| 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。 {>#4{D00
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： nZUBblRJ)
* 介紹雜散光 [zl"G^z
* 轉換序列式設計到非序列模式 i(<do "Am<
* 設計鎖定工具 q.RW_t~
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 |7G=f9V
* 用 Filter String 篩選光路徑 f@IL2DL}\
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 D5
^Wi Q<
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文章發布時間：April 23, 2017 LtBm }0
文章作者：Michael Cheng &v_b7h
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簡介 Jm
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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： `
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[attachment=76856] t8b ,@J`R
{\-IAuM
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： 7o64|@ 'j
[attachment=76857] 3 ?D M
AV
Z9 tjo1X
,0[h`FN
開啟範例檔 T WgI-xB
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx [a1}r=6~
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。 9Z_98 Rh
[attachment=76858] v\ Xk6k
GvT'v0&+
gkNv vuQXc
設計鎖定工具 d[I}+% {[
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。
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粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： 'm+)n08[
* 開啟 Ray Aiming Z"G@I= Q(
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size fmj-&6
* 改為 Angle 或 Object Height B^uQv|m
* 固定表面孔徑：Circular Aperture bi[gyl#
* 移除漸暈係數 Y$?<y
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 9 l :Bum)9
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[attachment=76859] ,~-
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產生關鍵光線組 pjX')i<
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： D +vHl}
fhp][)g;
[attachment=76860] (""1[XURQK
3YF*TxKx
轉換到非序列 /xRPQ|
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。 Ym*Ed[S
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 za20Y?)[
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[attachment=76861] ZO $}m?
3M{/9rR[
按一下OK後，可以系統已經變更如下。以下是非序列的元件列表，可以看到我們編輯的對象已經不再是Surface，而是Object。編輯器中還可以看到我們也建立了光源、探測器等物件，他們的位置跟原本序列式系統中的像面，視場之設定都是完全對應的。此系統除了是建立在非序列模式下之外，跟原本序列模式並無不同。 YS5 Pt)?
e'uI~%$NJL
[attachment=76862] \f_YJit
M[R\URu8
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： ;F;`y),
~h{v^ }
[attachment=76863] w;(`!^xv
=@>[
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： q E`
L.z`>1
[attachment=76864] 0g@
8x_3
rSVU|O3m;
檢查關鍵光線組的狀況 cO"7wgg
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。 W=R u? sG=
GJY7vS ^#
[attachment=76865] T.zU erbO
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分析雜散光所需的設定 9ci=]C5o3K
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。 T&=1I oOg
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。 1e>,QX
'o2x7~C@
[attachment=76866] do9@ 6[{Sv
~E=.*: 5(
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。 el*C8TWlw
; w,g|=RQ
[attachment=76867] Cu0N/hBT
$!<J_ d*
最後一步是把探測面的像素數設為150x150，這會讓追跡的速度較快。 ozbu|9 +v
+`==US34
[attachment=76868] UNJ]$x0
fRe $}KX
初步追跡結果 3Q`F x
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。 qsUlfv9L6
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 !' No5
$*bd})y)I
[attachment=76869] 1Ig@ gdmz
A`4j=OF\
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 Z; aQ/ n[`
=3J &UQL
[attachment=76870] O>z M(I+p
*ws!8-)fH
並且設定視窗如下圖。 $Blo` '
)A a98Eu?2
[attachment=76871] ->x+ p"
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可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 s Y=fS2b#)
f$mfY6v
[attachment=76872] N?H;fK4v
h5G>FPM-=
使用Filter String rHu #
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）。 `Njv#K} U
1o 7
pMp=
[attachment=76873] AAkdwo
,>n 4
` A
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%。 ip4:px-
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。 xNTO59Y -s
ysfR@ sH7
[attachment=76874] ]BU,*YaB
t nz
BNW8
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 2Av 3.u8%u
.9WJ/RKZ\D
[attachment=76875] v6
DN:!&
h3D8eR.
[attachment=76876] #F.;N<a
'2a }1?
給透鏡加上鍍膜 4 w^B&e%
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。 3ryIXC\v
這裡我們在 >~I~!i3
物件6的Face 2以及 pJ x88LfR
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 lD NB0Ad
*plsZ*Q8
[attachment=76877] l NQ t
$!Z6?+
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 o;mXk2
\pB"R$YZ6
[attachment=76878] ="RDcf/
4_ J*
0=U
Xvm.Un< N
分析特定區域的光 (使用Filter String) A"k6n\!n;
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？ b5
YE4h8%
Deq~"
[attachment=76879] {j[[E/8N!y
gk~.u
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。 vV-ATIf
^
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。 & F[/@
7rc^-!k
[attachment=76880] )h,+>U@
@#1k+tSA,
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。 e|+U7=CK
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 e~c;wP~cO
&}VGC=F;d
[attachment=76881] bV&/)eqv
H^p ?t=Y
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。 ZebXcT ,41
|uQJMf[L)
[attachment=76882] 1b
E$x^P
zuWj@YG\.
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。 \&]'GsfF
n[CESo%[
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。 "8J$7g@n@
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。 I 6a{'c(P
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。 LC K
=;0#F&
[attachment=76883] HQK %Y2S
mKtZ@r )u
[attachment=76884] b{s_cOr/
g1JD8~a
進階路徑分析 BS>|M}G)r
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 Xdsd5 UUM
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 #tKc!]m
7qV_QZ!.
[attachment=76885] K7Kd{9-2
Byyus[b'A
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。 $[}31=0
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 9`i =k p
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。 !v<r=u
Zaf] .R
[attachment=76886] L{ ?& .iA
wy <m&M<Gr
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。 ++F #Z(p
,Ww)>O+
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。 SJ^.#^)
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[attachment=76887] *qj @y'1\
~4'e)g.hG
[attachment=76888] Ir jK I.PR
pvQ w+jX
[attachment=76889] }k.-xa j
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[attachment=76890] &Hb 6
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（转自：中文版 Zemax Forum ）
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