概述

這篇文章介紹了在OpticStudio中建?；旌夏Ｊ较到y(tǒng)的基本流程，混合模式的意思是在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)使用了序列模式表面和非序列模式物體?；旌夏Ｊ綄逊切蛄型哥R組插入到序列模式中，本文將介紹插入的具體方法和輸出端口的參數(shù)定義方式。最后提及一些常見錯(cuò)誤和注意事項(xiàng)。

引言

OpticStudio支持兩種不同的光線追跡模式——序列模式和非序列模式。雖然二者差異很大，但我們經(jīng)常需要將它們結(jié)合起來使用。同時(shí)采用兩種模式的系統(tǒng)被稱為“混合模式系統(tǒng)”或“混合系統(tǒng)”。 混合模式系統(tǒng)指的是序列模式系統(tǒng)中包含一個(gè)或多個(gè)非序列物體（即NSC組）。要控制光線經(jīng)過這樣的系統(tǒng)，則需要定義輸入口和輸出口，分別作為NSC組的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

混合模式的布局

光線先經(jīng)過一個(gè)常規(guī)的序列模式系統(tǒng)，隨后入射到棱鏡或?qū)Ч夤艿确切蛄邢到y(tǒng)光路中對像面進(jìn)行照明。下圖展示了一個(gè)光線在混合模式系統(tǒng)中傳輸?shù)睦印? 平行光從輸入口進(jìn)入30-60-90棱鏡中，發(fā)生數(shù)次全反射，并最終由輸出口射出。射出后恢復(fù)光線追跡，經(jīng)過一個(gè)凸透鏡進(jìn)行聚焦。

混合模式的光線追跡要依靠名為輸入口和輸出口的端口。二者在混合模式中非常重要，后文將對它們進(jìn)行詳述。使用端口時(shí)，光線從OBJ面上定義的視場出射，并以O(shè)pticStudio中常見的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，如視場位置、光瞳尺寸等定義進(jìn)入NSC組的光線的屬性。 光線僅能從輸入口進(jìn)入非序列系統(tǒng)中，并僅能從輸出口從非序列系統(tǒng)中射出。

插入NSC組———輸入口

光線僅能從輸入口 (Entry Port) 進(jìn)入到NSC組中。首先，我們要在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中欲放置NSC組的位置上插入一個(gè)表面類型為“非序列組件”的表面。具體操作為：在表面屬性 (Surface Properties) 中更改表面類型 (Surface Type) 即可。

用來校正該偏差的透鏡材料為聚碳酸酯，前表面表面類型是擴(kuò)展多項(xiàng)式，后表面類型是標(biāo)準(zhǔn)面。

這個(gè)表面定義了NSC組輸入口的大小、位置和形狀。輸入口可以是平面、球面或非球面，我們可以通過定義曲率半徑和圓錐系數(shù)來控制。輸入口（或NSC表面）的中心頂點(diǎn)一般定義在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中前一個(gè)表面的局部坐標(biāo)系里。 這個(gè)NSC表面支持表面孔徑的設(shè)置，任何孔徑之外的光線都會(huì)被阻擋。通過孔徑的光線將以非序列模式進(jìn)行光線追跡。

NSC面的參數(shù)—輸出口

這個(gè)NSC面共有9個(gè)參數(shù)，多數(shù)是用來定義輸出口相對于輸入口的位置的。

如上圖所示，這些參數(shù)分別是：

顯示接口 (Draw Ports?)：這個(gè)參數(shù)僅用于顯示目的。有時(shí)，在布局圖中繪制輸入口和輸出口是非常有用的。參數(shù)為0代表二者都不顯示，參數(shù)為1代表僅顯示輸入口，參數(shù)為2代表僅顯示輸出口，默認(rèn)值3代表兩者均顯示。 輸出口X、輸出口Y、輸出口Z，輸出口X-傾斜 (Exit Loc X, Exit Loc Y, Exit Loc Z)、輸出口Y-傾斜、輸出口Z-傾斜 (Exit Tilt X, Exit Tilt Y, Exit Tilt Z)：這些參數(shù)定義了輸出口相對于輸入口的X、Y、Z位置和傾斜。例如，僅定義輸出口Z (Exit Loc Z) 為10，其他參數(shù)為0，則輸出口將位于NSC所在局部坐標(biāo)系Z軸上10個(gè)單位遠(yuǎn)處。

OpticStudio將輸出口Z (Exit Loc Z) 值默認(rèn)設(shè)置為1，用以區(qū)分輸入口和輸出口。如果它們重合，光線從輸入口進(jìn)入后馬上從輸出口射出，我們就沒辦法看到那些定義的非序列物體了。

。 順序 (Order)：順序參數(shù)代表元件進(jìn)行傾斜、偏心的順序，它的工作原理與坐標(biāo)斷點(diǎn)面的順序參數(shù)相同，詳情請查看“如何傾斜和偏心一個(gè)序列光學(xué)元件”。 光線反向 (Reverse Rays)：這一參數(shù)表示光線離開輸出口后的傳播方向，如果該參數(shù)為0，則OpticStudio將非序列組視作折射鏡，輸出口傳播方向與輸入口一致。參數(shù)為1，則光線與入射方向相反。 因?yàn)檩敵隹诘奈恢檬菂⒖糔SC表面本身定義的，所以鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，NSC表面之后的面將位于輸出口的位置，也正是這個(gè)面定義了輸出口的尺寸和形狀。注意：輸出口的半徑必須由用戶定義，OpticStudio不能自動(dòng)計(jì)算。

我們同樣可以將輸出口的孔徑設(shè)置為非圓形。當(dāng)光線到達(dá)輸出口時(shí)，OpticStudio將計(jì)算輸出口坐標(biāo)系中光線的坐標(biāo)和方向余弦，而后在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中后續(xù)的序列表面中繼續(xù)追跡。如果后續(xù)表面也是一個(gè)NSC表面，那么上述全部過程將再次開始，也就是說，我們可以定義多個(gè)NSC組，每個(gè)組都有自己的輸入口和輸出口。

定義每個(gè)NSC組中的物體

到目前為止，我們已經(jīng)討論了如何定義非序列元件組的輸出口和輸出口，那么我們該如何定義這些非序列物體本身呢？
我們可以從OpticStudio編輯器 (Editors) 菜單中的非序列模式 (Non-Sequential) 中定義每個(gè)非序列元件組中的物體。

與純非序列元件系統(tǒng)類似，混合模式中的非序列部分中，物體參考特定的物體來確定位置，物體允許嵌套，支持梯度折射率介質(zhì)，表面可以鍍膜等等。特別注意：此時(shí)非序列元件編輯器的全局坐標(biāo) (0,0,0) 代表輸入口的位置，所以這個(gè)組內(nèi)的所有物體都以這個(gè)端口的位置為基準(zhǔn)。組中的物體數(shù)量沒有限制，任何光線只要能達(dá)到出口，就會(huì)恢復(fù)序列模式追跡。

非序列元件編輯器的標(biāo)題欄表示對應(yīng)于鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的哪個(gè)NSC表面：

這意味著非序列元件編輯器中所列出的物體，是鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中特定表面的一部分。我們可能會(huì)定義多個(gè)NSC組，所以也就需要多個(gè)非序列元件編輯器。OpticStudio只能同時(shí)顯示一個(gè)非序列元件編輯器，但我們可以通過編輯器頂端的箭頭按鈕來方便地切換。

例如，我們在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中把表面4和表面8定義為NSC組，則你可以分別在“非序列元件編輯器：元件組在表面4”和“非序列元件編輯器：元件組在表面8”中定義所需物體。

注意事項(xiàng)

OpticStudio在Zemax根目錄下 > Samples > Non-Sequential > Prisms 路徑中內(nèi)置了許多混合模式的示例文件。在熟悉混合模式系統(tǒng)時(shí)，你可以打開這些文件，觀察里面的非序列物體定義、輸出口位置參數(shù)、序列模式孔徑定義等等。 此外，以下有幾個(gè)有關(guān)混合模式系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)： 在混合模式系統(tǒng)中，仍然可以使用所有常用的Zemax-Opticstudio序列分析功能，如光扇圖、點(diǎn)圖、OPD圖等。但需要注意的是，許多序列模式的功能都是采用近軸數(shù)據(jù)來計(jì)算的（如計(jì)算OPD圖所需參考球面半徑的近軸出瞳位置）。因?yàn)橐粋€(gè)NSC組可能不能分解成一個(gè)個(gè)等效的近軸系統(tǒng)，所以許多近軸計(jì)算將毫無意義?；旌夏Ｊ较到y(tǒng)中最常用和最有意義的分析功能是點(diǎn)列圖和幾何圖像分析，因?yàn)樗鼈儾恍枰魏谓S數(shù)據(jù)。 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的NSC表面支持玻璃材料定義，可用于定義NSC物體所處環(huán)境的材料和折射率。如果定義了材料，則輸入口和輸出口會(huì)成為材料的邊界。 由序列系統(tǒng)孔徑定義的光線（序列光線）無法在NSC組中的探測器上看到，同樣的NSC中的光源發(fā)出的光，也無法離開NSC組。因此，來自非序列光源的光不能應(yīng)用在序列分析功能中。 序列模式的光線不能在NSC組中分裂，因?yàn)楣饩€分裂會(huì)增加到達(dá)像平面的光線數(shù)量，而像平面不能接收多于發(fā)射光線數(shù)量的光線，否則會(huì)在優(yōu)化時(shí)不收斂。

總結(jié)

這篇文章介紹了混合模式的基礎(chǔ)。OpticStudio的混合模式能將一組非序列物體放置在序列模式系統(tǒng)中。 定義端口，可以讓序列模式視場出射的光線在NSC組中進(jìn)行非序列追跡。光線僅能通過輸出口離開NSC組，并同時(shí)恢復(fù)序列模式光線追跡。