各種雜散光分析工具介紹


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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。
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:
* 介紹雜散光
* 轉換序列式設計到非序列模式
* 設計鎖定工具
* 關鍵光線組產生器 & 追跡
* 用 Filter String 篩選光路徑
* 使用 Path Analysis 工具分析光路徑

文章發布時間:April 23, 2017
文章作者:Michael Cheng

簡介
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:


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:



開啟範例檔
首先讓我們開啟內建範例檔Samples\Sequential\Objectives\ Double Gauss 28 degree field.zmx
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。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/20c4c87e-11a9-481f-9771-cfe2.png


設計鎖定工具
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。
粗略來說,這個工具所執行的步驟如下:
* 開啟 Ray Aiming
* 系統孔徑設為 Float By Stop Size
* 改為 Angle 或 Object Height
* 固定表面孔徑:Circular Aperture
* 移除漸暈係數
關於更詳細的說明,使用者可以參考Help文件的說明。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/55ba8f77-fe60-4e03-835f-c9d6.png


產生關鍵光線組
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:



轉換到非序列
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。
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


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。


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:


我們也可以用Shaded Model觀看,效果如下:


檢查關鍵光線組的狀況
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。


分析雜散光所需的設定
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。
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。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/4c79cf4d-cfd3-459d-b4b6-db8f.png

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。


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。



初步追跡結果
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。
注意如下圖所示,追跡時要勾選 “Use Polarization” 以及 “Split NSC Rays”。


追跡完畢後開啟Detector Viewer,此工具的位置如下。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/33377d08-652a-44fd-a7d8-ad24.png

並且設定視窗如下圖。


可以初步看到這個系統中因為多次反射造成的雜光。



使用Filter String
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)。


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%。
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。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/cfecee01-cfc4-4d5f-b34a-8410.png

此時回到Layout中,重新整理多次之後,可以看到以下幾種路徑。




給透鏡加上鍍膜
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。
這裡我們在
物件6的Face 2以及
物件10的Face 1上指定名稱為AR的鍍膜。


再次追跡之後,就可以看到周圍的鬼影量大幅降低。



分析特定區域的光 (使用Filter String)
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?


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。
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。


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。
這會告訴OpticStudio把光線追跡過程中的所有歷史都儲存下來。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/0472afcc-d8e3-4e57-bade-cfe0.png

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。

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。

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。
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。
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。




進階路徑分析
因此這裡我們就開啟進階路徑分析工具,工具位置如下。
注意我們一樣可以把剛剛的Filter String輸入到此工具中。


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。
讓我們回到 Layout 看看是哪個路徑。
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。



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。

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。






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