| 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。 W0Y
,3;0
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)a)VvU":
* 介紹雜散光 O0s!3hKu
* 轉換序列式設計到非序列模式 #S x
* 設計鎖定工具 M_ >kefr
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 .l5-i@=W
* 用 Filter String 篩選光路徑 p>#q* eU5
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 _[-W*,xJ)
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文章發布時間：April 23, 2017 cza_LO(
文章作者：Michael Cheng >tx[UF@P@
Px Gw5:
簡介 6,MQT,F
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 HnM+
[attachment=76856] DdU w~n,
kFC * ,
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： xI~A Z:m
[attachment=76857] zS U,le
R/*"N'nH-%
6-0sBB9=u
開啟範例檔 G--(Ef%v'
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx ZS;V?]\(
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。 V *5v
JF0j
[attachment=76858] yT5OFD|T
S' kgpF"bm
?6hd(^
設計鎖定工具 i3Bpim.
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。 `9+R]C]z8
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： *|<~IQg
* 開啟 Ray Aiming %KkC1.yu<
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size i/H;4#Bz
* 改為 Angle 或 Object Height hayJgkZ '
* 固定表面孔徑：Circular Aperture hITYBPqRO
* 移除漸暈係數 k?TZY|_
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 c@"FV ,L>
/<IWdy] $3
[attachment=76859] CCol>:8{P
B RskxyL&,
產生關鍵光線組 )KVr2y;RF
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： FI.F6d)E$
II| ;_j
[attachment=76860] ,aGIq. *v
>u(^v@Ejf
轉換到非序列 qNP)oU92
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。 ) \T H'
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 s }OL)rW=}
-,T!/E
[attachment=76861] ~:o$}`mW
ipg`8*My
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。 "~._G5i.
qe&B$3D|
[attachment=76862] vmrs(k "d#
unew
XHA
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： JGTsVa2
Rvx 7}ZL!
[attachment=76863] <FBBR2
fCF.P"{W"
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： q HdUnW
G9LWnyQt
[attachment=76864] <!XunXh
*AQ3RA 8
檢查關鍵光線組的狀況 oe2*$\?.
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。 adIrrK
o:W*#dt
[attachment=76865] Z_xQ2uH$:
-6s:D/t1'
分析雜散光所需的設定 ~jzLw@"~$^
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。 3*2~#dh=
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。 R6o D
N>"L2E=z$|
[attachment=76866] 1/w8'Kf'u
8 b~
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。 %_4#WI
4:NMZ `~
[attachment=76867] M!Ao !D[
Ao}<a1f
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。 gN:F5 0
'uDx$AkY
[attachment=76868] `N.:3]B
t
P-gj SE|yh
初步追跡結果 `4'=&c9
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。 EFh^C.S8
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 0RMW>v/7kL
_.V5-iN
[attachment=76869] xatq
O!f37n-TB
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 }EkL[H!
W q<oP
[attachment=76870] Uoe; =P@
em3+V
並且設定視窗如下圖。 cl `Wl/Q#
Q c&Y|]p"
[attachment=76871] v+ in:\Dv
E] /2 u3p
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 ; 5[ OS 8
y,|2hrj/0E
[attachment=76872] 'Gc{cNbXIA
'q$ Y m0nL
使用Filter String fv+ET:T%
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）。 2p](`Y`
O{~Xp!QQt
[attachment=76873] =dA] nM
gs3(B/";c
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%。 b)KEB9w
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。 xcWR#z{z
eg}g} a
[attachment=76874] x O>z
)3A
:2S?|7U4
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 u uwJ-
\}=T4w-e
[attachment=76875] (:OMt2{r
p :y\{ k"
[attachment=76876] Qw2-Vv4!"
w ods
給透鏡加上鍍膜 nfHjIYid
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。 t*H2;|zn_
這裡我們在 Z8bg5%
物件6的Face 2以及 "Ux(nt
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 *izCXfW7
\)t// 0
[attachment=76877] v5a\}S<(
E!1\9wzM{
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 dGO FSH
"% D"h
[attachment=76878] dFw+nGN
LJPJENtFIs
TCRTC0_}k
分析特定區域的光 (使用Filter String) 2yn"K|
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？ \h#aPG<yo
>YWK"~|i~
[attachment=76879] 0{
mm% @o
/mz.HCs
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。 ^_@[1'^
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。 ;y\/7E
J? J4<l9
[attachment=76880] 5)XUT`;'){
(c)/&~aE
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。 Ds" %=
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 V?
tH/P
zCo$YP#5_
[attachment=76881] t{ iRCj
N9G xJ6
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。 tkk8b6%h?p
'9WTz(0?
[attachment=76882] t adeG
/}E2Rr?{
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。 %8u9:Cl):
Nkj$6(N=zJ
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。 ~HGSA(
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。 80lhhqRC
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。 Sz B<PP2
E`JW4)AH
[attachment=76883] z4BU}`;b3t
D1-/#QN$1
[attachment=76884] hR|x Up
5[X%17&t
進階路徑分析 yW'{Z]09
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 kB CU+FC
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 WcSvw
e< @$ (w
[attachment=76885] f4.jWBF
$ Xt""mlQ
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。 PUO7Z2
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 ;5X~"#%U_
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。 !c)F;
_ s}aF
[attachment=76886] Ix_w.f =8
FNraof @Oy
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。 0/ 33Z Oc
BV@q@C
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。 wX2U
`+< ^Svou
[attachment=76887] Brs6RkRf
(kO (R#M
[attachment=76888] zdPJ>PNU
B <BS^wa U
[attachment=76889] hzqgsmT)
C=oeRc'r1W
[attachment=76890] ;N gk"5
3s%DF,
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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