[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。 MYnH2w]  
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： w,jcm;  
* 介紹雜散光 1(GHCxA8G  
* 轉換序列式設計到非序列模式 F X1ZG!  
* 設計鎖定工具 B7-RU<n  
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 Q\J,}1<`6  
* 用 Filter String 篩選光路徑 Y&r]lD
 
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 E)t  
oeL5}U6>g  
文章發布時間：April 23, 2017 {-63/z  
文章作者：Michael Cheng PI?j_8  
VAYb=4lt  
簡介 9;r? nZT
/  
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： EZ(^~k=I  
?&h3P8  
?Zyok]s  
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： q
MS}t3X  
a~^Srj!}x  
+ydm,aKk  

fjDpwb:x)  
開啟範例檔 %W|DJ\l8"  
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx mKg@W;0ML  
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。 \w)?SVp  
ij&p4  
s"0b%0?A  
^4`&EF  
設計鎖定工具 l@d gJ  
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。 %XXkVK`  
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： DQ=N1pft2v  
* 開啟 Ray Aiming {B yn{?w  
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size {.#zHL ;  
* 改為 Angle 或 Object Height 3BM
S_,P  
* 固定表面孔徑：Circular Aperture |r~ uos  
* 移除漸暈係數 n2;9geq+  
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 j=.g:&r)  
?'~;Q)  
t,vTAq.
))  
sdF3cX  
產生關鍵光線組 cq^sq1A:  
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： }?O[N}>,m  
U \Dca&=  
T~Yg5J  
y-`I) w%  
轉換到非序列 C"T,MH  
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。 rqvU8T7A  
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 K M]Wl_z  
R/N<0!HZ  
p\txlT  
8)Tj
H'  
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。 L+Nsi~YVq  
mW$ot.I  
X"J%R/f  
nJ# XVlHc  
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： q=[U}{  
`p"U  

)b9I@)C  
UIw?;:Y  
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： mahi7eU P  
*Ypqq  
!\w\ ]7ls  
U~g@TfU;  
檢查關鍵光線組的狀況 z`9l<Q/  
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。 59qnEIi  
WB"$u2{|i  
2?*1~ 5~I  
/lUk5g^j  
分析雜散光所需的設定 :+pPrGj"  
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 lWl-@*'  
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 xDe47&qKM  
}I<N^j=/pO  
l_sg)Vr/b  
T.euoFU{Z  
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 s{%fi*  
wL|7mMM,  
"11j$E9#\n  
0XQ-   
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。 w\v&3T   
'!j(u@&!  
{ ;' :h  
EreAn  
初步追跡結果 D;yd{
]<  
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。 IHfSkFz`j  
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 b2%blQgo  
v*gLNB,ZH  
8ok7|DJ  
l2M/,@G  
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 cl#OvQ  
8|_K  
o9^$hDs,si  
GfQ^@Tl  
並且設定視窗如下圖。 bAdAp W  
u;{T2T  
m4\g o  
?-M)54b\  
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 O^Dc&w  
t"#lnG!G  
}W)Mwu'W  
7@\GU].2  
使用Filter String 3# :EK M~!  
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 )[RpZpd`*  
)m>6hk  
w-8)YJ Y  
K-ju,4A  
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 pIrv$^  
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。 "Vq@bNtu+  
N)Qlkz$X  
(O<abB(  
=`ywd]\7  
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 E{?L= ^cU  
ge@reGfsB1  
.w=:+msL{(  
tgS+"ugl  
Z@8MhJ  
kkG_ +Y  
給透鏡加上鍍膜 C!
oksI  
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。 ~m3V]v(q7  
這裡我們在 'G
3+2hah  
物件6的Face 2以及 23,%=U  
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 'XG:1Bpm  
K7y!s :rg!  
a'o}u,e5  
-+`az)lrp  
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 T;xHIg4
 
jw2
_!D  
2"B}}  
b"*mi  
#xD&z^o  
分析特定區域的光 (使用Filter String) hG< a  
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？ `mh-pBVD1  
k,yc>3P;U  
5>0\e_V  
]wJ}-#Kx  
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。 *tIdp`xT/T  
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。 []sB^UT  
8b8e^\l(  
0m)-7@  
h0&>GY;i  
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。 &zaW"uy3T  
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 K*J4&5?/  
f]{1ZU%4  
cWX"e6  
#r78Ym'aI  
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。 1oXz[V  
KY;uO 8Te  
Po2_ 0uX  
HMl!?%%  
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。 nph7&[xQI  
oP 6.t-<dU  
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。 v^FV t  
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。 ^!-E`<jW8  
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。 VPq5xSc?  
Rh05W_?Js  
%Q>~7P  
"^e}C@  
{7j6$.7J$&  
gdkLPZ<<  
進階路徑分析 ]
x5(bnWx  
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 \Nh^Ig
 
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 4w?]dDyc%  
uM}dZp 1  
pGZl.OI  
62k9"xSH  
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。 )l 4>=y  
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 TV$\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。 M+;!]tbc3  
2<\yky  
\]~kyy  
3.GdKP.%  
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。 @[[Cs*-  
f6dE\  
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。 Q T0IW(A  
tXb7~aO  
Rd;~'gbG  
;c \zgs~"T  
Occ8Hk/l.  
&zg$H,@Qp  
gpO_0U4lQ]  
0qotC6l~_w  
v"Ud mv"  
yC&
b-y  
（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