光学系统设置之序列表面：如何使用黑盒子表面

为了使光学工程师在分享设计档案的同时，能够隐藏特定的内部资讯，OpticStudio加入了黑盒子(Black Box Lens surface)的功能。这篇文章说明了如何在模拟软体中，将部分或整个光学系统包装成黑盒子的形式，以及如何在后续的光学模拟中使用黑盒子进行设计、优化和分析。

范例档案下载地址

http://downloads.zemax.com/zemax-portal/knowledge_articles/KA-01382/Downloads/BlackBoxSurface_Sample.zip

简介

在光学设计的流程中，客户和供应商有时候会需要可进行光线追迹(ray-traceable)的档案来完成任务。另一方面，在设计者的立场上，一些有关公司智慧财产权的资讯是不能被公开的。在这种情况下，后续的作业很难只依靠光瞳大小(pupil size)、成像位置(image location)等有限的资讯继续进行设计。为了有效解决类似的问题，OpticStudio提供了黑盒子(Black Box Lens)工具。

在使用上，黑盒子(Black Box Lens Surface)提供了所有光线追迹需要的资讯，可以保证光学系统得到如同在镜面编辑器(Lens Design Editor)中输入完整参数一样的模拟结果。同时，系统会以256位元的标准对黑盒子进行加密，使该部分的元件被隐藏。

这篇文章将说明如何在设计中产生及使用黑盒子(Black Box Lens)的功能。

产生黑盒子(Black Box Lens Surface)

设计者可以随时在光学系统中加入黑盒子(Black Box Lens Surface)的结构，但我们通常会选择在设计完成后再进行这个步骤。在使用这个功能时，我们建议先在光学系统中加入两个虚拟面(dummy surface)，并将想要包裹进黑盒子的光学元件置于这前后两面之间。虚拟面所圈出的大小相当于此光学系统的外壳范围(也可以是外壳的延伸，较原始结构稍大一些)或是在光瞳的位置。

在范例档案中(下载连结位于文章顶端)，我们的目标是针对一个双高斯镜头(double-Gauss objective)进行改造。在这个设计中，我们将虚拟面视为光学架构的外壳，并将数个镜面装入其中。

结果

在模拟的过程中，根据'黑盒子(black box)' 的特性，一些可预期或是令人意外的结果可能会产生。如同原始的光学系统，光线由黑盒子的前表面入射，ZUI后由后表面离开。在产生等效光线路径的同时，所有表面的资讯却都能被完美地隐藏。除此之外，还有一些可能使你感到惊艳的小细节:

• 如上述所言，所有的表面资讯都会被隐藏在黑盒子内，不能被指定为分析功能(analysis feature)、优化操作数(optimization operand)或ZPL指令的对象。举例而言，设计者无法对黑盒子档案进行公差(tolerance)和热变化(thermal)的分析。一旦黑盒子设定完成，任何针对盒子内部的变更都是不被允许的。另一方面，黑盒子外部的光学元件还是能被分析和优化。
• 一般而言，OpticStudio能区别因不同原因而无法顺利抵达像面的光线，并分别给予不同的错误代码(error code)。当系统无法找到光线和表面合理的交点时，通常会有以下几种状况: (a)光线无法通过光圈(aperture)，而形成减光的结果(b)光线在介面产生全反射(c)光线超出表面等。当OpticStudio对黑盒子进行光线追迹时，仅能得知进入盒内的光线未能顺利离开，此时会产生'光线错误(Ray Miss)' 的情况。注意，当主光线(chief ray)不能被追迹时，例如望远镜中'中心遮拦(central obscuration)' 的现象。此时由于缺乏主光线的参考，因此无法成功计算出波前(wavefront)。
• 使用者无法由黑盒子内部的光学面获取光线资讯，因此物面、光栏及像面部各设置在黑盒子内部。OpticStudio在进行计算时，需要直接存取(direct access)这三个面的光线资讯。
• 此外，因为在黑盒子结构中只有出射光的资讯是可以得知的，所以没有半进行物理光学方面的分析。但由'快速傅立叶变换(FFT)' 及'惠更斯子波(Huygens' wavelets)' 两个方法产生的PSF和MTF分析能可顺利进行。
• 黑盒子结构所选定的表面可能包含Coordinate Break和surface tilts/decenters，但需要特别留意的是黑盒子的第一个面及ZUI后一个面必须位在同一个空间座标。