| 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。 t8*NldC
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： 6S0Gjekr
* 介紹雜散光 v
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* 轉換序列式設計到非序列模式 Xc L%0 %`
* 設計鎖定工具 as[! 9tB]
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 ieXi6^M $
* 用 Filter String 篩選光路徑 r^ABu_u(`I
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 S7~HBgS<
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文章發布時間：April 23, 2017 Xx \,<8Xn
文章作者：Michael Cheng CW]Th-xc
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簡介 (ki= s+W-
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： J
:KU~`r
[attachment=76856] SnM^T(gtS3
QuC_sFP10
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： amWKykVS5
[attachment=76857] FwD
q@Oj
uJ0Wb$%
)RQ QhB
開啟範例檔 !t\sg
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx F 6C7k9
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 zU_ dk'&,
[attachment=76858] Hlpt zez
c6SX z%'k
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設計鎖定工具 ]ZNFrpq
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 ;WhRDmT
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下：
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* 開啟 Ray Aiming _/Ay$l;F
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size </aQ
* 改為 Angle 或 Object Height oe!4ng[
* 固定表面孔徑：Circular Aperture 7OS i2
* 移除漸暈係數 po. QM/b
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關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 4t>"-/
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[attachment=76859] {CNJlr@z
O2"V'(
產生關鍵光線組 [a?bv7Kz
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： @Bn4ZF B@
KL$> j/qT
[attachment=76860] p"j &s
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轉換到非序列 ef/43+F^x
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。 L!,@_
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 m_,Jbf
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[attachment=76861] yB 'C9wEH
l}&2A*c.
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。 S\!vDtD@
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[attachment=76862] @AK& R~<
R~fk/T ?
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： u]i%<Yy89
bm4Bq>*=U
[attachment=76863] - eIo
R.vOYzo
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： B]E c
C [d1n#@r
[attachment=76864] E&5S[n9{3
L4 bYVTm|
檢查關鍵光線組的狀況 {3kz\FS
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。 e ,lLHg
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[attachment=76865] 4jZB%tH
7AWq3i{
分析雜散光所需的設定 bOp %
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。 ck3+A/ !z
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。 62y:i
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[attachment=76866] 6NHP/bj<1V
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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。 }[h]z7e2S
g1 .u1}
[attachment=76867] J@}PyS q
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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。 :8==Bu
USHQwn)%
[attachment=76868] \sfc!5G
iHK.hs;
初步追跡結果 "?l z[K>
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。 zufsmY4P
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 -; FAS3(wy
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[attachment=76869] 3la `S $c
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追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 'J5F+, \Ka
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[attachment=76870] #8ltV`
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並且設定視窗如下圖。 ( @qS
*'aouS/?<6
[attachment=76871] *N:0L, 8
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可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 svb7-.!
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[attachment=76872] \8s:I+[HH
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P6 p>?DQ
使用Filter String 'mTY56Yq
現在我們要找出這些雜光的發生原因，並探索減少這些雜光的方法。下圖顯示了到達像面上非預期反射光（鬼影光）。為了特定出這些特定的光線，我們使用了OpticStudio中的「Filter String」的功能（下圖中紅框框起來的部分）。 5?? }9
qswC> Gi
[attachment=76873] q9{) nU
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接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 P8|ANe1
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現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 AI#.+PrC{/
m%>}T 75C^
[attachment=76874] _nEVmz!zg
}Nwp{["}]L
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 O>a1S*mxP
U{LS_VI~
[attachment=76875] *" C9F/R
/h.{g0Xc
[attachment=76876] A'b$X1h
?Tu =-pp w
給透鏡加上鍍膜 F4WX$;1
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 JtxVF !v
這裡我們在 N5ZO pRH{
物件6的Face 2以及 ~gGkw#
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 JX[]u<h?
_KxR~k^
[attachment=76877] 6Nh GTLI
T]tu#h{
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再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 aX6}:"R2C
K[0z$T\
[attachment=76878] cfa1"u""e
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b7I0R; Zj
分析特定區域的光 (使用Filter String) Ak('4j!*}^
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？ jg G9?w)|u
!K}W.yv,
[attachment=76879] #OM)71kB8
LP|YW*i=IQ
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。 JJSE@$",\
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 nXoDI1<[
]4 c+{
[attachment=76880] -.8K"j{N
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H3}
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 eI2HTFyT
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 #{J~
km /
. Wy'
[attachment=76881] 'ROz| iJ
GN!
R<9
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 E?P>s T3B
>(.|oT\Tb
[attachment=76882] g)r{LxT# +
xsJXf @
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 sCrP+K0D
(PGw{ _
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 Rk #'^ }
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 Y:,C_^$w;
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。 43M.Hj]
7 g+T
[attachment=76883] I #O"<0
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T@I zf X7
[attachment=76884] jI*@&3
4* >j:1
進階路徑分析 ]j6pd* H
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 iCg%$h
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 :adz~L$
]k7%p>c=B
[attachment=76885] U), HrI>;
M 80Q6 K
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。 Xnjl {`
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 GU2TQx{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。 |/n7(!7$[v
L@6]~[JvP
[attachment=76886] ^GY^g-R
n(eo_.W2|
啊哈！分析發現原來這是因為我們還沒有加上機構產生的路徑，實際上這是不會發生的。這個路徑也同時解釋了為什麼我們看到的雜光是一個圓弧狀。 *p\Zc*N;%
m+ s*Io{Ip
下圖是使用第二、第三、第四路徑的分析結果，跟前面一樣，我們只要在Filter String的最後方加入_2、_3、_4即可。 +ynhN\S$/
eQ#i.%
[attachment=76887] 8&"Jlz
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[attachment=76888] 7:uz{xPK6
K)J_q3qo
[attachment=76889] DAWF
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[attachment=76890] o(Z~J}l({
ij-'M{f
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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