雜散光分析 - 第二篇

進行光學設計時,即便設計者費盡心思改進系統,仍難以避免一些非預期的能量出現在像面上。因此,如何找出這些非預期的光線來源,並增添新的元件以吸收或阻擋這些能量,將會是雜散光分析環節的重要課題。本文是系列文章的第二篇,將介紹如何使用路徑分析(Path Analysis)功能和篩選字串(filter string)辨別雜散光的路徑。

作者 Michael Cheng, Yihua Hsiao

简介

我們已在系列文章的第一篇介紹了觀察雜散光的基礎知識。進行雜散光分析時,最終的目標為找出雜散光的來源並嘗試改善。而在這篇文章中,我們會繼續以同一個範例檔案進行設計,說明如何辨別雜散光的特定光線路徑,以及如何藉由鏡面鍍膜改善這些非預期的能量來源。

使用篩選字串辨別雜散光路徑

首先,我們要找出雜散光的來源並試著改善。在下方的結果圖中,我們可以看到許多非預期的反射光(鬼影)出現在像面上。為了區分出這些光線,我們可以使用OpticStudio中的篩選字串功能,如下方綠框內所示。

接著,我們試著找出這些光線中在像面(探測器)上能量較強的路徑。我們將會需要重設光線追跡相對閾值強度(Minimum Relative Ray Intensity),如下圖紅框處所示。該數值代表了追跡光線與光源光強的比值,透過對該數值的設定,我們能夠調整可被追跡光線的能量最小值。預設的閾值強度為1.000E-6,即當光線能量高於光源出射光的1.000E-6時可被追跡。透過這樣的調整,我們可以簡單的將鬼影光線中能量較低的部份過濾掉,僅保留高能量的鬼影。在稍後的篇幅中,我們將介紹路徑分析功能,可幫助我們較輕易的區分出能量較強的雜散光路徑。

我們在閾值強度的欄位輸入0.005,這將使OpticStudio在進行光線追跡時,忽略光強小於0.005倍原始能量的光線。

  

重新整理視窗數次,我們將看到如下的結果,顯示出系統中最主要的鬼影路徑。

鏡面鍍膜

我們可以從結果圖中發現最主要的鬼影光線路徑包含了一條來自中央凹面鏡(物件6、10)的二次反射光,如上方的兩張圖。為了降低鬼影光線的能量,我們可以在鏡面上進行鍍膜。在物件6的第2面和物件12的第1面上進行AR鍍膜,我們將看到結果有明顯的變化。

再次進行光線追跡後,我們可以看到周遭的鬼影明顯的減少。與第一篇文章中最後的結果相比,此時的成像有了不錯的改善,大部份淺藍色的光點已消失不見。我們可以對系統中其他的鏡面進行這樣的步驟,以了解鍍膜對光學表現帶來的影響。

  

特定區域光線分析(使用篩選字串)

在初步消除部分的雜散光後,我們仍能在探測器上發現不少非預期的能量分佈,特別是在像面中底部中心位置呈弧形的光點,如下圖所示。我們該如何快速的找出這些光點的來源呢?

這裡我們可以再次使用篩選字串。在OpticStudio中,篩選字串功能可以幫助我們依據光線的特性進行區分,我們可以在幫助文件中找到將近100條相關指示。如前述的步驟所示,我們可以使用一些邏輯符號(例如&、|、^)結合一個以上的篩選條件。

如果想要單獨檢視探測器上特定範圍(如上圖框選的區域)的入射光線,我們可以在篩選字串欄位鍵入下圖中的4項限制條件以達成目的。

勾選光線追跡視窗中的保存光線(Save Rays)選項,並再次進行光線追跡。

 如此一來,OpticStudio會將追跡光線的資訊儲存為Zemax光線數據庫(.ZRD)檔案。

  

我們可以在視圖(Layout plot)中載入預先儲存的ZRD檔案,接著在下方篩選字串欄位填入限制條件。

  

篩選字串開頭的{#50}代表我們希望只顯示前50條符合篩選條件的光線,這可以避免視圖顯得太過雜亂無章。在模擬結果中,我們可以看到抵達像面上目標區域的所有光線路徑。即使我們已預先對光線路線進行限制,但此時的光線路徑還是太過複雜。然而,根據過往的設計經驗,我們可以得知這些光線的能量不盡相同。因此接下來我們的目標就是找出其中最主要的雜散光來源。

進階光線路徑分析

如下圖,在分析(Analyze)工具列中的光線追跡分析(Ray Trace Analysis)欄位,我們可以找到路徑分析(Path Analysis)功能。這項功能可以協助我們找出最主要的雜散光線路徑。注意我們可以在篩選欄位再次輸入條件以限制目標的範圍。

在套用限制條件後,我們會發現能量最集中的路徑是沿著物件3 > 6 > 17,如上圖所示。為了在視圖找到這條光線路徑,我們在原先的篩選字串末端加上&_1,將會出現以下的結果。

我們順利的找到了由透鏡側面反射所產生的雜散光路徑。實際上,當我們為系統添加了外殼後,這樣的現象將不再發生。此外,這條光線路徑同時也是像面上弧形雜散光點的來源。下方的示意圖依序呈現了第二、第三和第四條光線路徑。為了得到這樣的結果,我們將會需要再篩選字串末端分別加上&_2&_3&_4 

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