| 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。 - U/m
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： qf2;yRc&
* 介紹雜散光 4 9zOhG
|
* 轉換序列式設計到非序列模式 t!"XQ$g'
* 設計鎖定工具 umD[4aP~;
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 ,/ P)c*at5
* 用 Filter String 篩選光路徑 l;gj] ,*
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 Pxn;]!Z #
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文章發布時間：April 23, 2017 L?c7M}vV
文章作者：Michael Cheng &J~%Nt
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簡介 ?NL >xMA
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： ird
q51{G
[attachment=76856] N<54_(|X
=_/,C
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： "/-T{p;.
[attachment=76857] @Yy:MdREA
iVKX *kqc
K{)YnY_E;
開啟範例檔 K&WNtk3hT
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx J0hY~B~X
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 H8}}R~ZO
[attachment=76858] #iot.alNA
*&vySyt
+'NiuN
設計鎖定工具 #!%\97ZR
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 /{~cUB,Um
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： \5wC&|WEB
* 開啟 Ray Aiming !PfI e94{`
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size <A,G:&d~
* 改為 Angle 或 Object Height W~1MeAI
* 固定表面孔徑：Circular Aperture > qSaF
* 移除漸暈係數 [We(0wF[`
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 T F !Lp:
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[attachment=76859] jy]< q^J
q?=eD^]
產生關鍵光線組 a?IL6$z
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： psg}sl/
ZR3x;$I~4
[attachment=76860] Xj a l6e)[
(\si/&
轉換到非序列 43mV ~Oj
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 ZcX qH7`r
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 p[QF3)9F
[1Dg_>lz
[attachment=76861] _J51 :pi
*q%)q
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 _BcYS
; b2)WM:
[attachment=76862] ~6 7L
KB,!s7A
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： UN&b]vg
b|c?xHF}K
[attachment=76863] 89B1\ff
&/7 AW(?
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： {)eV) 2a
XV2 f|8d>
[attachment=76864] <dTo-P
y? -wjJS>
檢查關鍵光線組的狀況 #;
I8 aMb
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 |5}{4k~9J
2#nn}HEOC
[attachment=76865] /X i:k
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分析雜散光所需的設定 {PHxm
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 C!SB5G>OH
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 %}G:R !4 d
_4z>I/R>Z
[attachment=76866] 39 JLi~j,
z(^p@&r)F
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 x3L3K/qMg
L4aT=of-
[attachment=76867] nMc d(&`N
AA}M"8~2
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 M i\f?
VGBL<X
[attachment=76868] J4te!,
d]h[]Su/?
初步追跡結果 -t
% .I=|
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 :Ke~b_$Uy-
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 p /WEQ2
&adKKYN
[attachment=76869] ^!|BKH8>f%
tkWWR%c"
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 Y 3[<
+D1;_DU
[attachment=76870] MC3XGnT#5
Tk/K7h^
並且設定視窗如下圖。 Arz>
P@EQ
C,-V>bx g
[attachment=76871] 52*zX 3
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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。 *D]/V U
6R@
v >}
[attachment=76872] \VPU)
0_Etm83Wq6
使用Filter String f&^K>Jt1@#
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）。 O>w $
@8 @cpm
[attachment=76873] *8"5mC ;"
<H)h+?&~d
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%。 $K \\ 8$Z
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。 Qd]-i3^0
tA@#SIw
[attachment=76874] \I#2Mq?
[ OMcSd|nf
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 sBF}j.b
p%J,af
[attachment=76875] qVJV 9n
mR fF)
[attachment=76876] a+zE`uY
ykl./uY'
給透鏡加上鍍膜 Qo)>i0
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。 )1J&tV*U
這裡我們在 Fg5c;sls
物件6的Face 2以及 Vjj3 0f
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 O|%><I?I
lpve Yz
[attachment=76877] &^qD<eZ!Eq
q(!191@C(
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 $ CHr i|
Uh?SDay
[attachment=76878] !K(0)~u
;% !'K~
E+>Qpy
分析特定區域的光 (使用Filter String) $+S'Boo
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ Y'bDEdeT
K-k;`s#
[attachment=76879] E n{vCN
R S;r
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 %dO'kU /-
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 WK /Byd.Z
vlm &)DIt
[attachment=76880] ~+QfP:G
O)`R)MQ)
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 6BLw 4m=h
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 fX#Em'Ab[
#Cvjv;
QwY
[attachment=76881] }LDDm/$^}
Gv F~h0wMt
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。 MBXumc_g
E7oL{gU
[attachment=76882] cm6cW(x6
uUwwR(R
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。 !95ZK.UT
^l7u^j
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。 ~F+{P4%`<
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。 HeNg<5v%Y
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。 EF q Wnz
zg0)9 br
[attachment=76883] 29 Yg>R!/
V
;1$FNR
[attachment=76884] + Q}Y ?([
(.m0hN!~u
進階路徑分析 rrwBsa3
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 HKb8z@;%@
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 GO+cCNMa"
|.)oV;9
[attachment=76885] "qIO,\3T
f,k'gM{K
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。 y5RcJM
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 L#M9 !
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。 + ( `
4! XB?-.
[attachment=76886] 7Xw;TA
iLws;3UX;x
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。 506B =
F(Pe@ #)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。 #78p# E
|K,9EM3
[attachment=76887] ^j0Mu.+_
B<I%:SkF@
[attachment=76888] }'b 3'/MJ
.Xc, Gq{
[attachment=76889] +5JCbT@y
S>/p6}3]
[attachment=76890] T\{ on[O
T u?+pz`h
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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