概述

這篇文章旨在向新用戶介紹序列模式的功能。文中介紹了如何設(shè)置系統(tǒng)屬性， 使用布局圖 (Layouts)、基本的分析功能和擴(kuò)展的光源模型，以及對(duì)離軸系統(tǒng)進(jìn)行建模。

介紹

光線追跡廣泛應(yīng)用于模擬光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播過程。使用光線追跡的方式對(duì)光的傳播進(jìn)行模擬的方法通常稱為幾何光學(xué)。
在序列模式的光線追跡過程中，光線會(huì)按預(yù)先定義的一系列表面的順序進(jìn)行追跡，從物面穿過整個(gè)系統(tǒng)傳播到像面上。其中，光線與所定義的每個(gè)序列表面只接觸一次。 使用序列表面能夠很好地描述成像系統(tǒng)。并且光線在序列表面中追跡的計(jì)算速度非?？?， 因此在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和公差分析時(shí)非常有用。通過光線追跡可以快速實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像系統(tǒng)的像差計(jì)算， 例如光線光扇圖 (ray fan) 的繪制、衍射計(jì)算以及波前差計(jì)算等。

許多傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)都可以歸類為光學(xué)成像系統(tǒng)，包括相機(jī)物鏡、遠(yuǎn)攝鏡頭、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、中繼鏡和光譜儀系統(tǒng)等。

OpticStudio中的圖形界面

當(dāng)您首次打開OpticStudio時(shí)（無論是試用版還是完整的許可證版），您將看到如圖所示的界面， 其中包括了分析功能導(dǎo)航欄 (Ribbon)、工具欄 (Toolbar)、系統(tǒng)選項(xiàng)欄 (System Explorer)、狀態(tài)欄和透鏡數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor)。

OpticStudio提供的所有功能都可以在分析功能導(dǎo)航欄、自定義工具欄或者系統(tǒng)選項(xiàng)欄中相應(yīng)的子菜單里找到。 大部分功能都可以通過在分析功能導(dǎo)航欄上方的工具欄中設(shè)置快捷鍵來實(shí)現(xiàn)快速訪問。您可以在分析功能導(dǎo)航欄中的 設(shè)置 (Setup) 菜單中的配置選項(xiàng) (Project Preferences)里對(duì)快捷鍵進(jìn)行設(shè)置。

在分析功能導(dǎo)航欄下是透鏡數(shù)據(jù)編輯器。編輯器所在窗口可以布局在特定區(qū)域或者切換到浮動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)窗口是浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它能夠被鼠標(biāo)拖動(dòng)或者縮放。 默認(rèn)的窗口狀態(tài)可以在配置選項(xiàng)中設(shè)置，或者在設(shè)置菜單中的窗口 (Window Control) 中進(jìn)行調(diào)整。透鏡數(shù)據(jù)編輯器是一個(gè)數(shù)據(jù)列表，它包括了備注 (Comments)、半徑 (Radius)、厚度 (Thickness)、材料 (Glass)、半口徑 (Semi-Diameter)和圓錐系數(shù) (Conic constant) 等數(shù)據(jù)列， 其中后5項(xiàng)參數(shù)決定了光學(xué)元件的主要特性。這些數(shù)據(jù)列按默認(rèn)順序排列，您可以通過按住列表名稱并前后拖動(dòng)的方式來調(diào)整排列的順序。

表格的每一行都對(duì)應(yīng)一個(gè)光學(xué)表面，每個(gè)表面都有自己的局部坐標(biāo)系。每個(gè)表面在光軸上的位置是參考于前一個(gè)表面的。 也就是說，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的厚度參數(shù)表示當(dāng)前表面相對(duì)于前一個(gè)表面的距離，而不是相對(duì)于一個(gè)全局的參考點(diǎn)的距離。

在默認(rèn)情況下，編輯器中會(huì)包含三個(gè)表面：物面 (Object)、光闌面 (Stop) 和像面 (Image)。數(shù)據(jù)編輯器在第一欄里對(duì)這些表面進(jìn)行了標(biāo)記，并且這些表面的表面類型默認(rèn)為 標(biāo)準(zhǔn)面 (Standard)。 OpticStudio還支持其他多種表面類型。其中一些表面類型會(huì)需要用到比標(biāo)準(zhǔn)面更多的定義參數(shù)。當(dāng)使用這類表面類型時(shí)，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中會(huì)出現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)列以供參數(shù)定義。

在透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及其他所有的編輯器中，它們和Microsoft的Excel電子表格有相似的功能。您可以在行或者列上右鍵點(diǎn)擊來進(jìn)行凍結(jié)、隱藏、 插入或刪除等操作?？梢赃x取多個(gè)單元格里的數(shù)據(jù)并復(fù)制，也可以從剪貼板里復(fù)制粘貼數(shù)據(jù)到表格中。

布局圖窗口

首先請(qǐng)確認(rèn)在配置選項(xiàng)的常規(guī) (General) 選項(xiàng)卡中勾選“使用Session文件 (Use Session Files)”選項(xiàng)。這樣當(dāng)您打開一個(gè)已經(jīng)勾選了該選項(xiàng)的OpticStudio文件后， 軟件將自動(dòng)打開文件上次保存時(shí)所有已經(jīng)打開的分析窗口。取消勾選該選項(xiàng)會(huì)使OpticStudio打開文件時(shí)不打開任何分析窗口， 從而加快文件的加載速度。如果勾選“計(jì)算數(shù)據(jù)保存于Session文件 (Include Calculated Data in Session)” 則已經(jīng)計(jì)算的分析數(shù)據(jù)也將會(huì)保存到文件中。

當(dāng)點(diǎn)擊文件 (File) 菜單中的打開 (Open) 按鈕時(shí)，您將會(huì)看到包含所有示例文件的目錄。打開文件

Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx，這會(huì)使OpticStudio加載該文件并在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中輸入該文件的數(shù)據(jù)。 在這個(gè)示例中，總共包含了12個(gè)表面，其中表面6對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的光闌面。每個(gè)表面都包含半徑、厚度、玻璃材料和半口徑參數(shù)。這該示例文件為一個(gè)常用的照相物鏡系統(tǒng)。

如果勾選了“使用Session文件”，則加載該示例文件時(shí)會(huì)打開一個(gè)布局圖窗口。布局圖可以用來直觀地查看所載入透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

布局圖窗口和其他窗口一樣可以被拖動(dòng)和縮放。如果需要更改窗口的設(shè)置，點(diǎn)擊窗口菜單欄中的設(shè)置 (Settings)。 在彈出的下拉對(duì)話框中您可以自行更改布局圖的相關(guān)設(shè)置。OpticStudio默認(rèn)自動(dòng)應(yīng)用設(shè)置的更改，也就是當(dāng)更改設(shè)置參數(shù)后點(diǎn)擊所編輯的參數(shù)以外的區(qū)域時(shí)，更改會(huì)自動(dòng)生效。在當(dāng)前窗口中， 您可以取消勾選“自動(dòng)應(yīng)用 (Auto-Apply)”選項(xiàng)來取消這一功能，您也可以在 配置選項(xiàng)中的常規(guī) (General)選項(xiàng)卡的設(shè)置中對(duì)所有的分析窗口進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)置。在本例中，我們將 光線數(shù) (Number of Rays)設(shè)為7，并勾選“光線箭頭 (Fletch Rays)”選項(xiàng)。一旦更改的設(shè)置生效， 布局圖會(huì)在每個(gè)視場(chǎng)中繪制7條光線而不是原來的3條，同時(shí)在光線上會(huì)有箭頭標(biāo)記出光線的傳播方向。在OpticStudio的其他分析窗口中進(jìn)行設(shè)置更改和本例類似。

為了更清楚的查看布局圖中的內(nèi)容，您可以對(duì)窗口進(jìn)行縮放。您也可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)滾輪或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)選取一個(gè)方形區(qū)域的方式來放大布局圖中的一部分。 通過對(duì)布局圖進(jìn)行多次放大，您可以看到很多系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。如果想讓布局圖恢復(fù)到原先的比例大小，您可以點(diǎn)擊窗口工具欄中的 整屏顯示 (Reset Zoom)按鈕。
您可以在分析 (analyze) 菜單欄的視圖 (System Viewers) 中打開其他類型的布局圖。所選擇的布局圖會(huì)在一個(gè)新的窗口中顯示。您可以在頂部工具欄中定義各種分析功能的快捷鍵，您也可以在 配置選項(xiàng)中的快捷鍵 (Shortcut Keys)中設(shè)置鍵盤快捷鍵。

點(diǎn)列圖分析

OpticStudio可以生成許多不同類型的分析窗口。如果您勾選了“使用Session文件”選項(xiàng)， 那么在打開示例文件時(shí)同樣還會(huì)默認(rèn)打開矩陣點(diǎn)列圖 (Matrix Spot Diagram) 分析窗口。 在這個(gè)窗口中展示了不同的視場(chǎng)和波長(zhǎng)組合下像面上的光斑形狀。

OpticStudio還支持其他類型的點(diǎn)列圖分析。選擇分析菜單欄中的光線跡點(diǎn) (Rays & Spots) 中的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖 (Standard Spot Diagram) 功能。您將看到當(dāng)前透鏡系統(tǒng)的點(diǎn)列圖分析結(jié)果。

點(diǎn)擊點(diǎn)列圖分析窗口的設(shè)置選項(xiàng)。可以看到，在設(shè)置菜單中包含樣式 (Pattern) 選項(xiàng)，該選項(xiàng)默認(rèn)為六邊 (Hexapolar)。它用來定義光線從物面入射到系統(tǒng)入瞳時(shí)的光線分布， 在默認(rèn)情況下光線在光瞳中的分布為六邊形。點(diǎn)擊樣式的下拉菜單，選擇雜亂 (Dithered) 并點(diǎn)擊確定。點(diǎn)列圖會(huì)重新繪制，現(xiàn)在光線的分布從原先的六邊形分布變成偽隨機(jī)分布。

光線和OPD光扇圖

在OpticStudio中，可以通過分析光線像差和光程差的方法來衡量一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差。 您可以在分析菜單中的像差分析 (Aberrations) 中找到這些功能。打開光線像差圖 (Ray Aberration)， 分析窗口中顯示了每個(gè)視場(chǎng)和波長(zhǎng)下子午方向和弧矢方向的光扇圖。

除了光線像差，OpticStudio也能生成波前像差光扇圖。這類分析圖表也稱為OPD光扇圖（光程差，Optical Path Difference）。 在分析菜單中的像差分析下拉菜單中選擇光程差圖 (Optical Path)。OpticStudio將對(duì)每個(gè)視場(chǎng)和波長(zhǎng)繪制相應(yīng)的波前像差光扇圖。

MTF分析

OpticStudio同樣支持對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行衍射分析。點(diǎn)擊文件菜單中的打開按鈕， 打開Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 degree field.zmx，該示例文件為一個(gè)簡(jiǎn)單的名為庫克三片鏡的三透鏡物鏡系統(tǒng)。

點(diǎn)擊分析菜單中MTF曲線 (MTF) 中的FFT MTF來查看這個(gè)鏡頭的MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）分析結(jié)果。OpticStudio會(huì)以空間頻率為自變量， 使用快速傅里葉變換 (Fast Fouier Transform, FFT) 的方法計(jì)算每個(gè)視場(chǎng)下子午方向和弧矢方向的響應(yīng)，并以圖表的形式展示出來。 OpticStudio還支持基于惠更斯積分 (Huygens Integral) 的MTF算法。

如果您想查看這個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)的MTF衍射極限，您可以在FFT MTF窗口中打開設(shè)置菜單，勾選“顯示衍射極限 (Show Diffraction Limit)” 選項(xiàng)并點(diǎn)擊確定。衍射極限將添加到圖表中。

擴(kuò)展圖像分析

雖然大部分分析功能是通過設(shè)置一系列視場(chǎng)點(diǎn)來對(duì)物面進(jìn)行采樣的，但OpticStudio也支持使用擴(kuò)展圖像作為物面， 對(duì)其成像結(jié)果進(jìn)行模擬分析。OpticStudio支持幾何圖像、衍射圖像、部分相干圖像或使用測(cè)量所得的光源數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。 我們將展示一些基礎(chǔ)的分析功能，同時(shí)也會(huì)提供進(jìn)階功能的相關(guān)材料。

在OpticStudio中幾何圖像分析 (Geometric Image Analysis) 功能可以用來創(chuàng)建擴(kuò)展圖像。 這一功能可用于分析物面上以任意視場(chǎng)點(diǎn)為中心的平面擴(kuò)展光源，并計(jì)算成像的有效分辨率、畸變和系統(tǒng)效率等參數(shù)。

您可以使用庫克三片鏡系統(tǒng)來測(cè)試OpticStudio中的圖像分析功能。點(diǎn)擊文件菜單欄中打開按鈕下方的下拉箭頭，OpticStudio會(huì)顯示最近打開過的文件。在下拉列表中， 選擇之前打開過的庫克三片鏡文件。幾何圖像分析功能位于分析菜單欄中的擴(kuò)展圖像分析 (Extended Scene Analysis) 中。 打開后您將看到字母“F”的圖案（默認(rèn)的擴(kuò)展圖像）會(huì)以點(diǎn)列圖的形式展現(xiàn)在窗口里。

如想使用網(wǎng)格圖案代替字母“F”，您可以選擇幾何圖像分析窗口的設(shè)置菜單，選擇其中文件 (File) 菜單里的GRID.IMA文件。有關(guān)使用IMA格式文件生成擴(kuò)展圖像的詳細(xì)信息可以在幫助系統(tǒng)中搜索查看。 您可以在設(shè)置菜單中把顯示 (Show) 選項(xiàng)修改成偽彩色 (False Color)。這會(huì)模擬使用有限像素?cái)?shù)量的探測(cè)器對(duì)擴(kuò)展圖像所成的像。 點(diǎn)擊確認(rèn)，重新生成分析結(jié)果。

OpticStudio還支持幾何位圖圖像分析 (Geometric Bitmap Image Analysis) 功能，它和幾何圖像分析類似，但可以擴(kuò)展使用BMP、JPG或者PNG格式的圖片文件作為物面圖像。OpticStudio會(huì)追跡紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的光線到像面或者其他指定表面上的探測(cè)像素上，從而生成RGB三色圖像。 OpticStudio也可以追跡光譜中其它三種波長(zhǎng)的光線。這一功能可以用來分析實(shí)際圖像或者使用所支持的格式保存的自定義圖像。 通常情況下為了保證圖像的采樣率足夠，OpticStudio需要追跡數(shù)量非常多的光線。

打開幾何位圖圖像分析窗口，并如下圖所示對(duì)設(shè)置進(jìn)行修改：將輸入 (Input) 改為ALEX200.BMP，將像面上的X像素 (X Pixels) 和Y像素 (Y Pixels) 改為100，將X像素大小 (X Pixel Size) 和Y像素大小 (X Pixel Size) 改為0.5，然后增加追跡的光線數(shù)目， 把光線/像素 (Rays/Pixel) 改為100，最后點(diǎn)擊確定。

幾何圖像分析和幾何位圖圖像分析都是基于幾何光線的進(jìn)行分析的。圖像模擬 (Image Simulation) 功能可以實(shí)現(xiàn)更全面的分析。它可以基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (Point Spread Function, PSF) 卷積的方法進(jìn)行幾何計(jì)算或者衍射計(jì)算。部分相干圖像分析 (Partially Coherent Image Analysis) 功能可以模擬部分相干的物面圖像。 您可以閱讀以下文章了解更多信息。

離軸系統(tǒng)

OpticStudio也可以對(duì)離軸光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如包含反射鏡、傾斜的元件或者離軸的圓錐曲面鏡的光學(xué)系統(tǒng)。
打開文件 \Zemax\Samples\Sequential\Tilted systems & prisms\Tilted mirror.zmx，該文件展示了在OpticStudio中構(gòu)建反射鏡系統(tǒng)。 如文件中的3D布局圖所示，鏡面（表面3）是傾斜的，并且光路由于反射鏡的存在而產(chǎn)生折疊。

該系統(tǒng)中的反射鏡使用坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 表面類型來實(shí)現(xiàn)的。在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中，點(diǎn)擊表面2數(shù)據(jù)行的任意列，用鍵盤上的右方向鍵往右滾動(dòng)表格， 使數(shù)據(jù)編輯器顯示圓錐系數(shù) (Conic) 數(shù)據(jù)列之后的數(shù)據(jù)。您將看到定義元件偏心和傾斜的數(shù)據(jù)表格?？梢钥吹奖砀裰袃A斜X (Tilt X) 中的參數(shù)是10， 這表明反射鏡繞X軸旋轉(zhuǎn)了10°。

現(xiàn)在打開文件 \Zemax\Samples\Sequential\Telescopes\Unobscured Gregorian.zmx，這是一個(gè)由兩個(gè)圓錐反射鏡構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。 從文件默認(rèn)打開的實(shí)體模型 (Shaded Model) 圖可以看到，主反射鏡和次反射鏡使用坐標(biāo)間斷面進(jìn)行了傾斜，這使得次反射鏡 （表面5）不在系統(tǒng)輸入光的光路上，從而避免了遮光問題。

該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的主反射鏡是一個(gè)離軸的圓錐曲面鏡的一部分，該表面上的偏心孔徑使反射鏡面與入射光束對(duì)準(zhǔn)。如果需要查看該表面的孔徑設(shè)置，您需要選中表面4， 然后單擊透鏡數(shù)據(jù)編輯器左上角的表面屬性 (Surface Properties)，或者直接通過雙擊表面4在表面類型列的對(duì)應(yīng)單元格打開表面4的表面屬性對(duì)話框。 點(diǎn)擊左側(cè)的孔徑 (Aperture) 選項(xiàng)卡，查看該孔徑的偏心設(shè)置。

系統(tǒng)孔徑、視場(chǎng)和波長(zhǎng)

每個(gè)光學(xué)系統(tǒng)都對(duì)系統(tǒng)孔徑有詳細(xì)指標(biāo)，例如F/#（相對(duì)孔徑）、入瞳直徑 (Entrance Pupile Diameter)、數(shù)值孔徑 (Numerical Aperture) 或者物方錐角 (Cone Angle)。該參數(shù)定義了光學(xué)系統(tǒng)從物方空間收集到的軸上光束的寬度。 在OpticStudio中，該數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)選項(xiàng)欄中的孔徑菜單中進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊系統(tǒng)孔徑左側(cè)的下拉箭頭，您可以在展開的菜單中對(duì)系統(tǒng)孔徑進(jìn)行設(shè)置。

視場(chǎng)數(shù)據(jù)用來定義物面上發(fā)射光線的位置。該數(shù)據(jù)同樣可以在系統(tǒng)選項(xiàng)中設(shè)置。如果您想查看有關(guān)視場(chǎng)設(shè)置的全部信息而不是在系統(tǒng)選項(xiàng)中概覽， 您可以展開視場(chǎng)設(shè)置菜單后點(diǎn)擊打開視場(chǎng)編輯器 (Open Field Data Editor)， 打開視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器對(duì)話框。

您可以在波長(zhǎng)數(shù)據(jù)菜單中設(shè)置追跡光線的波長(zhǎng)。同樣，它在系統(tǒng)選項(xiàng)中也有對(duì)應(yīng)的菜單， 雙擊波長(zhǎng)的標(biāo)題可以打開波長(zhǎng)數(shù)據(jù)編輯器 (Wavelength Data) 進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

進(jìn)階學(xué)習(xí)與探索

您可以隨時(shí)打開Sequential文件夾下的其他示例文件、已有的自定義文件或者從頭創(chuàng)建您自己的系統(tǒng)，來繼續(xù)探索OpticStudio序列模式。您可以在打開的示例文件中嘗試分析菜單欄中的其他分析功能。
OpticStudio中的幫助系統(tǒng) (Help Sytem) 是非常好的學(xué)習(xí)資源，您可以在探索其他分析功能時(shí)查看 幫助系統(tǒng)以獲取更多信息，幫助系統(tǒng)可以在幫助菜單中打開。

小結(jié)

這篇文章簡(jiǎn)單介紹了OpticStudio序列模式的幾種分析功能和設(shè)計(jì)工具。 OpticStudio中還有很多本文未涉及的功能。您可以在其他技術(shù)文章中繼續(xù)了解學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建序列模式下的光學(xué)系統(tǒng)， 并對(duì)其進(jìn)行分析、優(yōu)化以及公差分析。