| 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。 vV=rBO0a?
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： xY.?OHgG/
* 介紹雜散光 @o1#J` rv
* 轉換序列式設計到非序列模式 A! ^r9 ?<
* 設計鎖定工具 cM,g, E}
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 f8UJ3vB
* 用 Filter String 篩選光路徑 lSoAw-@At8
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 '"c`[L7Wn
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文章發布時間：April 23, 2017 A"qDc
文章作者：Michael Cheng I!(BwYd
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簡介 ]
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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： <EE^ KR96
[attachment=76856] } G^'y8U
.h/2-pQ>
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： 5-H"{29
[attachment=76857] B> S> t5$
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+BhJske
開啟範例檔
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首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx 1A *
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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。 L&=r-\.ev
[attachment=76858] '6g-]rE[
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設計鎖定工具 rf`xY4I\
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。 dK8dC1@,X;
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： }}rp/16
* 開啟 Ray Aiming zN)) .a
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size PR B lf
* 改為 Angle 或 Object Height (F3R!n
* 固定表面孔徑：Circular Aperture UUvCi+W
* 移除漸暈係數 A@:U| )+4
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 SjF(;0k C
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[attachment=76859] 3xdJ<Lrq
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產生關鍵光線組 d0Ub t
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： +7AH|v8
0S&J=2D!
[attachment=76860] G^.tAO5:f
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轉換到非序列 0V8 6]zSo
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。 1_;{1O+B
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 mH\2XG8nV
o=Mm=;H
[attachment=76861] v046
[~G1Rz\h
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。 w8:
Z.x]6
[attachment=76862] 4 pelIoj
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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： 5')]Y1J
1;B&R89}
[attachment=76863] @o#Yq
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L.JL4;U P
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： {.;qz4d`
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[attachment=76864] O
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檢查關鍵光線組的狀況 ;i/? fw[h
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。 JBZ1DZAWC
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[attachment=76865] \[)SK`cwd
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分析雜散光所需的設定 _2}~Vqb+
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。 d%nX;w,
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。 -yBj7F|
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[attachment=76866] Zu>-y #Bw
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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。 ]ZW-`U MO
R h$+9w
[attachment=76867] v9KsE2Ei
( plT/0=^t
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 x%[NK[ ^&
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[attachment=76868] W! Hn`T
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初步追跡結果 o61rTj
然後我們就可以看看初步的追跡結果了。請開啟追跡，如下圖設定操作。 a 'n17d&
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 CPeu="[
oe3=QE
[attachment=76869] l%?4L/J)#
c5 AaUza
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 DO+~
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[attachment=76870] xirq$sEl
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並且設定視窗如下圖。 19pFNg'kA
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[attachment=76871] b35 3+7"|
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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。 v"mZy,u
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[attachment=76872] PX2b(fR8_O
o`7 Z<HF
使用Filter String ]>*VEe}hJ
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）。 v<<ATs%w
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[attachment=76873] 8t) g fSG
o~L(;A]yN
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%。 4i }nk
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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。 _O11SiP]
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[attachment=76874] 'Nuy/\[{\
4~ L1~Gk
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 3;w iwN'
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[attachment=76875] o2hZ=+w>
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[attachment=76876] U /~uu
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給透鏡加上鍍膜 r:E4Wi{\
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。 }m%& |:PH
這裡我們在 %6Vb1?x
物件6的Face 2以及 bmi",UZ:F
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 S#He OPR L
7 b (
[attachment=76877] ~ qaT
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fkI mX:|q
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 \.p;
4V&
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[attachment=76878] @p}_"BHYWt
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J=(i0A
分析特定區域的光 (使用Filter String) }|N88PN
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？ }~ N\ A
6gO(
8
[attachment=76879] ? TIi0;h
v&7<f$5
這裡我們要再次使用Filter String。在OpticStudio中，Filter String 的功用主要是利用光線的特徵來篩選光線。在Help文件中，可以查閱將近100個的指令。此外如同前面示範的，我們還可以使用邏輯符號，例如「&、|、^」等，來組合出無限多種篩選條件。 BY HyqpP9
現在我們要利用以下四個指令的組合，來達成篩選上述區域的功能。 T<b * =i
/0Qo (
[attachment=76880] 1ah,Zth2
NjA[(8\ :
現在讓我們重新追跡，並且這次追跡時，要勾選Save Rays的選項，如下圖。 D^P0X:T]
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 YWD gRb
e{Vn{.i,5
[attachment=76881] 8t, &dq
m_Z(osoE#W
然後我們回到Layout中，讀取顯示剛剛儲存的追跡歷史，並輸入剛剛的Filter String。 &V SZ
K`uPPyv
[attachment=76882] X&5N 89
9(}d7y
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 O;McPw<&\:
,`!lZ|
U
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 JC~ 4 B3!
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 {D(l#;,iX2
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 F$| :'#KN
Qb%;
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[attachment=76883] h8Oj
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ZqpK}I
[attachment=76884] |8[!`T*s
H.C*IL9
進階路徑分析 V? ) V2>]
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 u2$.EM/iae
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。
f< nK;
=_g#I
[attachment=76885] `,/5skeJ
+|8.ymvm
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。 Dd/]?4
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 _h,_HW)G
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。 xx7&y !_
7IkEud
[attachment=76886] UWS 91GN@
n _ ?+QF
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。 s6 (md<r
F1B/cd
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。 @2d9
7.X
rUyGTe(@h
[attachment=76887] k{b|w ')
#2:?N8vz*
[attachment=76888] <|X+T,
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[attachment=76889] qp#Euq6
O 7 LJ-M
[attachment=76890] KSEKoHJo
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
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