| 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。 Q<yvpT(
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： AE Abny
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* 介紹雜散光 Kp! A
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* 轉換序列式設計到非序列模式 R'oGsaPB2
* 設計鎖定工具 `H9 !Z$7G
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 3ik~PgGoKQ
* 用 Filter String 篩選光路徑 cqcH1aSv
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 Cn_r?1{W
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文章發布時間：April 23, 2017 J?1Eh14KZ
文章作者：Michael Cheng we
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簡介 zKh <zj
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： y!|4]/G]?t
[attachment=76856] t7*F,
*T.V5FB0S
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： di<g" 8
[attachment=76857] 5D mSgP:
KbH |'/w
ziv+*Qn_b4
開啟範例檔 bzZ 7L-yD
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx T y*+?#`
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。 kZfj"+p_S
[attachment=76858] &M=15 uCK
4Vd[cRh2
TeyFq0j@'
設計鎖定工具 >A}ra ^gU
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。 KXBTJ&
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： Rk{vz|
* 開啟 Ray Aiming q3|SZoN
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size q V vnl
* 改為 Angle 或 Object Height :zpT Gk8Z
* 固定表面孔徑：Circular Aperture j_b/ 66JyN
* 移除漸暈係數 $MM[`^~
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 H) rJ >L
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[attachment=76859] {#&D=7LP
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產生關鍵光線組 $-\%%n0>6
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： c57`mOe/b
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[attachment=76860]
8L`w ib2
^Gi WU +`
轉換到非序列 ?gjkgCbC#
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。 fS%B/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 _6]tbni?v
`*]r+J2
[attachment=76861] "po;[
Ia2
-.Z y(
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。 cu#r#0U-
e|^. N[W
[attachment=76862] eUD 5 V
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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： VuH }@
BM87f:d
[attachment=76863] m=w #l>!
iZ( Jw Y
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： j
~I_ by
$]a*ZHd;2&
[attachment=76864] !VHw*fL|r
:1 ~4X
檢查關鍵光線組的狀況 T6\d ]
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。 _#
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S5cs(}Bq
[attachment=76865] ;U? 323Z
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分析雜散光所需的設定 wid
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。 SN$3cg]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。 ~Yre( 8+M
+;q` A 1
[attachment=76866] G}nj
71=H
WqHp 23
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。 xzf/W+.>.
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[attachment=76867] LVy (O9g
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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。 Lfv RH?<W
.la_u8A]
[attachment=76868] .RbPO#(
u!McPM8Yk
初步追跡結果 r4]hcoU
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。 9zpOp-K6
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 V} h)e3X
k:&B
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[attachment=76869] ^j1i CL!
:S+Bu*OyH
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 +t(Gt0+
NFf?~I&mfu
[attachment=76870] c7R6.T
0u I=8j
並且設定視窗如下圖。 M2A_T.F=H
4v`;D,dIu
[attachment=76871] P[H 4Yp
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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。 [MeFj! (
I0_>r yA
[attachment=76872] =ibKdPtTh^
Q6CVMYT
使用Filter String fhro"5/4
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）。 ?%b#FXA
gc W'
[attachment=76873] Q%0
N\
35fj-J$8
接下來我們要使用一個快速的技巧，從前述的鬼影光線中，把入射到像面（探測器）上、能量較強的光線分離出來。這個技巧是透過設定最小相對光線強度達成的，如下圖紅框的部分，此處可以指定欲追跡光線能量的最小值。輸入的數值代表光線相對於自身從光源出發時的比例，預設是1x10^-6，代表光線會一直追跡值到小於出發時能量的0.0001%。 U< "k -
現在請輸入0.005，這會告訴OpticStudio當光線能量小於原始能量的0.005倍時，就停止追跡。 L(HAAqRnJ
ZD4:'m`T/
[attachment=76874] W'v
o?
F 2Mxcs* M
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 S]gV! Q4%
N\ fj[?f[
[attachment=76875] 5W09>C>OC
H9[0-Ur5
[attachment=76876] I@( 3~ A b
1#|qT7
給透鏡加上鍍膜 j!IkU}*c
為了輕減這些鬼影光，我們在透鏡上使用鍍膜。讓我們在鬼影光產生的兩個面上面設定膜層（coating），並了解其效果。 5#dJga/88
這裡我們在 t~Q j$:\
物件6的Face 2以及 R vd'uIJ
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 [u^ ~ND '
8,)<,g-/=
[attachment=76877] p,3}A( >
{ ^R>H|~
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 I-W ,C &J>
d}@n,3
[attachment=76878] m =60a@o]
[*r=u[67F
Ru$%gh>v
分析特定區域的光 (使用Filter String) m-Qy6"eW
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？ )~ ^`[`
e[db?f 2!
[attachment=76879] 9r 5(
Fh}GJE
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。 jEL"Q?#
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。 x}O J~Yk]
JHJ]BMm
[attachment=76880] q<cxmo0S
t V2o9!N4
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。 B_"P FWwg
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 !^Q4ZL,-
r< DPh5ReY
[attachment=76881] 6h1pPx7zU
qCm8R@
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*L5D4Kw
ksyQ_4^SO
[attachment=76882] $]4o!Z
<=%G%V_s
注意我在前面額外追跡設定了{#50}，這代表要篩選出代表性的50條光線。 ?v&2^d4C*F
">q?(i\
回到Layout中，就可以看到系統確實顯示出所有到達像面中該位置光路徑。 %]o/p_<
但這裡出現了一個問題，那就是我們發現有太多可能的路徑。 q,=YKw)*
根據經驗，我們知道不可能所有的路徑都是強烈的，這些路徑中，很可能其中一到兩個才是主要的雜光兇手。我們應該關注那些貢獻最多能量的路徑。 M`?ATmYy
`~ h8D9G
[attachment=76883] R+9 hog
;7(vqm<V2~
[attachment=76884] )IKqO:@
UGP&&A#T-
進階路徑分析 ;ao <{i?
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 VYQ]?XF3i
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 a@! O}f*
e+y %M
[attachment=76885] (w
Q,($@
+ux`}L(
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。 -5@hU8B'a
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 jOL=vG
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。 vQ > 8>V
+;
=XiB5R
[attachment=76886] 1{G@'# (
yjM!M|
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。 +#6f)H(P]
}S}%4c>
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。 od*#)
[o.#$ (
[attachment=76887] 9!6u Yf+
z\Z +>A
[attachment=76888] jgBJs^JgYG
a4",BDx
[attachment=76889] Iv?1 XI=
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[attachment=76890] DO~ ~
y .a)M?3
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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