雜散光分析 - 第三篇

本文將說明如何進行機構元件的雜散光分析。我們可以在原始的系統中匯入CAD檔案作為OpticStudio的一個物件,並賦予它特定的光學特性。藉由路徑分析功能的協助,我們可以明確的辨識出機構元件產生的雜散光線。在進行光學系統設計時,光學工程師可根據分析的結果對機構工程師提出系統改進的要求。本文是雜散光分析系列文章中的最後一篇。

作者 Takashi Ishikawa

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範例檔案

简介

本文說明如何對機構元件進行雜散光分析。這些非預期的光線可能來自鏡筒和外殼等機構元件的散射,最後抵達探測器。當足夠的能量照射在這些物件的表面上時,反射和散射光將對像面上的能量分佈造成可觀的影響。為此,在進行模擬系統的建構時,我們需要特別注意機構元件的表面,特別是某些只需一次散射即可抵達像面的光線路徑。更多詳細說明可參考HANDBOOK OF OPTICS [1]。

在OpticStudio中加入CAD元件

在OpticStudio中,我們可以將CAD元件以STEP、IGES、SAT、STL或Autodesk Inventor、Creo Parametric、SolidWorks的型式加入光學系統中。而在匯入的過程中,我們會以動態連結表示CAD元件(更多關於動態連結的描述,可參考”使用OpticStudio動態CAD連結Using the OpticStudio Dynamic CAD link”)。因此,光學設計者可直接將機構工程師建立的機構元件匯入OpticStudio中,並接著進行雜散光分析。我們會透過下方的範例說明操作的步驟。

下圖中的光機(opto-mechanical)系統包含了使用CAD軟體建構的機構元件。本文的範例系統可由文章頂端的連結下載。下圖的編輯器中,我們可以看到鏡頭之間具有間隔環(spacer),而墊片/扣環(pressure/retaining ring)則用於固定鏡頭。此外,鏡頭接環(lens mount)則包裹了整個光機械系統。一般的情況下,機構工程師在進行設計時,會審慎考慮系統內部的幾何關係,確保各元件不會阻礙主要的行進光路。因此,一個設計良好的光機械系統理應不會因為機構間的相互影響而產生雜散光。然而,機構元件間仍難免出現一些相互的影響,且設計者也很難阻隔所有視場外的入射光進入系統。以上的這些干擾都是成像品質下降的可能原因。接下來我們將以範例系統說明如何辨別這些現象。

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為機構元件套用光學特性

範例系統中的機構包含了匯入的CAD物件和作為孔徑光欄的環狀面(annulus)物件。在接下來的步驟中,我們會為所有的機構元件套用相同的反射和散射特性。

  • 反射率: 5 %
    • 鏡面反射 (Specular reflectance): 0.5 %
    • 散射反射 (Scattering reflectance): 4.5 %
  • 散射模型 (Scatter Model): 朗伯 (Lambertian)

為確保CAD物件的所有表面都具有相同特性,我們可依下圖選取物件屬性(Object properties)…CAD…表面模式(Surface Mode)…採用每個零件單一表面(Use single surface,將所有元件表面套用相同光學特性)。 pic12

而散射和鍍膜特性則透過物件屬性(Object Properties)…鍍膜/散射(Coat/Scatter)進行設定,如下圖。

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依上圖所示,我們將鍍膜設定改為I.95,即95%的能量可穿透表面,而剩下5%則會發生反射(注意,若編輯器中物件的材料被更改為鏡面(MIRROR),此時沒有光線會穿透物件。95%的能量將被吸收,而剩下的5%則會發生反射)。另外,我們將散射比例調整為0.9,代表90%的反射光線將根據上方散射模型(Scatter Model)的定義發生散射。在這樣的條件下,5%的光線入射元件表面後會反射,而0.05 x 0.9 = 0.045 (4.5 %)的光線則會轉變為朗伯散射分佈。

機構元件產生的雜散光

為了找出範例系統中的雜散光來源,我們首先在入瞳處加入一個橢圓光源(Source Ellipse)作為雜散光源。該光源的位置和直徑都會與實際的入瞳一樣,即Z位置為4.0 e-3,X/Y半寬為7.0 e-3。為了模擬雜散光源能夠全向性的發光,具有朗伯散射特性的光源會是個好選擇,如此一來我們就能夠重現視場外的光線入射系統的現象。為此,我們將橢圓光源的餘弦指數(Cosine Exponent)設為1,如下圖,使散射的角度分佈與朗伯散射一致。 pic14

下圖為實體模型的結果。注意,我們須將光源1、3、4、5的展示光線(# Layout Rays )設為0。此外,由於雜散光探測器為第15個物件。因此我們會在設定中加入H15的篩選字串。畫面中顯示了穿過整個系統的光線和機構元件的散射光,最終抵達探測器的結果。 pic5 

接下來我們將執行光線追跡並儲存光線資訊。編輯器中,我們將橢圓光源的分析光線數(# Analysis Rays)設為1E+6,其餘的光源(物件1、3、4、5)則設為0,以便單獨觀察雜散光的結果。在光線追跡的視窗中,請勾選保存光線(Save Rays),將光線的資訊儲存為ZRD檔案。另外,我們只希望得到光線在目標探測器上的照明結果,因此我們會在篩選字串欄位輸入”H15”,如下圖。最後點選清除並追跡(Clear & Trace)。 pic6 

 完成光線追跡後,點選退出(Exit)關閉光線追跡視窗。接著在分析(Analyze)光線追跡分析(Raytrace Analysis)中打開路徑分析(Path Analysis)。

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下圖中的第一條路徑符合我們的預期,光線依序經過各個透鏡最後抵達探測器,過程中沒有在機構元件表面發生散射。而在第二和第三條路徑中,光線分別在不同的機構元件(物件20和21,墊片/扣環)表面發生散射,如下圖紅框內所示。在第四條路徑中,光線自鏡頭接環(物件19)反射後抵達探測器。以上這些路徑在抵達探測器(物件15)前只發生了一次散射。另一方面,我們可以發現路徑七和八的過程中包含了兩次機構元件(物件20和21)表面的散射。這些發生了多次散射的路徑(例如第八和第九條路徑)與只發生單次散射的路徑(第二和第三條路徑)相比,前者抵達探測器時的能量明顯較低,對最終成像結果的影響也較小。 pic13

下圖為使用篩選字串單獨顯示第二條路徑的結果,更詳細的描述可參考雜散光分析文章的第二篇。 pic9 

在OpticStudio中,我們可以使用路經分析功能找出主要的雜散光路徑。藉由分析的結果,我們可以對光線在系統內部的路徑有進一步的認知,了解需要對哪些元件和表面進行修正以降低散射光對成像結果的影響。在這個範例中,物件20和21造成的影響最為顯著。若使用的是Premium版的OpticStudio,我們可以使用路徑分析功能辨別雜散光源,並直接透過動態連結的方式進行CAD元件(Autodesk Inventor/Creo Parametric/SolidWorks)的改善。光學設計者得以透過OpticStudio中各式的功能,發現並修正機構元件對成像品質造成的負面影響。

参考资料

HANDBOOK OF OPTICS Volume I, Chapter 38 – Control of Stray Light by Robert P. Breault. (HANDBOOK OF OPTICS Volume I, 2nd edition, Optical Society of America, McGraw-Hill Professional, 1994)

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