1 

METHODS FOR RAPID EVALUATION OF THE STRAY LIGHT IN OPTICAL SYSTEMS 

Jean­Claude PERRIN J.C.P.C. ­ "Le Buet", Mellecey, 71640, France. ­ j­c.perrin@wanadoo.fr 

ABSTRACT 

Quantitative analysis of stray light in optical system is often a burden for optical designers. Ghost images due to multiple reflections on the surfaces of lenses and mirrors must be minimized during the design and optimization phases. Stray light in general must be controlled also during the optomechanical drawings. Already presented at the ICSO 2000 conference (Ref. 1), the CODE V macro software PARASIT makes it possible to have a complete quantitative analysis of the ghost in a few minutes. The possibilities of PARASIT are summarized with emphasis given to recent developments and comparison are given with LightTools. To make a full evaluation of the stray light in general, the possibilities of LightTools, MATLAB and EXCEL interacting together using the Microsoft Active X protocol  are unbeatable, as long as methods and corresponding macros written in EXCEL VBA and MATLAB .m are at the disposal of the optical designer. A short overview of these possibilities are demonstrated in this paper. 

1.  INTRODUCTION 

It is usual to make a difference between ghost images and stray light in general. Ghost are created by multiple reflections on the surfaces of the optical system and on the focal plane when a source of limited size is present in the field of view. In that case, the stray light ratio due to the ghosts is the ratio between the irradiance due to the ghost images and the irradiance on the image of the source itself. Stray light ratio in general takes into account both mechanical and optical surfaces, whose properties expressed in terms of BRDF contribute to produce unwanted irradiance, even when the source is out of the field of view. Making a precise quantitative estimation of these effect has always been a difficult and time consuming task for the optical designer. It generally involves the use of two different software's, one for the design and optimization phase, the other for stray light analysis. For these reasons, we have developed a specialized CODE V macro in order to make a full quantitative analysis of the stray light ratio due to the ghost in a few minutes, compared to hours using other software's. This macro called PARASIT will be resumed here and comparison with the result obtained with LightTools on the same design are demonstrated. In order to make a full estimation of the stray light in general, a software like LightTools must be used. For this purpose it is usually necessary to develop specialized macros written using the LightTools macro language. Tank's to the capabilities of the ActiveX Automation server offered by Microsoft Windows on PC's, it is now possible to one application (the controller) to control and exchange information with another application (the server). This possibilities are now offered by LightTools, whose macro commands can be written in VBA EXCEL or in MATLAB .m files. It is now possible to take advantage of the extremely extended mathematical functions of Matlab for any post processing of the data's, presentation of the result's and organization of the task's. We have developed special methods to make stray light analyses in which LightTools is used as a server to MATLAB and EXCEL. Some examples are demonstrated in this article.

2 

2. INTERACTIONS BETWEEN THE SOFTWARE'S USED. 

Figure 1 shows the possible interactions between CODE V version 9.20, LightTools version 3.3.0, MATLAB version 6.5 and EXCEL on PC's with Microsoft Windows. On the figure, the continuous lines correspond to cases in which interactions using ActiveX Automation is possible. Dotted lines correspond to classical cases, in which interaction are possible only using the disk as a  storage media to make temporary savings of the data's. Note that the last version 9.30 of CODE V introduced in June 2003 offers also some facilities to use API. The results presented in this paper correspond to development done before this date. 

CODE V 9.20  on the top left is a software in which interactions with other software's are possible only using buffers. The classical scheme is to write specialized CODE V macros to create and save the buffer on the disk, and then read those buffers for further post processing using EXCEL or MATLAB. Also, a specialized CODE V macro allows to create and save the data's to interface with LightTools more easily. LightTools 3.3.0, MATLAB and EXCEL VBA can interface together using ActiveX Automation. Using this protocol, MATLAB and EXCEL can be used to control LightTools, which acts as a server. This extremely powerful method is now proposed in LightTools, in which specialized macros are written in VBA to simplify the writing and debugging using the integrated development environment offered by EXCEL. Also, a number of specialized jumpstart macros are offered by ORA to simplify the task in many purposes. When using MATLAB to control LightTools, special .m files must be written, allowing to use the full mathematical library of MATLAB for further post processing of the data's without human interface. To the end, some special link are offered to interface MATLAB with EXCEL, using excel link and excel builder. This makes these both software's even more powerful. 

CODE V 9.20 

MATLAB 6.5 

LightTools 3.3.0 

EXCEL + VBA Office XP 

Application Programming Interface 

API 

LightTools Macros.xls 

LightTools JumpStart Macros.xls 

LightTools Macros.m 

Component Object Interface 

Microsoft 

COM 

CODE V 

macro language 

CODE V Buffers 

EXCEL LINK 

EXCEL BUILDER 

CODE V­LightTools interface 

Figure 1: Interactions between the software's

3 

3.  USING PARASIT FOR GHOST ANALYSIS. 

In order to illustrate the possibilities of PARASIT, we have tested it on one of the lens found in the CODE V library in which ghost images may be a problem. This is shown on the figure 2. On this figure, three ray path are superimposed. The first correspond to the direct image of a point source in the field of view, the second and the third to typical ghost path, due to two reflections on two internal surfaces of the lens. In a lens system like shown, the possible reflections are so numerous, that it is extremely time consuming to examine every of them on a real ray trace basis. Therefore, the method chosen is to make successive selections of the possible dangerous ghosts, in order to perform a full quantitative analysis only on those of them which may exceed the specification in terms of stray light ratio. By this way, quantitative calculations are done only on the most significant ghost images, using first geometrical analysis by Monte­Carlo ray tracing, then physical analysis using PSF calculations, if necessary. 

3.1.  Using PARASIT. PARASIT has already been presented (Ref. 1). This CODE V macro is using four steps in order to make the calculations in a few minutes. The first step is using first order analysis in order to select the ray path's which may produce a large amount of ghost irradiance with reflections on two surfaces or the detector and one surface. The second step is based on a real ray trace on the selection done. For doing this, the file which correspond to each path is constructed in sequential surfaces and a few rays are traced, from which a second estimation of the stray light ratio is done, together with a second selection. The third step is using this selection to make the full quantitative calculation using Monte Carlo ray traces and the LUM routine. An optional fourth step is a complement to the geometrical calculation. It consist in making again the quantitative estimation of the stray light taking into account the diffraction effects. This is done only on the ghost images selected after the second step for which the wavefront error is below a chosen level. Because in our example here the spectrum is visible, the ghost have very large amount of wfe. This fourth possibilities, especially useful in IR wavelength, is not demonstrated here. The figure 3 shows the output of PARASIT applied to this case. The scale in colour is the stray light ratio. Values are in Db, i.e. the decimal logarithm of the ratio. Figure 4 is the central vertical line of figure 2. On this figure, the dotted line correspond to size of the direct image as chosen in this example. 

Telephoto ­ U.S. Patent 2,906,173 

5 

10  11 

12 

Direct image 

Ghost Surf. 12 and 10 

Ghost Surf. 12 and 5 

Figure 2 : Example of two ghost images in a tele lens

4 

3.2.  Compar ison between PARASIT and LightTools. In order to make the comparison, the same analysis was made using LightTools using the same design (transferred from CODE V to LightTools) and the same parameters (coefficients of reflexions, diameters, size and position of the source..). In that case, the split mode is used at each surface, and a large amount of multiple reflection on each surface is allowed. Moreover, the threshold value is chosen much lower than the minimum expected. Because in LightTools the surfaces are essentially non sequential surfaces, the simulation is quite complete, with no selection on the surfaces considered, and no limitations on the numbers of multiple reflections. For this reason the computer time for this is much larger, about 50 times this of PARASIT. 

The rough result of LightTools is shown on the figure 5. The irradiance on the focal plane is represented in linear scale, including both the direct image and ghosts. Using LightTools, no possibility exist to eliminate the direct image. 

In order to make a post processing to calculate the stray light ratio in logarithmic scale, the data's where transferred to MATLAB using ActiveX Automation and a MATLAB .m file was written to derive the stray light ratio (figures 6 and 7). The representation done on the figure 7 correspond exactly to this done on the figure 3. Also, the PARASIT result was transferred using a buffer, .and both PARASIT and LightTools results where drawn on the same figure 8 along the same central vertical line as on figure 4. It can be seen on the figure 8 the excellent agreement between PARASIT and LightTools results. Moreover, it must be pointed out that PARASIT takes into account the ghost only, not the direct image, and makes a clear sorting of the ghosts to help the designer to modify its optical design. This sorting made with EXCEL using the result of PARASIT is shown below: 

This table is derived from three successive runs of PARASIT for three different positions of the source in the field of view. Surf. N° 1 and Surf. N° 2 are the numbers of the surfaces producing the ghost. 13 is the focal plane on which the coefficient of reflection has been taken different from zero. 3.3.  Fur ther  development made on PARASIT. Since it's first development made in 1998, the technique used in PARASIT has been applied successfully to numerous example and specialized improvement have been made regularly. One of the most significant improvements is in the field of Diffractive Optical Elements. When the design is using one or several DOE, the question regarding the stray light due to the diffractive orders other than the main order is of common interest in many applications. In that cases, it is necessary to take into account the variations of the diffraction efficiencies with respect to the wavelength. Also, the effects of the variations of the diffraction efficiency on the surface of the diffractive element must be taken into account, in some cases. For doing this, .int files are used which are created using another calculations (usually the Coupled Wave Theory).

5 

The background of PARASIT has been applied to treat those problem successfully. The core of the macro in which successive LUM or PSF calculations are collected together and assembled to produce the real effect on the focal plane is of great help to treat this kind of problem. 

On the same manner, PARASIT has been modified to treat with specialized custom problems which are per nature confidential. In that cases, the core of the software, including both the geometrical analysis using LUM and the physical analyses using PSF or BPR was easily modified to deal with these specialized problems. 

4.USING LightTools FOR STRAY LIGHT ANALYSIS. 

LightTools is an extremely powerful software for stray light analysis in general, including both optical and mechanical parts. Nevertheless, several methods used in conjunction with LightTools  help to carry out this task in the most efficient manner. The purpose of this paragraph is to summarize some of them, which have been used successfully in recent studies. 4.1.  Creating the bar rel Usually, designing the barrel is done by the mechanical designer, but, in some circumstances it may be very useful to create a simple barrel to have a quick first idea of the situation concerning stray light. For this purpose a special CODE V macro has been written to create a buffer in which all the parameters which are necessary for the design of the barrel are present. For a rotationally symmetric lens, these are mainly the global coordinates of the extreme rays at the intersection with surfaces. The buffer is then transferred to an EXCEL workbook on one sheet, with all data's organized on the correct way on the cells. Included in the workbook is a VBA module, which is using LightTools as a server to create automatically the barrel after the lens has been transferred from CODE V to LightTools. An example of this is shown on the figure 9. On this example, the lens and it's barrel where created in less than 10 minutes. 4.2.  Determine the directions of most dangerous sources. In order to determine the position in the sky in which the source (usually the sun) can produce the largest amount of stray light, it is usual to proceed in opposite direction by starting from the focal plane. For this purpose, a uniform source is placed on the focal surface with dimensions corresponding to those of the detector (Fig.10). Also, a source of limited size can be placed in a region of the focal plane where a more precise analysis must be done. Tracing a moderate amount of rays is sufficient. Rays are collected on a receiver placed in front of the lens in object space. At this point, a special MATLAB .m file is used to collect those rays and make a statistical analysis of the directions in the object space. The result is shown on the figures 11 and 12. The figures shows in pseudo colour the percentage of rays directed toward a direction alpha­beta in object space. The field of view is also represented and rays falling inside the field of view are eliminated. It is therefore straightforward to see what are the positions of the sun in object space which are the most dangerous. 

4.3.  Determine the str ay light r atio . The stray light ratio can be calculated by placing a source in the object space to simulate the sun. The source is emitting in a solid angle of 0.5 Deg., and in one of the direction determined previously. It is usual to place the source in the direction where the concentration of rays is the largest on figures 11 and 12. This is the situation where the sun can produce the largest amount of stray light. Doing this,  the result of a LightTools run gives the irradiance on a receiver placed on the focal plane is shown on the figure 13. Again, this rough result is transferred to MATLAB, to deduce the stray light ratio in Db. An example of the final result is shown on the figure 14.

6 

5.  CONCLUSION 

We have presented several methods to determine the stray light ratio due to ghost and mechanical parts in the most effective and quick manner. These methods have been developed on a regular basis since 1995, and a complete set of CODE V, LightTools, EXCEL VBA and MATLAB macros are at our disposal to make the most efficient designs. 

REFERENCES 

[1]Jean­Claude Perrin, "Fast and accurate modelling of stray light in optical systems", in Internationnal Conference on Space Optics ­ Toulouse – 2000. 

[2]ORA, "Application Programming Interface Reference Guide", LightTools version 3.3 – May 2002 

[3]MathWorks, "Matlab External Interfaces Reference Guide" – Version 6

7 

1En 

­6.000 

­3.000 

­4.500 

GHOST IMAGES GEOMETRIC 

PARASIT tele 

Fig. 3: Typical output from PARASIT. 

11:1

0:22

 

ORA 

02­Jul

­03 

PARA

SIT 

    

JCPC

 

Y ax

is (

in m

m) 

Stray light ratio in Db 

­6.0 

­4.8 

­3.6 

­2.4 

­1.2 

0.0 

1.2 

2.4 

3.6 

4.8 

6.0 

­6.0

0 

­5.0

0 

­4.0

0 

­3.0

0 

tele

 Di

rect

 ima

ge 

spec

if 

Fig. 4: Typical output from PARASIT. Result along the central  vertical line of Fig. 3.

8 

Fig. 5:  Direct output from LightTools 

Fig.  6:  LightTools output(Fig. 5)  transferred to MATLAB and post processed. Results in Db.

9 

Fig. 7:  MATLAB representation of LightTools in Db. (For comparison with  fig. 3). 

Fig. 8:  Comparison of PARASIT and LightTools Result along the central  vertical line of Fig. 7.

10 

Fig. 10: Tracing rays in reverse direction 

Fig. 9: Creating the barrel

11 

Fig. 11:  MATLAB post processing of Fig.10. (Rays in the FOV are suppressed). 

Fig. 12: Same as figure 11 for another example to determine  the position of the sun in the sky which may produce stray light..

12 

Fig. 13: Stray light on the detector due to the presence of the sun out of the field of view 

Fig. 14: MATLAB post processing of the fig. 13 to represent the stray light ratio in Db.