| 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。 #Q'i/|g
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： VKik8)/.
* 介紹雜散光 7/*; rT
* 轉換序列式設計到非序列模式 _R5^4 -Qe
* 設計鎖定工具 RtqW!ZZ:H
* 關鍵光線組產生器 & 追跡
zZiB`%
* 用 Filter String 篩選光路徑 {'!D2y.7g
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 "X]u fZ7
r<|\4zIo/
文章發布時間：April 23, 2017 "9 WP^[
文章作者：Michael Cheng { @-Q1
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簡介 Tf ZO0GL$
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： B=Zo0 p^
[attachment=76856] G^2"\4R]p
7# g C(&\A
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： Fa/i./V2
[attachment=76857] P@5^`b|
3 ZB;-F5v
x _@ev-
開啟範例檔 zP9 HY S
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx OOk53~2id
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。 eQ9x l
[attachment=76858] W6_3f-4g
Hb]7>[L
/ FYa{.Vlr
設計鎖定工具 S [u <vHy
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。 VX>_Sp s
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： ) (ma
* 開啟 Ray Aiming -8pHjry'q
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size P&F)E#Sa
* 改為 Angle 或 Object Height Gg; #U`
* 固定表面孔徑：Circular Aperture b _ u&%
* 移除漸暈係數 R]V`t^1
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 !^m5by
DI&xTe9k
[attachment=76859] 4\$Ze0tv
5#fLGXP
產生關鍵光線組 [p7le8=
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： g
S a ,A
}40/GWp<f
[attachment=76860] Maxnk3n
>`NM?KP s
轉換到非序列 .K7A!;
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。 , F *e^#>
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 sO
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[attachment=76861] 1mjv~W
pGcc6q 1
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。 Y"lxh/l$}
I{ Kc{MXn
[attachment=76862] YT3QwN9
wG|3
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非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： tL).f:?
siG?Sd_2
[attachment=76863] NrU -%!Aw
_cJ{fYwYU
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： T,I V)aq
nAX |=q p#
[attachment=76864] An yFg)a<
sXydMk`J
檢查關鍵光線組的狀況 H\b5]q %
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 Q O?ha'Sl
05zHL j
[attachment=76865] bF Vd v&
Mb9q<4
分析雜散光所需的設定 iwVr a"y
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 #0P<#S^7
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 dyp] y$
njX:[_&
[attachment=76866] FvNO*'xP
'LOqGpmVc
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。 ?I0 i%nH
!'gz&3B~h
[attachment=76867] ^&<*$Ai~
czb%%:EJs|
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{ozt\: M
N1Z8I:
[attachment=76868] YH[_0!JY^
O}`01A!u;
初步追跡結果 4l1=l#\S
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。 $oQsh|sTI
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 3D.S[^s*
%<"11;0tp
[attachment=76869] 6^aYW#O<Ua
g@y"
B6X
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 : ^s7#4%6
bSR<d
[attachment=76870] |)4$\<d
(p?3#|^
並且設定視窗如下圖。 < t (Pw
A{J 1 n
[attachment=76871] 0C p}
Fa!)$e b7
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 mce`1Tjw
<D dHP
[attachment=76872] YJ^ lM\/<
=z jUd 5
使用Filter String G}-.xj]
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 #rpqt{m l
9 v
F2aLPk
[attachment=76873] L@4zuzmlb
Q Bw
ZfX
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 cGc|n3(
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 lp}WB d+
],YY FU}
[attachment=76874] pu:D/2R2;k
:|M/+XPu
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 \zI&n &T
Cr hi+D
[attachment=76875] h3lDDyu
9i<-\w^$
[attachment=76876] KYu(H[a
tv OAN|+F
給透鏡加上鍍膜 w~U`+2a3
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。 M&ij[%i
這裡我們在 6)U&XWH0
物件6的Face 2以及 ~8m>DSs)D
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 8-"5|pNc
'^l^gW/|\
[attachment=76877] B -~&6D,
$uw+^(ut
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 LZ)m](+M
l>UUaf|O
[attachment=76878] e^NEj1
f 4I#a&DO
KF_Wu}q
d
分析特定區域的光 (使用Filter String) 1bJ ] 3\
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？ &7w>K6p
d `kM 0C
[attachment=76879] m_ $I?F0
n]DN xC@b
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 b_jZL'en
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 j 3MciQ`
bjBeiKH
[attachment=76880] pf Z,t<bE2
2rCY&8
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 KKjx g7{K
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 m6r )Z5}f
[u9JL3
[attachment=76881] 2ly,l[ p8
'95E;RV&
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 BO4 K#H7
@qPyrgy
[attachment=76882] 'n[+r}3
@ 9 { %Kn
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 {?/8jCVd
2]} Uov
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 }utNZhJ
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 ,B %fjcn
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 k9) u 3
v0C;j (2zb
[attachment=76883] lW$&fu DHF
d{yIy'+0/
[attachment=76884] FGwnESCC
# <wpSs
進階路徑分析 9c6GYWIFt&
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 A6N~UV*_
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 Wzqb>.
Q+d.%qhc
[attachment=76885]
_@!QY
z,b 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。 ,|.8nk"
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 n#>. \F
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。 7w Q+giu
nU&NopD+*G
[attachment=76886] 5e)6ua ,
R3j#WgltP
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。 @0z 0m;8
S,9NUt
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。 {?*<B=c
=_RcoG/^~
[attachment=76887] J q$_=X&
rX 33s
[attachment=76888] G#e9 $!
2f19W#
'0
[attachment=76889] {} _ Nep/;
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[attachment=76890] 6F*-qb3
)'[x)q
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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