如何給非序列結(jié)構(gòu)添加鍍膜和散射

概要

Zemax OpticStudio非序列模式的對(duì)象是3D實(shí)體，薄膜和散射模型是3D實(shí)體的表面特性。本文將從以下幾個(gè)方向解釋如何給非序列元件添加鍍膜和散射：

☆ 非序列對(duì)象中“Face number”的概念。

☆ 如何給不同的Face添加鍍膜以及散射模型。

☆ 從外部導(dǎo)入CAD結(jié)構(gòu)后的一些對(duì)鍍膜散射性質(zhì)的處理。

簡(jiǎn)介

首先，非常感謝Sick AG公司Ingolf H?rsch博士允許我們?cè)诒疚氖褂孟嚓P(guān)光學(xué)系統(tǒng)的3D Layout圖。非序列模式下的結(jié)構(gòu)是占有一定空間的3D實(shí)體，一般情況下可以將非序列元件結(jié)構(gòu)分為兩種類型：

☆ 參數(shù)化對(duì)象：例如在Standard Lens中可以根據(jù)需要自行定義元件的前曲率半徑、后曲率半徑、中心厚度以及徑向孔徑。Zemax OpticStudio提供了大量的參數(shù)化對(duì)象，包含全息、衍射、圓柱體以及雙錐體等等。

☆由導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件定義的對(duì)象：包含了多邊形對(duì)象、鱗甲對(duì)象以及常見的CAD對(duì)象(如STEP、IGES、SAT、STL等格式)。這些對(duì)象有可能是多面體也可能是平滑連續(xù)曲面（或是兩者皆有分布在不同區(qū)域）。

不論是何種類型，使用者都需要在這些結(jié)構(gòu)表面上設(shè)置薄膜鍍層以及散射函數(shù)以確保能精確模擬光線的傳播。

OpticStudio通過(guò)“Face”來(lái)描述非序列元件上面的特定區(qū)域，這些區(qū)域就是我們加鍍膜或是散射模型的最小單位。

在參數(shù)化對(duì)象中，F(xiàn)ace的定義通常很明顯。舉例來(lái)說(shuō)，Standard Lens這個(gè)對(duì)象可以很簡(jiǎn)單的知道他的前表面與后表面都是拋光的，而連結(jié)兩側(cè)的柱狀側(cè)面則是未拋光的表面性質(zhì)。

在由導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件定義的對(duì)象中，“Face”的定義就比較復(fù)雜。即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的多面鏡面，也可能是由很多個(gè)小面（facet）組成的。這些特殊曲面的外型也許看起來(lái)是連續(xù)的一個(gè)Face，但可能其實(shí)是以復(fù)雜的數(shù)學(xué)描述來(lái)完成的。我們加入復(fù)雜的CAD對(duì)象時(shí)，Zemax OpticStudio可能會(huì)需要處理好幾MB的數(shù)據(jù)，包含平面、曲面、Spline曲面等等。

本文我們將描述如何在一般結(jié)構(gòu)上定義Face，使得接下來(lái)可以順利在該結(jié)構(gòu)上設(shè)置鍍膜與散射模型。

參數(shù)化對(duì)象

假設(shè)一個(gè)Standard Lens結(jié)構(gòu)共有3個(gè)Face（編號(hào)從0開始），其NSC Shaded Model圖如下所示：

圖1 參數(shù)化結(jié)構(gòu)的NSC Shaded Model圖

所有內(nèi)建的參數(shù)化對(duì)象都可以在使用者手冊(cè)或Help系統(tǒng)中找到該結(jié)構(gòu)的Face定義，這些對(duì)象上的Face通常會(huì)有一個(gè)方便的“名稱”。選擇任一個(gè)Face，你可以決定光線與這個(gè)Face相交的三種模式。

圖2 選擇Face

☆ 如果選擇“Object Default”，則該Face的反射率由該對(duì)象玻璃材料的折射率、該Face另一側(cè)的物質(zhì)折射率、Face上面的鍍膜（稍后更多細(xì)節(jié)）、入射光波長(zhǎng)、偏振態(tài)以及入射角決定。也可在該Face上定義散射屬性。

☆ 如果選擇“Reflective”，則該Face的表面屬性類似于“鏡面”。不論光線從這個(gè)Face的哪一側(cè)接觸，都只會(huì)被反射。除此之外，鍍膜與散射分布的效應(yīng)都和往常一樣處理。

☆ 如果選擇“Absorbing”，則任意一條入射的光線入射到該面后都會(huì)停止追跡。不會(huì)應(yīng)用鍍膜以及散射模型。

本文我們都選擇“Object Default”。

選擇好Face后，任何載入到系統(tǒng)中的鍍膜都可以通過(guò)Coating下拉菜單設(shè)置。Zemax OpticStudio有完整的偏振光線追跡以及分析功能。任何偏振態(tài)的光源都可以設(shè)定，Zemax OpticStudio會(huì)考慮透射、反射、吸收、偏振態(tài)、雙向衰減（Diattenuation）以及相位延遲（Retardance）。

鍍膜是由任意層數(shù)、任意材料組成的，每一層材料都有各自的復(fù)折射率以及完整的色散模型?；宀牧峡梢允遣Ａ?、金屬也可以由使用者自己設(shè)置。Zemax OpticStudio可以直接從“The Essential Macleod”或“Film Star”軟件以及其他薄膜設(shè)計(jì)軟件中直接導(dǎo)入鍍膜定義。Zemax OpticStudio會(huì)自動(dòng)在光線從空氣到材料以及從材料到空氣兩種情況之間逆轉(zhuǎn)膜層的順序，使用者不需要額外定義“鏡像”的膜層。

如果無(wú)法取得原始的鍍膜，我們也可以通過(guò)輸入不同波長(zhǎng)、不同入射角效率的表格信息來(lái)定義鍍膜?；蚴鞘褂肐DEAL理想膜層來(lái)簡(jiǎn)化定義所有角度與波長(zhǎng)的反射與透射。在有詳細(xì)膜層信息后，我們就可以根據(jù)入射光的偏振態(tài)、波長(zhǎng)以及角度來(lái)推算雙向衰減率、相位、相位延遲、反射、透射或是吸收等信息。

設(shè)定好鍍膜后，我們還需要設(shè)定散射模型。在Zemax OpticStudio中，可用的散射模型包括Lambertian、Gaussian、ABG、ABG File、BSDF、IS Catalog Scatter以及User-Defined。

舉例來(lái)說(shuō)，透鏡的前表面應(yīng)該具有良好拋光，而且為了抗反射前表面應(yīng)該有一層四分之一波長(zhǎng)的MgF2鍍膜。在Zemax OpticStudio預(yù)設(shè)中就有這樣的一個(gè)鍍膜“AR”。如要在Face 1 (透鏡前表面)上面設(shè)置AR，可以按下圖設(shè)置：

圖3 如何設(shè)置Face 1的鍍膜

Face 0代表側(cè)表面，通常會(huì)是無(wú)拋光，并且沒有鍍膜，因此我們可以有如下設(shè)置：

圖4 如何設(shè)置Face 0的鍍膜

CAD對(duì)象

以3D CAD軟件(如SolidWorks、Creo Parametric、Inventor、CATIA等)設(shè)計(jì)的實(shí)體對(duì)象都可以利用一系列的CAD 零件或裝配體對(duì)象導(dǎo)入。

圖5 如何導(dǎo)入CAD文件

Zemax OpticStudio可以直接與SolidWorks、Creo Parametric、Inventor動(dòng)態(tài)鏈接導(dǎo)入對(duì)象。由于動(dòng)態(tài)鏈接后會(huì)直接存儲(chǔ)原始的數(shù)學(xué)模型因此追跡速度會(huì)更快。而且還可以把CAD對(duì)象的參數(shù)定義為變量套用優(yōu)化程序。

但是，由于以上這些CAD對(duì)象都是外部定義的，因此在分配鍍膜、散射特性上都會(huì)有一些特殊問(wèn)題。

首先，CAD對(duì)象文件很大（通常會(huì)有幾個(gè)MB大）。再者，CAD軟件通常會(huì)以不規(guī)則的順序輸出對(duì)象信息，因此需要使用者花費(fèi)大量的時(shí)間把CAD對(duì)象中大量的面（Surface）分類為有意義的Face。讓我們看看以下的偵測(cè)器系統(tǒng)。

圖6 偵測(cè)器系統(tǒng)的NSC Shaded Model圖

該偵測(cè)器系統(tǒng)共包含了178個(gè)分離的CAD面（Surface）構(gòu)成，但是他們并沒有依照任何順序來(lái)編號(hào)。因此如想要知道編號(hào)45的Surface在哪里的話，我們是完全沒有線索的。已知該對(duì)象是由兩個(gè)透鏡組成。一個(gè)提供閃光，用來(lái)照亮對(duì)象物體。另一個(gè)則用來(lái)把對(duì)象物體成像到系統(tǒng)的探測(cè)器上。這兩個(gè)不同路徑都是在序列模式下完成設(shè)計(jì)，然后在把透鏡輸出到CAD軟件，并與其他相關(guān)的機(jī)構(gòu)件結(jié)合。完成后同樣再利用CAD輸出并導(dǎo)入Zemax OpticStudio，以進(jìn)一步模擬光機(jī)結(jié)合的效率、成像質(zhì)量、雜散光等信息。

該對(duì)象通過(guò)注塑成形，生產(chǎn)過(guò)程中使用了兩種Surface光學(xué)處理。第一種是透鏡上的Surface為平滑拋光，冷鍍膜處理。第二種是其他Surface通過(guò)電火花刻蝕處理，表面具有粗糙散射特性。

很明顯，沒有人會(huì)真的想去給這178個(gè)CAD Surface逐個(gè)設(shè)置表面屬性！而且和其他CAD文件相比本文CAD文件中的Surface算少了。在Zemax OpticStudio中，選項(xiàng)“Surface Mode”可以幫助使用者根據(jù)一定的規(guī)則快速分類已知Face?！癝urface Mode”可以在Object Properties > CAD中找到（只有在外部導(dǎo)入CAD文件時(shí)可以看到），F(xiàn)ace Mode提供以下幾種選項(xiàng)：

圖7 Surface Mode及其選項(xiàng)

☆ Use single surface：顧名思義，所有的Surface都會(huì)被分配到Face 0。整個(gè)對(duì)象將只有一個(gè)Face。

☆ Use angles of normal vectors：對(duì)所有的Surface來(lái)說(shuō)，如果兩Surface沿著一條長(zhǎng)度非零的曲線相接，并且兩個(gè)Surface在這條曲線上各自的法向量之間的夾角小于使用者指定的角度，則這兩Surface的Face編號(hào)會(huì)被設(shè)為相同。使用者指定的角度大小可由同一個(gè)設(shè)置窗口中的Face Angle菜單欄中設(shè)定。這個(gè)角度的指定可以讓使用者指定要把Surface群組切割到多細(xì)。如果Face Angle的值非常大(例如180)，則所有的Surface的Face編號(hào)都會(huì)一樣。Face Angles越大，產(chǎn)生的Face就越少。

☆ Use all surfaces：所有的Surface都會(huì)被單獨(dú)分配到一個(gè)Face編號(hào)。

☆ Use previously defined surfaces：保留原始導(dǎo)入文件的Face分配方式。有一些CAD對(duì)象(例如由OpticStudio所建立的)會(huì)在文件中就帶有Face編號(hào)信息，而這些信息將會(huì)被直接使用。如果OpticStudio無(wú)法檢測(cè)Face編號(hào)的信息，則會(huì)回到“Use all surfaces”的模式。

☆ Use single surface per object：CAD對(duì)象中個(gè)別分離對(duì)象上的所有Surface都會(huì)被賦予一樣的Face編號(hào)。此選項(xiàng)在CAD文件中有多個(gè)對(duì)象，并且剛好每個(gè)對(duì)象的材料都要分開設(shè)定時(shí)非常有用。

本范例中我們使用Use angles of normal vectors模式設(shè)置Surface，因此理論上所有的Surface都會(huì)被獨(dú)自分配到一個(gè)專屬的Face編號(hào)。本文CAD對(duì)象中共有178個(gè)Surface，我只想要選擇兩個(gè)特定的Surface，并指定Coating/Scattering屬性：其中一個(gè)有良好的拋光、低散射、抗反射的特性，另一個(gè)則沒有鍍膜，且高度散射。

要完成這個(gè)工作，請(qǐng)回到Object Properties > CAD設(shè)定中，點(diǎn)如下：

圖8 設(shè)置步驟

請(qǐng)注意原本每個(gè)CAD的Surface都應(yīng)該被分配到獨(dú)一而二的Face編號(hào)，但是Face的編號(hào)上限是50。如上圖，在點(diǎn)選View Current Object之前，我們要先選擇“Viewer Highlights: By Surface”，然后點(diǎn)擊“View Current Object”后，就可以看到如下畫面。

圖9 選擇“Viewer Highlights: By Surface”，點(diǎn)擊“View Current Object”后的畫面

現(xiàn)在我們回到Object Properties設(shè)置菜單，按一下Select All，就可以在畫面中看到都所有CAD上的Surface現(xiàn)在都被選起來(lái)了（變紅）。

圖10 回到Object Properties設(shè)置菜單，按一下Select All

然后我們點(diǎn)選Change To ->按鈕，把所有CAD上的Surface先初步都設(shè)為Face 0。

圖11 CAD上的Surface先初步都設(shè)為Face 0

最后再點(diǎn)一下Clear All，這樣將會(huì)沒有任何一個(gè)面被選擇?，F(xiàn)在對(duì)象上所有的Surface都有同一個(gè)Face編號(hào)。但我們要把透鏡的拋光表面設(shè)為其他的Face編號(hào)，這里假設(shè)我們要設(shè)置為Face 1。在Object Viewer中，左鍵點(diǎn)擊選擇Surface，被選擇的Surface會(huì)同時(shí)在Object Viewer以及Object Properties里面高亮起來(lái)。

圖12 選擇所需Surface

選擇好需要的面之后，我們就在Object Properties中的下拉式選單中選擇“Face 1”，然后點(diǎn)一下Change To -> ，這樣就可以把選取的面都設(shè)為Face 1?，F(xiàn)在，我們的對(duì)象僅包含兩個(gè)Face，每個(gè)不同的Face都可以獨(dú)立指定不同的鍍膜以及散射特性。

其他軟件導(dǎo)入的對(duì)象

CAD軟件導(dǎo)入對(duì)象可能是最重要的，但并不是Zemax OpticStudio唯一支持的導(dǎo)入對(duì)象的軟件。Zemax OpticStudio同時(shí)也支持多邊形對(duì)象（Polygon Object）以及鱗甲對(duì)象Tabulated Object），這些對(duì)象都可以通過(guò)外部導(dǎo)入的。通常這些都是多面（facted）結(jié)構(gòu)。雖然也有例外，例如Fresnel建立的是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

對(duì)于多邊形對(duì)象，F(xiàn)ace的信息已經(jīng)在外部數(shù)據(jù)文件中定義了。使用者可以在Help系統(tǒng)或使用者手冊(cè)中找到建立多邊形對(duì)象的細(xì)節(jié)。每個(gè)方形區(qū)域（rectangular）或三角區(qū)域（triangular）都可以分配一個(gè)Face編號(hào)。

對(duì)于鱗甲對(duì)象（Tabulated Object），整個(gè)結(jié)構(gòu)僅會(huì)被分配到一個(gè)Face。

總結(jié)

☆ CAD對(duì)象通常是由好幾百個(gè)Surface（可能是平面、球體、Spline等）組成，要在每個(gè)Surface上都分別手動(dòng)設(shè)定不同的鍍膜以及散射模型是不切實(shí)際的。

☆ 我們使用“Face”的概念來(lái)把大量的CAD之Surface分開為有意義的群組。

☆ 通過(guò)在3D畫面中旋轉(zhuǎn)畫面并選擇，可以大幅簡(jiǎn)化“選擇Surface并分配Face的流程。

☆ 多邊形結(jié)構(gòu)（.pob）在定義對(duì)象外型的同時(shí)本身也包含了Face的定義。

☆ 定義分類好需要的Face后，就可以輕松的在每個(gè)Face上設(shè)定不同的薄膜鍍層以及散射模型。