Analyse de la lumière parasite pour l'objectif de la caméra en mode Zemax non séquentiel

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La lumière parasite fait référence à la lumière indésirable qui pénètre dans un système optique ou un dispositif d'imagerie et contribue à l'éclairage global de l'arrière-plan. Cette lumière peut provenir de diverses sources et réflexions au sein du système optique, et peut avoir un effet néfaste sur la qualité de l’image et les performances du système.

Figure 1 Instance d’image fantôme

L'impact de la lumière parasite sur un système optique dépend de l'application. Dans les systèmes d’imagerie, la lumière parasite peut réduire le contraste de l’image, introduire des artefacts et dégrader la qualité globale de l’image. Dans les instruments scientifiques, cela peut affecter la précision des mesures et des observations. Par conséquent, les concepteurs optiques prennent grand soin d’analyser et d’atténuer les effets de lumière parasite pendant les phases de conception et d’optimisation.

La lumière parasite contribue souvent à la formation d’images fantômes. Lorsque la lumière se diffuse ou se reflète dans le système optique, cela peut éventuellement conduire à la création d’images fantômes indésirables. La figure 1 illustre l'impact de l'image fantôme dans un environnement ensoleillé.

La lumière parasite peut être atténuée grâce à une conception optique soignée. L'utilisation de revêtements antireflet, de déflecteurs, d'arrêts et d'autres caractéristiques de conception permet de minimiser les réflexions et la diffusion qui contribuent à la lumière parasite et aux images fantômes.

Nous proposons ici un cas pour effectuer une analyse de lumière permanente en mode Zemax non séquentiel. Il s'agit d'un objectif Cooke avec des verres 3 pièces. La structure optique est illustrée à la figure 2. Il s'agit d'un type de conception d'objectif photographique, à savoir Cooke Triplet, qui se caractérise par l'utilisation de trois éléments d'objectif disposés dans une configuration spécifique pour réduire les aberrations optiques et produire des images de haute qualité. La structure se compose de trois éléments de lentille : une lentille positive (convexe), une lentille négative (concave) et une lentille positive.

Figure 2 Structure de lentille Cooke avec 3 morceaux de verre

Les objectifs Cooke ont joué un rôle important dans le développement du cinéma, et des variantes de la conception triplet Cooke ont été utilisées dans les objectifs de cinéma. La capacité du design à fournir des images nettes le rendait adapté à la réalisation de films. Le boîtier intègre ici trois réglages de champ en angle, qui sont 0, 14 et 20 degrés.

Figure 3 Champs de la lentille Cooke

L'analyse de la lumière parasite est basée sur l'analyse du trajet des rayons, qui est effectuée en mode non séquentiel (NSQ). Ici, nous convertissons la structure en mode NSQ à l'aide de la fonction intégrée de Zemax avec les paramètres par défaut. La structure convertie en NSQ est illustrée à la figure 4. Les trois champs définis en mode séquentiel sont présentés avec trois objets sources et trois objets détecteurs.

Figure 4 Modèle NSQ de la lentille Cooke en 3 pièces

Pour illustrer la distribution de l'énergie lumineuse parasite au niveau du plan du détecteur, un détecteur de forme rectangulaire, d'une taille de 60 mm x 60 mm, y est placé, comme ci-dessous. Les nombres de pixels sont définis sur 300 x 300 pour ce détecteur, comme le montre la figure 5.

Figure 5 Éditeur de composants NSQ pour l'analyse de la lumière parasite

Figure 6 Modèle NSQ avec un détecteur rectangulaire ajouté

Chacune des trois sources est allouée à 2000 rayons et trace le rayon avec des rayons NSQ de diffusion et de division, et enregistre la base de données de rayons sous forme de fichier ZRD, comme ci-dessous :

Figure 7 Paramètre de traçage de rayons NSC

L'irradiance d'incohérence au niveau du détecteur ajouté à partir du tracé est illustrée à la figure 7. On peut voir que l'irradiance de la lumière parasite est au centre de la vue (petits points bleus). Il s’agit de l’énergie lumineuse parasite projetée dans le plan du détecteur. Certaines actions supplémentaires sont nécessaires pour les identifier et les réduire.

Figure 8 Rayonnement d'incohérence au niveau du détecteur ajouté

Nous pouvons appliquer une chaîne de filtre : G0&H11, dans la mise en page 3D. G0 signifie segment de lumière fantôme de n’importe quel sujet de la combinaison d’objectifs. H11 suggère qu'un segment lumineux frappe l'objet 11, qui est le détecteur rectangulaire ajouté. L'intensité relative minimale des rayons est définie sur 3E-3, ce qui signifie que le seuil le plus bas d'énergie de segment affiché dans la mise en page.

Figure 9 Disposition typique de la lumière parasite

Pour retracer la contribution de lumière parasite de chaque élément, nous avons besoin de la fonctionnalité « Path Analysis » de Zemax, qui n'est accessible qu'en version Premium ou supérieure. La figure 10 montre l'analyse du chemin du résultat du lancer de rayons ci-dessus. On peut identifier que la lumière est largement inversée au niveau des objets 5 (chemins # 7, 8, 9) et 6 (chemins # 10, 11, 12). Ainsi, un revêtement antireflet (AR) est ajouté aux deux surfaces des deux éléments, comme le montre la figure 11.

Figure 10 Analyse du trajet des rayons pour identifier les trajets critiques de la lumière parasite

Figure 11 Appliquer le revêtement AR sur les deux surfaces des objets 5 et 6

Lors du traçage avec le même paramètre que celui de la figure 7, une disposition beaucoup plus claire au niveau du détecteur est affichée, comme ci-dessous dans la figure 12.

Figure 12 Rayonnement d'incohérence au niveau du plan du détecteur après l'ajout d'un revêtement AR aux éléments critiques

Le processus global d’analyse de la lumière parasite peut être complexe. Chaque contribution au trajet de lumière résiduelle peut être considérablement réduite après avoir été identifiée et recouverte. Effectuez des ajustements au système optique, aux revêtements ou à d'autres paramètres en fonction des résultats et répétez jusqu'à ce que les performances souhaitées soient atteintes. Zemax fournit une plate-forme complète pour la conception et l'analyse optiques, et les étapes et options spécifiques peuvent varier en fonction de la version de Zemax utilisée.

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