| 光杆司令 |
2017-05-09 19:21 |
各種雜散光分析工具介紹
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。 [(XKqiSV
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： Q XCI+Fcg
* 介紹雜散光 'E9jv4E$n
* 轉換序列式設計到非序列模式 "F&uk~ b$
* 設計鎖定工具 e M}Xn^}
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 Ty m!7H 2
* 用 Filter String 篩選光路徑 J7H1<\=cJb
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 4{TUoI6ii
IaB
A 2
文章發布時間：April 23, 2017 B^
h!F8DC
文章作者：Michael Cheng *7ox_ R@
fg2}~ 02n
簡介 Q_Rr5/
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： oKUJB.PF
[attachment=76856] 01J.XfCd6
t0Uax-E(
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： ty ~U~
[attachment=76857] [ 6M8a8C
{,m!%FDL
_<8n]0lX3
開啟範例檔 VH/_0
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx "- 9YvB#
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。 q(C+D%xB
[attachment=76858] iMS S8J
=8]'/b
?w. Yx$Z"
設計鎖定工具 2 IGAZ%%
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。 E4P P& '
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： ?@ O[$9y
* 開啟 Ray Aiming +XsY*$O
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size ^;'3(m=
* 改為 Angle 或 Object Height MDRSI g
* 固定表面孔徑：Circular Aperture c7'Pzb)'
* 移除漸暈係數 .gB#g{5+J
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 E @7! :
9%x[z%06
[attachment=76859] fQ<V_loP.@
tw;`H( UZ^
產生關鍵光線組 LWY`J0/
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： 2a{ eJ89f
nD!^0?
[attachment=76860] QDU^yVa_
rHMsA|xz6
轉換到非序列 BQ m H9g|2
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。 M$w^g8F27H
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 +!X^E9ra
T^" d%au
[attachment=76861] e|`&K"fnq
ydpsPU?wj5
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 CEwG#fZ
N-su BRnW
[attachment=76862] vJYy` k^Y
h5F1mr1Sa
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： IuPwFf)
?R" ;EnD
[attachment=76863] 3o6N&bQ b
~ (}zp<e|
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： zd r?1 =
ifuVV Fov
[attachment=76864] %hY+%^k.
tL D.e
檢查關鍵光線組的狀況 +&|WC2#
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 eI- ~ +.
X _XqT
[attachment=76865] KnlVZn[3t
WO]dWO6Mm
分析雜散光所需的設定 )5B90[M|t
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 B;^7Yu0,
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 gCd9"n-e
m@OgT<E]_
[attachment=76866] qV5ME #TJ
TzVNZDQ`Jl
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 ndN 8eh:OR
vQztD _bX%
[attachment=76867] JI (8{ f
zL1H[}[z+
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 F`f#gpQ
O0 wD"V^W
[attachment=76868] (G:$/fK
yt$V<8a
初步追跡結果 k pEES{f
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。 Aj-}G^>#
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 X=-pNwO
]kR 93
[attachment=76869] +,If|5>(
'H:lR1(,
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 Z?X
^7 <
wOINcEdx
[attachment=76870] K" Y,K
$K Krl
並且設定視窗如下圖。 &%rX RP
+\SbrB P
[attachment=76871] T5o9pm D
(Zx;GS
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 6dV92:
gZ:)l@ Wu
[attachment=76872] cvi+AZ=
|0BmEF
使用Filter String
!1;DRF
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 Qr$ uFh/y
{}[S,L
[attachment=76873] 9w (QM- u
b>?X8)f2e
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%。 h$y1"!N(
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 o^2.&e+dQ
OP{ d(~ +
[attachment=76874] IYb@@Jz o
D:M0_4S
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 d'J))-*#UO
- TSn_XE
[attachment=76875] D O(FG-R
(WX,&`a<$
[attachment=76876] g.Z>9(>; Y
3@_je)s
給透鏡加上鍍膜 p O4}6\ 1\
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。 >?'cZTNk]
這裡我們在 UeX3cD
物件6的Face 2以及 /&K hk #
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。
&CG3_s<2
rV54-K;`0
[attachment=76877] FX4](oM
+(QGlRd
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 bw ' yX
hT# [[md"
[attachment=76878] }2-{4JIq}
48Z{wV,
[ wi "
分析特定區域的光 (使用Filter String) ;N6L`|
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？ zH.DyD5T;
\|L@
[attachment=76879] n(0O'nS^
ym{?v Y
h
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。 P
BpjE}[Q
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。 o'? Y0Wt
-H#{[M8xX
[attachment=76880] [}N? 'foLb
D9 OS,U/l
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。 S9t_2%e
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 b Bb$0HOF
,yNPD}@v>
[attachment=76881] >| rID
1}}.e^Tsfr
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。 FDkRfh K
y9?B vPp+
[attachment=76882] >t2 0GmmN
JnlM0jc]`
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。 jxm.x[1ki^
-:h5Ky"
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。 r=~ yUT
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。 != _:*U)-'
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。 m1heU3BUWU
kS%FV;9>(
[attachment=76883] 6 Y>MW 4q
b W7tJ
[attachment=76884] b54<1\&
n{6XtIoYq
進階路徑分析 snK $? 9vh
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 . Zrt/;
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 G ^ZL,{
A|,\}9)4X[
[attachment=76885] ,2qJXMg"=$
;O}%_ef@
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。 |CexP^;!U
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 5 wmH3g#0
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。 Z2_eTC
u
. p^='Kz?
[attachment=76886] ;EP 7q[
RY8;bUSR
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。 &cV$8*2b^
W/<]mm~95
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。 Jx9S@L`
Og4 X3QG
[attachment=76887] KdHR.;*
>pW8K[
[attachment=76888] @Y 1iEL%\y
#UG| \}Lp
[attachment=76889] )mz [2Sfg
b 8P/9D7K?
[attachment=76890] zW, m3~XX:
v`A^6)U#M
（转自：中文版 Zemax Forum ）
|
|