雜散光分析 - 第一篇

在進行光學設計時,即使系統設計得再完善,我們仍可能在像面上看到一些預期之外的能量分佈。如何找出這些由非預期光線所產生的能量,並試著以外加的光學元件吸收或阻擋這些光線,將是雜散光分析中至關重要的環節。本文是三篇雜散光分析系列文章中的第一篇,將介紹如何將序列系統轉至非序列模式中,並觀察此時系統產生的雜散光。

作者 Michael Cheng, Yihua Hsiao

简介

一般情況下,在進行機構的設計之前,我們必須先考慮雜散光的影響。雜散光意味著入射光無法經由原先預期的路徑穿透整個光學系統到達像面,如此的結果將導致最終成像品質的下降。

以攝影為例,視場外的強光源(例如太陽)為常見的雜散光來源。這類光源的光可藉由系統的機械或光學元件散射到達像面。另一方面,部份視場內光源的光會在鏡面進行多重二次反射(secondary reflection)後匯聚在像面上。

準備工作

首先,我們將以一個範例系統介紹雜散光的分析。藉由Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx 的路徑打開OpticStudio內建的範例檔案。

我們會使用OpticStudio中一些好用的功能完成雜散光分析的準備。如下圖,第一步我們先使用鍍膜表面(Coat Surfaces)功能移除所有表面上的鍍膜。稍後我們會另外分析鍍膜的影響。

  

鎖定設計(Design Lockdown)功能

接著點選公差(Tolerance)中的鎖定設計(Design Lockdown)功能,並依下圖勾選第一個選項。如此一來,系統中的鏡面將更符合實際情形,而分析的結果也會更準確。如果需要關於這項功能進一步的介紹,可參考幫助手冊(Help)中的內容。

  

特定光線生成器 (Critical Rayset Generator)

在轉為非序列模式之前,我們可以先輸出序列模式中一些關鍵的光線路徑,像是主光線和部份的邊緣光線,因為這些光線只能在序列模式中產生。而在完成輸出後,我們就可以在非序列模式中檢視這些光線了。操作的步驟如下:

將系統轉換為非序列模式

在OpticStudio中,以非序列模式進行雜散光分析是最方便的。我們可以透過轉換為NSC(Convert to NSC Group)功能一步完成由序列模式到非序列模式的轉換。

更多關於序列模式和非序列模式的轉換可參考知識庫文章”將序列表面轉換為非序列物件(Converting Sequential Surfaces to Non-Sequential Objects)

文件(File)工具列中選取轉換為NSC(Convert to NSC Group),維持所有預設設定並點選確定(OK)。

 

如下圖,我們可以看到整個系統已轉為非序列模式了,編輯器中所有的鏡面皆變更為物件。同時,我們可以注意到一些新增的光源和探測器,等效於序列模式中的視場點和像面。這樣的結果就如同將原始的序列系統建立在非序列模式中一般。

光線分裂(split ray)是進行非序列模式雜散光分析時十分好用的功能。在分析(Analyze)工具列中選擇非序列3D視圖(NSC 3D Layout),並在設定中勾選NSC光線分裂(Split NSC Rays)。如此一來,我們就可以在視圖中觀察到光線在各表面上部份反射、部份穿透,以及多重反射的現象。這樣的結果是在序列模式中無法達成的。

  

我們也可以使用非序列實體模型(NSC Shaded Model)觀察結果,如下圖:

  

檢視特定光線

在分析(Analyze)工具列中選取特定光線比對(Critical Ray Tracer),我們可以看到每個視場中的主光線和邊緣光線順利通過整個非序列系統。每當新的機構元件(例如CAD檔案的匯入或OpticStudio的原生物件)加入光學系統中,我們會需要再次使用這項功能,以確保新的元件不會對特定光線造成阻礙。

雜散光分析必要設定

至此,我們已完成大部分光學系統方面的建構,準備進行主要的雜散光分析了。但在開始之前,還有一些必要的設定需要進行調整。

首先是將每條光線最大交點數目(Maximum Intersections Per Rays)和每條光線最大片段數目(Maximum Segments Per Rays)調整為最大值(分別為4000和2000000)。在進行雜散光分析時,有時目標光線會進行多次的反射和散射。若光線的最大交點數和片段數不足,我們將難以對所有的狀況進行分析。

此外,我們將分析光線的數量(# Analysis Rays)降至5000條。

當進行雜散光的分析時,每條行進光線將分裂為更多的子光線。與未勾選光線分裂時相比,此時的追跡耗時將變為原本的數十倍。為了順利的完成模擬,我們將減少光線的數量以降低追跡的時間。

最後一步則是設定探測器的像素為150x150,越少的像素也意味著所需的追跡光線可以降低。

光線追跡初步結果

當我們完成了前述的設定後,接著就可以進行光線追跡檢視初步的結果了。點選分析工具列中的光線追跡(Ray Trace),並調整視窗中的設定如下圖。要注意的是”使用偏振(Use Polarization)”和”NSC光線分裂(Split NSC Rays)”兩個選項必須勾選。

  

在完成追跡後,我們可以在分析工具列中打開看測器查看器(Detector Viewer),如下圖。

  

並將視窗依下圖進行設定:

  

下方的結果圖中,我們可以看到淺藍色點所代表的雜散光能量分佈。在這個系統中,這些非預期的光線來自於多重反射。這樣的結果與前述有NSC光線分裂時的3D視圖相同。由於NSC光線分裂的現象可以在非序列模式中呈現,因此我們才能觀察到多重反射的結果。

  

 

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