Sequential and non-sequential Zemax Dynamic Link Libraries for generating image slicer integral field units

在光學設計軟體 Zemax OpticStudio 中建模天文儀器的影像切片器，傳統上需要動用數十個獨立配置，不僅光線追蹤速度極慢，更無法準確計算繞射效應。夏威夷大學天文研究所近期發表了全新的動態連結函式庫（DLLs），能在單一檔案內支援高達 5,000 個光學切片的建模，大幅減少運算負擔並重現現有儀器的複雜設計。

積分場光譜儀與影像切片器的重組機制

在天文觀測中，積分場光譜儀（IFS）能同時記錄空間與光譜資訊，是不可或缺的觀測利器。影像切片器（image slicer）作為一種積分場單元，利用陣列式的傾斜反射鏡，將望遠鏡焦平面重新排列成一個或多個「偽狹縫（pseudo-slits）」，接著再送往光譜儀進行分光。相較於其他類型的設備，影像切片器具有本質上的消色差特性、較低的熱背景輻射，並能在偵測器上達到更高的填充因子。

一個典型的影像切片單元包含切片反射鏡與瞳孔反射鏡。切片反射鏡負責捕捉部分焦平面的光線，並利用傾斜角度控制光束位置；接著光線會被導引至對應的瞳孔反射鏡重新對焦。這些反射鏡陣列透過精確的傾斜與排列，將原本二維的焦平面影像切開並平鋪成線性狹縫。例如，NASA 紅外線望遠鏡設施（IRTF）的 SPECTRE 儀器，就使用了兩組反射表面來建立三排偽狹縫。

突破 Zemax 序列模式與多重配置的運算瓶頸

多數天文儀器都仰賴 Zemax OpticStudio 的序列模式（sequential mode）進行設計，該模式假設光線會按照預先設定的順序穿過各個表面。然而，Zemax 缺乏原生的表面類型來表示影像切片器，導致工程師必須為每個通道建立獨立的配置（configurations）。當切片數量增加時，這種解法的運算成本會急遽上升，嚴重拖慢優化速度。

如果改用非序列模式或匯入 CAD 模型，雖然可以組裝複雜的幾何物件，但會失去序列模式下強大的分析工具，例如計算物理光學傳播（POP）與繞射圖案的能力。此外，轉換為非序列物件後，設計便難以輕易修改與最佳化。過多的多重配置也限制了光譜儀其他部分的設計彈性，例如無法在同一個檔案中定義不同的光譜通道，任何設計變更都需要耗費大量工時同步到不同檔案。

透過 DLL 重建 36 切片 SPECTRE 光譜儀的設計

為解決上述痛點，研究團隊開發了以 C 語言撰寫的序列與非序列動態連結函式庫（DLLs），將影像切片器封裝為自訂的表面類型。這套 DLL 將所有切片整合進單一配置中，不僅能大幅提升光線追蹤速度，更能執行 POP 分析，評估整個影像切片單元的綜合繞射圖案。

以包含 36 個切片的 SPECTRE 儀器為例，過去受限於運算負擔，設計師只能拆分成每次運算 9 個切片的檔案進行模擬。而在導入 DLL 後，包含 36 個切片的完整模型只需 1 到 2 秒就能完成光線追蹤與基本分析。此外，SPECTRE 後端的三個獨立光譜通道，現在也可以直接存放在不同的配置中，實現全系統的單檔整合與連動優化。

以真實製造工藝為基礎的參數化建模邏輯

影像切片器的表面參數極為複雜，這套 DLL 的參數設定邏輯直接借鏡了製造商的加工工藝。以 Bertin Technologies 的製程為例，他們會將多個切片疊合在一起作為單一表面進行拋光，隨後再將各別切片依序旋轉，製造出錯落的光束路徑。

DLL 提供了「標準模式」與「自訂模式」兩種設定。標準模式利用切片設計的週期性，假設同一區塊的所有切片具有相同的基礎曲率與表面類型，藉此減少使用者需要輸入的參數。而自訂模式則允許透過外部檔案為每個切片單獨設定任意的旋轉、平移與非球面參數，最高可支援達 5,000 個切片，並僅佔用約 500 kB 的記憶體。非序列版本的 DLL 則會將切片器繪製為多面體構成的封閉三維物件，特別適合用於評估切片邊緣造成的散射與雜散光。

從天文儀器延伸至微透鏡與微機電系統的潛力

這套 DLL 所奠定的核心技術，建立了一個由非球面、平面或圓柱面組成的任意矩形網格，並允許每個單元獨立傾斜與平移。這樣的設計彈性不僅限於天文影像切片器，更能輕易應用在其他需要精確定義多重分割表面的光學系統上。

具體而言，該技術非常適合用來模擬具有不同焦距的微透鏡陣列（microlens array），這類元件在捕捉不同深度的 3D 生醫影像領域極具潛力；工程師也可以用它來建立數位微鏡裝置（DMD），模擬具有任意數量的微型反射鏡陣列。雖然目前它不適用於模擬六角形分割的主鏡，但未來若進一步修改光徑參數，這套架構亦有機會擴充以支援自由曲面繞射光柵的建模。

單一 DLL 封裝複雜切片，打破多重配置運算瓶頸，為微光學陣列釋放龐大的設計潛能。