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如何將序列表面轉(zhuǎn)化為非序列物體

概述

在OpticStudio中對序列光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、分析和公差分析后，可將其轉(zhuǎn)換為非序列光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)設(shè)計(jì)或雜散光分析。一旦表面被轉(zhuǎn)換成非序列物體，就很容易插入CAD物體來表示支架、套筒或虹膜孔，并詳細(xì)查看系統(tǒng)的光學(xué)部分和機(jī)械元件之間的相互作用。
本文使用的示例文件請從以下鏈接下載：

引言

本文解釋了如何手動將序列系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng)，以及如何使用轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group)工具自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換。讀完整篇文章會非常有利于學(xué)習(xí)這些內(nèi)容， 但文中的每個部分也可以作為參考。

內(nèi)容索引：

例1:將序列表面轉(zhuǎn)換為非序列元件
為轉(zhuǎn)換至混合模式準(zhǔn)備文件
使用轉(zhuǎn)換至非序列工具
從混合模式轉(zhuǎn)換為非序列模式
插入非序列光源
插入探測器物體
非序列光線追跡
探測器查看器:衍射分析
例2:自動轉(zhuǎn)換至非序列模式
例3:有限共軛系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換
例4:離軸系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換
總結(jié)

“轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group)”工具位于OpticStudio序列模式下的文件(File)選項(xiàng)卡中，它能夠自動將序列表面轉(zhuǎn)換為其等效的非序列物體。它可以將最常用的序列表面類型、 表面孔徑和坐標(biāo)間斷轉(zhuǎn)換為混合模式中的非序列元件組，或者直接轉(zhuǎn)換為非序列模式下的非序列系統(tǒng)。

了解序列系統(tǒng)是如何轉(zhuǎn)換為非序列物體，以及序列系統(tǒng)與非序列模式的哪些方面相關(guān)聯(lián)是非常重要的。一些序列表面沒有等效的非序列面，因此無法轉(zhuǎn)換。不要假設(shè)這個功能可以完美地轉(zhuǎn)換序列表面數(shù)據(jù)；在進(jìn)行任何重要的分析之前，請仔細(xì)檢查轉(zhuǎn)換結(jié)果。本文中的第一個示例將解釋如何手動將序列系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng)， 并包括對兩個版本的文件進(jìn)行比較的方法示例。其它示例展示了自動轉(zhuǎn)換的工作原理，并解釋了在轉(zhuǎn)換期間所做的一些假設(shè)和更改。

請注意，這個轉(zhuǎn)換工具的功能仍在更新，以支持更多的序列表面類型。有關(guān)當(dāng)前所支持表面類型的最新信息，請參閱幫助系統(tǒng)中文件(File)選項(xiàng)卡> 轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group)。

示例1:將序列表面
轉(zhuǎn)換為非序列元件

我們將通過一個示例來說明如何將序列表面轉(zhuǎn)換為非序列元件。打開位于<…\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Objectives>中的示例文件“Cooke 40 degree field.zmx”。 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor)和2D視圖(2D Layout)如下圖所示：

為轉(zhuǎn)換至混合模式準(zhǔn)備文件

我們將表面#1（第一個鏡片的前表面）到表面#6（最后一個鏡片的后表面）轉(zhuǎn)換為等效的非序列元件。然后，我們將手動在當(dāng)前序列模式下的像面(IMAGE)（表面#7）位置放置一個非序列探測器(Detector)物體。 我們還將在物空間中放置一個表示軸上光線的非序列光源(Source)。光源和探測器物體將幫助我們確認(rèn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換正確。

轉(zhuǎn)換工具有一個選項(xiàng)可以將文件轉(zhuǎn)換為非序列模式：

如果沒有選擇“將文件轉(zhuǎn)換至非序列模式(Convert file to non-sequential mode)”，那么OpticStudio將在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor)中用一個非序列組件表面(Non-Sequential Component Surface)替換范圍內(nèi)的所有序列表面(Sequential Surfaces)。這個非序列元件表面包含一組轉(zhuǎn)換后的非序列物體， 可以在非序列元件編輯器中訪問這些物體。這就創(chuàng)建了一個“混合模式(Mixed Mode)”系統(tǒng)，即同時存在序列和非序列模式。

在混合模式系統(tǒng)中，光線在非序列元件組的外部按序列追跡，但在非序列元件組內(nèi)部可能遵循非序列路徑。序列光線可以從輸入端口(Entrance Port)進(jìn)入非序列元件，也可以從其輸出端口(Exit Port)離開非序列組件。

“光闌面(Stop Surface)”的概念只適用于序列光線追跡。這是因?yàn)樵谶B續(xù)的光線追跡中，光線的目標(biāo)是填充入瞳(Entrance Pupil)， 入瞳是光闌面在物體空間中所成的像。因此，只有序列表面可被設(shè)置為系統(tǒng)的光闌。光闌面必須在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的非序列部分之前。

在庫克三片式透鏡(Cooke Triplet)的例子中，光闌面嵌入在系統(tǒng)中。因此，要將其轉(zhuǎn)換為混合模式下的系統(tǒng)，我們需要在希望轉(zhuǎn)換為非序列物體的第一個透鏡之前插入一個虛擬面，再將當(dāng)前光闌移動到虛擬面上。

此外，在轉(zhuǎn)換為非序列設(shè)計(jì)之前，所有的半直徑(Semi-Diameter)都應(yīng)該是固定的（在半口徑旁邊用“U”表示）。這個文件中半口徑的值已經(jīng)固定，但是稍后我們將做另一個例子，展示如何固定半口徑。

要移動庫克三片式透鏡文件中的光闌面，首先要在當(dāng)前表面#1之前插入一個新表面。

您可以通過雙擊表面類型(Surface Type)，或者使用表面屬性(Surface Properties)標(biāo)題欄中的向下箭頭來擴(kuò)展新虛擬面的表面屬性。勾選表面 1屬性中的“使此表面為光闌(Make Surface Stop)”:

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器將在新的虛擬面(#1)旁邊顯示“光闌(STOP)”，表示這是現(xiàn)在的光闌面。這意味著我們改變了光闌面，因此也改變了入瞳。因?yàn)樾蛄心Ｊ较旅總€視場的光線都是填充進(jìn)入瞳，你會注意到布局光線發(fā)生了變化:

在這個例子中，我們已經(jīng)固定了透鏡的半口徑，所以透鏡本身沒有改變。因此，我們?nèi)匀豢梢哉_地將透鏡轉(zhuǎn)換為非序列物體。 在進(jìn)入下一步之前保存這個文件。為便于參考，將其另存為“Cooke 40°field_1.zmx”， 此文件存在于文章的附件中。

使用轉(zhuǎn)換至非序列元件工具

現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)換為混合模式的文件。從文件(File)選項(xiàng)卡中選擇轉(zhuǎn)換至NSC組工具。

現(xiàn)在，忽略加工支持(Production Tools)部分。選擇表面 2 - 7，取消勾選除“忽略錯誤并盡可能多轉(zhuǎn)換(Ignore errors and convert as much as possible)”外的所有設(shè)置:

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NSC表面：

點(diǎn)擊OK，表面2到表面7將被轉(zhuǎn)換為非序列元件表面類型:

我們現(xiàn)在有一個帶輸入和輸出端口(Entrance and Exit Ports)的混合模式系統(tǒng)。有關(guān)使用帶有端口的非序列元件表面的更多信息，請參見OpticStudio的聯(lián)機(jī)幫助文件(Help Files)部分，位于設(shè)置選項(xiàng)卡(Setup)>編輯器組(Editors Group)>非序列元件編輯器 (Non-Sequential Component Editor)>非序列概述(Non-Sequential Overview)>如何使用帶有端口的NSC(How to use NSC With Ports)。

您將注意到2D視圖(2D Layout)現(xiàn)在是空白的，因?yàn)榉切蛄性且粋€潛在的非對稱3D系統(tǒng)。相反，在分析(Analyze)選項(xiàng)卡> 3D視圖(3D Viewer)中打開一個三維布局圖(3D layout):

如果您查看設(shè)置(Setup)選項(xiàng)卡，就會注意到界面中的序列模式(Sequential UI mode)按鈕仍然被選中，但是非序列編輯器(Non-Sequential Editor)的按鈕現(xiàn)在是啟用的:

單擊設(shè)置(Setup)選項(xiàng)卡> 編輯器(Editors)組件中的非序列模式(Non-Sequence)按鈕，查看非序列元件編輯器。這個非序列元件編輯器對應(yīng)于鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的非序列元件表面。它包含3個物體，表示序列模式文件中的2到7面:

在進(jìn)入下一步之前保存此文件。為便于參考，將其保存為“Cooke 40°field_2.zmx”，在文章的附件中存在此文件。

從混合模式轉(zhuǎn)至非序列模式

我們希望添加光源和探測物體物體，這在純非序列系統(tǒng)中是最簡單的。為此，我們將系統(tǒng)更改為非序列模式，這意味著鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的所有序列表面都將丟失，只保留非序列元件編輯器中的信息。

要做到這一點(diǎn)，請單擊設(shè)置(Setup)選項(xiàng)卡下，模式(Mode)組中的“非序列模式(Non-Sequential)”按鈕:

點(diǎn)擊下面對話框中的“Yes”。

該文件被轉(zhuǎn)換為非序列模式，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器不再可用。非序列元件編輯器仍然包含相同的非序列元件，與序列模式中的庫克三片式透鏡文件中的鏡頭對應(yīng)。

打開布局圖查看非序列元件編輯器中的三個透鏡。進(jìn)入分析(Analyze)選項(xiàng)卡> 非序列3D視圖(NSC 3D Layout):

透鏡仍然存在，但是為了確認(rèn)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，我們需要插入一個非序列光源(Non-Sequential Source)和探測器。

插入非序列光源

序列系統(tǒng)的入瞳直徑為10個透鏡單位，物距為無窮遠(yuǎn)。要創(chuàng)建相同的軸上輸入光束，我們可以在第一個透鏡的左側(cè)放置一個準(zhǔn)直的、圓形非序列光源。

在非序列元件編輯器的任何地方插入新的一行:

雙擊非序列元件編輯器中的物體類型(Object Type)，或者單擊物體屬性(Object Properties)標(biāo)題欄旁邊的向下箭頭，打開物體屬性。將類型(Category)更改為光源，并將類型設(shè)置為“橢圓光源(Source Ellipse)”:

在非序列元件編輯器中，為橢圓光源設(shè)置以下參數(shù)，并將其它參數(shù)保留為默認(rèn)值。
Z位置(Z position)= -10（因?yàn)槭菧?zhǔn)直的，所以只要在第一個透鏡的左邊，它在哪里并不重要）
陣列光線條數(shù)#(# Layout Rays)=10
分析光線條數(shù)# (# Analysis Rays)=100000
X半寬度(X half Width)= 5
Y半寬(Y half Width)= 5

更新3D視圖，你會看到10條陣列光線。

接下來，為了顯示100000條分析光線，我們需要添加一個探測器物體(Detector Object)。

插入探測器物體

為了保持與序列文件的一致性，我們需要將探測器物體放置在與序列像面相同的位置。 為了確定序列像面的位置，我們需要返回到序列文件的全局頂點(diǎn)數(shù)據(jù)(Global Vertex Data)。保存目前為止完成的內(nèi)容，并打開“Cooke 40°field_1. zmx”文件。

在系統(tǒng)選項(xiàng)(System Explorer)中，將全局坐標(biāo)參考面(Global Coordinate Reference Surface)更改為面1:

然后點(diǎn)擊分析(Analyze)選項(xiàng)卡>報(bào)告( Reports)>分類數(shù)據(jù)報(bào)告( Prescription Data)：

展開分類數(shù)據(jù)報(bào)告窗口的設(shè)置，并單擊“清除選擇(Clear All)”按鈕。然后，檢查表面8（像面）的全局頂點(diǎn)(Global Vertex)信息，我們可以看到其相對于全局坐標(biāo)參考（即曲面1）的Z = 60.177。

打開這個文件后，點(diǎn)擊分析(Analysis)選項(xiàng)卡>光線跡點(diǎn)(Rays & Spots) > 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖(Standard Spot Diagram)。我們希望查看軸上結(jié)果，并可以在完成非序列系統(tǒng)之后將其作為參考。

展開點(diǎn)列圖的設(shè)置，并進(jìn)行以下更改:光線密度(Ray Density)= 40，樣式(Pattern)設(shè)為雜亂(Dithered)，視場(Field)= 1，勾選顯示艾里斑(Show Airy Disk)，并關(guān)閉使用標(biāo)注(Use Symbols)。

點(diǎn)列圖顯示了像面上的光線密度，但沒有z軸時表示輻照度的疊加。為了觀察輻照度分布，我們可以使用幾何圖像分析(Geometric Image Analysis)。點(diǎn)擊分析(Analysis)選項(xiàng)卡>擴(kuò)展圖像分析(Extended Scene Analysis) >幾何圖像分析。

展開幾何圖像分析的設(shè)置，并進(jìn)行如下更改：視場尺寸(Field size)= 0，像面尺寸(Image size)= 0.02，光線X 1000(Rays X 1000) = 1000，顯示(Show) = 偽彩色(False Color)，像素?cái)?shù)( # Pixels) = 200。

看看點(diǎn)列圖下方的文本，您會注意到艾里斑半徑(Airy Radius)只比RMS半徑(RMS Radius)小2um。點(diǎn)擊分析(Analysis)選項(xiàng)卡>點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)( PSF) >惠更斯PSF(Huygens PSF) 可查看衍射極限。

展開惠更斯PSF的設(shè)置，做出如下更改:光瞳采樣(Pupil Sampling)和像面采樣(Image Sampling)均為 256x256，像面采樣間距(Image Delta)= 0.078um，波長(Wavelength)= 2，顯示為(Show As)= 偽彩色(False Color)。

一旦光源和探測器被添加到非序列文件中，我們就可以得到這些序列結(jié)果。點(diǎn)擊文件(File)選項(xiàng)卡> 打開(Open)，使用最近打開的文件列表返回到轉(zhuǎn)換后的非序列文件。相對于鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的表面#1，序列像面(IMAGE)的Z = 60.177個單位。 在非序列文件中，物體#1(Object #1)位于Z = 0處，表面 #1(Surface #1)位于物體#1(Object #1)之前。因此，探測器物體(Detector Object)的Z位置應(yīng)為+60.177。

在非序列元件編輯器的任意位置插入另一個物體。雙擊非序列元件編輯器中的物體類型(Object Type)，或者單擊物體屬性(Object Properties)標(biāo)題欄旁邊的向下箭頭，打開物體屬性(Object Properties)。將分類(Category)項(xiàng)更改為探測器 (Detectors)，并將類型(Type)設(shè)置為“矩形探測器(Detector Rectangle)”：

以下是“矩形探測器(Detector Rectangle)”物體的參數(shù)：
Z位置(Z position)= 60.177
X半寬(X half Width)= 0.01
Y半寬(Y half Width)= 0.01
X像元數(shù)(# X Pixels)= 100
Y像元數(shù)(# Y Pixels)= 100
更新NSC三維布局圖(NSC 3D Layout)（點(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)中的藍(lán)色雙箭頭），重置縮放（工具欄圖標(biāo)中的黑色圓圈和白色箭頭）。你現(xiàn)在將看到橢圓光源發(fā)出的光線追跡到矩形探測器上的布局圖:

非序列光線追跡

接下來，我們需要分析矩形探測器上的結(jié)果。為此，單擊分析(Analyze)選項(xiàng)卡>探測器查看器(Detector Viewer)打開探測器查看器。 現(xiàn)在，探測器查看器將顯示一個空白窗口。為了看到光能量落在矩形探測器上，我們需要從橢圓光源開始進(jìn)行光線追跡。

從分析(Analyze)選項(xiàng)卡>光線追跡(Ray Trace)打開光線追跡控制(Ray Trace Control)：

點(diǎn)擊清除并追跡(Clear & Trace)，以清除任何探測器數(shù)據(jù)，并開始光線追跡。OpticStudio將追跡100000條光線，這在編輯器中橢圓光源的參數(shù)“分析光線條數(shù)(# Analysis rays)”中指定。

光線追跡完成后，探測器查看器將顯示輻照度分布。請注意，以下截圖中的設(shè)置已經(jīng)更改，以偽彩色(False Color)顯示分析結(jié)果:

探測器查看器中顯示的能量分布與上節(jié)中展示的序列模式下點(diǎn)列圖和幾何圖像分析中的能量分布非常吻合。請參考之前的截圖進(jìn)行比較。

注意，序列幾何圖像分析中報(bào)告的“效率百分比(Percent efficiency)”和瓦特?cái)?shù)(Watts)可能與非序列文件中報(bào)告的瓦特總數(shù)不同。這是因?yàn)樵诜切蛄形募校饩€可以通過多條非序列路徑到達(dá)探測器，而在序列文件中，光線只能通過一條路徑。要在非序列文件中僅模擬此路徑，您需要使用過濾器字符串（use filter string） (詳情可參見文章：https://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-identify-specific-rays-using-filter-strings)，或在每個鏡頭周圍添加環(huán)形吸收孔徑。

探測器查看器：衍射分析

我們在矩形探測器上看到的結(jié)果可以與序列模式中的點(diǎn)列圖和幾何圖像分析進(jìn)行比較，但是所有這些分析都是使用幾何光線進(jìn)行的，忽略了衍射效應(yīng)。 然而，我們也可以使用矩形探測器的參數(shù)“PSF模式波長(PSF Wave#)”，將序列模式中惠更斯PSF的衍射計(jì)算（可參閱文章https://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/what-is-a-point-spread-function.aspx）與類似的非序列計(jì)算進(jìn)行比較。設(shè)置的“PSF模式波長”就相當(dāng)于波長（在波長數(shù)據(jù)編輯器(Wavelength Data Editor)中定義）數(shù)量之一。設(shè)置后就會打開一種允許探測器在該波長處執(zhí)行相干惠更斯PSF積分的特殊模式。入射到探測器上的每一束光線都被轉(zhuǎn)換成一個局部平面波，照亮探測器上的每一個像素，平面波的相干振幅在所有像素上求和。得出點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function)，可與序列模式中的惠更斯PSF相比較。 要查看非序列文件中的惠更斯PSF，請為橢圓光源和矩形探測器設(shè)置以下參數(shù):

光源

分析光線條數(shù)(# Analysis Rays):5000（減少光線條數(shù)可增加光線追跡速度）。
探測器
數(shù)據(jù)類型(Data Type):1
PSF模式波長(PSF Wave#):2
再次打開光線追跡控制(Ray Trace Control)，并再次運(yùn)行光線追跡。在探測器查看器中，將顯示數(shù)據(jù)(Show Data)設(shè)置更改為相干照度(Coherent Irradiance):

如您所見，序列模式下的惠更斯PSF和非序列探測器顯示了非常相似的結(jié)果。外環(huán)強(qiáng)度的微小差異只是由于追跡的光線條數(shù)不同造成的。

例2：自動轉(zhuǎn)換至非序列模式

前面幾節(jié)展示了如何手動將文件轉(zhuǎn)換為混合模式系統(tǒng)，然后再轉(zhuǎn)換為非序列文件。現(xiàn)在，我們將使用OpticStudio的內(nèi)置工具來簡化這個過程! 要演示如何使用這些工具，請?jiān)谖募A<…\Documents\Zemax\Samples\ sequence \ objective >中打開示例文件“Double Gauss 28 degree field .zmx”。 請注意，在系統(tǒng)選項(xiàng)(System Explorer)中，孔徑類型(Aperture Type)為入瞳直徑(Entrance Pupil Diameter)，關(guān)閉光線瞄準(zhǔn)(Ray Aiming)。此外，表面的半直徑?jīng)]有求解，這意味著它們會自動調(diào)整以使所有光線都能通過:

點(diǎn)擊文件(File)選項(xiàng)卡> 轉(zhuǎn)換為NSC組(Convert to NSC Group)。轉(zhuǎn)換設(shè)置界面前有兩個加工支持:

在本例中，我們將使用加工支持。點(diǎn)擊鎖定設(shè)計(jì)工具，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

將序列模式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng)通常需要幾個步驟。系統(tǒng)的所有理想化輸入都應(yīng)轉(zhuǎn)換為實(shí)際生產(chǎn)制造的輸入。鎖定設(shè)計(jì)工具自動轉(zhuǎn)換是從打開光線瞄準(zhǔn)開始的多步驟過程。光線瞄準(zhǔn)是OpticStudio中的一種迭代光線追跡算法， 它可以在物方找到能夠正確填充光闌面的光線。這確保了光線正確地追跡通過光闌面，并使表面的自動半直徑調(diào)整到正確的尺寸。

鎖定設(shè)計(jì)工具還將系統(tǒng)孔徑更改為物理孔徑大小。例如，在一個真實(shí)的系統(tǒng)中，光線并不知道它們需要從哪里開始才能使入瞳直徑(Entrance Pupil Diameter)等于10毫米。用戶可以指定入瞳直徑等于10毫米，但這意味著OpticStudio會反復(fù)調(diào)整光闌面的直徑，直到入瞳達(dá)到正確的尺寸。在一個真實(shí)的系統(tǒng)中，極限孔徑是固定的，這決定了哪些光線通過系統(tǒng)。其它真實(shí)孔徑設(shè)置包括“物方空間NA(Object Space NA)”或“物方錐角(Object Cone Angle)”。 有關(guān)更多信息，請參見OpticStudio的在線幫助文件的公差 (Tolerance)選項(xiàng)卡>加工支持(Production Tools Group)>鎖定設(shè)計(jì)(Design Lockdown)部分。

類似地，鎖定設(shè)計(jì)(Design Lockdown)工具將從使用基于像的視場點(diǎn)定義(如果正在使用)切換到基于物的定義。這是因?yàn)榛谙竦挠?jì)算是迭代的，就像上面示例中入瞳直徑的描述一樣。

然后，鎖定設(shè)計(jì)工具將所有半直徑切換為固定孔徑。這意味著虛擬面將轉(zhuǎn)換為非序列文件中的環(huán)形面(Annulus)，并保留每個表面的凈孔徑信息。 最后，根據(jù)用戶要求，可以移除求解選項(xiàng)，并將厚度值四舍五入到合理的精度。同樣，要獲得更多信息，請參見OpticStudio的在線幫助文件的公差 (Tolerance)選項(xiàng)卡>加工支持(Production Tools Group)>鎖定設(shè)計(jì)(Design Lockdown)部分。 使用上面截圖中顯示的鎖定設(shè)計(jì)工具的設(shè)置，然后單擊OK。這將創(chuàng)建一個名為“Double Gauss 28°field .zmx”的新文件。此文件包含在文章附件中以供參考。

接下來，點(diǎn)擊特定光線生成器(Critical Rayset Generator):

特定光線生成器工具使用序列系統(tǒng)創(chuàng)建一組“臨界”光線數(shù)據(jù)。這些光線為確保在轉(zhuǎn)換為非序列模式時對系統(tǒng)所作的更改，或在非序列模式下所做的其它更改（例如添加元件以減少雜散光或添加光學(xué)擋板）是無害的提供了基礎(chǔ)。 它創(chuàng)建了一個*.CRS文件，它可以通過特定光線比對(Critical Ray Tracer)在非序列模式下進(jìn)行光線追跡，或用作光源文件。請注意，特定光線生成器只在OpticStudio的旗艦版中可用。

使用如上面的屏幕截圖所示的特定光線生成器中的默認(rèn)設(shè)置，然后單擊OK，您將返回到轉(zhuǎn)換至NSC組窗口。 將轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group)中的所有選項(xiàng)都設(shè)為選中狀態(tài)，單擊OK。這將創(chuàng)建一個名為“Double Gauss 28°field-PROD-NONSEQ.zmx”的新文件。此文件包含在文章附件中以供參考。

轉(zhuǎn)換完成后新文件將自動打開，查看非序列元件編輯器。不只使用標(biāo)準(zhǔn)透鏡(Standard Lens)物體代替鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data editor)中的標(biāo)準(zhǔn)面(Standard)，還設(shè)有光源物體(Source Objects)和探測器物體(Detector Objects):

將視場數(shù)據(jù)編輯器(Field Data Editor)中的每個序列視場轉(zhuǎn)換為等效的非序列橢圓光源。 此外，利用點(diǎn)列圖分析方法計(jì)算了每個序列視場在像面上的質(zhì)心位置。然后，在這些質(zhì)心位置插入矩形探測器，我們可以看到對應(yīng)于每個視場的注釋。 這是一個平面成像的聚焦系統(tǒng)，所以每個視場點(diǎn)的矩形探測器位于同一個XY平面。這些矩形探測器很小，并且在X和Y方向分開，所以矩形探測器不會重疊，這對于大多數(shù)聚焦系統(tǒng)來說都是正確的設(shè)置。 然而，在某些系統(tǒng)中，矩形探測器可能更大，或者距離更接近，因此它們可能會重疊。如果發(fā)生這種情況，那么將遵循嵌套規(guī)則，一些探測器可能無法看到所有光線。在這種情況下，我們需要手動調(diào)整探測器的位置，使它們之間的距離大于系統(tǒng)選項(xiàng)(System Explorer)中的“膠合距離(Glue Distance)”。 打開分析(Analyze)選項(xiàng)卡>光線追跡(Ray Trace)，使用默認(rèn)設(shè)置運(yùn)行一次光線追跡(Ray Trace) （打開忽略錯誤(Ignore Errors)）。打開探測器查看器，查看每個視場的分析結(jié)果:

上面的截圖還顯示了序列文件的分析結(jié)果以進(jìn)行比較。 探測器查看器中的結(jié)果看起來是正確的，但是我們也可以運(yùn)行特定光線比對來確認(rèn)轉(zhuǎn)換成功。這將使用序列文件中特定光線生成器創(chuàng)建的光線文件。點(diǎn)擊分析(Analysis)選項(xiàng)卡> 特定光線比對(Critical Ray Tracer):

從上面的報(bào)告中可以看出，100%的光線都是通過系統(tǒng)完全追跡的，每條光線的位置和方向余弦都在目標(biāo)值的默認(rèn)公差范圍內(nèi)。

例3：有限共軛系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換

之前的例子展示了如何轉(zhuǎn)換物面在無窮遠(yuǎn)的序列模式文件。有限共軛系統(tǒng)是點(diǎn)對點(diǎn)成像，所以O(shè)pticStudio會添加額外的物體用以測試成像質(zhì)量。為了具體展示，請您打開根目錄<…\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Image Simulation>中的Example 2, Double Gauss Experimental Arrangement.ZMX文件。 點(diǎn)擊文件(File)選項(xiàng)卡>轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group)>鎖定設(shè)計(jì) (Design Lockdown)，按下圖設(shè)置。

設(shè)置完成后的文件包含在本文附件中。 檢查轉(zhuǎn)換至NSC組(Convert to NSC Group) 窗口中的所有選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK。轉(zhuǎn)換完成后的文件也包含在本文附件中。

您將注意到在轉(zhuǎn)換后的文件中，代表視場點(diǎn)的橢圓光源之前會出現(xiàn)DLL光源(Source DLL)和幻燈片(Slide)物體。此外，還出現(xiàn)了一個顏色探測器 (Detector Color)，為防止嵌套，這個探測器被放在矩形探測器之后。DLL光源、幻燈片物體和顏色探測器能用來評價系統(tǒng)成像質(zhì)量。 DLL光源和幻燈片物體的尺寸是由序列模式中物面的半徑定義的。顏色探測器的尺寸是根據(jù)序列模式中全視場的點(diǎn)列圖分析默認(rèn)定義的。 備注為“Lambertian_Overfill” 的DLL光源，將以朗伯散射過量填滿序列模式系統(tǒng)的第一個孔徑，來模擬一個真實(shí)光源。為了使非序列光線追跡的效率最大化，DLL光源的尺寸需與幻燈片物體的尺寸匹配。 為了評價成像效果，我們需要從DLL光源這個全視場光源追跡光線，在非序列元件編輯器中做如下更改

把每個橢圓光源的陣列光線條數(shù)和分析光線條數(shù)都設(shè)為0。
把DLL光源的陣列光線條數(shù)設(shè)置為30，分析光線條數(shù)設(shè)置為1000000。
非序列3D布局圖結(jié)果如下：

在上圖中，不同的顏色表示不同的分段(Segment #)，并且顯示光線箭頭(Fletch Rays) ，你會注意到光線從整個光源區(qū)域出射，而不是從一個點(diǎn)出射。并且，第一個孔徑被光線填滿。點(diǎn)擊分析 (Analyze) > 光線追跡 (Ray Trace)，并使用默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊清除并追跡 (Clear & Trace) 按鈕，打開探測器查看器并進(jìn)行設(shè)置，使它顯示顏色探測器的結(jié)果：

上圖分別用偽彩色(False Color)和真彩色(True Color)展示了顏色探測器的分析結(jié)果，你會發(fā)現(xiàn)這些條形在角落的位置變得模糊了。為了進(jìn)一步研究，我們可以提高探測器的像素?cái)?shù)量，并增加DLL光源的分析光線條數(shù)。 觀察真彩色結(jié)果，你會發(fā)現(xiàn)顏色接近白色，這是因?yàn)樾蛄心Ｊ轿募邪鄠€可見光波長，所以DLL將自動設(shè)置波長為0.44到0.64um的5800K的黑體光譜。

如果序列模式中僅含一個波長，或含有可見光譜外的波長，顏色探測器的光譜將被設(shè)置為序列模式的系統(tǒng)波長。

例4：離軸系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換

之前的例子展示的是如何利用轉(zhuǎn)換至NSC組工具自動將一個軸上系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式。本例將展示具有孔徑偏移的離軸系統(tǒng)如何自動轉(zhuǎn)換。 在Zemax根目錄下<\Samples\Sequential\Tilted systems & prisms>打開示例文件OAP using Chebyshev Polynomial surface.zmx。作以下調(diào)整： 在坐標(biāo)斷點(diǎn)面后插入一個新表面。
將新表面設(shè)置為光闌 （表面屬性 (Surface Properties)>類型 (Type)>使此表面為光闌 (Make Surface Stop)）。 在系統(tǒng)設(shè)置 (System Explorer)>系統(tǒng)孔徑 (Aperture)中，把孔徑值設(shè)置為50mm。

如果我們沒有進(jìn)行上述操作，則會出現(xiàn)兩個問題。第一，當(dāng)鎖定設(shè)計(jì)工具打開時，入射光線的位置和方向會發(fā)生顯著變化。這是因?yàn)殒i定設(shè)計(jì)工具會打開光線瞄準(zhǔn)，使光線填滿離軸切比雪夫多項(xiàng)式光闌面。如果光闌面在軸上，則光線瞄準(zhǔn)不會使入射光線發(fā)生顯著變化。第二，切比雪夫多項(xiàng)式表面的矩形孔徑會擋住特定光線生成器中追跡的一些光線，故我們把孔徑設(shè)置為50mm以便所有的追跡光線都能透過系統(tǒng)，這會為我們使用特定光線生成器、比較序列模式光線與非序列模式光線提供便利。 之后，點(diǎn)擊切比雪夫多項(xiàng)式面，打開表面屬性 (Surface Properties)>繪圖 (Draw)設(shè)置。把鏡面基底 (Mirror Substrate) 改為“平 (Flat)”，并添加一個5mm的厚度。

這樣，我們就做好了把這個文件轉(zhuǎn)換為非序列模式的準(zhǔn)備。

打開文件 (File)> 轉(zhuǎn)換至NSC組 (Convert to NSC Group) 工具，運(yùn)行鎖定設(shè)計(jì)工具和特定光線生成器。然后點(diǎn)擊OK將文件轉(zhuǎn)化為非序列模式。下圖為轉(zhuǎn)換完成后的系統(tǒng)：

序列模式中的表面1和表面2被轉(zhuǎn)換為了非序列模式下的環(huán)形面 (Annulus) 物體，位置改換到了非序列元件編輯器中的第3、4行。 事實(shí)上，這些物體在本例中是不需要的（甚至物體3還會擋住離軸拋物面 (OAP) 反射的光線）。所以，我們選中物體后右鍵，選擇忽略并隱藏物體 (Ignore and Hide Object)。

然后，運(yùn)行特定光線生成器確認(rèn)轉(zhuǎn)換正確。

看上去轉(zhuǎn)換成功了，現(xiàn)在，讓我們觀察一下序列模式的離軸拋物面鏡 (OAP) 是如何轉(zhuǎn)換為非序列物體的。物體6-10定義了離軸拋物面鏡 (OAP) 的各項(xiàng)參數(shù)。

非序列模式中沒有序列模式里切比雪夫表面的等效物體，所以它被一個網(wǎng)格矢高表面 (Grid Sag Surface) 代替。拋物面鏡的后表面被標(biāo)準(zhǔn)面(Standard Surface)物體7代替，透鏡的前后表面通過組合透鏡
(Compound Lens) 物體8組合，偏心的孔徑也是通過該物體和一個矩形物體的布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。OAP鏡的位置和屬性由原生布爾 (Boolean Native) 物體10定義。

大多數(shù)序列表面自動轉(zhuǎn)換為等效的非序列表面（可在用戶手冊中查看OpticStudio支持自動轉(zhuǎn)換的表面類型），其它面則被轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格矢高表面物體，就像本例中那樣。矢高表面是自動取樣的，并且會在用戶數(shù)據(jù)文件夾<…\Zemax\Objects\Grid Files>中生成一個.GRD文件。像OAP前后表面這樣成對的序列模式表面，如果在非序列模式中沒有等效替換的物體，則會被轉(zhuǎn)換成非序列模式組合透鏡物體的參考物體。例如，如果一片透鏡前表面是偶次非球面 (Even Asphere surface) 或表面是擴(kuò)展多項(xiàng)式 (Extended Polynomial) 表面，那么這片透鏡也會被轉(zhuǎn)化為組合透鏡物體。但如果一片透鏡前表面是偶次非球面 (Even Asphere surface)，后表面是標(biāo)準(zhǔn)面則透鏡將被轉(zhuǎn)換為非序列模式中的偶次非球面透鏡 (Even Asphere Lens) 物體。 如本例，當(dāng)鏡面基底厚度大于0時，轉(zhuǎn)換工具將把序列模式基底厚度復(fù)制給非序列組合透鏡物體厚度。如果鏡面基底像本例那樣是平的，則鏡子的后表面將會以一個平的標(biāo)準(zhǔn)面物體代替。如果鏡面基底是彎曲的，則后表面的物體類型將與前表面保持一致。
對于序列模式中代表透鏡前表面和后表面的成對表面，以及定義了基底厚度的反射鏡，它們前表面的孔徑也會在后表面上生效。如果前表面具有軸上圓形或矩形孔徑，孔徑值會被拷貝到非序列組合透鏡物體的參數(shù)中去。如果一個表面具有偏心孔徑，如本例中的偏心矩形孔徑，則除了組合透鏡物體，轉(zhuǎn)換器還會添加一個圓柱體 (Cylinder Volume) 物體或矩形體 (Rectangular Volume) ，和原生布爾物體共同作用，將透鏡裁剪成特定的形狀。

總結(jié)

本文展示的例子旨在闡明如何將純序列模式文件轉(zhuǎn)化為混合模式和非序列模式。轉(zhuǎn)換一經(jīng)完成，我們就能在非序列模式中設(shè)計(jì)機(jī)械支架、導(dǎo)入CAD零件(https://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-use-the-partlink-object)、進(jìn)行照明仿真或者進(jìn)行雜散光分析(https://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-perform-stray-light-analysis)。 第一個例子展示了如何手動調(diào)整序列模式文件，為將其轉(zhuǎn)換為其它模式做好準(zhǔn)備。以及如何從混合模式轉(zhuǎn)換為純非序列模式。我們還討論了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成功的幾種方法，包括參考序列模式中的點(diǎn)列圖分析、幾何圖像分析、惠更斯PSF分析等。還有為了觀察非序列矩形探測器上的衍射結(jié)果，我們需要使用“PSF波數(shù)”參數(shù)。 隨后的例子展示了如何使用名為“轉(zhuǎn)換至NSC組”的自動轉(zhuǎn)換工具。鎖定設(shè)計(jì)工具能自動為轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備，特定光線生成器工具能夠創(chuàng)建一個參考光線，用于驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后的非序列模式系統(tǒng)的有效性。序列模式向非序列模式的轉(zhuǎn)換會在轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)中自動添加橢圓光源物體和矩形探測器物體，來模擬序列模式中不同位置的視場點(diǎn)和對應(yīng)的點(diǎn)列圖分析。 第三個例子展示了有限共軛會聚系統(tǒng)，自動轉(zhuǎn)換工具還會插入DLL光源物體、幻燈片物體和顏色探測器。這些添加的物體可以用來模擬非序列系統(tǒng)的成像性能。 請注意，轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)應(yīng)仔細(xì)檢查，以保證轉(zhuǎn)換的有效性。轉(zhuǎn)換工具能將大部分常見的表面正確轉(zhuǎn)換，但仍有一些表面不支持。 具體信息請參閱用戶手冊中文件 (File)>轉(zhuǎn)換文件 (Convert Group)> 轉(zhuǎn)換至NSC組 (Convert to NSC Group) 部分。