| 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。 qJZ5w }
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： r g$2) z1
* 介紹雜散光 7FiQTS B:
* 轉換序列式設計到非序列模式 a!US: ^}lu
* 設計鎖定工具 C g! ]x
o
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 i!J VGs
* 用 Filter String 篩選光路徑 Z/S7ei@56
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 D!oE LZ3
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文章發布時間：April 23, 2017 DV WqrK}q
文章作者：Michael Cheng *uq}jlD`!
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簡介 }H4Z726
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： NdW2OUxw"
[attachment=76856] sX~
`Vn&
UpU2H4
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： 5fdB<& 9
[attachment=76857] _K?{DnTb
VkNg Vjg
rI t#ps
開啟範例檔 $C;) Tlh
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx 6?3f+=e"~!
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。 $# /-+ >
[attachment=76858] cN5, \ I.
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2V 1|b`b#4
設計鎖定工具 azxGUS_i<
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 K; +w'/{
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： 5Cp6$V|/kv
* 開啟 Ray Aiming EC4RA'Bg1k
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size b5MCOW1+
* 改為 Angle 或 Object Height !4(X9}a
* 固定表面孔徑：Circular Aperture =wEqI)Td
* 移除漸暈係數 <&+\X6w[
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 m;S!E-W
h}k/okG
[attachment=76859] 5V U
5kiCt
Ltx eT .
產生關鍵光線組 FSs<A@
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： t@`w}o[#
R*l#[ D5A
[attachment=76860] J m5).
"lFS{7
轉換到非序列 .@ 3
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。 ` n *e8T
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,|%7 '? Y
Gd:TM]rJ
[attachment=76861] 7Z#r9 Vr
;PO{
ips
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。 't+
J7
RZtY3:FBx|
[attachment=76862] \ lJCBb+k
L*Gk1'
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： s7A3CY]->
dOm@cs
[attachment=76863] DHUK_#!
tJ{3Z}K
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： J-6l<%962%
5 (Lw-_y#
[attachment=76864] &D X&*Xq2
0%Y8M` ~s7
檢查關鍵光線組的狀況 i;u#<y{E
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。 qSg#:;(O
KlMSkdmW
[attachment=76865] >9Yo:b:f
}T)0:DF1,
分析雜散光所需的設定 MO_-7,.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。 c#ahFpsnlw
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。 s=Cu-.~L
,ln=kj
[attachment=76866] ]4uY<9VL
8|z@"b l)
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。 g< F7UA
^$N}[1
[attachment=76867] (bX77 Xr
pie,^- _.g
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。 [Yq*DkW
kH .W17D~
[attachment=76868] 8wi2&j _
TtWE:xE
初步追跡結果 SHAC(3o /e
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。 B24,;2J
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 nlq"OzcH04
5x2m ]u
[attachment=76869] ]8m_ +:`=
3axbW f3[
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 nNEIwlj;
V-7A80!5
[attachment=76870] J)o =0i>*
~+~^ c|
並且設定視窗如下圖。 zra zbHI
j><8V Qx
[attachment=76871] ndXUR4
Z ? F*Z0y
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 E dp%z"J;C
2Hp<(
[attachment=76872] ]\ .3<^
Ih;I&D+e;
使用Filter String # cAX9LV
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）。 eyIbjgpV
YQ`m;<
[attachment=76873] t0"2S i
C)RJjaOr
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%。 '",+2=JJ
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。 $Lc-} m9n
<y! (X"n`
[attachment=76874] j,J/iJs
R #\o *Ta
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 V 49[ XX
&$ x1^
[attachment=76875] g{U?Y"
u]uUm1 Er
[attachment=76876] ~snYf7
F5(D A
給透鏡加上鍍膜 Yo^9Y@WDW
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。 *@-a{T}
這裡我們在 BM+>.
物件6的Face 2以及 .271at#-
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 r/e} DYL&
{*NM~yQ
[attachment=76877] \5q0nB@i5y
$psPNJG
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 !=B=1th4
7&>==|gt
[attachment=76878] ZR |n\.
G1?m}{D)
?Dn
6
分析特定區域的光 (使用Filter String) }P(<]UF
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？ 5@/hqOiu
8n~ o="
[attachment=76879] v9K=\ j
B HrN Dpv
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。 }48 o{\
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。 1!"iN~
tg#d.(
[attachment=76880] xC^| S0B
&3~_9+
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。 M WHzrqCA
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 V =-hqo(
Q!`
[attachment=76881] 9X ^D(
_WB*ArR
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。 Z-;I,\Y%
Zf *DC~E_
[attachment=76882] ps&p|
?'%9
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。 m1{OaHxKh
@S#Ls="G
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。 y|h:{<
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。 %}ASll0uq
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。 *If ]f0?%
3 Jj 3!aDB
[attachment=76883] bQBYz vd
$geDB~ 2>
[attachment=76884] _a&Mk
M?G4k]
進階路徑分析 &br_opNi
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 cjy b:gAO
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 I?#B_ R#
csCi0'u
[attachment=76885] ("T8 mt[w>
H;kk:s'
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 s3+6Z~g'B
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ~9h / {$
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。 } & qr"z4
D4;6}gRC
[attachment=76886] P%_PG%O2p
!^_G~`r$2J
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 q%\rj?U_
QbG`F8dj
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 (8d"G9R(
p({)Z U3
[attachment=76887] @$]
CC1Y
r>.^4 Z@
[attachment=76888] b]XDfe
Qu6Q)dZ<
[attachment=76889] S1G=hgF_L
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[attachment=76890] C$#X6Q!,
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
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