| 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。 L'F<ev
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： y\ a1i y
* 介紹雜散光 nw-I|PVTNa
* 轉換序列式設計到非序列模式 {7)st
W
* 設計鎖定工具 f "<O0Qw
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 p\<u6v ~J
* 用 Filter String 篩選光路徑 #FNcF>3>
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 &}A[x1x06)
~c&bH]cj
文章發布時間：April 23, 2017 -4cXRv]
文章作者：Michael Cheng L31HG H2l
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簡介 7k rUKYVo
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： !TUrQ
[attachment=76856] Xwhui 4'w
- :na: Vsi
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： v -PXZ '7~
[attachment=76857] e:5bzk!~
9o+)?1\
`5C,N!d8X
開啟範例檔 N|6M P
e
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx bdc&1I$
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。 q,+yqrt
[attachment=76858] 'JRvP!]
xLC3>>P
D/Mi^5H)
設計鎖定工具 sn)3Z A
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。 nYX@J6!
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： @9lUSk ^9
* 開啟 Ray Aiming ]VD|xm:kj
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size +Nt2
+Y:O
* 改為 Angle 或 Object Height K[!&b0O
* 固定表面孔徑：Circular Aperture v uoQz\
* 移除漸暈係數 -$dXE+&
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 Y9&,t\ q
DKBSFm{~Q
[attachment=76859] %|^fi8!:|
orjj' +;X
產生關鍵光線組 uLWh |
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： %@6}GmK^
23DiW#o'
[attachment=76860] /J WGifH
& M.66O@
轉換到非序列 t},/}b
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。 oyYR-4m\
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 ,uSQNre\j
# ?/<
[attachment=76861] /(.mp<s 0
V;,{}
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。 Ljp%CI[i
.P7"e5g e
[attachment=76862] xUa{1!Y8
F!]lU`z)=
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： MP4z-4Y
>8qQK r\"
[attachment=76863] g.zEn/SM
Jc|6&
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： }wHW7SJ
*fn*h[pV&
[attachment=76864] 9 mmCp&~Z
$D|e>U
檢查關鍵光線組的狀況 98uV6b~g
讓我們點一下Critical Ray Tracer工具如下，可以看到各個視場的主光線與邊緣光線都能正常通過。當使用者設計好機構元件時，將會需要把機構元件的CAD檔匯入，再次使用此工具，確保機構沒有不小心遮蔽到主要光束。 {ZI)nQ{
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[attachment=76865] ?C&z]f3(:
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分析雜散光所需的設定 tm#nU w
在開始追跡檢查雜光狀況之前，讓我們先來調整一些必要的設定。 8(~K~q[Cr
首先是把最大光線分裂次數，以及最大光線與物件交會次數調整到最高，在雜光的分析中，有時候我們想要分析的光線是經過非常多次反射產生的，如果分裂次數或交會次數的設定不足，可能無法充分分析到所有狀況。 o! {w"K
Y Q6 f} O
[attachment=76866] ~s]iy9i
TiO"xMX
然後我們把追跡的光線數降低到5000條，原因是分析雜散光時，通常一條光線會分裂為非常多的子光線，比起不分裂的狀況，速度可能慢上十幾倍到百倍不等，這邊以示範為目的，因此我們把光線數量控制到較少的5000。 MBhWMCN2
5
( {t4dm
[attachment=76867] -wSg2'b4E
c%'RR?Tl
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 :QB<?HaS'
O0pD d4)"
[attachment=76868] qx4I_%
I/L_@X<*r
初步追跡結果 bS"fkf9
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 & '}/f5s|
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 N =QfP
b+&% 1C
[attachment=76869] BC&9fr
#R.- KUW:
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 /|eA9 ]
W^] 3XJP
[attachment=76870] m|:_]/*qE
ML8<4o
並且設定視窗如下圖。 @ vrV*!
nEkR1^30
[attachment=76871] L"j
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s8#X3Rp
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 /S (zff[at
pFH z"]
[attachment=76872] ,]cD
-cSP _1
使用Filter String 70;Jl).\{
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 (3 #Cl
1]f
x>* Drm 7
[attachment=76873] YA
+E\
!/ 3B3cG
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 D6G oa(!9d
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 isZA oYVu
y?a
Acn$
[attachment=76874] )Ib<F 7 v
$} =krz:r
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 R%qGPO5Z\c
u*tN)f3
[attachment=76875] 0VGPEKRh
n1&% e6XhO
[attachment=76876] krC{ ed
<Gt2(;
給透鏡加上鍍膜 {6c2{@
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。 -"h;uDz|z
這裡我們在 bVL9vNK
物件6的Face 2以及 p Wt)
A
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 1}:bqI.<W
V {pj~D.E
[attachment=76877] c=L2%XPP
2;^y4ss g
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 bV8 !"{
*hQTO=WF
[attachment=76878] f~d d3m('
USVqB\#
$T`<Qq-r
分析特定區域的光 (使用Filter String) rfgI$eu
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？ LwK+:4 $
72X0Tq 4
[attachment=76879] {iv<w8C U)
n< ud> JIb
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。 0\:( ageY?
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。 FRS>KO=3
K,w"_T
[attachment=76880] 1xbK'i:-S
5Pd"h S
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。 3nu^l'WQ
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 B?) @u|0
7\9> a
[attachment=76881] ;+tpvnV;]
+{/*z
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。 KLL;e/Gf
)DeA} e ?F
[attachment=76882] .%^]9/4
>NKe'q<)3
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。 9!Ar`Io2@
.p=sBLp8
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。 Cxcr/9
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%;im
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。 kdC P
24/XNSE,-
[attachment=76883] IZ m(`b;t^
P{5-Mx!{&
[attachment=76884] 581e+iC~<H
K^ 3co
進階路徑分析 Qq@G\eRo
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 (s1k$@d
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 tU^kQR!
<d<mvXbw_@
[attachment=76885] !bD@aVf?5
@_"9D y Y%
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。 [J
C:
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 $Y9jrR'w
把進階路徑分析工具中找出來的第一條路徑輸入到Filter String中的方法很簡單，只要在原本的Filter String最後面加上一個_1即可。，可以看到如下圖。 3G meD/6
GCttXAto
[attachment=76886] i z~
pGkt
O$g_@B0E1
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。 r,]#b[:.s|
~=wC wA|1
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。 rFZrYm
enTW0U}
[attachment=76887] a6h>=uT [
YxGcFjJ
[attachment=76888] x-'~Bu
Nk;iiz+ _p
[attachment=76889] gU R]{dq^'
S\wW)Pv8
[attachment=76890] #Ch;0UvFF
Dw2 Q 'E
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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