簡介

FRED能夠提供用戶有關(guān)通過光機(jī)系統(tǒng)任意鬼像和散射路徑的詳細(xì)情況。我們簡單地設(shè)置光學(xué)和機(jī)械的物理屬性 (涂層、材料、散射模型等)，設(shè)置一個(gè)合適的光源，并且讓FRED記錄下在光線追跡時(shí)系統(tǒng)所有唯一的路徑。當(dāng)光線追跡完成時(shí)，我們可以對(duì)光線追跡的路徑進(jìn)行后期處理，來提取出與我們系統(tǒng)相關(guān)的路徑。

然而，假設(shè)我們對(duì)于表征一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的初級(jí)鬼像路徑很感興趣，或者我們的系統(tǒng)沒有完全的開發(fā)或改進(jìn)，來保證一個(gè)長的多階次的雜散光分析。本文介紹了一個(gè)腳本，可以在一個(gè)導(dǎo)入的序列設(shè)計(jì)中對(duì)初級(jí)鬼像路徑進(jìn)行自動(dòng)分析。我們首先來討論合理地設(shè)置分析中導(dǎo)入的序列文件的過程，然后討論腳本的運(yùn)行以及執(zhí)行分析的過程。

指定表面涂層性質(zhì)

分析的要點(diǎn)是找出多少功率(以及功率的分布)到達(dá)了我們的焦平面，這是由在我們的透鏡表面之間的鏡面系列的現(xiàn)象產(chǎn)生的，這些都不是“設(shè)計(jì)”路徑。舉個(gè)例子，我們第一個(gè)透鏡元件內(nèi)的內(nèi)部反彈可能會(huì)到達(dá)探測器，我們希望可以量化它的貢獻(xiàn)。

為了產(chǎn)生鬼像路徑，我們的透鏡需要有涂層覆蓋，這可以讓入射能量的一些部分以反射和透射的方式傳播。默認(rèn)情況下，導(dǎo)入的透鏡表面具有100%透射涂層，將沒有任何鬼像產(chǎn)生。我們可以瀏覽透鏡的每一個(gè)光學(xué)表面，然后給每個(gè)表面應(yīng)用一個(gè)非理想的涂層模型，不過FRED確實(shí)提供了一個(gè)界面，使得這一過程變得不那么單調(diào)乏味。點(diǎn)擊Menu > Edit > Edit/View Multiple Surfaces，該界面提供了一個(gè)技巧，可以非常簡單的完成多表面性質(zhì)賦予作業(yè)。

我們將使用該界面以默認(rèn)的“Standard Coating”替換所有我們的透射表面，該“Standard Coating”允許96%的功率透射和4%的功率反射，默認(rèn)的“Allow All”光線追跡控制允許光線在一個(gè)界面分成反射和透射兩個(gè)組分。在按下您鍵盤上的“Ctrl”鍵的同時(shí)，選擇表格中具有“Transmit”涂層的行。

現(xiàn)在我們已經(jīng)選中了我們希望修改的行，使用對(duì)話框中的“Modify All Highlighted Spreadsheet Rows”區(qū)域，來替換我們想要的屬性。在這種情況下，選擇屬性類型“Coating”下拉列表，從可用的屬性下拉列表中選擇“Standard Coating”，然后點(diǎn)擊“Replace”按鈕。

指定表面光線追跡控制性質(zhì)

對(duì)于Raytrace Control重復(fù)這一過程，使用Allow All屬性。

一旦您已經(jīng)替換了選定表面的Coating和Raytrace Control，您可以點(diǎn)擊OK按鈕提交更改，返回到文件中，關(guān)閉Edit/View Multiple Surfaces對(duì)話框。

設(shè)置光源

結(jié)構(gòu)屬性現(xiàn)在將支持二階鬼像在透鏡元件內(nèi)產(chǎn)生，現(xiàn)在我們應(yīng)該設(shè)置我們的光源。注意到按照您的設(shè)計(jì)文件的規(guī)格，F(xiàn)RED創(chuàng)建了多個(gè)視場光源，但是我們將在軸上視場執(zhí)行我們的分析。展開您的光源文件夾，選擇樹形文件夾中的視場光源1-5，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，切換為“Make All NOT Traceable”選項(xiàng)，將這些光源關(guān)閉。

當(dāng)追跡不相干的光源時(shí)，一個(gè)非常好的辦法是移除 “網(wǎng)格化”的光源。在Field Position 0光源上雙擊，打開它的對(duì)話框，然后移動(dòng)到Positions/Directions標(biāo)簽上。注意到Ray Positions設(shè)置為“Grid Plane”。

使用非相干光源時(shí)，具有網(wǎng)格位置和方向規(guī)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的能量分布(光源網(wǎng)格與分析網(wǎng)格重疊)產(chǎn)生混疊效應(yīng)。為了去除這種現(xiàn)象發(fā)生的可能性，我們改變了光線位置類型，從Grid Plane 到Random Plane，同時(shí)保持相同的孔徑大小和形狀。

當(dāng)您根據(jù)上面的描述已經(jīng)改變了您的光源光線位置規(guī)格后，點(diǎn)擊OK接受這些變化，關(guān)閉對(duì)話框。

增加一個(gè)分析面

盡管我們的焦平面已經(jīng)有了一個(gè)表面，我們需要添加一個(gè)Analysis Surface到它上面來計(jì)算輻射照度分布。首先，我們確定焦平面的孔徑大小大約為2.5mm。接下來，右鍵點(diǎn)擊我們的Analysis Surface(s)文件夾，選擇“New Analysis Surface”。現(xiàn)在，便可以指定名稱、分析區(qū)域的大小、網(wǎng)格中劃分的數(shù)目。當(dāng)分析面創(chuàng)建好了后，我們將它放到對(duì)應(yīng)的位置。

當(dāng)完成了上述的規(guī)格后，點(diǎn)擊OK按鈕，創(chuàng)建新的分析面。通過展開Analysis Surface(s)文件夾和我們的幾何樹形結(jié)構(gòu)(那樣我們就可以看到“Surf 8”)，我們可以將這一分析面分配到我們的探測器，然后拖拽DetectorAnalysis節(jié)點(diǎn)放到Surf 8上。

修改默認(rèn)序列路徑

我們不久將會(huì)看到的，我們腳本分析的基礎(chǔ)是透鏡設(shè)計(jì)的默認(rèn)序列路徑，這是在導(dǎo)入文件中自動(dòng)創(chuàng)建的。為了看到序列路徑，我們可以前往Menu > Raytrace > User-defined Ray Paths。在“Selected Path”下拉列表里，選擇“DefaultSequential”來顯示路徑列表。盡管FRED自身的光線追跡模式是非序列的，可以指示它執(zhí)行序列光線追跡(即交叉事件的一個(gè)明確有序的列表)，默認(rèn)序列光線追跡路徑(如下所示)指示FRED來執(zhí)行這一確切序列的交叉事件。

然而我們要注意，默認(rèn)序列路徑中的第一個(gè)事件是經(jīng)過“Surf 1”的一個(gè)透射。在我們開始導(dǎo)入我們的透鏡設(shè)計(jì)時(shí)，這一事件是合乎情理的，因?yàn)椤肮怅@”實(shí)際上是一個(gè)Air/Air透射圓盤。但是，通過使光闌表面成為一個(gè)吸收?qǐng)A環(huán)表面，我們已經(jīng)讓它適用于FRED模型。通過這樣的方法改變光闌表面，意味著我們應(yīng)該將它從我們默認(rèn)序列路徑中移除(畢竟，我們想要的是不會(huì)碰到孔徑光闌的光線)，為了從一個(gè)序列路徑中移除一個(gè)事件，在您所希望移除的行上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Delete Row”選項(xiàng)。

點(diǎn)擊對(duì)話框中的OK按鈕來接受這種變化，并將其提交到文檔中。

運(yùn)行腳本

自動(dòng)化腳本背后的思想是從默認(rèn)序列路徑開始，然后使用它來產(chǎn)生系統(tǒng)中所有可能的二階鬼像路徑。對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)光學(xué)表面的系統(tǒng)，鬼像的數(shù)目可以確定為：

在算法上，腳本自動(dòng)進(jìn)行了以下步驟：

1. 找到并存儲(chǔ)默認(rèn)序列路徑事件

2. 構(gòu)造所有鬼像表面組合的一個(gè)列表

3. 在每個(gè)鬼像表面組合循環(huán)，并

3a. 構(gòu)造與鬼像路徑一致的序列路徑

3b. 光線追跡該序列路徑

3c. 在焦平面上運(yùn)行一個(gè)輻射照度并計(jì)算統(tǒng)計(jì)值

3d. 報(bào)告鬼像路徑信息到輸出窗口

運(yùn)行完腳本后，文件會(huì)包含：

1. 系統(tǒng)中每個(gè)二階鬼像路徑的一個(gè)唯一的序列路徑

2. 系統(tǒng)中每個(gè)鬼像路徑的一個(gè)分析結(jié)果節(jié)點(diǎn)(Analysis Results Node)，節(jié)點(diǎn)中包含了每個(gè)鬼像路徑的輻射照度分布

3. 輸出窗口中每個(gè)鬼像路徑的綜述

為了使腳本能夠在我們系統(tǒng)實(shí)例上運(yùn)行，有兩行我們需要去修改。

1. Line 19：為分析面填寫合適的FindFullName指令，用于計(jì)算我們焦平面上輻射照度分布

2. Line 24：填寫合適的默認(rèn)序列路徑名稱，在文件導(dǎo)入中創(chuàng)建(您可以從用戶定義路徑對(duì)話框復(fù)制這個(gè)名字)

運(yùn)行腳本后，下面的輸出就會(huì)打印到輸出窗口，它通過列出鬼像表面對(duì)，提供了通過系統(tǒng)的每個(gè)鬼像路徑的綜述，包含在結(jié)果中光線的數(shù)目，探測器上鬼像路徑的總功率，和鬼像路徑分布中輻射照度峰值。

此外，在您的對(duì)象樹中分析結(jié)果文件夾應(yīng)該包含每個(gè)鬼像路徑的一個(gè)輻射照度分布。通過在ARN上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，您可以在圖表查看器上查看這些結(jié)果：

最后，使用高級(jí)光線追跡對(duì)話框，選擇“Sequential using a user-defined path”選項(xiàng)，然后選擇期望的鬼像路徑，您可以重新追跡任何特定的鬼像路徑。

總結(jié)

本文和相應(yīng)的實(shí)例文件，演示了在FRED中為您的光學(xué)設(shè)計(jì)文件準(zhǔn)備鬼像分析的過程，介紹了能夠幫助自動(dòng)運(yùn)行二階鬼像分析的一個(gè)腳本工具。腳本運(yùn)行后，使FRED文件包含了系統(tǒng)中所有二階鬼像路徑的結(jié)果，提供了所有二階鬼像路徑的摘要信息，另外為每個(gè)鬼像表面對(duì)創(chuàng)建了獨(dú)特的用戶定義光線路徑，這樣一旦有需要，就能夠被追跡。

此外，關(guān)于腳本這部分，我們可以選擇不使用腳本，首先使用高級(jí)光線追跡工具，勾選Create/use ray history file及Determine raypaths, 光線追跡完成之后選擇FRED里面的雜散光報(bào)告，可同樣看到二階鬼像路徑。對(duì)于高級(jí)鬼像路徑，我們可以在光線追跡控制里面在Ancestry Level Cutoff將Specular改為4、6、8…，可以查看高級(jí)鬼像。