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    [转载]各種雜散光分析工具介紹 [复制链接]

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    离线光杆司令
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2017-05-09
    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。 Om=*b#k  
    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: =y kOh_M  
    * 介紹雜散光 =ap6IVR  
    * 轉換序列式設計到非序列模式 b[_${in:  
    * 設計鎖定工具 8${Yu  
    * 關鍵光線組產生器 & 追跡 r9d dVD  
    * 用 Filter String 篩選光路徑 @ dF]X  
    * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 qTl/bFD  
    $ZOKB9QccC  
    文章發布時間:April 23, 2017 x6c#[:R&  
    文章作者:Michael Cheng Udh!%QP%[w  
    Y?>us  
    簡介 OK^0,0kS3  
    使用者用序列模式設計鏡頭,處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後,在原型製作之前,還會需要進行機構相關的分析,以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說,雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統,最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例: 2og8VI  
    /NDuAjp[@  
    \"u3 x.!  
    在照相領域中,常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射,或是視野內的光源通過鏡片二次反射,聚焦到像面上這兩種。而在其他系統,例如天文望遠鏡,可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例: "=BO,see9  
    4fCg{  
    Y[yw8a  
    6(X5n5C  
    開啟範例檔 }lzQMT  
    首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx _,i+gI[  
    作為前置作業,讓我們先把所有的鍍膜都取消,因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 4JD 8w3u/  
    M"t=0[0DM:  
    )5Bkm{v3  
    1xkU;no  
    設計鎖定工具 0y3<Ho,+$  
    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。 u70-HFI@  
    粗略來說,這個工具所執行的步驟如下: A' \jaB  
    * 開啟 Ray Aiming -Jtx9P  
    * 系統孔徑設為 Float By Stop Size G2,r %|7ta  
    * 改為 Angle 或 Object Height k<M~co;L  
    * 固定表面孔徑:Circular Aperture _>moza  
    * 移除漸暈係數 Q#i^<WUpg  
    關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。 K~#wvUb  
    %ycCNS  
    CY4_=  
    D-8>?`n\  
    產生關鍵光線組 %YaUc{.%  
    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: @M V%&y*z.  
    DJ9;{,gm  
    ]/+qM)F  
    GD$jP?  
    轉換到非序列 #89h}mp'  
    在OpticStudio分析雜散光最方便的就是,我們只需要一個步驟,就能快速地切換到非序列模式中。 'ZHu=UT7_  
    有關於序列到非序列模式的切換,我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章,讀者有興趣可以參考,此文章標題為:轉換序列式面到非序列物件 Y,bw:vX  
    YORFq9a{R  
    W].P(A>m  
    wnE c   
    按一下OK後,可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表,可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface,而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件,他們的位置跟原本序列式系統中的像面,視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外,跟原本序列模式並無不同。 P'Fy,fNg  
    e<> Lr  
    J L9d&7-  
    #&1Y!kbdd  
    非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同,其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗,並勾選 “Split NSC Rays”,就可以看到如下圖: Te8BFcJG  
    TgaDzF,j{A  
    sQA{[l!aj  
    k:4?3zJI  
    我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下: : {9|/a  
    3_atv'I  
    K;f'&9-+i,  
    |<.b:e\4  
    檢查關鍵光線組的狀況 gkpNT)  
    讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下,可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時,將會需要把機構元件的CAD檔匯入,再次使用此工具,確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束 n;"4`6L~  
    L!L/QG|wdf  
    6,xoxNoPP3  
    (oxe\Qk  
    分析雜散光所需的設定 xQ7n$.?y@  
    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。 s9A'{F  
    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。 =3=KoH/'  
    KrkZv$u,  
    4[3T%jA  
    oQDOwM,  
    然後我們把追跡的光線數降低到5000條,原因是分析雜散光時,通常一條光線會分裂為非常多的子光線,比起不分裂的狀況,速度可能慢上十幾倍到百倍不等,這邊以示範為目的,因此我們把光線數量控制到較少的5000。 9ok|]d P  
    HHZ!mYr  
    D,eJR(5I  
    'w%N(Ntq  
    最後一步是把探測面的像素數設為150x150,這會讓追跡的速度較快。 lkg-l<c\J  
    u,F d[[t  
    ^BM/K&7^  
    i&,U);T  
    初步追跡結果 Ut-6!kAm  
    然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡,如下圖設定操作。 2al~`  
    注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 BH0rT})  
    U8-9^}DBA  
    Kc udWW]  
    4Sg!NPuu7&  
    追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。 A2&&iL=j/  
    b=T+#Jb  
    savz>E &  
    ID+'$u &  
    並且設定視窗如下圖。 M{kPEl&Z  
    |/fbU_d  
    _ga!TQ:  
    GIVs)~/Eq  
    可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 0D#!!r ;  
    r-YQsu&  
    *A\NjXJl~  
    vB4cdW 2#3  
    使用Filter String pjj 5  
    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)。 E2*"~gL^,  
    z3*G(,  
    P'9aZd  
    J#V `W&\,6  
    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%。 ] |`gTD6  
    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。 &< Gq-IN  
    h/TPd]  
    Br~%S?4"o  
    g41Lh3dj  
    此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。 1yB;"q&Xd  
    $PS5xD~@  
    !RcAJs'  
    <$yer)_J!k  
    hTG d Uw]  
    |C&eH$?~=R  
    給透鏡加上鍍膜 ^LU[{HZV  
    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。 }ZmdX^xB  
    這裡我們在 hYd8}BvA  
    物件6的Face 2以及 w|nVK9.  
    物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 1UM]$$:i  
    J/<`#XZB   
    BWPYHWW}E  
    c&Zm>Qo[  
    再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 oNU* q.Q  
    Lv^j l  
    *Yr-:s9J9  
    >rFvT>@NU  
    =!CuCV7$1O  
    分析特定區域的光 (使用Filter String) m~U{ V9;*  
    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? Fp]8f&l8  
    D1Sl+NOV  
    f.P( {PN  
    Gj ^bz'2  
    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。 0 j.Sb2  
    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。 <C>i~ <`d  
    ?0(B;[xEJ  
    UKJY.W!w4  
    )ED[cYGx  
    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。 hrL<jcv|  
    這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 V0AX1?H~w  
    m5p~>]}fYF  
    ;?o C=c  
    f!J^vDl  
    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。 $F-XXBp  
    $K KaA{0-  
    }6bLukv  
    YiCDV(prT  
    注意我在前面額外追跡設定了{#50},這代表要篩選出代表性的50條光線。 \fz j fZ1n  
    lX4p'R-h  
    回到Layout中,就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 `SwnKg  
    但這裡出現了一個問題,那就是我們發現有太多可能的路徑。 <di_2hN  
    根據經驗,我們知道不可能所有的路徑都是強烈的,這些路徑中,很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 J7_H.RPa  
    0/ Ht;(  
    _)l %-*Z7p  
    6-=_i)kzq  
    EC~t 'v  
    m%V[&"5%e  
    進階路徑分析 ".)_kt[  
    因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具,工具位置如下。 O%&@WrFq  
    注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 Vw*x3>`  
    .HBvs=i  
    RrHnDO'  
    'm cJ/9)v  
    分析後可以看到所有路徑中,幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 1pb;A;F,A  
    讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 S2R[vB4).  
    把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單,只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。,可以看到如下圖。 CP#79=1  
    2jW>uk4/i  
    ~{+{pcO}  
    upDQNG>d  
    啊哈!分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑,實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 *jK))|%  
    >>$|,Q-.  
    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。 QP B"E W  
    $P(nh'\  
    V)2_T!e%*  
    OD]J@m  
    ?Qig$  
    pD#"8h  
    ElXe=5L\#  
    AuTplO0_rE  
    >t2b?(h/x  
    Y/0O9}hf  
    (转自:中文版 Zemax Forum )
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2017-05-10
    这个功能不错
    离线yinge丶
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    只看该作者 2楼 发表于: 2017-05-12
    多谢楼主分享
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    只看该作者 3楼 发表于: 2017-05-12
    这个操作起来有点繁琐,不如tracePro来的简单明了
    离线villonwyz
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    只看该作者 4楼 发表于: 2019-02-27
    dio中從設計鏡頭到分析雜