Streulichtanalyse

Streulicht ist das Vorhandensein unbeabsichtigter (und im Allgemeinen unerwünschter) Lichtwege in Ihrem optischen System, die zu einer Rauschquelle im gemessenen optischen Signal werden. Diese Pfade können durch Ereignisse wie Streuung von optischen oder mechanischen Oberflächen und/oder Geisterpfaden (Reflexionen von nominell durchlässigen Oberflächen) erzeugt werden.

Die leistungsstarke Tool-Suite von FRED wurde über mehrere Jahre hinweg entwickelt, um das Auffinden dieser Pfade zu vereinfachen – was FRED zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Streulichtanalyse macht.

In diesem Artikel werden mehrere FRED-Funktionen zum Simulieren und Identifizieren von Streulicht in Ihrem System beschrieben, darunter:

• Detaillierte Raytrace-Steuerung
• So erzeugen Sie Strahlengänge
• Der Raytrace-Pfade-Bericht
• Filtern mit Strahlenfiltern und dem 'Analyse-Lasso'-Filter
• Der Streulichtbericht

Streulicht von Geisterstrahlen in einem Objektiv

Bei der Betrachtung eines optischen Systems, wie z. B. einer Objektivlinse, gibt es sowohl einen beabsichtigten Designpfad als auch die unbeabsichtigten realen Pfade, die Strahlen nehmen können.

Abbildung 1. Vorgesehener Designpfad links. Unbeabsichtigte Streulichtpfade auf der rechten Seite, wo erlaubte Strahlenvorfahren = 2.

Es gibt unendlich viele unbeschränkte Pfade - jeder eingehende Elternstrahl kann viele Kindstrahlen erzeugen, wenn sich die Strahlen an teilweise reflektierenden oder streuenden Oberflächen aufteilen, und daher ist es erforderlich, die Größe des Problems zu reduzieren, um es in einer Simulation durch Anwendung einiger Grenzen handhabbar zu machen. Dies ist ein Bereich, in dem sich die Raytrace-Steuerungen von FRED auszeichnen.

Mit den Raytrace-Steuerelementen von FRED können Sie wählen:

• welche Kombinationen von Aktionen auf jeder Oberfläche erlaubt sind.
• wie weit nach unten im Ahnenbaum die Strahlverfolgung fortschreiten darf.
• wie viele Kreuzungen insgesamt zulässig sind.
• Beendigungsschwellenenergie.

IEs ist möglich, mehrere Raytrace-Steuerelemente zu erstellen, um unterschiedliche Situationen zu berücksichtigen und verschiedene Oberflächen unterschiedlichen Steuerelementen zu unterwerfen. Da FRED diese Auswahl auf der Ebene der einzelnen Oberflächen anwendet, haben Sie maximale Flexibilität in Ihren Händen. Wir können zum Beispiel eine Raytrace-Steuerung auf die erste Linsengruppe und eine zweite Raytrace-Steuerung anwenden, die eine größere Tiefe der Strahlabstammung (dh mehr Strahlaufspaltung) für die zweite Linsengruppe in der Nähe des Detektors ermöglicht.

Aber selbst in dem Fall, in dem wir die Spur auf zwei Abstammungsebenen beschränken, wie im rechten Bild oben zu sehen, haben wir noch viele Strahlen zu studieren. FRED vereinfacht das Studium von Streulicht mithilfe von Strahlenpfaden.

Was sind Raypaths?

Strahlenpfade gruppieren Strahlen nach dem Satz von Wechselwirkungen, die sie gemeinsam haben - jeder einzelne Satz von Wechselwirkungen wird zu einem Strahlengang und diese bilden die grundlegende Grundlage für die Streulichtanalyse. Um anzufordern, dass FRED den Strahlenverlauf speichert und diese Strahlen in Pfade sortiert, müssen Sie einfach zwei Kontrollkästchen in den erweiterten Raytrace-Optionen aktivieren, bevor Sie Strahlen verfolgen.

Abbildung 2. Erweiterte Raytrace-Optionen zum Erstellen von Strahlenpfaden und Speichern des Strahlenverlaufs.

Betrachten Sie als einfaches Beispiel das folgende Mach-Zehnder-Interferometer in einer idealisierten Konfiguration, die vier mögliche Pfade bietet, denen die Strahlen folgen können.

Abbildung 3. Ein einfaches Beispiel mit den vier Hauptpfaden eines idealisierten Mach-Zehnder-Interferometers

Raytrace-Pfade-Bericht

Zurück zu unserem Objektiv – mit Raytrace-Steuerungen, um eine tiefere Abstammungsebene (mehr Strahlenteilung) in der Optik näher am Objektiv zu ermöglichen, findet FRED 1260 Pfade. Die Tabelle “Raytrace Paths Summaries“ enthält weitere Informationen über die Anzahl und Arten der Wechselwirkung (z. B. Transmission vs. Reflexion, Spiegelung vs. Streuung) und einige kritische Metriken wie die Gesamtleistung der Strahlen innerhalb des Strahlengangs.

Abbildung 4. Tabelle mit den Zusammenfassungen der Raytrace-Pfade.

FRED ermöglicht dem Benutzer, mehrere Operationen aus dieser Tabelle auszuführen, wie zum Beispiel:

• Auflisten der Details eines Pfads (die Reihenfolge und Ereignisse, mit denen die Oberflächen interagieren)
• Zeichnen eines bestimmten Pfads in der 3D-Ansicht (wie die in Abbildung 3 gezeichneten)
• Speichern eines Pfads als benutzerdefinierten Pfad für die nachfolgende sequentielle Analyse
• Isolieren und Zeichnen der Oberflächen, mit denen auf einem bestimmten Pfad interagiert wurde

Selbst einfache Systeme können viele Pfade generieren und es ist oft nicht möglich, sie alle einzeln zu überprüfen. Um die große Anzahl von Pfaden zu handhaben, die generiert werden können, bietet FRED zusätzliche Tools, um die Daten zu sichten und die wichtigsten Pfade zu ermitteln.

Filtern von Strahlenpfaden

Die Ray Selection Filter-Fähigkeiten von FRED sind seit langem ein unverzichtbares und leistungsstarkes Werkzeug für die Analyse der komplexen Wege, die Strahlen durch optische Systeme nehmen können. Ray-Filter können an zahlreichen Stellen in der gesamten Software angewendet werden – einschließlich der Tabelle Raytrace Paths Summaries.

Wenn wir mit einem optischen System mit vielen Pfaden konfrontiert sind, wie z. B. Geisterbilder, die in einer Objektivlinse erzeugt werden, können wir, wenn wir einen bestimmten Satz von Wechselwirkungen haben, an dem wir interessiert sein könnten, einen Satz von Filtern bauen, um diese Pfade zu finden. Zum Beispiel könnten uns die Geisterstrahlen interessieren, die von der endgültigen Linse “Lens 10-11“ erzeugt werden, der hervorgehobene Filter kann diese Pfade für uns finden.

Abbildung 5. Tabelle der Raytrace-Pfade-Zusammenfassungen, gefiltert nach Geisterstrahlen, die von der letzten Linse erzeugt wurden (Flächen 10 und 11)

Und von diesen drei Pfaden können wir wählen, die Strahlen zu zeichnen, die es zur Bildebene (Last Entity = Oberfläche 12) schaffen, was im obigen Fall der Pfad 126 ist.

Abbildung 6. 3D-Ansicht, die Strahlen von Pfad 126 zeigt, Geisterstrahlen von der letzten Linse, die zum Bild beitragen.

Streulichtbericht

Während der Bericht Raytrace Paths Summaries jeden allgemeinen Pfad finden kann, verfügt FRED auch über einen speziellen Bericht namens Stray Light Report, der sich der Untersuchung von Streulicht durch Streuung und Geisterreflexionen widmet. Dieser Bericht erleichtert die Anzeige von Pfaden, die auf der angegebenen Empfängeroberfläche landen, und kann nach Abstammungsebene und Ereignistyp gefiltert werden, z.

Abbildung 7. Streulichtpfadbericht, der Doppelreflexionen und beteiligte Oberflächen zeigt.

Auf diesen Bericht können auch weitere Filter angewendet werden.

Der interaktive Lasso-Filter

Es ist jedoch häufiger der Fall, dass die Pfade, die Probleme verursachen, nicht bekannt sind und in dieser Situation der Lasso-Filter auf ein Analyseergebnis angewendet werden kann. Die Auftragung der Bestrahlungsstärke auf einer logarithmischen Skala zeigt den Streulichtbeitrag um den Brennfleck herum.

Abbildung 8. Interaktiver Lasso-Filter angewendet auf eine Strahlungsanalyse auf der Bildebene

Durch das interaktive Zeichnen eines Begrenzungsrahmens mit unserer Maus um diesen Bereich kann FRED die Pfade anzeigen, die zu diesem Bereich beigetragen haben.

Abbildung 9. Ausgabefenster mit den Ergebnissen der Pfade, die in den interaktiven Lasso-Filter fallen.

Und die Tabelle Raytrace Path Summaries kann verwendet werden, um diese Pfade im Layout zu zeichnen.

Abbildung 10. Drei größte Geisterpfade gerendert in 3DView

Abbildung 11. Drei größte Geisterpfade, gefiltert auf der Analyseoberfläche, die die Bestrahlungsstärke anzeigt

Zusammenfassung

FRED bietet verschiedene Tools, die dem Optikdesigner helfen, die Quelle von Streulicht in seinen optischen Systemen zu verstehen.

Kontaktieren Sie uns, um eine Demo von FRED anzufordern oder Ihre Anwendungsanforderungen detaillierter zu besprechen.