| 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。 iDpSj!x/_
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： tR# Ojk vX
* 介紹雜散光 2R[:]-b
* 轉換序列式設計到非序列模式 (Lb bc+1m
* 設計鎖定工具 &sl0W-;0
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 ]=\].% >
* 用 Filter String 篩選光路徑 Sh/08+@+L:
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 lt/1f{v[:
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文章發布時間：April 23, 2017 Fn wJ+GTu
文章作者：Michael Cheng Pd8![Z3
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簡介 u^&^UxCA
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： 4j*
[attachment=76856] kXViWOXU^
QFA 8 N
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： :a!^
[attachment=76857] %U/(|wodd
49eD1h3'X[
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開啟範例檔 { 4l8}w
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx ~$ c\JKH-
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。 A@`}c,G
[attachment=76858] VM ZMG$C
B.=FSow
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設計鎖定工具 ,Co|-DYf}
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 )Om*@;r(
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： d z|or9&
* 開啟 Ray Aiming W" scV@HKu
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size 1Yq! ~ 8
* 改為 Angle 或 Object Height b 1c y$I
* 固定表面孔徑：Circular Aperture ?4Y GT
* 移除漸暈係數 F~-(:7j
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 @@f"%2ZR[
e1yt9@k,
[attachment=76859] +L $X v
KR} ?H#%
產生關鍵光線組 /'SNw?&
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： *V CXihgo
~g91Pr
[attachment=76860] XPc^Tq
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轉換到非序列 g>% o #P7
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>K Or,f
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 g b1V ~
KYm0@O>;
[attachment=76861] %UrueMEO
RH W]Z
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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。 X0HZH?V+
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[attachment=76862] HZE#A b*L
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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： G[ PtkPSJ
@?s Rj&w
[attachment=76863] z(O Nv#}p
= jN.1}
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： .^` {1%
`v!urE/gg%
[attachment=76864] <_L,t 1H{
:U|1 xgB
檢查關鍵光線組的狀況 .vf'YNQ%
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。 w{8xpAqm
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[attachment=76865] J3V=
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分析雜散光所需的設定 P8:dU(nlW
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。 ~7w" nIs<c
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。 ^CYl \.Y@
C^Yb\N}S
[attachment=76866] C} j "Qi`
ZDJ`qJ8V
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=_g*OK}D
KfEx"94
[attachment=76867] dES"@?!^
e(&v"}Ef`
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。 QO:!p5 ^:
1s& zMWC
[attachment=76868] t.y2ff<[U
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初步追跡結果 tKuwpT 1Qc
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。 DCO\c9
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 )r?}P1J7
Dj?> <@
[attachment=76869] F{e@W([
3*XNV
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 D /gw .XYL
C==hox7b
[attachment=76870] hh%-(HaLX3
Qy<P463A(l
並且設定視窗如下圖。 ?zMHP#i
7aRi 5
[attachment=76871] O:R*rJ
Et_bH%0
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 P dFKs+Z`
_"yh.N&
[attachment=76872] -7[@R;FS
2zA4vZkbcw
使用Filter String p4rL}J m&
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）。 ^)S;xb9
M/'sl;
[attachment=76873] r,3DT Be
{<p?2E
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%。 )EuvRLo{S7
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。 1=c\Rr9]
9L?. m&
[attachment=76874] Fyx|z'4b
M)+H{5bt
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 SM#]H-3
bo>*fNqAIy
[attachment=76875] ou lVg];
*%NT~C
q
[attachment=76876] y2dCEmhY
2;`1h[, -^
給透鏡加上鍍膜 _Ey9G
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。 7IH@oMvE
這裡我們在 6<SAa#@ey
物件6的Face 2以及 ~$cV: O7
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 [PM 2\#K
}OR@~V{Gj
[attachment=76877] )[6 U^j4
IqHV)A
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 ^ogt+6c
Gr'
CtO
[attachment=76878] zT.7
D,*3 w'X!K
85$m[+md
分析特定區域的光 (使用Filter String) `pa!~|p
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？ O,
wJR
.t-4o<7 3
[attachment=76879] )p0^zv{
!u[9a;Sa#
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。 $y &E(J
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 Id'-&tYG
z&)A,ryW0
[attachment=76880] ;(/ZO%h
Jb@V}Ul$
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。 %QGC8T z
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 \;3~a9q%
||= )d&
[attachment=76881] py!|\00}
o3^l~iT
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。 Pb4X\9^
0B/,/KX
[attachment=76882] wLH>:yKUU
m|n%$$S&
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。 ]EBxl=C}D
)JLdO*H
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。 XGWSdPJLr
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。 "Mn6U -
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。 mt{nm[D!Xp
o y=js -
[attachment=76883] eS\Vib
Gbr=+AT
[attachment=76884] ) e+>w=t
Tod&&T'UW
進階路徑分析 h$>-.-
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 $?Hu#Kn,(
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 T{. pM4Hd
DDP/DD;n}r
[attachment=76885] 3g,` .I_
u(>^ 3PJ+
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 ]"hFC<w
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 2d #1=+V
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 <I\/n<*
kR-SE5`Jk
[attachment=76886] hHGoP0/o
<4si/=
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 >V?eog %~
Ys!8 2M$g
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。 uM IIYS
eK?MKe
[attachment=76887] (Aao Ca [
EzM
?Nft
[attachment=76888] uK"=i8rs4
v \gLWq'
[attachment=76889] rNWw?_H-H(
xw,IJ/E$1
[attachment=76890] KE5kOU;
a`E#F] Z
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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