| 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。 l/UG+7
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： / bu< ,o
* 介紹雜散光 wG?kcfu
* 轉換序列式設計到非序列模式 }7 z+
* 設計鎖定工具 f$W}d0(F;
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 %+! 9
* 用 Filter String 篩選光路徑 I2lZ>3X{
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 WblV`"~ e
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文章發布時間：April 23, 2017 KC -aLq/
文章作者：Michael Cheng D&m"~wI
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簡介 !cq| g
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： Jc?ssm\%
[attachment=76856] %1 ^jd\
lKwT5ma7
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： ?E_p ,#9j)
[attachment=76857] #R PB;#{
zw rZ ^
;k%s KVP
開啟範例檔 "#k(V=y
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx #*M$,ig
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。 <~X6D?
[attachment=76858] nJ})6/gK
BF [?* b
<\~#\A=;
設計鎖定工具 h GXD u;{
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。 |M>k &p,B-
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： knzED~ v@(
* 開啟 Ray Aiming ;1k0o.3
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size _rJ SkZO
* 改為 Angle 或 Object Height g uWqHVSs
* 固定表面孔徑：Circular Aperture ujqktrhuLb
* 移除漸暈係數 Qu\l$/
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 F_ Cz
v~cW:I
[attachment=76859] jt r=8OiL
q.F1 Jj
產生關鍵光線組 qAik $.
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： $rYu4^
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[attachment=76860] SZ D2'UaG
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轉換到非序列 L/LN X{|
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。 5g2+Ar(
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 }jgAV
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[attachment=76861] B8Zd#.6]
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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。 }PL
O^% ace1
[attachment=76862] ADz|Y~V!
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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： io3'h:+9s
#7ZB bq3 =
[attachment=76863] :+!b8[?Z
ra2q. H
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： e,UgTxZ
=ApT#*D)o
[attachment=76864] /U]5#'i
U .(_n
檢查關鍵光線組的狀況 rP4@K%F9jB
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。 b7j#a#
Ft !~w#&-
[attachment=76865] y<(.,Nb8
e90z(EF?0
分析雜散光所需的設定 L1i> %5:g
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。 v y?YA-
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。 ,[#f}|s_
7HFO-r118
[attachment=76866] fZg U@!z
Y%@ 'a~
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。 oX ,M;;Yq
{rLOAewr
[attachment=76867] 1Tr=* b %f
'WCTjTob/
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。 B= `!
/p" R}&z
[attachment=76868] R FiR)G ,
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初步追跡結果 h zE)>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。 e?WR={
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 Cx~z^YP'
Yl])Q|2I
[attachment=76869] $@;[K \
PQr
N";+
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 -N eF6
UUq9UV-h
[attachment=76870] %xz02$k
Cj9Tj'0@I+
並且設定視窗如下圖。 a mge x $
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[attachment=76871] "RA$Twhj
o+&sodt|`
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 xd<68%Cn
|0-L08DW
[attachment=76872] ]3'd/v@fT
\O~7X0 <W
使用Filter String Y ~!@
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 ~Y[1 Me
3RUB2c4
[attachment=76873] z16++LKmM
NQ!F`
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 C7PiuL?
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 NYeg,{q
hlZjk0ez
[attachment=76874] w=$_',5#Z
:JYOC+#q7
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 Wwz{98,K
M > <
[attachment=76875] tG-MC &;=
Y'T#
[attachment=76876] ",m5}mk:4
AdNsY/ Y(
給透鏡加上鍍膜 #z.x3D@^r6
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。 P}jr 8Z
這裡我們在 Tp7?:YY|
物件6的Face 2以及 5tL6R3
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 J98K:SAR
q,G L#L
[attachment=76877] YAo g;QL
~ocr^V{"<~
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。
EA\~m*k
[g? NU]
[attachment=76878] y T4|eHl
-]e@cevy
&}r932
分析特定區域的光 (使用Filter String) y[cAU:P?
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？ lQzrf"N'
fOJy Y[
[attachment=76879] z! % }0
rZEu@63
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。
]%."
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。 x^ "OH
e/6oC~#]
[attachment=76880] ;p/@t r9
D+V^nCcx%
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。 qv:WC
TAn
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 <Wd$6
l},%g%}iMU
[attachment=76881] 6T-(GHzfHJ
Wg[`H=)Q
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。 sYz:(hZS
_heQ |'(
[attachment=76882] 8 P .! q
Umqm5*P(
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。 Lv_>cFJ}[
cH#` f4
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。 [# _ceg1G
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。 +#W5Qb}VR
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。 V;m3=k0U
(<ejJPWT
[attachment=76883]
G~JQcJFj
O/Fzw^
[attachment=76884] v1}
$FmHL"
N5_v}<CN
進階路徑分析 'D1@+FFU0
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 {E9Y)Z9
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 /4|qfF3
,Yo I n
[attachment=76885] i@2?5U>h
' :Te#S
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。 rg`"m
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 b;yhgdFx
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。 P=h2 Z,2
6ul34\;
[attachment=76886] | $D^LY
3y@'p(}Az
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。 {DpZg",H-
zn M"P|A
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。 ]`MRH[{
M4QMD;Ez
[attachment=76887] V3jx{BXs2
eC1cE
[attachment=76888] k,r\^1h
pd|c7D!6U,
[attachment=76889] AVi|JY)>
4'{j'kuv
[attachment=76890] `Z{7Ut^)
`0sa94H1[
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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