| 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。 Cus=UzL
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： GkMNV7"m
* 介紹雜散光 qG"|,bA
* 轉換序列式設計到非序列模式 Sp)KtMV
* 設計鎖定工具 1!/+~J[#
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 w?ssV
* 用 Filter String 篩選光路徑 }yqRz6=YB
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 P
Y
+~,T2
LLmgk"
文章發布時間：April 23, 2017 Wm:3_C +j
文章作者：Michael Cheng /rp4m& !
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簡介 7ka^y k@Q
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： [rqe;00 ]
[attachment=76856] R7*Jb-;$!
sb4)@/Q7j
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： )uf Hk
[attachment=76857] _yjM_ALjo
(Br$(XJoK}
Orh5d 7+S
開啟範例檔 &n<jpMB
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx ]SrKe-*:U
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。 o! mf d}nG
[attachment=76858] Td[w<m+p<P
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hgj# VY$B
設計鎖定工具 "b%hAdR
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 GG"0n {>0
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： el!Bi>b9c!
* 開啟 Ray Aiming 0vG}c5;F
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size
OfTcF_%
* 改為 Angle 或 Object Height *p?b "{_a
* 固定表面孔徑：Circular Aperture ==x3|^0y
* 移除漸暈係數 <6/XE@"
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 w GZ(bKyO
w :FH2*
[attachment=76859] w%S<N
.u7d
產生關鍵光線組 ?3SlvKI}H`
在轉換到非序列模式之前，讓我們先匯出序列模式中的關鍵光線，這包含主光線以及一系列的邊緣光線。這讓我們稍後可以直接在非序列系統中，直接檢查這些原本需要在序列模式中才能計算的光線。操作方法如下： qIjC-#a=m
m?<8 ':
[attachment=76860] =)M 8>>l
OpxVy _5,
轉換到非序列 3+A 0O%0*
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 x|0Q\<mEe
有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 6(9Ta'ywZ
6?*iIA$b
[attachment=76861] &4*&L.hPM^
8e\a_R*(|
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。 5YS`v#+
p< *-B
[attachment=76862] &8"a 7$
V EY !0PIj
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： 0IDHoN aT<
8YkP57Y%[Z
[attachment=76863] gEKJrAA
WY 2b
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： gY0*u+LF
bDUGze zP<
[attachment=76864] _?G\^^
/bCrpc H
檢查關鍵光線組的狀況 b@YSrjJ
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。 R2]?9\II
Va=0R
[attachment=76865] [-6 j4D
+Yi=W o/
分析雜散光所需的設定 9k 7|B>LT
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。 7h&xfrSrD
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。 DP; B*s4{U
Slv}6at5
[attachment=76866] ULU
]k#
g ?= B{V
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 QF7]j/
BOwkC;Q[
[attachment=76867] EVq<gGy
2#+@bk>^{
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。 M8juab%y
&<_s XHg<x
[attachment=76868] Z?nM t
"#4PU5.
初步追跡結果 ZlO@PlZ)
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。 L7D'wf
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 Y!POUMA
}A
?R,^pr W{
[attachment=76869] dDpe$N
0*g
psS
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 )3)L
m7M *)N8
[attachment=76870] =z=Guvcn`
d+&V^qLJ
並且設定視窗如下圖。 |;D[Al5AMc
4 uNcp0
[attachment=76871] hJd#Gc~*M
1Eg}qU,:
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 } Bc6:a
Rb9Z{Clq>
[attachment=76872] Q;aZpi-E"
.7) A8R7Wt
使用Filter String *f4KmiQ~ %
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 :=i0$k<E/
ahV_4;yF
[attachment=76873] j ^_ G
Nju7!yVM_
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%。 }*R" yp
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。 Hfc^<q4a.
|_w*:NCV5
[attachment=76874] w:umr#
_&dG o( B
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 Zb9@U: \
x &9 I2"
[attachment=76875] ;bAy 7
Y^ 6=_^
[attachment=76876] 5X`.2q=d
W
B!$qie\
給透鏡加上鍍膜 .qVdo+M%F
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。 @{ nT4{
這裡我們在 mB1) !
物件6的Face 2以及 hVG akp9WE
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 <4O=[Q 5S
=vK (-h
[attachment=76877] -Z;:_"&9
W:) M}}& H
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 Ko%rB+d
[j![R
[attachment=76878] aoJ&< vl3
qy-BZ%3
[ 0~qs|27
分析特定區域的光 (使用Filter String) ;ib~c,
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？ ZR#UoYjupb
p [/n[@<8=
[attachment=76879] f
a\cLC
/NkZ;<uxJ
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。
k,@1rOf
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。 de`6%%|
QWxQD'L'
[attachment=76880] 6Edqg
v(t&8)Uu
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。 t6"4+:c!>
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ~]yqJYiid^
XSxya .1
[attachment=76881] -[7.VP
G 6J3F
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。 _rR.Y3N
% idn m
[attachment=76882] 1U9iNki
P `oR-D
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。 .K93VTzy
*1%g=vb
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。 % !=YNm
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。 x [? _F
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。 h] =chz
z^b\hR
[attachment=76883] {otvJ |'N
$_ NaxV
[attachment=76884] [ Dt\E4
;zOZu~Q|'
進階路徑分析 vx4&
;2
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 qJK^i.e
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 +|0 m6)J]
T8\,2UWsj2
[attachment=76885] :#L B}=HQ
h43k
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 4 '+)9&g
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 RS: 0xN\JN
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 O]Hg4">f
*\`C! r
[attachment=76886] hT_snb;ow
dqe_&C@*O
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 ,S8Vfb &
Ky'^AN]
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 yO($K L +
W`\H3?C`xQ
[attachment=76887] q+DH2&E'
>YW>=5 _
[attachment=76888] C VU DN2
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[attachment=76889] mA."*)8VNg
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[attachment=76890] G'epsD,.bX
lt*k(JD
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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