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)械裝配驗證的重要步驟。本文演示了在非序列模式下使用過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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簡介

在進(jìn)行雜散光分析時，光學(xué)設(shè)計工程師可能會問以下問題:

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?
反射超過四次的光線能傳遞多少能量?
隔板在限制探測器雜散光方面有多有效?

這些問題中的每一個，以及更多的其他問題，都可以在OpticStudio中使用過濾字符串來回答。

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

 

什么是過濾字符串？

過濾字符串代表了每條光線在顯示(在布局圖或探測器查看器上)或在光線數(shù)據(jù)庫查看器中報告之前必須通過的特定測試的方法。過濾字符串可以用來對雜散光進(jìn)行全面的光-機(jī)械評估，因為OpticStudio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。

過濾字符串的語句包含標(biāo)志之間的邏輯運(yùn)算，用來顯示光線中的某線段是否與 NSC 組中的物體相交、錯過、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

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

使用下面的純粹非序列的OpticStudio鏡頭文件模擬這個場景。下載本文附帶的文件，并在OpticStudio中打開它：

注意:為了在OpticStudio中演示過濾字符串，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，請參閱“如何創(chuàng)建一個簡單的非序列系統(tǒng)”一文。

 

望遠(yuǎn)鏡模型中的月亮用離軸的橢圓光源表示。月亮近似為一個準(zhǔn)直光源，因此來自月亮(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)計一樣，準(zhǔn)直光線(上圖中的藍(lán)色光線)從軸上視場聚焦到像平面上形成一個良好的點。然而，一些光線(來自月球和恒星)沒有經(jīng)過期望的光學(xué)表面順序，但仍能到達(dá)探測器。

使用“使用偏振Use Polarization”、“忽略錯誤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，光線必須在過濾字符串可以應(yīng)用到光線數(shù)據(jù)庫和探測器查看器前保存!目前，我們將把“字符串”條目留空，因為過濾器也可能在以后的設(shè)置中應(yīng)用到個別分析功能中。

 

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。最小相對和絕對能量閾值是由系統(tǒng)常規(guī)對話框的非序列選項卡下的“最小相對光線強(qiáng)度”和“最小絕對光線強(qiáng)度”條目定義的。為了減少當(dāng)前示例中的計算時間，將最小相對光線強(qiáng)度設(shè)置為1.00E-007。在某些應(yīng)用程序中，可能需要降低這個值，以減少由于閾值設(shè)置而造成的能量損失。

 

錯誤光線過濾器

 

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)生這些錯誤的原因有幾個，在以如何定位幾何錯誤(第1部分)開始的一系列文章中對此進(jìn)行了全面的討論。

 

如果報告的由于誤差造成的能量損失是顯著的，對光線的傳播進(jìn)行詳細(xì)的檢查以定位誤差的可能原因是非常有用的。這可以通過光線數(shù)據(jù)庫查看器中的過濾字符串來完成。光線數(shù)據(jù)庫查看器可以通過選擇 Analyze Ribbon…Database…Ray Database Viewer打開。在光線數(shù)據(jù)庫查看器的設(shè)置中，從“文件”下拉菜單中選擇先前保存的數(shù)據(jù)庫文件?，F(xiàn)在，光線數(shù)據(jù)庫設(shè)置允許選擇應(yīng)用一個過濾器。過濾器字符串，“Z”(沒有引號)，將只顯示那些有致命錯誤的射線。要應(yīng)用此過濾字符串，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。

 

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

 

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

 

來自月亮的雜散光

 

從探測器查看器，可以清楚地看到，大部分的能量是在探測器的最中心像素。然而，即使在對數(shù)尺度上，也很難分辨出有多少功率與落在這個中心區(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。為了做到這一點，我們可以將源對象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濾字符串只顯示來自特定源的光線。為了演示過濾字符串的有效性，并使我們不必運(yùn)行新的射線跟蹤，我們將選擇后者。

過濾字符串可以應(yīng)用于3D布局圖，探測器查看器，和(正如我們已經(jīng)看到的)在光線數(shù)據(jù)庫查看器。在每個分析工具的設(shè)置中，可以將所需的過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。

 

在檢測器查看器的設(shè)置中，從光線數(shù)據(jù)庫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)庫被選中，過濾條目就會被啟用。

 

“On”過濾字符串標(biāo)志將只過濾來自源數(shù)n的光線。由于我們希望只顯示來自月球(源對象2)的光線，可以應(yīng)用過濾字符串“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)庫的大小和字符串的復(fù)雜性，OpticStudio可能需要一些時間來處理數(shù)據(jù)。一旦完成，探測器查看器應(yīng)該顯示過濾的光線數(shù)據(jù)。

注意，檢測器查看器底部的數(shù)據(jù)顯示了所選的光線數(shù)據(jù)庫文件和所應(yīng)用的過濾字符串。因此，不需要重新打開設(shè)置來驗證哪個過濾器已應(yīng)用到您正在查看的數(shù)據(jù)。

 

 

從本例中經(jīng)過過濾的探測器查看器來看，“熱點”不再存在，這無疑是恒星的圖像(來自源1的射線)。

對于當(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嘗試減少來自月球的雜散光。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源。

 

定位雜散月光：布局圖分析

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

 
你可以想象，第11號探測器并不適合回答這個問題。然而，正如前面提到的，過濾字符串也可以應(yīng)用于布局圖。在當(dāng)前的示例中，打開NSC 3D布局圖的設(shè)置，再次從光線數(shù)據(jù)庫下拉菜單中選擇先前保存的ZRD文件。在布局中顯示整個射線數(shù)據(jù)庫將變得過于擁擠，無法執(zhí)行任何實質(zhì)性的分析，所以我們將在一會應(yīng)用一個適當(dāng)?shù)倪^濾器。

 

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

 

為了演示，讓我們?nèi)匀贿^濾來自月球并到達(dá)相機(jī)的光線。注意，盡管在從探測查看器查看結(jié)果時，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條件描述出來。否則，所有來自月球的光線都將被顯示出來，無論它們是否到達(dá)探測器。為了表示第二個參數(shù)，可以使用“Hn”標(biāo)志?！癏n”標(biāo)志代表擊中物體n的射線。

 

 

 

在這個例子中，經(jīng)過過濾的NSC 3D布局圖并不能真正表明光線來自月球的優(yōu)先區(qū)域。正如預(yù)期的那樣，在橢圓源中心區(qū)域的光線無法到達(dá)探測器，因為它們被副鏡和環(huán)繞副鏡的擋板擋住了。由于通過過濾器條件的光線數(shù)量非常大，而且OpticStudio每次旋轉(zhuǎn)繪圖時都必須重新評估過濾器，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：探測器分析

 

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

 

 

保留所有其他參數(shù)為默認(rèn)值。注意，這個矩形探測器被直接放置在月亮的前面。這樣，再次使用過濾字符串功能，我們可以更好地可視化那些來自月球并擊中相機(jī)的光線的分布。一旦定義了新的矩形檢測器，打開一個新的檢測器查看器來查看探測器器對象12(記住，必須正確設(shè)置才能顯示這個)。

 

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

 

 

由于沒有應(yīng)用濾波器，探測器上的輻照度分布包括兩個來源的光線。同樣，我們只關(guān)心從月球發(fā)出并到達(dá)探測器的光線。因此，讓我們對探測器對象12應(yīng)用以下過濾字符串。

 

 

 

一旦過濾后的數(shù)據(jù)被處理和顯示出來，就更容易觀察來自月球的光線的分布，哪些光線到達(dá)了探測器平面。很明顯，探測器平面上不受歡迎的雜散光確實來自月球的“特定”區(qū)域。這些區(qū)域在下面的探測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)可以用來減少來自月球的雜散光。

 

從第一個校正透鏡評估反射

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

 

 

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，我們可以再次使用過濾字符串功能。

(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反射回來的鬼像。這個標(biāo)記只在光線分裂激活時被設(shè)置為折射物體反射回來的光線。讓我們觀察從第一個校正透鏡反射的光線(來自星星和月亮)在相機(jī)上的光線分布。

 

光線的“環(huán)”無疑是由于校正鏡的鬼像，占探測器平面總功率的一小部分，但可以測量(5.780E-006)。為了減少這些不需要的光線對相機(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)

 

打開對象3的對象屬性對話框，在校正器的正面和背面都放置一個抗反射(AR)涂層。這是針對當(dāng)前初級波長優(yōu)化的單層MgF2涂層。

 

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

 

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