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。
oMj"l#a* 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:
BoYY^ih * 介紹雜散光
Mh-"B([Z * 轉換序列式設計到非序列模式
'kt6%d2 * 設計鎖定工具
[1P_^.Htr * 關鍵光線組產生器 & 追跡
]$r]GVeN}H * 用 Filter String 篩選光路徑
O0L]xr * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
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R@b^ `D~oY= 文章發布時間:April 23, 2017
x-CjxU3 文章作者:Michael Cheng
>,]a>V uhfK\.3 簡介
D5P-$1KPt 使用者用序列模式設計鏡頭,處理完
成像品質、畸變、相對
照度以及
公差分析等問題之後,在原型製作之前,還會需要進行機構相關的分析,以避免出現多重反射的鬼影或強烈
光源散射的雜光。一般來說,雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統,最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例:
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Q:megU'u 1Ys=KA-!_x 在照相領域中,常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射,或是視野內的光源通過鏡片二次反射,聚焦到像面上這兩種。而在其他系統,例如天文望遠鏡,可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例:
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ue@/o,C> GEc-<`- 18rV Acj 開啟範例檔
xz!0BG 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
pxTtV g. 作為前置作業,讓我們先把所有的鍍膜都取消,因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。
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63=&??4 C`i#7zsH %u66H2 設計鎖定工具
k4LrUd 接著我們執行Design Lockdown工具,此工具會調整使用者的系統設定,使鏡頭符合實際運作的條件,分析結果更正確。
V4V`0I 粗略來說,這個工具所執行的步驟如下:
[S,$E6&j$" * 開啟 Ray Aiming
+\Jo^\ * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
0q"4\#4l * 改為 Angle 或 Object Height
MSS[-} * 固定表面孔徑:Circular Aperture
k}fC58q * 移除漸暈係數
%"mI["{ 關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。
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@iuX~QA[9 % akW43cE 產生關鍵光線組
_F6<ba}o3 在轉換到非序列模式之前,讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線,這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中,直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下:
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a{); 轉換到非序列
IsI5c 在OpticStudio分析雜散光最方便的就是,我們只需要一個步驟,就能快速地切換到非序列模式中。
jSE)&K4nI 有關於序列到非序列模式的切換,我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章,讀者有興趣可以參考,此文章標題為:轉換序列式面到非序列物件
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$uTrM8 QNx]8r 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。
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R%RbC!P ;99oJD, 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:
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A|f6H6UUx )]C]K B 我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下:
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GO"|^W 3Y38lP:>h 檢查關鍵光線組的狀況
B=d<L^ 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。
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?3BcjD0 =_-u;w1D 分析雜散光所需的設定
p}!i_P 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。
/lC# !$9vz 首先是把最大光線分裂次數,以及最大光線與物件交會次數調整到最高,在雜光的分析中,有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的,如果分裂次數或交會次數的設定不足,可能無法充分分析到所有狀況。
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Hdew5Xn(: %evb.h) 然後我們把追跡的光線數降低到5000條,原因是分析雜散光時,通常一條光線會分裂為非常多的子光線,比起不分裂的狀況,速度可能慢上十幾倍到百倍不等,這邊以示範為目的,因此我們把光線數量控制到較少的5000。
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06Wqfzceb G7&TMg7i 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150,這會讓追跡的速度較快。
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9k;,WU(K< 9DA|;| 初步追跡結果
Nksm&{=6S 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡,如下圖設定操作。
%htI!b+"@ 注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
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Ps@']]4>W DehjV6t 追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。
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tR>zBh_b p48enH8CO 並且設定視窗如下圖。
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9~W]D!m, ^ l#6Es 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
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2ul8]= 4q] 6[/ 使用Filter String
1@OpvO5 現在我們要找出這些雜光的發生原因,並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光(鬼影光)。為了特定出這些特定的光線,我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能(下圖中紅框框起來的部分)。
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H #l}Fk)dj 接下來我們要使用一個快速的技巧,從前述的鬼影光線中,把入射到像面(探測器)上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的,如下圖紅框的部分,此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例,預設是1x10^-6,代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
23r(4 現在請輸入0.005,這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時,就停止追跡。
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)$TN%hV! y]yl7g =~ 此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。
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B<EqzP*# zn-=mk;W
-OJ <Lf+"= *>W<n1r@] 給透鏡加上鍍膜
`C: 7N=9 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。
fd *XK/h 這裡我們在
X:s~w#>R 物件6的Face 2以及
8:& !F`o 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
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(UkDww_! eQuw uT 再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
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%WU=Vy 4 c"tlNf? uEb:uENk'( 分析特定區域的光 (使用Filter String)
\r:*`Z*y 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?
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5!A:xV]6] E\D,=|Mul 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。
pv0|6X?J" 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。
6Tmz!E0 =aB+|E
EpF9&