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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。 tz4 ]hF  
    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: T%(C-Quh  
    * 介紹雜散光 Ox qguT,  
    * 轉換序列式設計到非序列模式 vXdZmYrC  
    * 設計鎖定工具 Hx %$ X  
    * 關鍵光線組產生器 & 追跡 }>}1oUCi  
    * 用 Filter String 篩選光路徑 jl}$HEI5m}  
    * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 P~RhUKfd  
    0xCz'mJ  
    文章發布時間:April 23, 2017 Es.nHN^]%K  
    文章作者:Michael Cheng GK?4@<fY  
    \a))  
    簡介 ,l HLH  
    使用者用序列模式設計鏡頭,處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後,在原型製作之前,還會需要進行機構相關的分析,以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說,雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統,最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例: z/7$NxJH  
    | o0RP|l  
    i#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: oM,- VUr  
    rk|@B{CA;  
    _1|$P|$P.  
    ?Elg?)os  
    開啟範例檔 rh%m;i<b  
    首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx #@qN8J}R  
    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。 pSfYu=#f  
    xA h xD|4_  
    +e P.s_t  
    G[Tl%w  
    設計鎖定工具 ^jD1vUL 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。 dqc1 q:k?$  
    粗略來說,這個工具所執行的步驟如下: :243H  
    * 開啟 Ray Aiming =Z,5$6%)  
    * 系統孔徑設為 Float By Stop Size S8vV!xO  
    * 改為 Angle 或 Object Height XOy2lJ/  
    * 固定表面孔徑:Circular Aperture  ?=Db@97  
    * 移除漸暈係數 vF4]ux&  
    關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。 k<j"~S1  
    +?m0Q;%b  
    H(-4:BD?  
    a~ ]bD  
    產生關鍵光線組 x_MJJ(q8g  
    在轉換到非序列模式之前,讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線,這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中,直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下: E D"!n-Hq  
    _yH`t[  
    ^3]UZ@  
    q%/uQT?  
    轉換到非序列 4Ysb5m)u  
    在OpticStudio分析雜散光最方便的就是,我們只需要一個步驟,就能快速地切換到非序列模式中。 .Zmp ,  
    有關於序列到非序列模式的切換,我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章,讀者有興趣可以參考,此文章標題為:轉換序列式面到非序列物件 ,Zf 9RM  
    =!b6FjsiG  
    G64Fx*`  
    v;EQ, NL  
    按一下OK後,可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表,可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface,而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件,他們的位置跟原本序列式系統中的像面,視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外,跟原本序列模式並無不同。 ?KE$r~dn  
    V@vU"  
    HU;#XU1  
    T*[ VY1  
    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: O4iC]5@  
    CE%_A[a  
    1zxq^BI  
    HMGB>  
    我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下: d_z 59  
    !Ng=Yk>3  
    'gMfN  
    mpw~hW0-  
    檢查關鍵光線組的狀況 0s#Kp49-  
    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 s5&@Cxzl  
    jXg  
    s)J(/  
    v-b0\_  
    分析雜散光所需的設定 s1N?/>lmB  
    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。 Z.PBu|Kx  
    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。 iBg3mc@OO  
    ,:Z^$  
    d3Mva,bw<  
    XOP"Px@  
    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。 ;,h/   
    r,1e 'd:  
    ~uWOdm-"[  
    K5>p89mZ  
    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。 =wWpP-J&  
    :M3oUE{  
    #6v27:XK  
    {Azn&|%.t  
    初步追跡結果 VosZJv=  
    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。 Ex amD">T  
    注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 1Na@|yY  
    z;tI D~Y  
    XN=67f$Hw  
    "p&Y^]  
    追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。 0oZsb\  
    5 |0,X<&  
    hg.#DxRi{  
    Dr&('RZ4  
    並且設定視窗如下圖。  .~A*=  
    !3n)|~r;K  
    (tah]Bx  
    aimarU  
    可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 LsEXM-  
    }0#U;_;D  
    bK"SKV  
    =' ZRfb&  
    使用Filter String *K!|@h{60  
    現在我們要找出這些雜光的發生原因,並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光(鬼影光)。為了特定出這些特定的光線,我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能(下圖中紅框框起來的部分)。 K%<j=c  
    GcIDG`RX  
    `+'rib5  
    oBQ#eW aY  
    接下來我們要使用一個快速的技巧,從前述的鬼影光線中,把入射到像面(探測器)上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的,如下圖紅框的部分,此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例,預設是1x10^-6,代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 @bM2{Rh:  
    現在請輸入0.005,這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時,就停止追跡。 +y7;81ND  
    }VS3L_ ;}/  
    uzmk6G v  
    T{wpJ"F5<]  
    此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。 OMhef,,H  
    M#"524Nz  
    2]GdD*  
    OaJB=J%  
    h5%<+D<  
    mpAR7AG6  
    給透鏡加上鍍膜 \P} p5k[  
    為了輕減這些鬼影光,我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層(coating),並了解其效果。 <DKS+R  
    這裡我們在 bmNq[}  
    物件6的Face 2以及 LTNj| u  
    物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 p.ANVA@:  
    =PRx?q`d  
    IDkWGh  
    ?88[|;b3  
    再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 {Q+gZcu  
    R>DaOH2K*  
    rG#Z=*b%  
    D3|oOOoG  
    Um1[sMc{au  
    分析特定區域的光 (使用Filter String) ;\EiM;Q]  
    初步排除基本雜光之後,我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光,現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的,要怎麼辦? mRB   
    ,yd MU\so(  
    mNmLyU=d  
    u` oq(?|  
    這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中,Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中,可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的,我們還可以使用邏輯符號,例如「&、|、^」等,來組合出無限多種篩選條件。 o]nw0q?  
    現在我們要利用以下四個指令的組合,來達成篩選上述區域的功能。 NCxqh<  
    `_b`kzJ  
    obdFS,JxxG  
    ~m|Mg9-  
    現在讓我們重新追跡,並且這次追跡時,要勾選Save Rays的選項,如下圖。 ~/mw x8~  
    這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 pF ^#}L  
    /Q,{?';~  
    "ZTTg>r  
    N`)$[&NG]  
    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。 y5Tlpi`g  
    +?p.?I  
    4iW'kuK  
    u:aW 8  
    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。 Hm+ODv9  
    ]skkoM  
    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。 piU /&  
    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。 mhW-J6u*  
    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。 "t^URp3  
    j5 g# M  
    7}*6#KRG  
    0i8LWX_M  
    XUuu-wm:}  
    ""s]zNF}  
    進階路徑分析 %cE 2s`  
    因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具,工具位置如下。 C&++VRnm  
    注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 -=.V '  
    6sa"O89   
    1heS*Fwn'  
    "R8KQj  
    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。 &W f3~hmo  
    讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 9b?SHzAa  
    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。 xQw7 :18wQ  
    bFA!=uvA  
    ' oF xR003  
     BUwONF  
    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。 Q[+ac*F=Y  
    ?BhMjsy.  
    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。 |Yq$s U  
    &K/FyY5  
    "_2Ng<2  
    W+*5"h  
    5s{ABJ\@V  
    gIA@l `"  
    1xv8gC:6  
    2< hAa9y  
    %%cHoprDa  
    -48vJR*tC  
    (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