| 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。 'J}lnt[V
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： u|E,Wy1
* 介紹雜散光 4p]Y`];U
* 轉換序列式設計到非序列模式 O7W}Z1G
* 設計鎖定工具 K^+B"
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 2B# \683
* 用 Filter String 篩選光路徑 D c^d$gh
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 h!MT5B)r.
2mRso.Ah
文章發布時間：April 23, 2017 W! g
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文章作者：Michael Cheng %2.T1X%!
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簡介 8cHZBM7'
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： ^,3 >}PU
[attachment=76856] Q]\x O/
p w,.*N3P
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： u[% #/
[attachment=76857] 2
Ug jH
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開啟範例檔 xucV$[f
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx #Xc~3rg9
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。 " H({kmR
[attachment=76858] |laq y`D
WrV|<%EQh
JO$0Z
設計鎖定工具 0
[s1!Cm!i
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 |D \ ukml
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： '{|87kI
* 開啟 Ray Aiming ?h5Y^}8 Qg
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size `bi5 #xR
* 改為 Angle 或 Object Height ]b[ 3 th*
* 固定表面孔徑：Circular Aperture B::vOg77
* 移除漸暈係數 E^ rN)
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 R75sK(oS
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[attachment=76859] Y{jhT^tKK
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產生關鍵光線組 [=iq4F'7
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： V/03m3!q
u`ZnxD>
[attachment=76860]
z\ \MLyS
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轉換到非序列 GK)hK-
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 hfY2pG9N
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 [P<oyd@#
Dd*C? 6
[attachment=76861] J9o ]$.e
'RPe5 vB
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。 ej0q* TH.
2 nf{2edC
[attachment=76862] H.YntFtD'
<h^v l-L>
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： F: \CDM=lS
a{y ;Ub
[attachment=76863] lwV#j}G
,i'>+Ix<
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： c+q4sNnE
^JH 4:
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[attachment=76864] }^=J]
O)&V}h U*
檢查關鍵光線組的狀況 w E'~Qj
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。 d !>PqP o
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[attachment=76865] 1"i/*}M
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分析雜散光所需的設定 >1W)J3
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。 f-
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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。 pJV<#<#Z
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[attachment=76866] "wdC/
BYRf MtT@+
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。 B
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[attachment=76867] W<\KRF$S;
[/'W#x
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。 \\6/"
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[attachment=76868] *M09Y'5]
'};pu;GA7
初步追跡結果 d tJ?J<m}
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。 yH irm|o
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 ]5wc8Kh"
$)6y:t"
[attachment=76869] u`g|u:(r
(r.[b
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 N_wB
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[attachment=76870] r"c<15g2'
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並且設定視窗如下圖。 | pA3ZWm
"H#2
[attachment=76871] `StlG=TB8
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可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 ] %pr1Ey
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[attachment=76872] > <^
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" 5,'K~hz
使用Filter String )k$ +T%
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）。 4"7/+6Z
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ffmS
[attachment=76873] WTbq)D(&[_
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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%。 O!#r2Y"?K1
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。 C8ek{o)%W
4 J{6Wt";
[attachment=76874] 0w)G b}o$
s,Azcqem
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 vq=nG]cE)
b*(74 >XY
[attachment=76875] _TEjB:9eY
9 Zw{MM ]
[attachment=76876] p?PK8GL
`|(S]xPHM
給透鏡加上鍍膜 /fv;`?~d*
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。 mQUI9
這裡我們在 C%H {"
物件6的Face 2以及 }LeizbU
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 a]\l :r
m) QV2n
[attachment=76877] ~HBQQt
ZD ~ra7
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 :J6 xY y$
lu vrv m
[attachment=76878] 0i[v,eS
#83`T&Xw*
}JI@f14
分析特定區域的光 (使用Filter String) H< 51dJn~
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？ %[B^b)2
5v5)vv.kd
[attachment=76879] Sq:,6bcG
5Q7Z$A1a
9
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 [3 D*DyQt
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 M47t(9krV
]"ou?ot }
[attachment=76880] .7BJq?K.
AdD,9 4/
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 ,i)wS1@
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 )[wB:kG
H Q :Y:
[attachment=76881] R`KlG/Tk
N1iP!m9Q
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 cY]BtJ#
Z2a~1BL
[attachment=76882] FRhHp(0}5
-kzp >=
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 BD , J4xH;
9$ f%
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。 g286
P_a`*
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。 0 hg4y
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。 InA=ty]"_U
Uz =OTM
[attachment=76883] mR O@ZY;5
d0V *[ {
[attachment=76884] WeZ?L|&%w0
tOZ-]>U
進階路徑分析 ~S<}q6H.
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 \^!<Y\\
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 /g8nT1k
jaIcIc=Pf
[attachment=76885] 7mn&w$MS4:
^)'D
eP/
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 &x4*YM h
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 '}OAl
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 Q=Q&\.<
JdUI:(
[attachment=76886] |h&okR+_,
G @]n(\7Y
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 <e wcW r
n\$.6
_@x
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 e@ 5w?QzW
P057]cAat<
[attachment=76887] P,#l~ \
6KE64: \;
[attachment=76888] KI].T+I
9 `CJhu
[attachment=76889] &g=6K&a$a
Gz--C(
[attachment=76890] Fr<tk^~/
Xi~I<&
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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