[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。 P?
V+<c{  
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： n~6$CQ5dF(  
* 介紹雜散光 4j3_OUwWZx  
* 轉換序列式設計到非序列模式 W,[ RB  
* 設計鎖定工具 \;Q(o$5<  
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 |iUF3s|?  
* 用 Filter String 篩選光路徑 THq}>QI  
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 gS<p~LPf  
2?%*UxcO  
文章發布時間：April 23, 2017 e=VSO!(rY  
文章作者：Michael Cheng y`zdI_!7  
>bV3~m$a+  
簡介 #d %v=.1  
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： F}l3\uC]  
t`Bk2Cc)+  
9e`};DE   
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： 9ad)=3A&L  
L;:PeYPL  
S*G^U1Sc+  
D,.`mX  
開啟範例檔 }Y7P2W+4?  
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx E'{:HX  
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。 {D8opepO)  
~s&r.6DW  
\"ogQnmz  
T4:H:  
設計鎖定工具 MRz f#o<H  
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。 }R+#>P  
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： 8g8eY pG  
* 開啟 Ray Aiming jX4$PfOhR  
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size O8#]7\)  
* 改為 Angle 或 Object Height :7X4VHw/  
* 固定表面孔徑：Circular Aperture 0@?m"|G  
* 移除漸暈係數 oX^N>w0F  
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 $A~aNI  
%m6qL  
C1f$^
N  
vW.f`J,\D'  
產生關鍵光線組 U:~]>B $  
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： 9 D.
wW  
w|G7h=  
/D9#v1b  
nL^7t7mp  
轉換到非序列 38&K"  
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。 uy2~<)  
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 8cZ[Kl%  
rCqwJoC`v  
lmcgOTT):  
='.b
/]!_  
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。 q<.k:v&  
S@pdCH, n  
#@YKNS[  
KJ/Gv#Kj  
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： &^&0,g?To  
e%:vLE 9  
dCn9]cj/  
|a])o  
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： wG:RvgX}  
5hEA/G  
? .B t.  
Z~(X[Zl :  
檢查關鍵光線組的狀況 f8K0/z  
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。 *lZ V3F  
U7U&^s6`  
uUp>N^mmVH  
zE8_3UC  
分析雜散光所需的設定 IX 6 jb"  
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。 ]4c*Nh%8  
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。 \5N\NN @J  
eCJtNPd  
;xh.95BP`  
9qi|)!!L  
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。 xv>8rW(Np5  
A+Un(tU2(  
'_DB0_Dp  
1M)8
8&  
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。 6E^m*la%  
Zd)LV
c[  
WUYU\J&q3  
AWFq5YMSI  
初步追跡結果  7a_u=\,  
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。 +#>nOn(B  
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 vfT @;`  
:Id8N~g  
D?xR>Oo)  
evE:FiDm(j  
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 oP7)  
'%|Um3);0p  
+Y+fM  
x
zx~H>M  
並且設定視窗如下圖。 It'kO jx]  
:`BG/  
E2o8'.~Yd`  
G a$2o6  
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 2GigeN|1N  
Rbgy?8#9  
mm!JNb9(  
p+nB@fN/  
使用Filter String =mwAbh)[7n  
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 Wl&6T1A`"  
R Ee~\n+P^  
Y^#>3T  
BU
L<FTg  
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 ;l `(1Q/  
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 Y2uy@j*N  
jX$U)O  
"_rpErm }  
|1!OwQax  
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 ^5!"[RB\  
Qdc#v\B  
+4IaX1.  
w2!5TKZ`  
Z_jV0[\v0P  
9,>c;7s X  
給透鏡加上鍍膜 }*P;kV  
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。 s<C66z  
這裡我們在 v~dUH0P<>e  
物件6的Face 2以及 ey>tUmt6?  
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 Cw.DLg  
HZ{DlH;&  
"Q.C1#W}.  
+
q432ZG  
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 iqd7  
,0,& L  
/T&+vzCF  
)q{e L$  
\rbvlO?}  
分析特定區域的光 (使用Filter String) )Y1+F,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？ cR6#$-a  
bHs},i6  
'A/{7*,  
m0U
k*~Gz  
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 XPi5E"  
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 ?,Wm|x
Y  
riglEA[^  
I'R|B\  
srU*1jD)  
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 :7qJ[k{g  
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 hZO=$Mm4p  
OBM&N  
K;g6V!U  
fdKTj =4  
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。 <5c^DA  
Xr|e%]!**  
U4y ?z  
Ve\!:,(Y_  
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。 wqQrby<  
!xC IvKW  
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。 <qxqlEQT  
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。 kgFx  
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。 EhIa31>X  
{*qz<U>  
l
\=He  
Zdu8axK:  
(=D^BXtH|  
$olITe"$g  
進階路徑分析 7/c9azmC  
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 >D$NEO^  
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 |0N1]Hf  
q9m-d-!)  
3%V VG~[  

YjeHNPf  
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。 upF^k%<y:  
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 p~t5PU*(  
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 Z  
BIEeHN4  
@1peJJ{  
naW!Mga  
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。 |Z{ DU(?[b  

( |Xc_nC  
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。 (L8z<id<z  
\kksZ4,  
~]lVixr9  
GH6ozWA  
bp(X\:zAy  
A^hFRAg4  
hXsH9R  
%N-f9o8  
km#Rh^  
7<3eB)S  
（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