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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。 Fg`r:,(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: _9""3O  
    * 介紹雜散光 (m~MyT#S  
    * 轉換序列式設計到非序列模式 ATH0n>)  
    * 設計鎖定工具 //f[%j*>  
    * 關鍵光線組產生器 & 追跡 F(}d|z@@  
    * 用 Filter String 篩選光路徑 =i\~][-  
    * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 x-(?^g  
    4|7L26,]5  
    文章發布時間:April 23, 2017 2u/(Q>#  
    文章作者:Michael Cheng 3-~_F*%ST  
    Fl^.J<Dz  
    簡介 s XRiUDP`  
    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: v )4 kS  
    J(g!>Sp!p  
    ,5H$Tm,6\S  
    在照相領域中,常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射,或是視野內的光源通過鏡片二次反射,聚焦到像面上這兩種。而在其他系統,例如天文望遠鏡,可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例: W)$;T%u  
    [}}oHm3&  
    E+UOuf*(  
    `:?padZG  
    開啟範例檔 :.DCRs$Q  
    首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx **dGK_^T0  
    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。 ib*$3Fn~  
    $1#|<|  
    +!'6:F  
    Td X6<fVV  
    設計鎖定工具 &h8+ -  
    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。 =KMd! $J\  
    粗略來說,這個工具所執行的步驟如下: |`E\$|\p  
    * 開啟 Ray Aiming >")%4@  
    * 系統孔徑設為 Float By Stop Size 0 l G\QT  
    * 改為 Angle 或 Object Height m -7^$  
    * 固定表面孔徑:Circular Aperture K;gm^  
    * 移除漸暈係數 c|hKo[r)  
    關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。 pJK puoiX  
    6EP5n  
    daY^{u3  
    nLJ]tpw^DH  
    產生關鍵光線組 0'c<EJ  
    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: H /*^$>0Uo  
    <),FI <~  
    nRb#M  
    R8O<} >3a  
    轉換到非序列 RR*z3i`PP  
    在OpticStudio分析雜散光最方便的就是,我們只需要一個步驟,就能快速地切換到非序列模式中。 'R,1Jmx  
    有關於序列到非序列模式的切換,我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章,讀者有興趣可以參考,此文章標題為:轉換序列式面到非序列物件 w'?uJW  
    sW@4r/F>:D  
    3QM.X^ANH  
    r]kLe2r:B  
    按一下OK後,可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表,可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface,而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件,他們的位置跟原本序列式系統中的像面,視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外,跟原本序列模式並無不同。 <b{Le{QJ*  
    VL7zU->  
    71w  
    T[~ak"M  
    非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同,其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗,並勾選 “Split NSC Rays”,就可以看到如下圖: 2Q-kD?PO,  
    G{YJ(6etZ  
    gj$gqO`B  
    _+.z2} M  
    我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下: *.ZV.(  
    &z&Jl#t-)  
    f)?s.DvUB  
    "((6)U#  
    檢查關鍵光線組的狀況 D.)R8X  
    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 V)_mo/D!D  
    :,LX3,  
    e9o(hL  
    )xT_RBR  
    分析雜散光所需的設定 q@r8V&-<  
    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。 Go+f0aig  
    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。 0E o*C9FP~  
    (LkGBnXE  
    US@ak4Y6Z  
    C(xdiQJh  
    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。 ^Me__Y  
    Y[ a$~n^:n  
     ceyZ4M  
    +'y$XR~W{  
    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。 ]geO%m  
    j]M $>2;  
    KR?-<  
    GyRU/0'BME  
    初步追跡結果 +*lSB%`aS  
    然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡,如下圖設定操作。 SI4M<'fK  
    注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 )LKutN?tBy  
    m7~kRY514  
    }Q/xBC)  
    AW%^Xt  
    追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。 LmseY(i N  
    m7cp0+Peo  
    eM*@}3  
    j^Bo0{{  
    並且設定視窗如下圖。 ||0mfb  
    I[c/) N  
    (wo.OH  
    !J3g,p*  
    可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 3tA6r  
    :BN qr[=b  
    E}b" qOV  
    [(F.x6z)  
    使用Filter String [59_n{S 1  
    現在我們要找出這些雜光的發生原因,並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光(鬼影光)。為了特定出這些特定的光線,我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能(下圖中紅框框起來的部分)。 gcQ>:m i  
    ApG_Gd.  
    xbvZ7g^  
    ,1a6u3f,  
    接下來我們要使用一個快速的技巧,從前述的鬼影光線中,把入射到像面(探測器)上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的,如下圖紅框的部分,此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例,預設是1x10^-6,代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 */u_RJ  
    現在請輸入0.005,這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時,就停止追跡。 HX7"w   
    +YI/(ko=  
    ?|w>."F  
     &)T5V  
    此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。 +j%!RS$ko  
    ;vy"i  
    T oTehVw  
    4703\ HK  
    a{GPAzO+  
    `gDpb.=Y  
    給透鏡加上鍍膜 [h {zT)[  
    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。 ~+/IzckrG  
    這裡我們在 LkK%DY  
    物件6的Face 2以及 0L S,(v4  
    物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 RpOGY{[)[  
    gp`$/ci  
    zgI!S6q  
    .hzzoLI2  
    再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 wa\Yc,R  
    sn+g#v9e  
    !D!~4h)  
    G%jgr"]\z  
     iVu  
    分析特定區域的光 (使用Filter String)  MX2]Q  
    初步排除基本雜光之後,我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光,現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的,要怎麼辦? V|gW%Z,j  
    ZX'q-JUv f  
    &)zNu  
    U0 nSI  
    這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中,Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中,可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的,我們還可以使用邏輯符號,例如「&、|、^」等,來組合出無限多種篩選條件。 a\pOgIp  
    現在我們要利用以下四個指令的組合,來達成篩選上述區域的功能。 ^ a^bsKW  
    q^; SZ^yW5  
    w$[&ejFb  
    duFVh8  
    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。 1LYz X;H1  
    這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ZP~Mgz{f  
    [ R  
    ]Wr2 IM  
    R/ix,GC  
    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。 }Z#KPI8\Q  
    b+Sq[  
    )eIC5>#.  
    {RH&mu  
    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。 -FpZZ8=,M2  
    <+Eu.K&  
    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。 d!0iv'^t  
    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。 q)te/J@  
    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。 `yF6-F  
    diHK  
    (K xI*  
    PkX4 !  
    *U>"_h T0  
    jV{?.0/h|  
    進階路徑分析 D+#OB|&Dn  
    因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具,工具位置如下。 C2}n &{T  
    注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 xB-\yWDZe  
    3E9 )~$  
    Hi%)TDfv  
    dhrh "x_?:  
    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。 S:B$c>  
    讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ;QO3^P}  
    把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單,只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。,可以看到如下圖。 2_T2?weD5  
    8u8-:c%{  
    &s6;2G&L$  
    HQ /D)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。 ) XCG4-1  
    xmVW6 ,<?  
    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。 )j,Y(V$P  
    Y"H'BT!b}  
    o8_))  
    5PY4PT=G  
    0JT"Pv_  
    ^_\S)P2c  
    r&%TKm^/  
    ncGt-l<9  
    /U$5'BoS  
    hgg 8r#4q  
    (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
    离线hit2011
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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