Ansys Zemax | 如何使用 OpticStudio 進(jìn)行雜散光分析

雜散光分析是光學(xué)和機(jī)械裝配驗(yàn)證的重要步驟。本文演示了在非序列模式下使用過(guò)濾字符串功能的雜散光分析技術(shù)，以及支持特性。

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簡(jiǎn)介

在進(jìn)行雜散光分析時(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)問(wèn)以下問(wèn)題:

從各種光學(xué)或機(jī)械表面反射產(chǎn)生的鬼影影響有多大?
反射超過(guò)四次的光線能傳遞多少能量?
隔板在限制探測(cè)器雜散光方面有多有效?

這些問(wèn)題中的每一個(gè)，以及更多的其他問(wèn)題，都可以在OpticStudio中使用過(guò)濾字符串來(lái)回答。

在本文中，我們將演示如何使用分類器字符串來(lái)分析和描述具有特定光學(xué)特性的光線，方法是評(píng)估卡塞格林型望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)遙遠(yuǎn)恒星時(shí)污染探測(cè)器的月光量。

 

什么是過(guò)濾字符串？

過(guò)濾字符串代表了每條光線在顯示(在布局圖或探測(cè)器查看器上)或在光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器中報(bào)告之前必須通過(guò)的特定測(cè)試的方法。過(guò)濾字符串可以用來(lái)對(duì)雜散光進(jìn)行全面的光-機(jī)械評(píng)估，因?yàn)镺pticStudio將考慮光學(xué)的部分反射，機(jī)械組件的反射，以及光學(xué)和力學(xué)的散射。

過(guò)濾字符串的語(yǔ)句包含標(biāo)志之間的邏輯運(yùn)算，用來(lái)顯示光線中的某線段是否與 NSC 組中的物體相交、錯(cuò)過(guò)、反射、折射、散射，衍射或鬼像反射。在OpticStudio幫助文件的“the Filter String”一節(jié)中可以找到可用的過(guò)濾字符串標(biāo)志和討論的完整列表。

系統(tǒng)輪廓和初始光線追跡

想象一下在滿月時(shí)用望遠(yuǎn)鏡觀察一顆恒星。一些來(lái)自月球的光，盡管離軸(這里的軸被描述為從恒星到望遠(yuǎn)鏡筒頂點(diǎn)的距離)，但仍能到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)平面(相機(jī))。我們需要準(zhǔn)確地確定有多少來(lái)自月球的雜散光到達(dá)探測(cè)器。

使用下面的純粹非序列的OpticStudio鏡頭文件模擬這個(gè)場(chǎng)景。下載本文附帶的文件，并在OpticStudio中打開(kāi)它：

注意:為了在OpticStudio中演示過(guò)濾字符串，我們假設(shè)您已經(jīng)熟悉執(zhí)行非序列光線追跡和在探測(cè)器查看器上查看結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)程序。如果您不熟悉這些概念，請(qǐng)參閱“如何創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的非序列系統(tǒng)”一文。

 

望遠(yuǎn)鏡模型中的月亮用離軸的橢圓光源表示。月亮近似為一個(gè)準(zhǔn)直光源，因此來(lái)自月亮(上圖綠色部分)的光線彼此平行。類似地，感興趣的觀察對(duì)象用軸上的準(zhǔn)直橢圓源表示。與典型的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)一樣，準(zhǔn)直光線(上圖中的藍(lán)色光線)從軸上視場(chǎng)聚焦到像平面上形成一個(gè)良好的點(diǎn)。然而，一些光線(來(lái)自月球和恒星)沒(méi)有經(jīng)過(guò)期望的光學(xué)表面順序，但仍能到達(dá)探測(cè)器。

使用“使用偏振Use Polarization”、“忽略錯(cuò)誤Ignore Errors”、“分割光線Split Rays”、“散射光線Scatter Rays”和“保存光線Save Rays”進(jìn)行初始的非序列光線跟蹤。保存光線與任何想要的文件名。注意，光線必須在過(guò)濾字符串可以應(yīng)用到光線數(shù)據(jù)庫(kù)和探測(cè)器查看器前保存!目前，我們將把“字符串”條目留空，因?yàn)檫^(guò)濾器也可能在以后的設(shè)置中應(yīng)用到個(gè)別分析功能中。

 

注意，由閾值和誤差引起的“能量損失”值非常重要，應(yīng)該非常仔細(xì)地檢查，以確保當(dāng)前光線樣本的準(zhǔn)確評(píng)估。如果光線低于追跡的最小能量閾值，追跡將終止。最小相對(duì)和絕對(duì)能量閾值是由系統(tǒng)常規(guī)對(duì)話框的非序列選項(xiàng)卡下的“最小相對(duì)光線強(qiáng)度”和“最小絕對(duì)光線強(qiáng)度”條目定義的。為了減少當(dāng)前示例中的計(jì)算時(shí)間，將最小相對(duì)光線強(qiáng)度設(shè)置為1.00E-007。在某些應(yīng)用程序中，可能需要降低這個(gè)值，以減少由于閾值設(shè)置而造成的能量損失。

 

錯(cuò)誤光線過(guò)濾器

 

由于誤差造成的能量損失是極其重要的，因此必須使這些誤差的大小盡可能小。產(chǎn)生這些錯(cuò)誤的原因有幾個(gè)，在以如何定位幾何錯(cuò)誤(第1部分)開(kāi)始的一系列文章中對(duì)此進(jìn)行了全面的討論。

 

如果報(bào)告的由于誤差造成的能量損失是顯著的，對(duì)光線的傳播進(jìn)行詳細(xì)的檢查以定位誤差的可能原因是非常有用的。這可以通過(guò)光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器中的過(guò)濾字符串來(lái)完成。光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器可以通過(guò)選擇 Analyze Ribbon…Database…Ray Database Viewer打開(kāi)。在光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器的設(shè)置中，從“文件”下拉菜單中選擇先前保存的數(shù)據(jù)庫(kù)文件。現(xiàn)在，光線數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置允許選擇應(yīng)用一個(gè)過(guò)濾器。過(guò)濾器字符串，“Z”(沒(méi)有引號(hào))，將只顯示那些有致命錯(cuò)誤的射線。要應(yīng)用此過(guò)濾字符串，首先選中使用字符串框并將該字符串鍵入適當(dāng)?shù)臈l目。

 

通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整第一條光線和最后一條光線字段，過(guò)濾器可以應(yīng)用到保存的數(shù)據(jù)庫(kù)的一小部分?；蛘?，如果將最后一條光線設(shè)置為初始光線追跡中啟動(dòng)的光線的總數(shù)，則會(huì)處理整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)(或者，您可以簡(jiǎn)單地在最后一條廣線字段中輸入一個(gè)負(fù)值，例如-1)。

 

在本例中，由于錯(cuò)誤造成的能量損失為零，因此一旦應(yīng)用了錯(cuò)誤過(guò)濾器，光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器中就不會(huì)顯示任何一條光線。然而，光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器中的過(guò)濾字符串功能并不局限于顯示帶有錯(cuò)誤的光線。任何一個(gè)過(guò)濾字符串，或任何過(guò)濾字符串的組合，可以應(yīng)用于保存的光線數(shù)據(jù)庫(kù)；只有那些通過(guò)測(cè)試的射線才會(huì)被展示出來(lái)進(jìn)行更深入的分析。

 

來(lái)自月亮的雜散光

 

從探測(cè)器查看器，可以清楚地看到，大部分的能量是在探測(cè)器的最中心像素。然而，即使在對(duì)數(shù)尺度上，也很難分辨出有多少功率與落在這個(gè)中心區(qū)域以外的光線有關(guān)。這些能量中的哪一部分是來(lái)自月球光源的雜散光?

 

為了確定與月光有關(guān)的總能量的比例，讓我們首先將光線從月球分離出來(lái)。為了做到這一點(diǎn)，我們可以將源對(duì)象1的#分析光線設(shè)置為0并重新運(yùn)行光線追跡，或者我們可以利用過(guò)濾字符串只顯示來(lái)自特定源的光線。為了演示過(guò)濾字符串的有效性，并使我們不必運(yùn)行新的射線跟蹤，我們將選擇后者。

過(guò)濾字符串可以應(yīng)用于3D布局圖，探測(cè)器查看器，和(正如我們已經(jīng)看到的)在光線數(shù)據(jù)庫(kù)查看器。在每個(gè)分析工具的設(shè)置中，可以將所需的過(guò)濾字符串輸入到字符串條目中。我們可以使用當(dāng)前的示例文件進(jìn)一步演示其中的一些功能。

 

在檢測(cè)器查看器的設(shè)置中，從光線數(shù)據(jù)庫(kù)下拉菜單中選擇先前保存的ZRD文件。一旦想要的光線數(shù)據(jù)庫(kù)被選中，過(guò)濾條目就會(huì)被啟用。

 

“On”過(guò)濾字符串標(biāo)志將只過(guò)濾來(lái)自源數(shù)n的光線。由于我們希望只顯示來(lái)自月球(源對(duì)象2)的光線，可以應(yīng)用過(guò)濾字符串“O2”。注意“O”是字母O，不是數(shù)字0。

 

 

根據(jù)保存的光線數(shù)據(jù)庫(kù)的大小和字符串的復(fù)雜性，OpticStudio可能需要一些時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)。一旦完成，探測(cè)器查看器應(yīng)該顯示過(guò)濾的光線數(shù)據(jù)。

注意，檢測(cè)器查看器底部的數(shù)據(jù)顯示了所選的光線數(shù)據(jù)庫(kù)文件和所應(yīng)用的過(guò)濾字符串。因此，不需要重新打開(kāi)設(shè)置來(lái)驗(yàn)證哪個(gè)過(guò)濾器已應(yīng)用到您正在查看的數(shù)據(jù)。

 

 

從本例中經(jīng)過(guò)過(guò)濾的探測(cè)器查看器來(lái)看，“熱點(diǎn)”不再存在，這無(wú)疑是恒星的圖像(來(lái)自源1的射線)。

對(duì)于當(dāng)前的光線追跡，大約8.531E-006瓦的月球初始總功率到達(dá)相機(jī)。但是，由于月亮比恒星亮得多，10-5的雜散月光抑制可能是不夠的，所以可能需要減少雜散月光的能量，以獲得更好的恒星圖像分辨率。有許多方法可以用來(lái)嘗試減少來(lái)自月球的雜散光。然而，這些主題超出了本文的范圍，我們將在本文中集中討論雜散光的來(lái)源。

 

定位雜散月光：布局圖分析

有了過(guò)濾字符串，不僅很容易確定有多少來(lái)自月球的光線到達(dá)探測(cè)器，而且我們還可以利用這個(gè)字符串直觀地識(shí)別光線是否來(lái)自月球的某個(gè)“優(yōu)先區(qū)域”。也就是說(shuō)，我們可以確定雜散光是否來(lái)自月球的特定區(qū)域。

 
你可以想象，第11號(hào)探測(cè)器并不適合回答這個(gè)問(wèn)題。然而，正如前面提到的，過(guò)濾字符串也可以應(yīng)用于布局圖。在當(dāng)前的示例中，打開(kāi)NSC 3D布局圖的設(shè)置，再次從光線數(shù)據(jù)庫(kù)下拉菜單中選擇先前保存的ZRD文件。在布局中顯示整個(gè)射線數(shù)據(jù)庫(kù)將變得過(guò)于擁擠，無(wú)法執(zhí)行任何實(shí)質(zhì)性的分析，所以我們將在一會(huì)應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器。

 

需要注意的是，過(guò)濾字符串標(biāo)志可以單獨(dú)使用，也可以使用邏輯操作組合使用。一些比較常見(jiàn)的邏輯操作包括:”&”(邏輯和)，”|”(邏輯或)，”^”(亦或)，和”!”(邏輯)。當(dāng)過(guò)濾帶有多個(gè)特定屬性的光線時(shí)，這是非常有用的。

 

為了演示，讓我們?nèi)匀贿^(guò)濾來(lái)自月球并到達(dá)相機(jī)的光線。注意，盡管在從探測(cè)查看器查看結(jié)果時(shí)，字符串的第二部分不是必需的，但在布局圖的字符串中我們必須將第二個(gè)條件描述出來(lái)。否則，所有來(lái)自月球的光線都將被顯示出來(lái)，無(wú)論它們是否到達(dá)探測(cè)器。為了表示第二個(gè)參數(shù)，可以使用“Hn”標(biāo)志。“Hn”標(biāo)志代表?yè)糁形矬wn的射線。

 

 

 

在這個(gè)例子中，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的NSC 3D布局圖并不能真正表明光線來(lái)自月球的優(yōu)先區(qū)域。正如預(yù)期的那樣，在橢圓源中心區(qū)域的光線無(wú)法到達(dá)探測(cè)器，因?yàn)樗鼈儽桓辩R和環(huán)繞副鏡的擋板擋住了。由于通過(guò)過(guò)濾器條件的光線數(shù)量非常大，而且OpticStudio每次旋轉(zhuǎn)繪圖時(shí)都必須重新評(píng)估過(guò)濾器，因此很難從當(dāng)前示例文件的布局中收集任何有效的、額外的信息。然而，這種方法在其他情況下肯定是有用的。

 

 
定位雜散月光：探測(cè)器分析

 

雖然我們不能很成功地通過(guò)布局圖來(lái)確定光線是否來(lái)自月球的特定區(qū)域，但放置另一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的矩形探測(cè)器可能更有用。在NSC編輯器中插入一個(gè)物體12-矩形檢測(cè)器。用以下參數(shù)定義。

 

 

保留所有其他參數(shù)為默認(rèn)值。注意，這個(gè)矩形探測(cè)器被直接放置在月亮的前面。這樣，再次使用過(guò)濾字符串功能，我們可以更好地可視化那些來(lái)自月球并擊中相機(jī)的光線的分布。一旦定義了新的矩形檢測(cè)器，打開(kāi)一個(gè)新的檢測(cè)器查看器來(lái)查看探測(cè)器器對(duì)象12(記住，必須正確設(shè)置才能顯示這個(gè))。

 

如果我們執(zhí)行一個(gè)新的光線追跡并將光線保存到一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)名稱中，例如“Stray light_telescope e_1a”。我們可以在新定義的探測(cè)器上看到最初的射線分布。

 

 

由于沒(méi)有應(yīng)用濾波器，探測(cè)器上的輻照度分布包括兩個(gè)來(lái)源的光線。同樣，我們只關(guān)心從月球發(fā)出并到達(dá)探測(cè)器的光線。因此，讓我們對(duì)探測(cè)器對(duì)象12應(yīng)用以下過(guò)濾字符串。

 

 

 

一旦過(guò)濾后的數(shù)據(jù)被處理和顯示出來(lái)，就更容易觀察來(lái)自月球的光線的分布，哪些光線到達(dá)了探測(cè)器平面。很明顯，探測(cè)器平面上不受歡迎的雜散光確實(shí)來(lái)自月球的“特定”區(qū)域。這些區(qū)域在下面的探測(cè)器查看器中高亮顯示。這一信息可能有助于確定哪種雜散光抑制技術(shù)可以用來(lái)減少來(lái)自月球的雜散光。

 

從第一個(gè)校正透鏡評(píng)估反射

你可能還記得最初的光線追跡結(jié)果，一個(gè)確定的、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的環(huán)圍繞著探測(cè)器的熱點(diǎn)。

 

 

這可能是由于當(dāng)前未鍍膜的第一校正透鏡(物體3)的多次反射造成的。為了確認(rèn)這一點(diǎn)，我們可以再次使用過(guò)濾字符串功能。

(Q3)第一反射鏡多次反射產(chǎn)生的雜散光如何影響相機(jī)的總功率?

 
標(biāo)記“Gn”指的是根物體n反射回來(lái)的鬼像。這個(gè)標(biāo)記只在光線分裂激活時(shí)被設(shè)置為折射物體反射回來(lái)的光線。讓我們觀察從第一個(gè)校正透鏡反射的光線(來(lái)自星星和月亮)在相機(jī)上的光線分布。

 

光線的“環(huán)”無(wú)疑是由于校正鏡的鬼像，占探測(cè)器平面總功率的一小部分，但可以測(cè)量(5.780E-006)。為了減少這些不需要的光線對(duì)相機(jī)的影響，我們可以在校正透鏡上涂上一層抗反射鍍膜。

 

使用抗反射鍍膜降低鬼影效應(yīng)

 

打開(kāi)對(duì)象3的對(duì)象屬性對(duì)話框，在校正器的正面和背面都放置一個(gè)抗反射(AR)涂層。這是針對(duì)當(dāng)前初級(jí)波長(zhǎng)優(yōu)化的單層MgF2涂層。

 

應(yīng)用鍍膜后，重新運(yùn)行一個(gè)非序列光線追跡，并將光線數(shù)據(jù)保存到一個(gè)不同的文件名。

 

一旦光線追跡完成，確保在探測(cè)器查看器中選擇合適的ZRD文件，并應(yīng)用相同的鬼影過(guò)濾器G3。通過(guò)涂覆校正透鏡，我們有效地消除了射線的偽“環(huán)”，并將總“鬼影”能量降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。