Ansys Zemax光電軟件技術(shù)教程：如何使用黑盒子表面

光之友

為了使光學(xué)工程師在分享設(shè)計(jì)檔案的同時(shí)，能夠隱藏特定的內(nèi)部資訊，OpticStudio加入了黑盒子(Black Box Lens surface)的功能。這篇文章說明了如何在模擬軟體中，將部分或整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)包裝成黑盒子的形式，以及如何在後續(xù)的光學(xué)模擬中使用黑盒子進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和分析。

簡介

在光學(xué)設(shè)計(jì)的流程中，客戶和供應(yīng)商有時(shí)候會需要可進(jìn)行光線追跡(ray-traceable)的檔案來完成任務(wù)。另一方面，在設(shè)計(jì)者的立場上，一些有關(guān)公司智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)的資訊是不能被公開的。在這種情況下，後續(xù)的作業(yè)很難只依靠光瞳大小(pupil size)、成像位置(image location)等有限的資訊繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了有效解決類似的問題，OpticStudio提供了黑盒子(Black Box Lens)工具。

在使用上，黑盒子(Black Box Lens Surface)提供了所有光線追跡需要的資訊，可以保證光學(xué)系統(tǒng)得到如同在鏡面編輯器(Lens Design Editor)中輸入完整參數(shù)一樣的模擬結(jié)果。同時(shí)，系統(tǒng)會以256位元的標(biāo)準(zhǔn)對黑盒子進(jìn)行加密，使該部分的元件被隱藏。

這篇文章將說明如何在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生及使用黑盒子(Black Box Lens)的功能。

產(chǎn)生黑盒子(Black Box Lens Surface)

設(shè)計(jì)者可以隨時(shí)在光學(xué)系統(tǒng)中加入黑盒子(Black Box Lens Surface)的結(jié)構(gòu)，但我們通常會選擇在設(shè)計(jì)完成後再進(jìn)行這個(gè)步驟。在使用這個(gè)功能時(shí)，我們建議先在光學(xué)系統(tǒng)中加入兩個(gè)虛擬面(dummy surface)，並將想要包裹進(jìn)黑盒子的光學(xué)元件置於這前後兩面之間。虛擬面所圈出的大小相當(dāng)於此光學(xué)系統(tǒng)的外殼範(fàn)圍 (也可以是外殼的延伸，較原始結(jié)構(gòu)稍大一些)或是在光瞳的位置。

在範(fàn)例檔案中(下載連結(jié)位於文章頂端)，我們的目標(biāo)是針對一個(gè)雙高斯鏡頭(double-Gauss objective)進(jìn)行改造。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們將虛擬面視為光學(xué)架構(gòu)的外殼，並將數(shù)個(gè)鏡面裝入其中。

為了讓OpticalStudio能依據(jù)每一個(gè)光學(xué)元件的尺寸進(jìn)行光暈(vignetting)的計(jì)算，我們必須確保範(fàn)圍中每個(gè)面都有固定的光圈大小(fixed aperture)。而利用鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(LDE)中的光圈(Aperture)工具將半直徑(Semi-Diameter)轉(zhuǎn)換為環(huán)狀光圈(Circular Aperture)，可以讓我們輕易的達(dá)到前述的目標(biāo)。在選擇光圈形態(tài)(Aperture type)時(shí)，除了使用者自訂光圈(User Defined Aperture, UDA)外，其餘的的類型都可以用來界定每個(gè)光學(xué)元件的實(shí)際範(fàn)圍。

在File工具列中點(diǎn)擊Zemax Black Box建立黑盒子。

我們建議設(shè)計(jì)者勾選 '在黑盒子產(chǎn)生後載入測試檔案(Create and load test file after black box export)' (如預(yù)設(shè)條件)。在這個(gè)情況下，OpticStudio會在產(chǎn)生黑盒子的同時(shí)，將定義範(fàn)圍內(nèi)的表面刪除。接著在光學(xué)設(shè)計(jì)中放入黑盒子，並以 '{原始名稱}_BB.zmx' 的檔名儲存。這個(gè)簡易卻十分重要的步驟可以讓我們確認(rèn)黑盒子檔案成為了最終的輸出檔案。最後，這個(gè)新的檔案將會自動的被開啟。

如上圖，透過橫截面(Cross-section)的佈局圖，我們可以確認(rèn)黑盒子檔案的光線追跡(ray-trace)結(jié)果會與原始檔案一致。

結(jié)果

在模擬的過程中，根據(jù) '黑盒子(black box)' 的特性，一些可預(yù)期或是令人意外的結(jié)果可能會產(chǎn)生。如同原始的光學(xué)系統(tǒng)，光線由黑盒子的前表面入射，最後由後表面離開。在產(chǎn)生等效光線路徑的同時(shí)，所有表面的資訊卻都能被完美地隱藏。除此之外，還有一些可能使你感到驚豔的小細(xì)節(jié):

• 如上述所言，所有的表面資訊都會被隱藏在黑盒子內(nèi)，不能被指定為分析功能(analysis feature)、優(yōu)化操作數(shù)(optimization operand)或ZPL指令的對象。舉例而言，設(shè)計(jì)者無法對黑盒子檔案進(jìn)行公差(tolerance)和熱變化(thermal)的分析。一旦黑盒子設(shè)定完成，任何針對盒子內(nèi)部的變更都是不被允許的。另一方面，黑盒子外部的光學(xué)元件還是能被分析和優(yōu)化。
• 一般而言，OpticStudio能區(qū)別因不同原因而無法順利抵達(dá)像面的光線，並分別給予不同的錯(cuò)誤代碼(error code)。當(dāng)系統(tǒng)無法找到光線和表面合理的交點(diǎn)時(shí)，通常會有以下幾種狀況: (a)光線無法通過光圈(aperture)，而形成減光的結(jié)果 (b)光線在介面產(chǎn)生全反射 (c)光線超出表面等。當(dāng)OpticStudio對黑盒子進(jìn)行光線追跡時(shí)，僅能得知進(jìn)入盒內(nèi)的光線未能順利離開，此時(shí)會產(chǎn)生 '光線錯(cuò)誤(Ray Miss)' 的情況。注意，當(dāng)主光線(chief ray)不能被追跡時(shí)，例如望遠(yuǎn)鏡中 '中心遮攔(central obscuration)' 的現(xiàn)象。此時(shí)由於缺乏主光線的參考，因此無法成功計(jì)算出波前(wavefront)。
• 使用者無法由黑盒子內(nèi)部的光學(xué)面獲取光線資訊，因此物面、光欄及像面部各設(shè)置在黑盒子內(nèi)部。OpticStudio在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要直接存取(direct access)這三個(gè)面的光線資訊。
• 此外，因?yàn)樵诤诤凶咏Y(jié)構(gòu)中只有出射光的資訊是可以得知的，所以沒有半進(jìn)行物理光學(xué)方面的分析。但由 '快速傅立葉變換(FFT)' 及 '惠更斯子波(Huygens'  wavelets)' 兩個(gè)方法產(chǎn)生的PSF和MTF分析能可順利進(jìn)行。
• 黑盒子結(jié)構(gòu)所選定的表面可能包含Coordinate Break和surface tilts/decenters，但需要特別留意的是黑盒子的第一個(gè)面及最後一個(gè)面必須位在同一個(gè)空間座標(biāo)。
  

由於黑盒子的厚度會影響到其他光學(xué)元件的排列，因此這個(gè)數(shù)據(jù)是會顯示在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(LDE)上的。然而，這並不會透露任何黑盒子內(nèi)部的資訊，僅代表光線的入射及出射平面。此外，由於黑盒子的厚度不能被改變，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)必須被設(shè)置在和原始光學(xué)元件相同的’鏡像空間(mirror space)’。(經(jīng)面鏡反射後，光學(xué)元件的厚度須更改為負(fù)值，但黑盒子的參數(shù)無法被變更，如此一來模擬會產(chǎn)生錯(cuò)誤。) 假如原始光學(xué)元件位在鏡子後方，則包裹後的黑盒子也必須放在同一個(gè)位置。

注意: ‘Zernike surface’是Zemax黑盒子(Black Box tool)的另一個(gè)替代方案。這個(gè)功能允許像差資料根據(jù)單一場點(diǎn)(field point)、波長和共軛比例(conjugate ratio)做定義。

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