為什麼光路圖中光線會跑到鏡子後面


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此文章說明:
* 為什麼有時候光線看起來好像透到鏡面後面
* 如何修好這個問題
* 使用Add Fold Mirror工具的好處

原文連結: Why Do Rays Trace Behind a Fold Mirror Surface?
原文作者:Andrew Locke
原文發布時間:October 14, 2015
文章附件:檔案下載

介紹
如果你沒有使用Add Fold Mirror工具就自行建立鏡面的話,你可能就會看到光線跑到鏡面後面。


雖然嚴格來說,這其實不是問題,因為你可以看到光線追跡結果仍然正確,但這讓光路圖看起來很醜。這篇文章解釋了這個問題發生最常見的原因以及如何修正。如同等下我們要說明的,正確理解座標系統變換,例如折光鏡面,對於避免這類問題非常重要。我們非常建議你善用這個內建的工具。

問題分析
首先請下載附件的檔案:04012_Fold_Mirror_Start.zar
這是一個簡單的無限共軛系統,內建有90度的折光鏡,然後接著是一個鏡面。


這個檔案乍看之下一切正常,但仔細看折光鏡的地方的話:


能看到光線似乎跑到鏡面後方,而物理上這是不可能的。所以為什麼光線看起來會這樣呢?
答案就在這個鏡面在鏡頭資料編輯器 (LDE) 中的設定方是。讓我們看一下鏡頭資料編輯器中的厚度欄位:


請注意面3與面4的厚度是0,而這其實代表下一個面,面5,的座標位置會跟面3一模一樣。
請在編輯器中選一下面5,然後看一下3D Layout中畫面的反應。


可以看面5跟折光鏡面的位置是一樣的,因為兩個面之間沒有厚度限制。然而因為面5與面3之間有一個Coordinate Break (面4),使兩面之間有一個旋轉關係。這個Coordinate Break (面4) 主要讓折光鏡面之後的座標可以往光前進的方向定義。但是由於面5僅有旋轉,而沒有在座標Z軸方向上改變位置,因此導致光從面3到面5的過程中,有一段是虛傳播 (往後傳)。
所有要怎麼解決?



修復問題
現在我們知道有問題的面是面5,這是一個虛擬面,意思是他沒有任何光學性質,也不會對光線產生影響。因此如果我們把面5的厚度 (Thickness) 設定轉移到面4上面,對光學是沒有影響的,所以讓我們試試看吧!
把面5的厚度複製到面4,然後把面5設為0:


更新3D Layout視窗後,光學上系統沒有任何改變,不過虛擬面 (面5) 已經跑到折光後更前面的位置了,並且虛擬光傳播也沒出現了。


因為面5是個虛擬面,這只是純粹畫圖問題,系統的光學效能並不受面5位置影響。
依據這個邏輯,其實我們還有另一個方法可以修復這個問題。讓我們重新開啟這個檔案,回復原始狀態來說明。打開後我們到面5的屬性對話框的 "Draw" 區塊中勾選 "Skip Rays To This Surface" 以及 “Do Not Draw This Surface”。第一個選項讓光線傳播時直接忽略面5的存在,第二個選項讓面5不會在畫面中被畫出來:


更新3D Layout後。再次的,你可以看到問題也解決了。光線不再傳撥到鏡面後面,並且畫面中不會再看到這個虛擬面與鏡面重疊。




“Add Fold Mirror” 工具
上面描述的問題只有在你是手動設定鏡面的時候會發生。如果系統中已經有一個這樣的工具,為什麼不直接拿來用呢?
讓我們重新打開範例檔以回復原始狀態。現在刪除面2到面4,注意你還要把所有的厚度都改為正,因為系統在鏡面之後,光是往厚度負的方向傳播的,而現在已經沒有鏡面,必須全部修正為正的厚度。
有一個小技巧可以快速改變厚度正負號,就是在要改變正負的欄位中輸入*-1,這是LDE提供的簡單計算機工具,你也可以是著做加減乘除 (減的話要用+-)。


更新3D Layout。可以看到光線仍然聚焦在像面上,就跟原本鏡面存在時一樣。


現在請點一下 “Add Fold Mirror” 工具,他在LDE編輯器中,如下圖:


設定Fold Surface為面 “2” (我們的虛擬面),然後點一下 “OK”:


仔細看,OpticStudio已經自動幫你完成所有工作了!Coordinate Break已經正確設定,折光面的材料部分也被分配了 “MIRROR”。請注意每個面的厚度也已經被修改為所需狀態 (例如負號以及厚度放在CB上)。



總結
此篇文章說明了在序列模式中模擬折光鏡面時可能的問題。有一種以上的方法可以解決問題,並且都很容易。雖然後這個問題只是視覺上的顯示,但修復他可以讓繪圖Layout更清楚,看起來更專業。解決問題最好的方法就是避免他發生!因此建議善用 "Add Fold Mirror" 這個工具來避免設定問題,讓它幫你自動把所有事情處理好!


測試:測試一 測試二冊是二 測試三
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