Zemax&Speos:杂散光分析案例演示
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发布时间：2024-10-23 23:20
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时间：2024-11-21 22:52
本篇文章主要介绍如何利用Zemax和Speos进行杂散光分析，并基于2024R1版本Zemax和Speos，快速进行透镜文件交互。
在现代光学设计中，杂散光分析是确保光学系统性能达到最优的关键步骤。杂散光，也称为非期望光，通常来源于系统内部或外部的反射、折射、散射和衍射。这些非期望的光线可能会导致图像质量下降，降低传感器信噪比，影响光学系统的性能。因此，准确预测和量化杂散光对于高精度光学应用至关重要。
本文将分为两部分，分别介绍Zemax和Speos的杂散光分析基本操作。
01 Zemax非序列模式杂散光分析
因为是案例教程，所以我们直接使用Zemax自带案例，文件位置：Samples\Sequential\Objectives\DoubleGauss28degreefield.zmx。打开文件，镜头基本设计如下图：
在将序列格式文件导出为非序列格式时，首先要锁定系统设计，并利用特定光线生成器生成主射线，后续用于非序列模式光线检查：
完成之后，即可将序列模型转换为非序列，文件打开如下：
接下来可以检查特定光线状态，这一点在增加结构元件后比较有用，这里演示一下操作：读取刚刚保存的特定光线，应用后，即可检查结构的遮挡情况：
因为要分析杂散光，所以需要打开偏振和NSC光线，此时在光路模型中能够看到每个透镜表面发生的反射以及折射现象：
同理，在非序列实体模型中也可以实现同样效果：
像面辐照度分布如下，能够看到除主光路外，像面上还存在很多杂散光：
然后返回3D视图中，利用滤镜字符串+光线追迹相对阈值来识别杂散光路径，可以有效提高分析效率：
能够看到在第二片透镜的右侧表面，产生很强的杂散光光路，所以在编辑器中将这个表面设置为镀AR膜：
重新进行光线追迹，会发现像面上杂散光分布程度明显有减小：
对于剩余杂散光分析，主要关注其中能量较强的光线，因此可以在光线追迹前设定光线追迹的相对阈值为0.005，重新运行后，探测器如下：
从上图，发现在像面下方有比较集中的高能量光线射入，如果我们想知道这个特定区域的杂散光来自于哪里，同样可以使用字符串来实现：{#50}X_XGT(17,-14)&X_XLT(17,14)&X_YGT(17,-50)&X_YLT(17,-47)，字符串含义是利用坐标方式框选像面的关注位置，并关注排名前50的光线，重新运行光线追迹，即可得到下方位置杂散光来源光路：
在此基础上，通过路径分析工具对此部分光线进行详细路径分析，明确光线经过的表面信息：
结果上，可以看出能量最强是通过3-6-17实现，通过字符串{#50}X_XGT(17,-14)&X_XLT(17,14)&X_YGT(17,-50)&X_YLT(17,-47)&_1可以直接显示这个光路：
通过更改字符串最后一位数字，可以看到其他杂散光路径：
同样，在Zemax非序列模式下，也可以分析带有结构件的杂散光分析，操作方式基本相同，差异在于需要对结构件表面定义不同光学属性，导入模型文件后：
因为要考虑机械元件，将表面光学特性设置为如下：
增加一个椭圆光源，进行光线追迹，同样可以完成杂散光路径分析如下，操作与上面相同，这里不重复演示：
02 ANSYS Speos 杂散光分析
首先个人觉得ANSYS Speos在非序列光路分析中相比于Zemax还是有它的优势的，所以下面利用一个简单的模型演示一下如何用Speos完成杂散光分析。
首先导入镜筒等结构文件：
导入光学元件模型，这里利用Zemax和Speos文件交互，直接导入透镜，并会带入玻璃牌号等信息：
需要注意的是，Zemax导入后，依旧需要对玻璃折射率进行设置，这里为了案例演示方便，统一设置为1.5。同样在这一步也要对其他元件进行材料设置，否则在分析运行会报错。
下一步是设置光源，这里采用简单的面光源：
设置传感器，这个传感器为Zemax透镜文件导入自带，也可以添加新的传感器：
设置仿真，选择计算需要考虑的物体，选择光源和像面，并要打开Light Expert，后续分析杂散光需要使用：
运行分析后，得到如下结构，采用剖面，可以看到光路轨迹，通过Light Expert，选择像面不同位置光路：
但是在这个分析中带有主光路，所以在设置中可以将序列1的取消勾选，就能得到去除主光线，仅保留杂散光的光路和成像分析（这里的序列就是按照光经过的表面以及最后在像面上能量排序）：
通过序列分析，能够看到第一序列为主光路，占据最高的能量，后续为杂散光光路，并列出了产生光路的表面和能量信息：
