杂散光源，并直接透过动态连接的方式进行CAD元件（Autodesk Inventor/Creo Parametric）的改善。光学设计者得以透过OpticStudio中各式的功能，发现并修正机构元件对成像质量造成的负面影响。