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三种软件联合分析杂散光(四)- LightTools

LightTools:蒙特卡洛光线追迹方法模拟鬼像和杂光

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LightTools 杂散光分析功能:

       LightTools 使用非序列光线追迹方法来设计、优化和分析照明系统。

       用户可以使用LightTools直接创建镜头模型(也可以通过CODE V直接导入模型)或者通过其他CAD软件导入镜头模型以及机械结构件(镜头座),从而轻松的实现光机一体化模型仿真分析。

       LightTools 使用蒙特卡洛光线追迹方法来模拟光线:

– 追迹成千上万根光线通过镜头,并将这些光线追迹的结果收集到接收器中。

– 通过设置光学属性来实现镜片表面的反射与透射现象(包括镀膜)。

       如果使用CODE V进行此类分析,那么不但需要较长的模拟时间,而且分析起来比较复杂。

       为此,LightTools提供几个实用工具专门用于分析杂散光系统:

–局部分析功能

–光线路径分析功能

–接收器滤片功能


       此次实例中,我们使用CODE V中的LightTools输出功能,直接将镜头系统从CODE V导入LightTools中。

       导出的镜头会严格按照CODE V指定的尺寸、材料以及表面属性,因为该功能是无缝链接。

       然后在LightTools中可以适当的调整透镜尺寸以匹配对应的物理元件尺寸(只有通过CODE V导入的镜头才可以任意修改透镜尺寸)。


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图1:CODE V和LightTools模型


       使用LightTools中的旋转实体( revolved solid )建模功能完成两个镜头座建模

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图2:镜头座

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图3:M12 探测器保护盒


       所有透镜光学表面和M 12的保护屏表面被定义为具有单层AR涂层(默认)并且设置为分光属性。

– 透镜, 红外滤片和M 12保护屏的边缘表面定义为具有5°高斯散射角的散射属性以及菲涅尔反射。

       机械表面(底座和垫片等) 使用LightTools 完整散射光学属性(Complete Scatterer):

– 5% 反射率

– 其中反射光线中 30% 漫反射(Lambertian)

– 70% 是15°(半角)的高斯反射

       感光器件的前表面设置为BSDF数据,该数据来自DiffractMOD(RSoft)

– 该BSDF文件在550nm波段正入射时具有36%的反射率


       CMOS芯片的结构对于检测到的杂光具有很显著的影响

– 特别是CMOS芯片前面的保护屏,如果没有对该保护屏进行适当的镀膜处理,那么从该保护屏反射回去的光线形成的杂光效果会很明显

– 下图所示感光器件三种表面属性的比较效果:图1镜面反射光学属性;图2来自Rsoft BSDF数据光学属性;图3 BSDF光学属性,但去除保护屏

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图4:CMOS 芯片表面反射效果


       局部分析功能可以很形象的显示出形成鬼像的起源

       该功能目前还不能和光线路径合用,但可以快速的显示出结果


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图5:局部分析


       在LightTools中光线路径分析功能主要用于杂散光分析

       光线路径分析功能可以记录每一条光线的光路

– 记录光线在整个光学系统中如何从光源到达探测器

       每条光路包括:

– 所通过的表面或zones名称

– 该光路包含多少根光线

– 该光路有多少能量

       光线路径滤片可以对不同光路到达探测器后进行过滤划分

– 滤片可以划分光路显示情况以及探测器能量收集情况,由用户在光线路径列表中选取

       光线路径可以按照能量大小进行排序(升序或降序)以便将能量大的排在前面方便选取分析

– 有助于快速找到最重要的杂光路径(光线路径自己默认的排序是按照程序发现路径的排序进行排列的)


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图6:光线路径分析界面

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图7:光线路径分析(全路径)

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图8:光线路径分析(选中路径)


       更复杂的光线路径排序可以使用光线路径分析仪

       光线路径分析仪允许用户按照一定标准快速的排序光路,包括:

– 包含或排除zones

– 包含或排除完整或部分光路

       启动该分析仪只需要在光线路径窗口点击Ray Path Analyzer 按钮即可

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图9:光线路径分析仪界面

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图10:光线路径分析仪实例


       光源从10°入射时的杂光结果图,图像以线性缩放显示(因为主光路能量过大)

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图11:10°入射角杂光图


       在主光路成像的光斑周围看到的大面积杂光亮斑,这些亮斑多数来自于感光器件前面的保护屏(保护屏两个平面的多次反射造成)

       这种平面上一般涂有单层 MgF2 膜(~1.33% 反射率)

– 再加上感光器件本身的36%反射率,这个反射率就很高了

       如果降低保护屏的反射率(比如降低到0.2%)那么在主光路成像的光斑周围就会少很多杂光亮斑,如右图所示

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图12:保护屏影响


       使用光线路径和光线路径分析仪来识别单个光源中贡献最大的鬼像

       LightTools 证实CODE V GHO 的结果:由感光器件-表面12( Detector-Surface 12 )造成贡献最大的鬼像

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图13:贡献最大的鬼像光斑


       回到CODE V中,我们需要重新优化下镜头,通过@GHOST 功能控制鬼像光斑大小

       重新优化的结果是成像系统性能有较小的降低,但是鬼像光斑得到很大的减小

图14:优化效果


结束。

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 更新时间:2020-4-30 10:26:33  【打印此页】  【关闭

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