| 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。 0TU~Q
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： $1oU^V Y
* 介紹雜散光 )/2* <jr
* 轉換序列式設計到非序列模式 PYr#v OH
* 設計鎖定工具 =O1CxsKt6
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 mU:C{<Z
* 用 Filter String 篩選光路徑 &w:"e'FG`
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 N'Va&"&73>
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文章發布時間：April 23, 2017 C.@R#a'
文章作者：Michael Cheng N J:]jd
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簡介 #0`2wuo
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使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： CU6rw+Vax
[attachment=76856] r S /Q
e.G&hJ r
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： ZA>hN3fE'
[attachment=76857] yXY8 o E
NAV}q<@v
Z<En3^j`
開啟範例檔 tc@v9`^_
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx jD0^,aiG
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 :Y
y+%
[attachment=76858] O<S*bN >BF
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設計鎖定工具 KQ?E]}rZ
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 /MsXw/],
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： X55Eemg/
* 開啟 Ray Aiming R`G%eG)+
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size n?&G> `u*
* 改為 Angle 或 Object Height `kyr\+hp
* 固定表面孔徑：Circular Aperture N4!YaQQ;}
* 移除漸暈係數 LYGFE jS[
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 u% a2"G|
]jG%<j9A
[attachment=76859] ) gvX eJ
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產生關鍵光線組 RmO-".$yt
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： W2tIt&{
9 NaC7D$,
[attachment=76860] ~zRUJ2hD!
T#J]%IDd
轉換到非序列 ,nMLu a\
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。 )<DL'
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 =w".B [r
en !cu_]t
[attachment=76861] ,V)yOLApVj
[[JwHM8H&
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。 8_U*_I7(
y2\, L
[attachment=76862] {4CkF \
P`[6IS#\ S
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： {#=q[jVi%1
|=l;UqB
[attachment=76863] o &rejj#
$" J+3mO
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： SWO$# X /
!s\-i6S>
[attachment=76864]
NJs )2
=B*,S#r
檢查關鍵光線組的狀況 e _g7E+6
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。 0Vh|UJ'&7
HkJ$r<J2
[attachment=76865] Sq-mH=r s]
"J, ErnM
分析雜散光所需的設定 0mH>fs 4
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 q3T'rw%Eh
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 n8A*Y3~R
nW{ ).
P
[attachment=76866] ?t'O\n)M
`DC)U1
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 (Pin9^`ALc
(O,|1
[attachment=76867] epW;]>
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b0tr)>d
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 MJ8z"SKnV
-HP [IJP
[attachment=76868] puL1A?Y8UM
j? g{ *M
初步追跡結果 '2/48j X5
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 Q6RBZucv
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 opjrU$<]N
#";(&|7
[attachment=76869] "[BuQ0(g
] 5YG*sD4
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 KFLIO>hE
-1:yqF. x
[attachment=76870] J ;i/X;^
^B1Q";#
B^
並且設定視窗如下圖。 D/9 & pRsO
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{! eHTU
[attachment=76871] (VW T YG7
:?U1^!$$1
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 tl CgW)< ?
(4>k+ H
[attachment=76872] *
"~^k^_b}
%=]~5a9
使用Filter String <S 6|$7{1
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 F[l{pc "C
0{@E=}}h
[attachment=76873] My5h;N@C
(Y)$+9
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%。 kZ[E493bV
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。 AHIk 7[w
2J|Wbey
[attachment=76874] 7-'!XD !
w6qx
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 B7fURL
Rqr
mG1=8{o^
[attachment=76875] cIw)ScY
<FRYt-+
[attachment=76876] bs
kG!w
C^2Tql
給透鏡加上鍍膜 *<i
{
Mb Q
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|p|rL
這裡我們在 4B d[r7
物件6的Face 2以及 ss-{l+Z5
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 ,&G n7[<
KWLI7fTgj$
[attachment=76877] Elo m _
'hf#Q9W5
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 ol^OvG:TQ
^{DXin 1O`
[attachment=76878] quTM|>=_R
N41)?-7F
lSPQXu*[
分析特定區域的光 (使用Filter String) ?R(fxx
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？ %u, H2 *
;*BG{rkr
[attachment=76879] f1rP+l-C<
}G]6Rip 3
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。 U6t>UE6k
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。 F
*=>=
i/6(~v
[attachment=76880] +g(>]!swb
|e! %6Qq3
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。 ",k"c}3G
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 E].hoq7WiB
g=0`^APql
[attachment=76881] %c<e`P;
^RAst1q7
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。 &GG J=c\
9{RCh 9
[attachment=76882] DI{VJ&n66
W4 %I%&j
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。 p[2`H$A
S1p 4.qJ
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 X4_1kY;
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 "oz
: & #+
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 r7+" i9
J$F
1sy
[attachment=76883] sG7G$G*ta!
4W5[1GE.
[attachment=76884] 3k(A&]~v
vMu6u . e
進階路徑分析 RZoSP(6
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 J~Uq' 1?
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 % CV @FdB
-+?ZJ^A
[attachment=76885] #Z#rOh
mE=%+:o.
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 Y)H~*-vGu
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ,P ~jO
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 H e vZ}.
w%~UuJ#i
[attachment=76886] ) l g>'O
NXo$rf :
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。 0`UI^Y~Q
3V=wW{;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。 + -~8t^
PgI H(
[attachment=76887] =hFIH \ x
o|(Ivt7jk
[attachment=76888] Y\75cfD
0h/bC)z
[attachment=76889] V1di#i:
IJ\4S
[attachment=76890] +lC?Vpi^
uJ-Q]yQ
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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