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。 oAifM1*0 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: CF3x\6.q} * 介紹雜散光 G(?1 Urxi * 轉換序列式設計到非序列模式 _8 r'R * 設計鎖定工具 !e<5JO;c * 關鍵光線組產生器 & 追跡 #)n$Q^9& * 用 Filter String 篩選光路徑 0Sk~m4fj( * 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 &*o4~6pQ# !\| 文章發布時間:April 23, 2017 %h(%M'm? 文章作者:Michael Cheng :Z/\U*6~ )n"0:"Ou 簡介 <o9i;[+H- 使用者用序列模式設計鏡頭,處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後,在原型製作之前,還會需要進行機構相關的分析,以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說,雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統,最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例: _"x%s [attachment=76856] t{B@k[| J0vQqTaT 在照相領域中,常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射,或是視野內的光源通過鏡片二次反射,聚焦到像面上這兩種。而在其他系統,例如天文望遠鏡,可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例: P0; y [attachment=76857] VMF?qT3Nd Q_p&~ PNy5 q.R(>ZcV 開啟範例檔 F3vywN1$, 首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx O*/%zr 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。 S@!_{da [attachment=76858] G11KAq( U:99w x] `F#5j 設計鎖定工具 oMemF3M 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。 :~R a} 粗略來說,這個工具所執行的步驟如下: ;F-
mt( Y * 開啟 Ray Aiming ]#DCO8Vk * 系統孔徑設為 Float By Stop Size q {}5wM * 改為 Angle 或 Object Height BPkL3Ev1V * 固定表面孔徑:Circular Aperture EdqB4-#7 * 移除漸暈係數 %}H
2 關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。 4$, W\d 1P"{TMd? [attachment=76859] Fs~*-R$ FZ%h7Oe 產生關鍵光線組 !wUznyYwt 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: ugXDnM[S% W$wX[ [attachment=76860] ._>03, " 7xB]Z;: 轉換到非序列 ?7)v:$(G} 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。 2gklGDJD 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 _vb'3~'S z
&P1C,n) [attachment=76861] [?:MIl#! SJX9oVJeZ 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。 ceJ#>Rj <K&A/Ue [attachment=76862] )TVd4s(e N LQ".mM+ 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: _:NQF7X#ug #wT6IU1 [attachment=76863] $Bncdf NwOV2E6@OW 我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下: -z.
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pK8 [attachment=76864] Vb#a ,t Kyk{:UnI 檢查關鍵光線組的狀況 ^/}4M'[ w 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。 *7Y#G8 s (x/:j*`K [attachment=76865] A0@,^|] 3O4lGe#u 分析雜散光所需的設定 oL R/\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。 <]%6x[ 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。 VHqoa>U,* Z2g<"M [attachment=76866] f^hJA Z [G|(E 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。 e(^I.`9z gfN=0Xj4 [attachment=76867] '{~[e** gQSVPbzK 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。 `Rq|*:LV ipMSMk7gx [attachment=76868] *2~WP'~PQd PHT<]:"`< 初步追跡結果 ud)WH|Z 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。 vOCaru?~h 注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 ;Qq_ W//+[ [attachment=76869] 1 Vc_jYO@ 6y
Muj<L 追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。 t {1 [Ip E<! L^A
M` [attachment=76870] Bi;a~qE E <j=5|0t 並且設定視窗如下圖。 [S]q'c) 8;"%x|iBoL [attachment=76871] ]smu~t0\ IFr"IOr'l 可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 ns5Dydo{T Z/: yYSq [attachment=76872] ^|vk^`S ]Oo!>iTQi 使用Filter String bp?TO]LH 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)。 0&|M/ 60%fva [attachment=76873] g%]<sRl:- ZGX"Vn|YL 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%。 _nzq(m1@ 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。 L3Y2HZ MD1X1,fk [attachment=76874] A_ &IK;-go .j,xh )v" 此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。 Mi(6HMA.SF h7K,q S [attachment=76875] ?xMTO $4ZV(j] [attachment=76876] M Tl
@#M )$f?v22 給透鏡加上鍍膜 Jn|<G 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。 *wmkcifF; 這裡我們在 S{2;PaK 物件6的Face 2以及 NW0se
DL 物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 ":/Vp,g 3HP
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a [attachment=76877] af6<w.i jZidT9[g 再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 6.45^'t] t'W6Fmwkx [attachment=76878] )q4nyT>M bL0]Yuh |8k^jq 分析特定區域的光 (使用Filter String) `hG`}G|^ 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? jM6$R1HX BIx*( [attachment=76879] }2BNy9q@ 0]DX KI 這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中,Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中,可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的,我們還可以使用邏輯符號,例如「&、|、^」等,來組合出無限多種篩選條件。 W6EEC<$JL 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。 zn= pm#L 6-?/kY 6 [attachment=76880] Dqwd=$2% r:0RvWif 現在讓我們重新追跡,並且這次追跡時,要勾選Save Rays的選項,如下圖。 h \`( 這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 .uX(-8n ~ "tk1W>liIN [attachment=76881] q |Pebe= d@JavcR 然後我們回到Layout中,讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史,並輸入剛剛的Filter String。 ~PF,[$?4n d^IX(y*$ [attachment=76882] 5)k/4l ' p.4Sgeh# 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。 ~KGE(o4p 4Vf-D%
h>a 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。 Qqb%^}Xx'u 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。 :nnch?J_ 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。 GP^^
K O@HD' [attachment=76883] !m_y@~pV#u mpDxJk! [attachment=76884] #X!seQ7a -2U|G 進階路徑分析 F)'_,.?0 因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具,工具位置如下。 T DPQ+Kg_ 注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 @{<^rLt d--6<_q [attachment=76885] :N<o< | |