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)計檔案的同時，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行設(shè)計、優(yōu)化和分析。

簡介

在光學(xué)設(shè)計的流程中，客戶和供應(yīng)商有時候會需要可進行光線追跡(ray-traceable)的檔案來完成任務(wù)。另一方面，在設(shè)計者的立場上，一些有關(guān)公司智慧財產(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)進行設(shè)計。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，系統(tǒng)會以256位元的標準對黑盒子進行加密，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)計者可以隨時在光學(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)計完成後再進行這個步驟。在使用這個功能時，我們建議先在光學(xué)系統(tǒng)中加入兩個虛擬面(dummy surface)，並將想要包裹進黑盒子的光學(xué)元件置於這前後兩面之間。虛擬面所圈出的大小相當於此光學(xué)系統(tǒng)的外殼範圍 (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。

在範例檔案中(下載連結(jié)位於文章頂端)，我們的目標是針對一個雙高斯鏡頭(double-Gauss objective)進行改造。在這個設(shè)計中，我們將虛擬面視為光學(xué)架構(gòu)的外殼，並將數(shù)個鏡面裝入其中。

為了讓OpticalStudio能依據(jù)每一個光學(xué)元件的尺寸進行光暈(vignetting)的計算，我們必須確保範圍中每個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到前述的目標。在選擇光圈形態(tài)(Aperture type)時，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光學(xué)元件的實際範圍。

在File工具列中點擊Zemax Black Box建立黑盒子。

我們建議設(shè)計者勾選 '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)。在這個情況下，OpticStudio會在產(chǎn)生黑盒子的同時，將定義範圍內(nèi)的表面刪除。接著在光學(xué)設(shè)計中放入黑盒子，並以 '{原始名稱}_BB.zmx' 的檔名儲存。這個簡易卻十分重要的步驟可以讓我們確認黑盒子檔案成為了最終的輸出檔案。最後，這個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，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)計者無法對黑盒子檔案進行公差(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像面的光線，並分別給予不同的錯誤代碼(error code)。當系統(tǒng)無法找到光線和表面合理的交點時，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OpticStudio對黑盒子進行光線追跡時，僅能得知進入盒內(nèi)的光線未能順利離開，此時會產(chǎn)生 '光線錯誤(Ray Miss)' 的情況。注意，當主光線(chief ray)不能被追跡時，例如望遠鏡中 '中心遮攔(central obscuration)' 的現(xiàn)象。此時由於缺乏主光線的參考，因此無法成功計算出波前(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在進行計算時，需要直接存取(direct access)這三個面的光線資訊。
• 此外，因為在黑盒子結(jié)構(gòu)中只有出射光的資訊是可以得知的，所以沒有半進行物理光學(xué)方面的分析。但由 '快速傅立葉變換(FFT)' 及 '惠更斯子波(Huygens'  wavelets)' 兩個方法產(chǎn)生的PSF和MTF分析能可順利進行。
• 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面及最後一個面必須位在同一個空間座標。
  

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位置。

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

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