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。
Fwm$0=BXL 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:
+cpb!YEAb * 介紹雜散光
ci,(]T+! * 轉換序列式設計到非序列模式
V:0IBbh)w * 設計鎖定工具
iIfiv<(ChM * 關鍵光線組產生器 & 追跡
'2,~'Zk * 用 Filter String 篩選光路徑
/4{WT?j * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑
eAHY/Y! g 2Fg 文章發布時間:April 23, 2017
$-_" SWG. 文章作者:Michael Cheng
)1 <0c@g= )! [B( 簡介
--HDE c| 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:
'CBwE&AL
~tUZQ5" ^}j~:EZb 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:
|N,^*xP(6
o:8ns m 8 Ku9;VEk !~^2Mu(X 開啟範例檔
cGot0' mB 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
_KRnx- 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。
+U
fw
6:_~-xG bR`5g L03I:IJ 設計鎖定工具
d`\SX(C 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。
@6UY4vq9 粗略來說,這個工具所執行的步驟如下:
O:]']' / * 開啟 Ray Aiming
$G=^cNB|JB * 系統孔徑設為 Float By Stop Size
z$<=8ox8e * 改為 Angle 或 Object Height
]36SF5<0r
* 固定表面孔徑:Circular Aperture
3h
bHS~ * 移除漸暈係數
@`.4"*@M 關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。
#v
c+;`X 8~ y!X0Ov!
sbvP1|P8% DVQr7tQf 產生關鍵光線組
\Y xG 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:
ft"- d%EdvM|)
k_g@4x1y* RXRbW %b 轉換到非序列
GEPWb[Oa 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。
[_N1
.}e 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
F'~r?D kn#?+Q
3P_.SF s:<y\1Ay 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。
/OKp(u;)z h!B{7J
AyJl:aN^ hl]d99Lc 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:
`=Mk6$%Cs #jbC@A9Pe
^|/<e?~I 8] LF{Obz[ 我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下:
)~M@2;@L zBm~ J%
>$kFYb>~q H
Qj,0#J) 檢查關鍵光線組的狀況
/}u:N:HA% 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。
\]Y<d o.$48h(
_9oKW;7f7 kr$)nf 分析雜散光所需的設定
"'BDVxp'w 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。
h5{//0 y 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。
P]"@3Z&w D[W`
q#W
s=$xnc}mf E[hSL#0 然後我們把追跡的光線數降低到5000條,原因是分析雜散光時,通常一條光線會分裂為非常多的子光線,比起不分裂的狀況,速度可能慢上十幾倍到百倍不等,這邊以示範為目的,因此我們把光線數量控制到較少的5000。
M_O$]^I3w l>jrY1u
Q3=X#FQ NO/$}vw 最後一步是把探測面的
像素數設為150x150,這會讓追跡的速度較快。
C,,T7(: k ?Gf'G{^}
l[ko)%7V -0uGzd+m* 初步追跡結果
9X[378f+( 然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡,如下圖設定操作。
'+_-r'2 注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。
uWGp>;m eO &tkPZ*}#1
lC*xyOK }?b\/l< 追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。
D~qi6@Ga .aL%}`8l?
=Q"thsR Bl)D/ 並且設定視窗如下圖。
=}ZY`O*/ bO6z;D#
n2aUj(Zs= 0r@LA|P 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。
SFzoRI=qG ,>g(%3C
mj9|q8v{+ 4o''C |ND 使用Filter String
WKr4S<B8mr 現在我們要找出這些雜光的發生原因,並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光(鬼影光)。為了特定出這些特定的光線,我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的
功能(下圖中紅框框起來的部分)。
;[zZI~wh @#"K6
E.'6p \ yyPj!<.MGP 接下來我們要使用一個快速的技巧,從前述的鬼影光線中,把入射到像面(探測器)上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的,如下圖紅框的部分,此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例,預設是1x10^-6,代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。
<)cmI .J3 現在請輸入0.005,這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時,就停止追跡。
mGz'%?zj AB!({EIi
`,
|l }zo-%# 此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。
7DW-brd
:U1V 2f'l3
xZAg PzjIM!>
s5b<KQ. &=8ZGjR< } 給透鏡加上鍍膜
NFU=PS$ 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。
hHt.No 這裡我們在
LGy!{c 物件6的Face 2以及
EU5(s*A 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
LQ$dT#z2A }Ny~.EV5^
X bV?= z ISy\uka 再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
a.<!>o<t: -mZ{.\9
u<@
55k Tq6@
1j6p F,5}3$ 分析特定區域的光 (使用Filter String)
t5p#g<