| 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。 OLk9A
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： Zz"I.$$[M
* 介紹雜散光 tt+>8rxF:;
* 轉換序列式設計到非序列模式 |rr $U
* 設計鎖定工具 dV5PhP>6
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 c@RT$Q9j
* 用 Filter String 篩選光路徑 ]LEoOdDN"C
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 vC{ h2A
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文章發布時間：April 23, 2017 X}zX`]:I'
文章作者：Michael Cheng nGq]$h
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簡介 <\ y!3;
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： If~95fy~c
[attachment=76856] 6N9 c <JC
7V~
"x&Eu
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： GxYW4b
[attachment=76857] 8 n e/=N|,
8<YX7e
x1t{SQ-C
開啟範例檔 "/Y<G
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx j_!bT!8
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。 D W1@<X
[attachment=76858] L<bYRG z
j'3j}G%\T
yt. f!"
設計鎖定工具 j*tk(o}qG
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。 5,S, \O9>X
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： GHv{
* 開啟 Ray Aiming ID)^vwn
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size (jMtN?&0H-
* 改為 Angle 或 Object Height dw~[9oh
* 固定表面孔徑：Circular Aperture 3FFaE l
* 移除漸暈係數 vwVVBG;t
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 QS^~77q
{{32jU 7<
[attachment=76859] (/&;jV2DD[
GMz8B-vk
產生關鍵光線組 b6|Z"{TI
_
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： $`pd|K`
R<|ejw
[attachment=76860] W@^J6sH
qYK4)JP
轉換到非序列 \^9pW 2v
在OpticStudio分析雜散光最方便的就是，我們只需要一個步驟，就能快速地切換到非序列模式中。 7Re-5vz
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有關於序列到非序列模式的切換，我們在知識庫中有另一篇非常詳細的文章，讀者有興趣可以參考，此文章標題為：轉換序列式面到非序列物件 UgR : qjI
R"Kz!NTB
[attachment=76861] kae2 73"
_w z2
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 wFvT0
8.yC A
[attachment=76862] W .U+.hR
O= aw^|oj]
非序列模式中系統的運作方式跟序列模式有很大的不同，其中一個就是光線可以分裂。讓我們打開NSC 3D Layout視窗，並勾選 “Split NSC Rays”，就可以看到如下圖： r!kLV )_
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[attachment=76863] Q ]"jD#F
]boE{ R! I
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： n3$g x,KL
d`Oe_<
[attachment=76864] 3rNc1\a;
- IU4#s
檢查關鍵光線組的狀況 |c0 ,
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。 0/Z
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BqB |Fo
[attachment=76865] Q_]~0PoH
fagM7)x
分析雜散光所需的設定 !^iwQ55e2A
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。 @}DFp`~5|
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。 ,[X_]e;
z]=8eV\
[attachment=76866] zsVcXBz
>3 PMnI
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。 Bl k}I
N*_"8LIfi_
[attachment=76867] Jf_%<\ O
Nqc p1J "
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。 !n<o)DsZR
CxDcY
[attachment=76868] mI"D(bx \
OC NPi4
初步追跡結果 &94W-zh
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。 V _"f|[1
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 ".P){Dep$4
,lm=M 5b
[attachment=76869] `/4:I
f~ZEdq8
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 bd== +
G1d(,4Xp
[attachment=76870] s g AzL
9v?l
並且設定視窗如下圖。 5=L} \ankn
a]B[`^`z
[attachment=76871] 7\Fs=\2l+'
S3Y2O
x
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 !{Z ~<Ky
)D/ 6%]O
[attachment=76872] =\3Tv
:iPy m}CE
使用Filter String }6]0hWsN[
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 C6
"
%d;ezY '2
[attachment=76873] *%gF2@=r8F
A''pS
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 X+82[Y,mB.
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 T!|=El>
s' \$t
[attachment=76874] eu#'SXSC
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szmmu*F,U:
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 s?C&s|'.
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[attachment=76875] IV `%V+
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HM9fjl[
[attachment=76876] y2|R.EU\m<
q3P+9/6
給透鏡加上鍍膜 %)(Cp-b!
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 #,NvO!j<4
這裡我們在 .u z|/Zy
物件6的Face 2以及 rS8 w \`_
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 ~bK9R 0|<
|>
enp>
[attachment=76877] s1j{x&OSq
t18$x "\4k
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 qxOi>v0\H
ec3<%+0f
[attachment=76878] R.9V,R5
a;AzY'R
+9;2xya2
分析特定區域的光 (使用Filter String) |CFRJN-J"
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？ 9&]M* *X
X6e/g{S)
[attachment=76879] p
*w$:L
cC{"<fYF
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 gb|Q%LS9R
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 9LC&6Q5O&
*iA4:EIP
[attachment=76880] _ QOZ sEe
Dh 4
6o|P
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 O[@ q%&_
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 W i. 5Y{
bC !`@/
[attachment=76881] >/$Fh:R-
O `1!
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。 ),:c+~@@kT
w*9br SK
[attachment=76882] !A3-0zN!
k; W@LfP
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。 68f iG
&C<yfRDu
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。 2-*V=El
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。 SymwAS+
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。 @D ^^ _1~
ZzGahtx)Y
[attachment=76883] -7H^n#]
h"mi"H^o
[attachment=76884] z+}Q Z >
)m3Uar
進階路徑分析 B _`y|sn
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 .R* !aK
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 ^ >x|z.
N;oQ^B'
[attachment=76885] aVs(EHF
[ jdFA<Is
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。 :,12")N
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 Dn9w@KO
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。 }kHd K vZ
+y o b)%
[attachment=76886] IzOYduJ.
bu7'oB~:V^
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$
'B{.
U6ZR->:
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。 moj ]j`P5a
=WdaxjenZ/
[attachment=76887] ^efb
5
sxKf&p;
[attachment=76888] ` nXV E+E@
G0 J4O!3
[attachment=76889] ]?1Y
e8>Y<
>7`<!YJkK
[attachment=76890] |s # 'dS;
c3*t_!@oC
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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