| 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。 t8/%D gu
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： Ak A!:!l
* 介紹雜散光 B.*"Xfr8
* 轉換序列式設計到非序列模式 TB nvV 5_
* 設計鎖定工具 NAJVr}4f
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 9B=1 Yr[
* 用 Filter String 篩選光路徑 QPs:R hV7
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 =X@o@1
'$[Di'*;
文章發布時間：April 23, 2017 0x ~`5h
文章作者：Michael Cheng NR3`M?Hjf
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簡介 x8\<qh*:
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： ,Sg33N ?
[attachment=76856] 56{I`QjX
eFFc 9'o
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： 4pPI'd&/7
[attachment=76857] +EkW>$
/oL8;:m
=~ jA oOC@
開啟範例檔 5I' d PNf
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx Mu2`ODe]
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。 +pp9d -n
[attachment=76858] S_\
F
# SnvV
3Aj*\e0t
設計鎖定工具 c!wtf,F
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。 %Q~CB7ILK
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： tsv$ r$Se
* 開啟 Ray Aiming x_!ZycEa
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size ST;t,
D:
* 改為 Angle 或 Object Height FS@A8Bb
* 固定表面孔徑：Circular Aperture Ik~1:D]f
* 移除漸暈係數 /k6fLn2;
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 v>m n/a
d,9`<1{ 9
[attachment=76859]
4["&O=:d
9 wh2f7k
產生關鍵光線組 fn}UBzED\
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： FxRXPt
FK
'\~^TF i
[attachment=76860] L1 #Ij#
AK-}V4C/A
轉換到非序列 L?RF;jf
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 50~K,Jx6B
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 =6T
4>rP
2]WE({P
[attachment=76861] P Sx304
\Fb| {6+
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 (^n*Am;zlH
]Pc^#=(R0
[attachment=76862] k\7:{ y@,
tIuoD+AW
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： t"AzI8O
ga0'zo9K
[attachment=76863] nH[+n `{o
uT_!'l$fr
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： 8 0B>L
G/?~\
}:s
[attachment=76864] Hs (D/&6%
K_/ B?h
檢查關鍵光線組的狀況 6}dR$*=
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 R; } 22s
!<n"6KA.
[attachment=76865] ma& To=
S h4w qf
分析雜散光所需的設定 acW'$@y9?N
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。 uCP> y6I
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。 r)T[(D'Tm-
oC |WB S
[attachment=76866] ;LwqTlJ*[L
}5 9U}@xC
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。 A( d5G^
r':TMhzHq?
[attachment=76867] O #kq^C}
v"Jgw;3
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。 >G"X J<IO
f4('gl9
[attachment=76868] -9Ws=r0R
8c xai8
初步追跡結果 O8u3y
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。 [rY T
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 0Z I(/r
% y`7);.q
[attachment=76869] C !x/
^gw
SZ !=`a]
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 F[`ZqW
ljJ>;g+
[attachment=76870] "^CXY3v
]B4}eBt5)@
並且設定視窗如下圖。 lE#m]D
KLQ!b, =q
[attachment=76871] +8P,s[0<R_
WE!vS Z3R
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 d^D i*&X
4sF v?W
[attachment=76872] { 1lO
2y GOzc
使用Filter String rAqxTdF
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）。 :14i?4F d
8g/F)~s^F
[attachment=76873] P9Q2gVGAO{
NeOxpn[
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%。 lX!`zy{3k
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。 vA% ^`5
^CT&0
[attachment=76874] x^= M6;:
O}ejWP8>
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 L\aB c}
&XLD S=j
[attachment=76875] iZ,YxN<R
JWO= !^
[attachment=76876] 2&(sa0*y
p9ZXbAJ{
給透鏡加上鍍膜 _%@=Uc6V
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。 =!MY4&YX
這裡我們在 || B;o-
物件6的Face 2以及 '?*g%Yuz
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 O9h+Q\0\ W
)9nE lb2
[attachment=76877] >`T5]_a
Xh+ia#K
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 e(B9liXM
b!>\2DlyJ
[attachment=76878] Hgc=M
jFG0`n}I
[bQj,PZ&
分析特定區域的光 (使用Filter String) f^Bc
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？ E _ucab-Fi
R!x:
C!{
[attachment=76879] GR4?BuY,
]rBM5~
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。 T)CzK<LbR
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。 Y;J *4k]
J]/}ojW3
[attachment=76880] ,K9f_bv
bMoAD.}
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。 #&!G"x7
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 Yn51 U6_S
mXWTm%'[
[attachment=76881] QGnxQ{ko
+*nGp5=^GE
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。 f>Td)s1
M
*iX e^ <6v
[attachment=76882] 7hNb/O004
}2>"<)
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。 <|6%9@
v@
C,RP9
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。 _uxPx 21g}
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。 3C>q h{z"
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。 N" 5fmY<
&rq{v!=7
[attachment=76883] `\ $8`Zb;
MEZ{j%-a
[attachment=76884] KlxN~/gyik
7G2PMe;$m
進階路徑分析 h#YD~!aJ
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 P8yIegPY
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 B;zt#H4
$r.U
[attachment=76885] $ACx *e%
[ W,|kDK
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。 f |3q^wjs
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 $K}.
+`vVO
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。
a=}*mF[ug
~4 #B'Gy[
[attachment=76886] lvSdY(8
n~0z_;5
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。 nL `9l1
-$8.3\6h
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。 (RL>Hn;.
u</8w&!
[attachment=76887] f ZryG
BNm4k 7
]M
[attachment=76888] {ShgJ ;! Q
_kraMQ>
[attachment=76889] JNU/`JN9f
r#876.JK
[attachment=76890] Z| 6{T
D@54QJ<
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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