[转载]各種雜散光分析工具介紹 [复制链接]

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。 -u$U~?|`  
本文章將使用內建的雙高斯鏡頭示範在OpticStudio中如何分析雜散光，內容包含： p9y@5z  
* 介紹雜散光 X T<SR]  
* 轉換序列式設計到非序列模式 si,)!%b  
* 設計鎖定工具 }> ]`#s  
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 FX  %(<M  
* 用 Filter String 篩選光路徑 ;Tec)Fl  
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 U^;|as  
B'v~0Kau  
文章發布時間：April 23, 2017 )Tl]1^  
文章作者：Michael Cheng *'n L[]  
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%g_e*"$  
簡介 hDf!l$e.  
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： lD#S:HX  
edL sn>\*#  
VvUP;o&/  
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： 0aqq*e'c  
4J{W8jX  
[y&uc  
bIXD(5y
 
開啟範例檔 ?dyt!>C  
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx 6W/uoH=;  
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。 ;r BbLM`  
ELZ@0,  
_oE 7<  
F|&
%Z(@a  
設計鎖定工具 GD1L6kVd1  
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。 (XNd]G  
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： B.4Or]  
* 開啟 Ray Aiming o&)v{q  
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size 7P:/ (P  
* 改為 Angle 或 Object Height 8xt8kf*k  
* 固定表面孔徑：Circular Aperture GQ0(
lS  
* 移除漸暈係數 ^8=e8O  
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 @;X#/dZe  
0C4Os p  
i.0d>G><@  
:0kKw=p1R  
產生關鍵光線組 %RIlu[J  
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： w$0*5n>)  
(7C$'T-ZK  
|)OC1=As  
z
gl$ n  
轉換到非序列 f{-,"6Y1  
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。 )Vo%}g?6!  
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 JYnyo$m/  
(\%J0kR3[  
Q">wl  
e8&7W3 m  
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 E <N%  
l% p4.CX  
w>4( hGO  
W/.n R[!  
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： ybv]wBpM:  
n]8*yoge  
wlDo(]mj=O  
j>3Fwg9V  
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： x@*?~1ai  
qga\icQr  
k)zBw(wr  
AZ SaI  
檢查關鍵光線組的狀況 gZ us}U  
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 75iudki  
`)NTJc$):  
1ZXRH;J40  
:BF WX  
分析雜散光所需的設定 jGYl*EBx  
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。 Li+|%a  
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。 bYYjP.rcF  
Yc5<Y-W  
0R;`)V\^  
orFB*{/Z  
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 O"  
X{iidTW`xv  
fVYv 2  
88}04  
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。 oJZ0{^  
D=B:tP  
m/WDJ$d  
X^C $|:  
初步追跡結果 r<;Y4<,BZ  
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。 ltHuN;C\  
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 7'5/T]Z  
f5R%F~
 
xEB4oQ5  
@^`5;JiUk  
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 NM1TFs2Y*  
Lve$H(GHT  
[n +(  
lEpPi@2PK  
並且設定視窗如下圖。 Y'y$k  
{h;i x  
Xg;q\GS/<i  
R!WeSgKCs  
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 t5QGXj  
O>ZJOKe  
U}{\qs-zt  
z=LO$,JW`  
使用Filter String `U
;V-  
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）。 d%Ku'Jy  
l4OPzNc'  
vf`]  
~5Rh7   
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%。 bL5dCQxty  
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。 &0mhO+g
 
.\)p3pC)  
XB%`5wwd  
JM*rPzp  
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 i{PX=  
OmP(&t7  
\)PS&Y8n  

sk. rJ  
VE/~tT;  
Bc#6mO-  
給透鏡加上鍍膜 T f^O(  
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。 YGLR%PYv"  
這裡我們在 4W+nSv  
物件6的Face 2以及 _j<,qi  
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 BCHI@a  
*tT5Zt/&Sr  
Sq2yQSd  
N?Ss/by8Sg  
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 i4 tW8Il  
X .S8vlb4z  
n]btazM{   
Fw;Y)y=O  
QLTE`t5w3'  
分析特定區域的光 (使用Filter String) W&^2Fb  
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？ yDw^xGws  
E9[8th,t  
u"a$/  
j! cB  
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 Y'%_--  
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。  ]cI(||x  
M,UYDZ',  
GgjBLe=C  
gClDVO  
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 8%9OB5?F6  
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 K#p&XIY,  
YuDNm}r[  
uO-R:MC  
L:EJ+bNG  
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 gM3gc;  
}~5xlg$B<<  
DSHpM/7  
("BFI  
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。 Yui:=GgUrr  
( ]o6Pi  
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。 7f td2lv  
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。 VbX$i!>8  
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。 P6 G/J-  
-nT+!3A8  
2jx+q  
Q-&]Vg  
 g^En6n)  
J0|}u1?l  
進階路徑分析 L=}U
ApK  
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 i]LK,'  
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 "$8<\k$LGT  
osX23T~-  
n*6',BY  
|,&!Q$<un  
分析後可以看到所有路徑中，幾乎所有能量都集中在 3 > 6 > 15這個路徑上。 7"JU)@ U]  
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ^NLKX5Q  
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 (^Do#3  
Lou4M  
qkUr5^1  
aLXA9?  
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 cuk2\> Xl  
KwQO,($,]  
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。 ?3z+|;t6C  
D&9j$#9Rh  
N<>dg  
D+o.9I/{  
JkxS1  
=\%>O7c,8Y  
X-{:.9  
%#QFu/l  
4+k:j=x  
OEwfNZQ-  
（转自：中文版 Zemax Forum ）

这个功能不错

多谢楼主分享

这个操作起来有点繁琐，不如tracePro来的简单明了

dio中從設計鏡頭到分析雜