[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。 ;Z6ngS  
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： 6<SX%Bc~  
* 介紹雜散光 }'u0Q6Obj  
* 轉換序列式設計到非序列模式 1
|XC$0  
* 設計鎖定工具 XMlcY;W  
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 p N+1/m,  
* 用 Filter String 篩選光路徑 wX+KW0|>  
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 V:'_m'.-Y  

Uys[0n  
文章發布時間：April 23, 2017 wA< Fw )  
文章作者：Michael Cheng ab8F\%y-8  
kO}QOL4  
簡介 k#"}oI{< 6  
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： UPcx xtC  
(@i2a  
#`qP7E w  
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： AGMrBd|J{  
mO^)k  
} m&La4E  
6b-E|;"]:^  
開啟範例檔 d)1Pl3+  
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx A(1
dq  
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。 i%# <Hi7  
zlhI\jRdc  
krecUpo  

~8tb^  
設計鎖定工具 wS;hC&~2  
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。 ><w=  
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： k.6(Q_TS  
* 開啟 Ray Aiming dkAY%ztwo  
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size cr>"LAi  
* 改為 Angle 或 Object Height eb=#{  
* 固定表面孔徑：Circular Aperture u&Cu"-%=M  
* 移除漸暈係數 &Xp<%[:  
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 nO;t5d  
`KHP?lX  
M]uO%2  
b |JM4jgK  
產生關鍵光線組 -+Gd<U$  
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： xB|?}uS-  
kpx2e2C|  
4n}^1eQ9  
Rdl^-\BV  
轉換到非序列 &pN/+,0E  
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。 ~@ML>z7  
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 (4"Azo*~![  
hx:"'m5  
hWAZP=H  
Q|Go7MQZ@k  
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。 [fIElH<  
;To][J  
J`[He$7)  
*,#T&M7D  
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： R6E.C!EI  
:M9 E  
,#hx%$f}d  
5o2|QL  
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： {i|$^A3  
<69Uq8GI  
1zWEK]2.R  
0k6S`e9gI  
檢查關鍵光線組的狀況 %bZ}vJ5b  
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 =N<Z@'c  
m8NKuhu  
]x^v;r~  
n81z0lnr  
分析雜散光所需的設定 |iGfWJ^+  
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 SJsRHQ  
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 /8"9sf*  
K[M[0D  
v|#}LQZ  
B,avI&7M;S  
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 9
MR,3/&N  
Oq4J$/%  
| x/Z qY  
wC>Xu.Z:  
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。 P,ud"F=r  
QTbv3#  
k/mO(i%qi  
} 0x'm  
初步追跡結果 az;o7[rI^  
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。 .F@0`*#rE~  
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 q}MPl2  
(vb8Mk
  
hkoCbR0}8  
1@ .Eh8y  
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 sJB::6+1(|  
J)"g`)\2+  
0MX``/Z72  
jw$[b=sa  
並且設定視窗如下圖。 $*z>t*{7  
6%t>T~x  
a@}A;y'd  
E|>oseR  
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 >YuiCf?c7  
QGM@m:O  
)[d>?%vfd  
%YbcI|i]<0  
使用Filter String LH]<+Zren  
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 WZ]f \S  
2!E@Gbhm5  
csNB \  
ubZcpqm?Q  
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 w]
=q>p  
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 }Rx`
uRx\  
8O_0x)X  
6x8P}?  
M9scZuj  
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 Od5I:p]N  
0}d^UGD  
TqN4OkCm/  
()+PP}:$A  
2qkZ B0[  
g7r_jj%ow  
給透鏡加上鍍膜 k}h\RCy%f  
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。 _0: }"!Gq  
這裡我們在 GoTJm}[NP  
物件6的Face 2以及 "0edk"hk  
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 G3
78,H  
{} gr\  
Yl#|+xYA5[  
(;.wsz&K  
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 MrGq{,6C  
)%T<Mw2u  
nnol)|C{5Y  
U81--'@y  
;"N4Yfl
z  
分析特定區域的光 (使用Filter String) q+}KAk|]V  
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？
;ZVT[gi*  
p,'Z{7HG  
]`,jaD  
Sl7x>=  
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。 Sq Y$\&%  
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 eKw!%97>  
wTw)GV4  
*eLKD_D`!C  
HZDeQx`*s  
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 ]dj W^C]94  
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ?0%3~E`l:  
! O~:  
Z|k>)pv@  
uz%<K(:Ov  
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 N">4I)  
lNwqWOWy  
X{YY)}^  
*@1(!A  
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 4 [K"e{W3  
)5NjwL
s  
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 bCbpJZ  
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 W7PL]5y&  
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 qjrl$[`X:  
YooPHeQ  
1](PuQm7+  
BD.>aAi!  
3)6&)7`*  
^_rBEyz@  
進階路徑分析 "z6xS;  
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 n
;+`%;6  
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 K275{ydN  
C^^AN~ZD  
XTro;R=#  
2.>aL  
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。 #q mv(VB4  
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 J\%SAit@  
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。 S8Ec.]T  
bK69Rb@\A  
!-cK@>.pE  
m*f"Y"B.1I  
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。
T?+%3z}8  
bCL/"OB  
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。 V7}]39m(s  
\MU-D,@  
aT_%G&.  
UrRYK-g  
&ra2(S45  
WZ6'"Cz`  
\WPy9kRU  
?l>Ra0  
dzRnI*  
]VcuD05"C  
（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