| 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。 {3Vk p5%l
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： !"TZ:"VZU
* 介紹雜散光 8Z2.`(3c[
* 轉換序列式設計到非序列模式 /+3a n9h
* 設計鎖定工具 1SV^ ){5I
* 關鍵光線組產生器 & 追跡 $,hwU3RVxc
* 用 Filter String 篩選光路徑 ? QDWuPhN
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑 OlQ,Ce
#DkD!dW(l
文章發布時間：April 23, 2017 8%~t
文章作者：Michael Cheng BD#.-xWV
3v!~ cC~cI
簡介 D["MUB4l
使用者用序列模式設計鏡頭，處理完成像品質、畸變、相對照度以及公差分析等問題之後，在原型製作之前，還會需要進行機構相關的分析，以避免出現多重反射的鬼影或強烈光源散射的雜光。一般來說，雜散光係指那些不經由設計好的路徑進入系統，最後在成像面上產生無法忽視、並且可見的影像的光線。下圖為一個不良系統產生強烈雜光的範例： G 8Y+w
[attachment=76856] Us~ X9n_F
^aRgM uU
在照相領域中，常見的雜光來源就是視野外的強烈光源 (例如太陽) 透過機構的散射，或是視野內的光源通過鏡片二次反射，聚焦到像面上這兩種。而在其他系統，例如天文望遠鏡，可能還會有其他類型的雜光問題。以下是一個雙重路徑的範例： 7CB#Y P?E
[attachment=76857] kDz>r#%
]^\8U2q}
Q: |w%L*E
開啟範例檔 hD <f3_k
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx s-V SH
作為前置作業，讓我們先把所有的鍍膜都取消，因為接下來我們要來研究哪個鍍膜的效果較好。 !1uzX
Kb
[attachment=76858] ~- F? Mc
b]]N{: I
C6& ( c
設計鎖定工具 7XyOB+aQO
接著我們執行Design Lockdown工具，此工具會調整使用者的系統設定，使鏡頭符合實際運作的條件，分析結果更正確。 `$z)$VuP
粗略來說，這個工具所執行的步驟如下： G(1 K9{i$
* 開啟 Ray Aiming y^FOsr
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size S C_|A9
* 改為 Angle 或 Object Height a1MFjmq
* 固定表面孔徑：Circular Aperture 5QWNZJ&}d
* 移除漸暈係數 =<<3Pkv7@
關於更詳細的說明，使用者可以參考Help文件的說明。 `HX3|w6W;
Vul+]h[!h
[attachment=76859] 3#<* k>1G?
M} .b"
ljZ
產生關鍵光線組 rvwy~hO"
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： y?N Nz0
/4joC9\AB
[attachment=76860] wh~s Z
N)43};e
轉換到非序列 X$wehMBX
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。 |j_`z@7(
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 $<ddy/4
?G/ hJ?3
[attachment=76861] Wtv#h~jy9
+|C[-W7Sw
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。 Ud3""C5B
S>ugRasZ $
[attachment=76862] {(vOt '
IF?xnu
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： a%~yol0wO7
Z%v6xP.
[attachment=76863] hswTn`f
A'"-m)1P
我們也可以用Shaded Model觀看，效果如下： P&t;WPZ
GF R!n1Hv
[attachment=76864] bx(w :]2
_F8T\f |
檢查關鍵光線組的狀況 2;N@aZX
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。 xVR: ;
Jy[
[b5(XIGUN}
[attachment=76865] u3wL<$2[8
6D9o08
分析雜散光所需的設定 ~Ob8i 1S>
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。 +?e}<#vd'?
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。 Yh gUCF#
ULvVD6RQ47
[attachment=76866] 9oq)X[
s -Y +x
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。 *:QXz<_x+
2x mT#m
[attachment=76867] UpeQ OC
b|E/LKa
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。 q 22/_nSC
>i8~dEbB
[attachment=76868] #^\}xn" [
6`"ZsO
初步追跡結果 `D)S-7BR
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。 ALR:MAXwC
注意如下圖所示，追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。 lCE2SKj
ZW* fO aj
[attachment=76869] WLy7'3@
6{^*JC5nj
追跡完畢後開啟Detector Viewer，此工具的位置如下。 oYq E*mA
fm6]CU1^
[attachment=76870] N<b D
ype"7p\
並且設定視窗如下圖。 M +UMR+K
w)<4>(D
[attachment=76871] *eoq=,O
td/5Bmj
可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。 W]~ZkQ|P
vz,LF=s2
[attachment=76872] x9\J1\
D'?]yyrf
使用Filter String `]LODgk~
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）。 eH
`t \n
b.(XS?4o
[attachment=76873] ws().IZ
,^!Zm^4,
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%。 $Q,n+ /
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。 q "p#H 8
cqHw^{'8
[attachment=76874] 7C YH'DL
Vd [ 2u
此時回到Layout中，重新整理多次之後，可以看到以下幾種路徑。 ]kH}lr
yG
4Qhx[Hv>(
[attachment=76875] @d
P~X
67,3i~
[attachment=76876] Ob g@YIwn
Xi*SDy
給透鏡加上鍍膜 SZI7M"gf/+
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。 ?P YNE
這裡我們在 e
Ri!\Fx
物件6的Face 2以及 g)nXo:)&
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。 F94V 5_[
1y(iE C
[attachment=76877] =QTmK/(|B
n=r= u'oi
再次追跡之後，就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。 ` -5 cQ2>"
H7J`]nr6
[attachment=76878] % M+s{ l
e8 v; D
r8<JX5zyuo
分析特定區域的光 (使用Filter String)
Ckw83X
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？ #[C<
J#;
i:R!T,
[attachment=76879] *;Ak5.du
`2sd Z/fO
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。 -a A<.+
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<de9Z@
M44_u s
[attachment=76880] E#8J+7
rkbl/py
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。 -Zttj /K
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。 ?V.i g
0%#t[us Y
[attachment=76881] _dz +2au
j}i ,G!-u
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。 o&WRta>VP
rrW! X q
[attachment=76882] jw%fN!?
Hu[8HzJo
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。 ry z /rf
bbM4A! N
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。 a "MTQFm'
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。 Cb+P7[X-
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。 cF-Jc}h
qT
5Wa O)
[attachment=76883] :17ee
/IrKpmbq
[attachment=76884] #tCIuQ,
x|&[ hFXD
進階路徑分析 =mDy@%yx!
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具，工具位置如下。 i%#th'C!P
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。 (*LTq C
\CP*i _:"
[attachment=76885] p{+tFQy
+>n. T
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。 Vj?*= UL
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。 -Pv 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。 aY3pvOV
4Sd+"3M
[attachment=76886] ke{DFq h
t sC z+MP
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。 NdaVT5RB
lr)G:I# |
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。 =M Q2sb
I^6c 0`
[attachment=76887] !NlB%cF
{"qW~S90YO
[attachment=76888] R4hav
D N2hv2
[attachment=76889] (gs`=H*d;
_N[^Hl`\
[attachment=76890] F( 0pru4u
NB~*sP-l&
（转自：中文版 Zemax Forum ）
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