如何使用ZEMAX的黑箱Black Box 功能？

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本文出自南京光研的教程，后面没有特别强调是自己原创，基本都是搬过来的。。。。。

引言

本文将介绍ZEMAX的黑箱Black Box功能的优点及使用方法。

通常情况下，我们会遇到将设计文件以ZMX的方式分享给客户，但是这样往往会将全部的数据信息给出。

这就相当于软件程序员要分享源代码是一样的，因此很多设计者通常采用等效的方式来处理。

例如，采用理想透镜、ABCD矩阵面型、Zernike面型等，但是这些面都无法提供完整的像差或实际光线传播信息。

ZEMAX的黑箱Black Box功能让这个问题迎刃而解，而且加密技术采用256bit加密算法，确保了加密的高强度安全性。

以双高斯镜头为例，在镜头进行设置前的状态如下图所示

备注，以下步骤很重要，原教程中没有这一步，这一步不设置，各种傻逼错误，必须要把孔径固定下来

从ZEMAX 工具菜单上选择Export it to a Black Box

操作后的镜头如下所示，指定范围内的面型就被隐藏起来了

此时的透镜数据编辑器 LDE 变为：

这样在隐藏特定设计的同时，你可以确保给客户的设计结果和原始是一致的。

原則與注意事項
光學設計師在某些情況下可能不願意揭露他們的設計細節，尤其是他們可能花費大量的時間與成本來建立這個設計，但又需要客戶驗證過這些設計可以符合規格才能交貨。這造成了兩難：把整個ZMX檔交給客戶除了應付驗證需求外，同時也把設計細節暴露了。這個工具就設計來同時滿足設計者以及終端客戶用的。

Zemax Black Box是一種加密的檔案，內容包含了好幾個面的基本資料。這個檔案中包含了大部分OpticStudio一般操作時需要存取的表面資料，包含半徑、厚度、孔徑、座標、色散、參數 (parameter) 以及追加資料 (extra data)。這個由持有專利原始設計者建立，然後寄給終端客戶，通常客戶會把這個設計檔再加入到另一個更完整的系統中去驗證。這個加密的設計會在Lens Data Editor中以Black Box Lens的姿態存在。使用者會看到光線的行為如同原始設計一樣的進入，然後一樣的射出，但同時Black Box中的細節又可以被隱藏。使用者將無法得知或修改包含在Black Box中的資料。

要建立Black Box檔案，請先選取Lens Data Editor中想要轉換的範圍，然後點選File Ribbon > Export Group > Export Black Box圖示。你也可以直接在這個工具中直接指定要轉換的面的範圍。這個工具中僅有一個選項可以選擇，就是 “Create and load test file after black box export”。我們強烈建議勾選這個選項，這個選項讓你可以在建立Black Box之後確認光線追跡的結果與原始設計相同。勾選這個選項後，系統將會另把目前的光學系統另存新檔，檔明會再後綴一個 “_BB” 。如果有相同檔名的檔案存在，將會被自動覆蓋。Black Box資料本身會另外建立，副檔名是 “.ZBB” ，並且預設會被儲存在 <data>\BlackBoxes\資料夾中。這個新建的檔案將會被對應到Lens Data Editor中的Black Box Lens，這個新的表面將會取代原始的設計。Black Box檔案的檔名不能超過32的字元 (包含 .ZBB副檔名)

Black Box以及測試檔案建立後，我們建立使用者使用Archive的功能把所以相關檔案打包，然後直接寄給終端使用者。打包相關功能請參考Help文件中的Create Archive條目。
更多關於Black Box Lens這個表驗的資訊，請參考Help中的 “Black Box Lens” 條目。

Black Box的資料結構被設計過，它會讓所有OpticStudio的分析功能都無法讀取內部曲面的相關資料。光線進入Black Box，然後系統利用內部資料追跡，並且所有存取曲率、厚度、玻璃型態、非球面係數以及其他資料的功能都無法使用。Black Box中的折射透鏡會利用原始檔案中完整的色散資料，因此可以 “重現” 任何波長的追跡結果。如果追跡波長超過了基本資料的限制，系統則會發出警告。如果任何光線被漸暈或是在Black Box中發生TIR，則會被當作是 “消失的光線 (ray miss)” 錯誤處理。請注意有一部分的分析功能，例如計算透鏡重量，將無法存取Black Box的資料，並回報出一些沒有意義的結果。

在Layout圖上，Black Box會以圓柱體的方式存在，其徑向孔徑會由輸出時第一面的Semi-Diameter來決定，如果內部有任何面比第一個面的孔徑大時，則會以該面的資料為主。整個Black Box的厚度，則會與輸出時圈選範圍內的面加總後相同。

在輸出Black Box檔案的時候，有一些資料型態的限制必須注意：
● 有選擇到的面都會被輸出。第一個面跟最後一個面都不會被忽略。
● 如果Black Box範圍中的第一個面在整個系統中，是在偶/奇數個鏡面之後，則最後一個面也必須同樣是在偶/奇數個鏡面之後。圈選範圍可以是位於鏡面空間 (光在-Z軸上傳播) 之中，但注意這樣的話，這個Black Box也只能在相同的條件下運作。也就是輸出時第一個面如果是在偶/奇數個鏡面之後，則之後要重現這個Black Box功能時，也只能把這個Black Box Lens放在偶/奇數個鏡面之後。
● 使用Coordinate Break以及Surface Properties中的Tilt/Decenter來傾斜、偏心面是沒有問題的，但是最後一個面必須與第一個面處在相同的座標系統中。這表示第一個面與最後一個面的局部X、Y、Z座標系必須是平行的，而且X、Y相對偏心量必須是0。
● 並非所有面都可以被轉換為Black Box，例如Non-Sequential、Birefringent、Paraxial，以及有用到外部資料的面，例如User Defined DLL、Grid Sag等，以及一部分特殊的面型態等。如果您需要設為Black Box的面不支援時，請聯絡技術支援服務，以取得進一步的支援。
● 光欄面 (STOP) 不能位於第一面與最後一面之間，不過可以是這兩個面其中一個。有需要的話，使用者可以分別把光欄兩側的系統個別輸出，在同一個系統中可以包含任意數量的Black Box。
● 如果Black Box中任意面上有設定膜層 (coating)，它們必須不含taper的標準膜層 (Standard coating) 或是加密膜層 (encrypted coating)，關於加密膜層請見Help文件中的 “Export Encrypted Coating” 條目。Black Box中無法使用●deal或是Table的膜層。Black Box匯出時，系統會自動把沒加密的膜層加密，而新產生的加密檔名稱會自動被前綴 “ZEC_” 的字樣。舉例來說，我們有一個叫BB_AR_5的膜層要加密輸出為ZEC_BB_AR_5的檔案。如果這個檔案已經存在，系統會自動複寫而沒有警告。加密的膜層檔將不會被包在ZBB檔中，而需要分開發送給客戶端使用。現在最簡單的方法就是利用File Ribbon > Create Archive把結果產生的Black Box鏡頭系統整個打包為ZAR檔案，然後發送給客戶。
● 所有具有屈光率 (optical power) 的面都必須被設定一個Aperture，以讓Black Box可以正確的把落在孔徑外側的光線切斷。在Lens Data Editor的上方使用者可以找到一個工具叫做 “Convert Semi-Diameters to Floating Apertures”，使用者可以利用這個工具快速的把所有面從Semi-Diameter定義改為孔徑定義。或是孔徑定義也可以在Surface Properties中手動設置。
● 使用者自定孔徑 (User-Defined Aperture，.UDA) 不支援Black Box。
● 請注意任何被Black Box漸暈 (Vignetting) 的光線都會被處理為消失 (missing ray) ，因而這可能會導致一些分析功能無法適當運作，例如望遠鏡的中間檔版會阻斷Chief Ray，因此Spot Diagram就無法以Chief Ray為參考做圖並運算。
● 有一些分析功能會需要存取每個表面的資料才能運作，例如Physical Optics Propagation將會無法在Black Box檔案中重現分原始設計相同的分析結果。
● 只有目前的結構 (current configuration) 會被輸出。如果您的系統是多重結構 (multi-configuration)，例如熱模擬，則你會需要把每一個結構都各別輸出。之後再把這些Black Box讀取到新的多重結構系統中時，使用者可以利用MCOM這個configuration operand來設定每一個configuration要讀取不同的Black Box檔案。
● 任何有設定求解的資料，都會被轉換為固定的常數。在Black Box面中不支援任何的求解。如果在輸出BB時，勾選了 “Create and load…”，則那些位於Black Box範圍外，但是有參照到Black Box內部資料的求解也會被關閉為固定常數。
● 模型 (Model) 以及表格 (Table) 玻璃不被Black Box所支援 - 所有需要的色散資料都會從目前的玻璃庫 (current glass catalog) 中取出後，整合在Black Box之中。為一個例外是折射率漸變 (Gradient Index) 的表面。
● 折射率漸變面的折射率資料一般來說是用參數資料 (parameter data) 設定的，而參數資料會被加密道Black Box之中。Gradient 5面在被轉換到Black Box時，會把漸變多項式的參數儲存為加密形式，但其使用的散資料則會沒有加密，它會引用原本就儲存在OpticStudio資料夾中的SGRIN.DAT檔案。Gradient 6則是會使用GLC.DAT檔案，同樣也是原本就存在於OpticStudio安裝資料夾中的檔案。
● Black Box內的表面散射目前還無法支援。

Black Box使用256位元的加密演算法，可以提供非常良好的安全性，但並非完全不可能破解。使用者在使用這個功能傳遞檔案前，必須自行判斷這樣的加密程度，是否能達到相關應用所需的安全性。Zemax LLC並無法為這個功能提供保固以及相關的擔保。

jw_lee

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