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        技術簡報
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        三種軟件聯合分析雜散光(四)- LightTools

        LightTools:蒙特卡洛光線追跡方法模擬鬼像和雜光

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        LightTools 雜散光分析功能:

               LightTools 使用非序列光線追跡方法來設計、優化和分析照明系統。

               用戶可以使用LightTools直接創建鏡頭模型(也可以通過CODE V直接導入模型)或者通過其他CAD軟件導入鏡頭模型以及機械結構件(鏡頭座),從而輕松的實現光機一體化模型仿真分析。

               LightTools 使用蒙特卡洛光線追跡方法來模擬光線:

        – 追跡成千上萬根光線通過鏡頭,并將這些光線追跡的結果收集到接收器中。

        – 通過設置光學屬性來實現鏡片表面的反射與透射現象(包括鍍膜)。

               如果使用CODE V進行此類分析,那么不但需要較長的模擬時間,而且分析起來比較復雜。

               為此,LightTools提供幾個實用工具專門用于分析雜散光系統:

        –局部分析功能

        –光線路徑分析功能

        –接收器濾片功能


               此次實例中,我們使用CODE V中的LightTools輸出功能,直接將鏡頭系統從CODE V導入LightTools中。

               導出的鏡頭會嚴格按照CODE V指定的尺寸、材料以及表面屬性,因為該功能是無縫鏈接。

               然后在LightTools中可以適當的調整透鏡尺寸以匹配對應的物理元件尺寸(只有通過CODE V導入的鏡頭才可以任意修改透鏡尺寸)。


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        圖1:CODE V和LightTools模型


               使用LightTools中的旋轉實體( revolved solid )建模功能完成兩個鏡頭座建模

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        圖2:鏡頭座

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        圖3:M12 探測器保護盒


               所有透鏡光學表面和M 12的保護屏表面被定義為具有單層AR涂層(默認)并且設置為分光屬性。

        – 透鏡, 紅外濾片和M 12保護屏的邊緣表面定義為具有5°高斯散射角的散射屬性以及菲涅爾反射。

               機械表面(底座和墊片等) 使用LightTools 完整散射光學屬性(Complete Scatterer):

        – 5% 反射率

        – 其中反射光線中 30% 漫反射(Lambertian)

        – 70% 是15°(半角)的高斯反射

               感光器件的前表面設置為BSDF數據,該數據來自DiffractMOD(RSoft)

        – 該BSDF文件在550nm波段正入射時具有36%的反射率


               CMOS芯片的結構對于檢測到的雜光具有很顯著的影響

        – 特別是CMOS芯片前面的保護屏,如果沒有對該保護屏進行適當的鍍膜處理,那么從該保護屏反射回去的光線形成的雜光效果會很明顯

        – 下圖所示感光器件三種表面屬性的比較效果:圖1鏡面反射光學屬性;圖2來自Rsoft BSDF數據光學屬性;圖3 BSDF光學屬性,但去除保護屏

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        圖4:CMOS 芯片表面反射效果


               局部分析功能可以很形象的顯示出形成鬼像的起源

               該功能目前還不能和光線路徑合用,但可以快速的顯示出結果


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        圖5:局部分析


               在LightTools中光線路徑分析功能主要用于雜散光分析

               光線路徑分析功能可以記錄每一條光線的光路

        – 記錄光線在整個光學系統中如何從光源到達探測器

               每條光路包括:

        – 所通過的表面或zones名稱

        – 該光路包含多少根光線

        – 該光路有多少能量

               光線路徑濾片可以對不同光路到達探測器后進行過濾劃分

        – 濾片可以劃分光路顯示情況以及探測器能量收集情況,由用戶在光線路徑列表中選取

               光線路徑可以按照能量大小進行排序(升序或降序)以便將能量大的排在前面方便選取分析

        – 有助于快速找到重要的雜光路徑(光線路徑自己默認的排序是按照程序發現路徑的排序進行排列的)


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        圖6:光線路徑分析界面

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        圖7:光線路徑分析(全路徑)

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        圖8:光線路徑分析(選中路徑)


               更復雜的光線路徑排序可以使用光線路徑分析儀

               光線路徑分析儀允許用戶按照一定標準快速的排序光路,包括:

        – 包含或排除zones

        – 包含或排除完整或部分光路

               啟動該分析儀只需要在光線路徑窗口點擊Ray Path Analyzer 按鈕即可

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        圖9:光線路徑分析儀界面

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        圖10:光線路徑分析儀實例


               光源從10°入射時的雜光結果圖,圖像以線性縮放顯示(因為主光路能量過大)

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        圖11:10°入射角雜光圖


               在主光路成像的光斑周圍看到的大面積雜光亮斑,這些亮斑多數來自于感光器件前面的保護屏(保護屏兩個平面的多次反射造成)

               這種平面上一般涂有單層 MgF2 膜(~1.33% 反射率)

        – 再加上感光器件本身的36%反射率,這個反射率就很高了

               如果降低保護屏的反射率(比如降低到0.2%)那么在主光路成像的光斑周圍就會少很多雜光亮斑,如右圖所示

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        圖12:保護屏影響


               使用光線路徑和光線路徑分析儀來識別單個光源中貢獻MAX的鬼像

               LightTools 證實CODE V GHO 的結果:由感光器件-表面12( Detector-Surface 12 )造成貢獻MAX的鬼像

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        圖13:貢獻MAX的鬼像光斑


               回到CODE V中,我們需要重新優化下鏡頭,通過@GHOST 功能控制鬼像光斑大小

               重新優化的結果是成像系統性能有較小的降低,但是鬼像光斑得到很大的減小


        圖14:優化效果


        結束。

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