| 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。 =".sCV9"N
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： t &>eZ"
* 介紹雜散光 F?c :
).g
* 轉換序列式設計到非序列模式 h
7/wkv\y9
* 設計鎖定工具 [QZ8M@Gty#
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 @{ CP18~:
* 用 Filter String 篩選光路徑 3vc2t6S%*
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 Io*mFa?
=XhxD<kI
文章發布時間：April 23, 2017 D:56>%y@
文章作者：Michael Cheng RD_l
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簡介 6j6P&[
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： !h.bD/? K
[attachment=76856]
Ir?ehA
4|INy =<"t
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： *7`amF-
[attachment=76857] knABlU
VthM`~3
i}_d&.DbF
開啟範例檔 #W2#'J:l
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx @"vTz8oY@
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。 m^%Xl@V:c-
[attachment=76858] /8[T2Z!
{SJnPr3R
KrqO7
設計鎖定工具 (@3?JJ]1
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。 y"nL9r.,:
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： FV>xAU$
* 開啟 Ray Aiming $1.l|
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size 9oA-Swc[
* 改為 Angle 或 Object Height g7`uWAxZa
* 固定表面孔徑：Circular Aperture * <l9 d
* 移除漸暈係數 qYbPF|Y=Z
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 &?0hj@kd~
LT:*K!>NOL
[attachment=76859] NVG`XL
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產生關鍵光線組
n1@ Or=5
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： 40Z/;,wp{
-FW'i10\2+
[attachment=76860] ;o?Wn=J
{3kI~s
轉換到非序列 kOLS<>.
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。 #e5*Dr 8
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 ghV xcK
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m@82\
[attachment=76861] 1Jn:huV2
G{{Or
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。 //H 3{^{
HH aerc
[attachment=76862] v}^
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Oo`b#!L
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： ! |;w(/
3I.0uLjg^
[attachment=76863] K $Yc!4M
*N?y <U
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： &Vi0.o
^bckl
tSo
[attachment=76864] Bl8&g]dk
_<P~'IN+n
檢查關鍵光線組的狀況 G)wIxm$?0
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。 i4*!t.eI
PdD| 3B&
[attachment=76865] * S>,5R0k
0CS80
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分析雜散光所需的設定 G9uWn%5r
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。 4,g3 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。 Y'S9
D $[/|%3
[attachment=76866] L7&|
)#n>))
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 dwt< s [k
q;a#?Du o
[attachment=76867] hhvP*a_J
7f`x-iH!]7
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 vaEAjg*To<
|Zo_x} 0
[attachment=76868] 6lc/_&0
X@ 7K#@5
初步追跡結果 oNV(C'A
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 Ev\kq>2 O
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 4$+9k;m'
WsCzC_'j.
[attachment=76869] 8Bnw//_pT
t(:6S$6{e
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 > M Ip r
8@a|~\ 3-
[attachment=76870] x{|n>3l`b9
9N'um%J3%s
並且設定視窗如下圖。 $PQlaivA
5}4MXI4
[attachment=76871] J}.y+b>8\
ptmPO4f
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 )>LC *_v
`|^<y.-6
[attachment=76872] =`X ;fz
V8xv@G{;
使用Filter String ]&ptld;
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 BVC{Zq6hi
n~d`PGs?f
[attachment=76873] 32IN;X|
F*d{<
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 I fZaK([
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 ;6 1m
t7 47SZWgB
[attachment=76874] 4[!&L:tR
/j' We-C
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 Sg<''pUh
z~oGd,
[attachment=76875] Iq\sf-1E
'eo2a&S2D
[attachment=76876] ANCgch\
`4&\ %9
給透鏡加上鍍膜 {- S0m=
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 A?;/]m;
這裡我們在 qgca4VV|z
物件6的Face 2以及 d~| qx
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 m`9)DsR
N
j <+iL]b
[attachment=76877] 5Tp n`2F
7Hpsmfm
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 xsFW F*HPs
wrn[q{dX
[attachment=76878] _jZDSz|Y b
Ok6Y&#'P
oUw-l_ M]
分析特定區域的光 (使用Filter String) 7B% @f9g
初步排除基本雜光之後，我們現在發現在畫面中還有一個不可解釋的雜光，現在假設我們想知道下圖這個圓弧是哪裡來的，要怎麼辦？ IFPywL{K
!4jS=Lhe>
[attachment=76879] df 1* [
VUF7-C*
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 ;gm){ g
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 66'TdF]"
]V@! kg(p8
[attachment=76880] CsSB'+&{
V6$v@Zq
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。 K)Db3JIIk
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 g\(7z
P
'*3+ '>
[attachment=76881] o
JA 58/
_i8$!b2Mr
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 *qb `wg
74Q?%X
[attachment=76882] T>uLqd{hH
D}"GrY 5
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 m'qM cCE
y l'~H;su
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 8:&@MZQ&!
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 Z@ws,f^e
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 ao-C9|2>NU
#Y18z5vo
[attachment=76883] 2s{yg%U(
@6D<D6`
[attachment=76884] N{ 9<Tf *
J)fS2Ni+
進階路徑分析 _ _)Z Q
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 ;C"J5RA
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 Oy|9po
+ Zr03B
[attachment=76885] zWY6D4
v l*RRoJ
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 THu a?,oyW
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ev?>Nq+Z
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 DSjo%Brd-
X&lk A
(
[attachment=76886] vGAPQg6*
tRv#%>fj
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 cn\_;TYiJ
O.$<B f9
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。 NfO0^^"
8@qahEgQ
[attachment=76887] 1_p'0lFe
f zKKK+
[attachment=76888] LTY.i 3
U=yD!
[attachment=76889] pj )I4 C)
aFSZYyPxwv
[attachment=76890] eQLa .0
e!-'O0-Kw
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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