[转载]各種雜散光分析工具介紹 [复制链接]

摘要：在OpticStudio中從設計鏡頭到分析雜散光為止是一個完整的設計流程，軟體中內建各種工具讓序列模式到非序列模式能輕鬆的無縫接軌，其中包含一鍵轉換非序列，以及關鍵光線組等工具。 XX5 ):1  
本文章將使用內建的雙高斯鏡頭示範在OpticStudio中如何分析雜散光，內容包含： /I3#WUc;![  
* 介紹雜散光 Y%b 5{1  
* 轉換序列式設計到非序列模式 5rqjqfFa  
* 設計鎖定工具 !Jw   
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 /H=fK  
* 用 Filter String 篩選光路徑 @ba5iIt  
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 N0h"EV[  
+pJ;}+  
文章發布時間：April 23, 2017 Dcq\1V.e`W  
文章作者：Michael Cheng twqjaFA>  
?w1_.m|8u  
簡介 &3mseU  
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： :2?J#/o  
P.P3/,  
x"~F=jT  
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： LMWcF'l  
SI3ek9|XU  
lztPexyXZ  
HHD4#XcU  
開啟範例檔 P@:#NU[  
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx x2.G1  
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 m,v"N%k,  
dWE[*a\g  
|C@)#.nm[  
o(w1!spA  
設計鎖定工具 N\Bygjw|  
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 =*qu:f\y  
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： 6#On .Q  
* 開啟 Ray Aiming v
bmSbZ"y  
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size X&h4A4#P  
* 改為 Angle 或 Object Height _d&zHlc_  
* 固定表面孔徑：Circular Aperture Gd`qZqx#  
* 移除漸暈係數 A5tY4?|  
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 Deq
~"  
{j[[E/8N!y  
5.#r\' Z#  
Qv,|*bf  
產生關鍵光線組 =M)>w4-  
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： +/7UM x1  
`h(JD$w  
`!DrB08A  
)H#Hs<)Qy  
轉換到非序列 ;Aiuy{<  
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 &h-d\gMJ  
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 r80w{[S$  
(F]f{8  
Ooz+V;
#Q  
',`iQt!Lx  
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 q"'^W<i
 
kg7oH.0E  
;_M .(8L  
s"p}>BjMIC  
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： ?UoA'~=  
|]HU$GtS  
'O8"M  
s%>>E!Qi_  
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： oA}&o_Q%  
tQbDP!,A*=  
b{s_cOr/  
g1JD8~a  
檢查關鍵光線組的狀況 BS>|M}G)r  
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 JSt%L|}Y  
#tKc!]m  
K0yTHX?(.  
g}@_ @  
分析雜散光所需的設定  W *0XV  
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 y. @7aT5  
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 /d9I2~}B  
`{CaJ6.  
aAF:nyV~~0  
'N)&;ADx-G  
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 ;#P@(ZVT  
Vc$x?=  
Fd2Eq&:en$  
gfw,S;  
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 "2}04b|"  
OqtQLqN  
v2G_p|+O  
*TVr| to  
初步追跡結果 1]aM)},  
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 4~hd{8  
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 oU% rP  
1Z6<W~,1OM  
v$s3f|Y  
Kjc"K36{L  
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 wo$9$~(  
:"g^y6i  
[MdVgJ9'  
<s2IC_f<+  
並且設定視窗如下圖。 di>"\On-  
?P
,z^  
y/h~oGxy  
z
*>"I  
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 UGj!I  
@bOhnd#W  
8]]uk=P  
#Z)e]4{!l  
使用Filter String $Lv,e\]  
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 eZIqyw  
RmY5/IYR|:  
^](sCE7  
{3@f(H m  
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 Dz
:A.x@$*  
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 CO%7^}xSE,  
K>l$Y#x}k  
8s-y+M@.  
E'j>[C:U  
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 rE;*MqYt&
 
)."_i64  
NE,2jeZQ.  
qc2j}D0  
!'wh hi  
pYa8iQ`6U;  
給透鏡加上鍍膜 q.U` mtS  
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 Z,)4(#b =  
這裡我們在 Zy|B~.@<j  
物件6的Face 2以及 7"@^JxYN  
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 O`Er*-O  
'FgBYy/
 
JGOry \  
ztTj2M"  
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 ?1*Ka  
d00#;R  
E;/WP!/.  
y<0zAsT  
3_|<CE6  
分析特定區域的光 (使用Filter String) "XfCLc1 T  
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ NY 756B*  
px8988X  
)'+" y~  
gI "ZhYI  
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 4~xKW2*`K  
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 Q)c3=.[>  
WvR-0>E
 
yiO!ZT  
 a?S5 =  
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 ;$,=VB:'  
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 +wc8rE6+W  
3.@"GS#"[  
n75)%-  
|a4cER.'2^  
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 7'Z-VO  
J!Er%QUR  
1/+d@s#t  
J|,Uu^7`  
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 ]<L(r,@,  
p[R4!if2  
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 N(uHy@  
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 <|Srbs+  
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 uonCD
8  

2?P H||  
`ppyCUX  
M.fAFL  
-f
pe  
}py)EI,U  
進階路徑分析 Ha~F&H|"O  
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 ]H|O  
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 c?5?TJpm  
uN>JX/-  
cq]JD6937  
p3r("\Za,  
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 "uCO?hv0  
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 $B%wK`J  
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 GWFF.Mo^  
3LGX ^J<f  
Drm#z05i[g  
/2^"c+/'p  
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 !LI6_Oq  
/pY-how%!  
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 %,T=|
5  
n(I,pF  
P5Lb)9_Jw  
M~%P1@%  
_%g L  
r{>Q{$Q  
H9;0$Y(e-  
i;Dj16h  
<fHJ9(5$V  
 I~T   
（转自：中文版 Zemax Forum ）

这个功能不错

多谢楼主分享

这个操作起来有点繁琐，不如tracePro来的简单明了

dio中從設計鏡頭到分析雜