Analyse de la lumière parasite

La lumière parasite est la présence de chemins lumineux involontaires (et généralement indésirables) dans votre système optique qui deviennent une source de bruit dans le signal optique mesuré. Ces trajets peuvent être générés par des événements tels que la diffusion à partir de surfaces optiques ou mécaniques et/ou des trajets fantômes (réflexions à partir de surfaces nominalement transmissives).

La puissante suite d'outils de FRED a été développée sur plusieurs années pour faciliter la recherche de ces chemins - faisant de FRED un outil indispensable pour l'analyse de la lumière parasite.

Cet article traite de plusieurs fonctionnalités FRED pour simuler et identifier la lumière parasite dans votre système, notamment :

• Contrôles détaillés du lancer de rayons
• Comment générer des chemins de rayons
• Le rapport Raytraces
• Filtrage avec Ray Filters et le filtre 'Analysis Lasso'
• Le rapport sur la lumière parasite

Lumière parasite des rayons fantômes dans un objectif

Lors de l'examen de tout système optique, tel qu'une lentille d'objectif, il existe à la fois un chemin de conception prévu et les chemins réels involontaires que les rayons peuvent emprunter.

Figure 1. Chemin de conception prévu sur la gauche. Chemins de lumière parasite non intentionnels sur la droite où l'ascendance de rayon autorisée = 2.

Il existe une infinité de chemins non contraints - chaque rayon parent entrant peut générer de nombreux rayons enfants lorsque les rayons se séparent sur des surfaces partiellement réfléchissantes ou diffusantes, et il est donc nécessaire de réduire la taille du problème pour le rendre gérable dans une simulation en appliquant certaines limites. C'est un domaine où les commandes de lancer de rayons de FRED excellent.

Les Contrôles Raytrace de FRED vous permettent de choisir :

• quelles combinaisons d'actions sont autorisées sur chaque surface.
• à quelle distance dans l'arbre d'ascendance le tracé de rayon est autorisé à continuer.
• combien d'intersections au total sont autorisées.
• énergie de seuil de terminaison.

Il est possible de créer plusieurs contrôles Raytrace pour répondre à différentes situations et pour que différentes surfaces soient soumises à différents contrôles. Parce que FRED applique ces choix au niveau de la surface individuelle, cela offre une flexibilité maximale entre vos mains. Nous pouvons, par exemple, appliquer un contrôle de lancer de rayons au premier groupe de lentilles et un second contrôle de lancer de rayons permettant une plus grande profondeur d'ascendance des rayons (c'est-à-dire plus de division des rayons) pour le second groupe de lentilles près du détecteur.

Cependant, même dans le cas où nous limitons la trace à deux niveaux d'ascendance, comme le montre l'image de droite ci-dessus, nous avons encore beaucoup de rayons à étudier. FRED simplifie l'étude de la lumière parasite en utilisant les Raypaths.

Que sont les Raypaths ?

Les chemins de rayons regroupent les rayons selon l'ensemble d'interactions qu'ils ont en commun - chaque ensemble unique d'interactions devient un chemin de rayons et ceux-ci constituent la base fondamentale de l'analyse de la lumière parasite. Pour demander à FRED d'enregistrer l'historique des rayons et de trier ces rayons en chemins, il suffit de cocher deux cases dans les options Advanced Raytrace avant de tracer les rayons.

Figure 2. Options avancées de lancer de rayons pour créer des chemins de rayons et stocker l'historique des rayons.

À titre d'exemple simple, considérons l'interféromètre de Mach Zehnder suivant dans une configuration idéalisée qui fournit quatre chemins possibles que les rayons peuvent suivre.

Figure 3. Un exemple simple affichant les quatre chemins principaux d'un interféromètre de Mach Zehnder idéalisé

Rapport des chemins de lancer de rayons

Pour en revenir à notre objectif - en utilisant les commandes Raytrace pour permettre un niveau d'ascendance plus profond (plus de division des rayons) dans l'optique plus proche de l'objectif, FRED trouve 1260 chemins. Le tableau des résumés des tracés de rayons fournit des informations supplémentaires concernant les nombres et les types d'interaction (par exemple, transmission vs réflexion, spéculaire vs diffusion) et certaines métriques critiques telles que la puissance totale des rayons dans le trajet des rayons.

Figure 4. Le tableau des résumés des chemins de lancer de rayons.

FRED permet à l'utilisateur d'effectuer plusieurs opérations à partir de cette table, telles que :

• Répertorier les détails d'un chemin (l'ordre et les événements avec lesquels les surfaces interagissent)
• Dessiner un chemin spécifique dans la vue 3D (comme ceux dessinés dans la figure 3)
• Enregistrement d'un chemin en tant que chemin défini par l'utilisateur pour une analyse séquentielle ultérieure
• Isoler et dessiner les surfaces avec lesquelles on interagit sur un chemin spécifique

Même des systèmes simples peuvent générer de nombreux chemins et il n'est souvent pas possible de les examiner tous individuellement. Pour gérer le grand nombre de chemins pouvant être générés, FRED fournit des outils supplémentaires pour passer au crible les données et se concentrer sur les chemins qui comptent le plus.

Filtrage des rayons

Les capacités du filtre de sélection de rayons de FRED sont depuis longtemps un outil essentiel et puissant pour l'analyse des chemins complexes que les rayons peuvent emprunter à travers les systèmes optiques. Les filtres de rayons peuvent être appliqués à de nombreux endroits dans le logiciel, y compris le tableau des résumés des tracés de rayons.

Face à un système optique avec de nombreux chemins, tels que les images fantômes générées dans un objectif, si nous avons un ensemble particulier d'interactions qui peuvent nous intéresser, nous pouvons créer un ensemble de filtres pour trouver ces chemins. Par exemple, nous pouvons être intéressés par les rayons fantômes générés par la lentille finale « Lens 10-11 », le filtre mis en évidence peut trouver ces chemins pour nous.

Figure 5. Tableau des résumés des tracés de rayons filtrés pour les rayons fantômes générés par la dernière lentille (surfaces 10 et 11)

Et parmi ces trois chemins, nous pouvons choisir de tracer les rayons qui le font jusqu'au plan image (Last Entity = surface 12) qui dans le cas ci-dessus est le chemin 126.

Figure 6. Vue 3D montrant les rayons du chemin 126, les rayons fantômes du dernier objectif qui contribuent à l'image.

Rapport de lumière parasite

Alors que le rapport Raytrace Paths Summaries peut trouver n'importe quel chemin général, FRED a également un rapport spécifique appelé Stray Light Report qui est dédié à l'étude de la lumière parasite provenant de la diffusion et des réflexions fantômes. Ce rapport facilite la visualisation des chemins qui aboutissent sur la surface réceptrice désignée et peut être filtré par niveau d'ascendance et type d'événement, tels que les fantômes à double rebond, et répertorie utilement les surfaces fantômes.

Figure 7. Rapport sur le chemin de la lumière parasite montrant les fantômes à double rebond et les surfaces impliquées.

Et d'autres filtres peuvent également être appliqués à ce rapport.

Le filtre lasso interactif

Cependant, c'est plus souvent le cas que les chemins causant des problèmes ne sont pas connus et dans cette situation le filtre Lasso peut être utilisé sur un résultat d'analyse. Le tracé de l'irradiance sur une échelle logarithmique montre la contribution de la lumière parasite autour du point focal.

Figure 8. Filtre Lasso interactif appliqué à une analyse d'irradiance sur le plan image

En dessinant une boîte englobante autour de cette région de manière interactive avec notre souris, FRED peut afficher les chemins qui ont contribué à cette zone.

Figure 9. Fenêtre de sortie affichant les résultats des chemins qui entrent dans le filtre lasso interactif.

Et le tableau Raytrace Path Summaries peut être utilisé pour dessiner ces chemins dans la mise en page.

Figure 10. Trois plus grands chemins fantômes rendus sur 3DView

Figure 11. Trois plus grands chemins fantômes filtrés sur la surface d'analyse affichant l'irradiance

Résumé

FRED fournit plusieurs outils pour aider le concepteur optique à comprendre la source de lumière parasite dans leurs systèmes optiques.

Contactez-nous pour demander une démo de FRED ou discuter plus en détail de vos besoins d'application.