雜散光問題出現(xiàn)在幾乎所有的光機(jī)系統(tǒng)或者照明系統(tǒng)中。通過遮擋或者移除零件、表面涂漆或者在光學(xué)器件表面鍍膜都可以減少或者消除雜散光。在本案例中，我們將闡述雜散光的定義并且介紹怎樣利用FRED來分析和避免雜散光問題。
1. 什么是雜散光？
簡單來說，雜散光就是系統(tǒng)不需要的噪音，它是由光機(jī)結(jié)構(gòu)、視場外光源或者不完善的光學(xué)零件產(chǎn)生的，還有可能是由光學(xué)或系統(tǒng)自身的熱輻射引起的。FRED 善于發(fā)現(xiàn)這些不需要的噪音，它將運(yùn)用它的虛擬樣機(jī)研究分析能力來幫助我們消除它。
在成像系統(tǒng)中，雜散光的成因有很多，具體如下：
鬼像
之所以叫作鬼像是因?yàn)橄衩骐x焦或者是由明亮的光源成鬼影一樣的像。鬼像是由透鏡表面的反射引起的。光線從透鏡表面反射偶數(shù)次就會(huì)形成鬼像。有兩次反射鬼像，四次反射鬼像等等。僅一個(gè)鏡面（比如卡塞格林望遠(yuǎn)鏡）構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)是不會(huì)形成鬼像的。如果陽光在拍攝視場內(nèi)或附近時(shí)，鬼像就會(huì)出現(xiàn)在影像中。汽車的頭燈或者街燈也會(huì)在夜間攝影時(shí)造成雜散光。如果光亮源很小，各個(gè)鬼像會(huì)形成光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌的形態(tài)。在下圖1中呈現(xiàn)的就是一個(gè)很好的鬼像例子，其中一個(gè)雙膠合透鏡有著完美鍍膜的透鏡而另外一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的透鏡則沒有鍍?nèi)魏文�。追跡由一點(diǎn)發(fā)出的21*21的光線以覆蓋系統(tǒng)的第一片透鏡。
圖1.兩個(gè)雙膠合透鏡，上面的雙膠合透鏡的各個(gè)透鏡表面都鍍有理想的增透膜。下面的雙膠合透鏡由于其透鏡沒有鍍膜，各個(gè)光學(xué)表面有菲涅爾損耗從而產(chǎn)生鬼像。我們已經(jīng)改變了在各個(gè)表面的光線追跡控制，因此從這個(gè)表面反射的由于菲涅爾損耗而出現(xiàn)的光線變成了藍(lán)色。這種反射正是下方光學(xué)系統(tǒng)雜散光的成因。
直接入射
在諸如卡塞格林式系統(tǒng)中，當(dāng)中心遮攔太大或者望遠(yuǎn)鏡鏡筒太短的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生直接入射。視場以外的光線能夠進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，直接越過次鏡，穿越主鏡的開孔，從而以雜散光的形式直接打到焦平面上。如下圖2所示的那種望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，假如陽光可以直接進(jìn)入的話，那這種雜散光危害是非常大的，對系統(tǒng)來說簡直就是一場災(zāi)難。
圖2.圖中所示綠色光線是軸外光源發(fā)出的光線，該光線繞開所有的光學(xué)部件并且直接進(jìn)入探測器上。FRED 的3D可視化效果和用戶自定義光路的能力，使得這個(gè)問題很容易被發(fā)現(xiàn)。
一次散射光
當(dāng)雜散光源，比如太陽，直接照射到光學(xué)系統(tǒng)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生單次散射光。部分散射光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后，會(huì)照射到焦平面，我們認(rèn)為它散射進(jìn)了視場。而一旦光線散射進(jìn)了視場，它就變成了雜散光，要想消除這種雜散光，則不可避免地會(huì)伴有漸暈現(xiàn)象。所以遮光罩設(shè)計(jì)的基本目的就是不讓光線照射到系統(tǒng)上。
多次散射光線
即使散射光源不直接照射光學(xué)器件，散射光也會(huì)間接產(chǎn)生。首先散射光源照射到遮光罩表面發(fā)生散射，然后照射到光學(xué)器件。由此造成的雜散光總是比直接照射的散射光要小，但是它還是因?yàn)樽銐虼蠖鹱⒁�。圖3是一個(gè)很好的示范，它演示了場外光源發(fā)出的光線（圖中所示的綠色光線），進(jìn)入卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，怎樣在系統(tǒng)內(nèi)的遮光罩與遮光罩之間發(fā)生多次散射，并最終到達(dá)探測器。
圖3 綠色光線進(jìn)入卡塞格林望遠(yuǎn)鏡后入射到桶狀主遮光罩上發(fā)生散射，而后射向主反射鏡和次反射鏡，（分別以紅色和藍(lán)色代表），部分這些光線最終反射到探測器上。
邊緣衍射
當(dāng)孔徑尺寸和波長比相對較小的時(shí)候(104或者更小)，場外光源經(jīng)孔徑光闌發(fā)生的邊緣衍射可能是雜散光的一個(gè)重要來源。
紅外系統(tǒng)中的自輻射
熱紅外或者熱成像系統(tǒng)中也可以出現(xiàn)雜散光，該雜散光是由設(shè)備自身的熱輻射引起的。 這類系統(tǒng)通過檢測疊加在一個(gè)大背景上的一個(gè)小的信號來運(yùn)轉(zhuǎn)。 室溫情況下，黑體發(fā)射率曲線的峰值在大概10μm處. 因而在這種波長下，環(huán)境也會(huì)"發(fā)光"。隨著溫度或者發(fā)射率的變化，黑體發(fā)射曲線在發(fā)熱過程中會(huì)有很小的變化。熱成像系統(tǒng)一般通過減去背景來增強(qiáng)紅外圖像的對比度。當(dāng)背景不均勻，比如說有”水仙花效應(yīng)”, 就產(chǎn)生了一個(gè)雜散光信號。 特別是， 當(dāng)冷卻了的探測器的一個(gè)圖像在其自身成像的時(shí)候，背景的局部嚴(yán)重缺損就產(chǎn)生了。典型的表現(xiàn)為在圖像的中心形成黑斑。人們可能稱它為“雜斑”而不是雜散光。
紅外輻射計(jì)測量絕對輻射而不是一個(gè)相對輻射，所以任何背景輻射都是不允許的。在這樣一個(gè)設(shè)備中，有必要冷卻整個(gè)設(shè)備以降低溫度，用來消除因?yàn)樽陨砩⑸湟鸬碾s散光。
圖4 該圖演示了一個(gè)簡單的模型：一個(gè)溫?zé)岬牟鑹兀浔砻嬗兄煌陌l(fā)射率和溫度分布。茶壺通過一個(gè)單透鏡成像，探測器放置在透鏡后面（觀察不到）。許多紅外系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)自身輻射到探測器的問題。而解決的方法不是移除自輻射源就是對這些輻射加以遮擋。
以上幾種現(xiàn)象的組合
以上現(xiàn)象的組合也會(huì)發(fā)生，并且可能很重要。 比如， 自輻射光線可能繼而從光學(xué)器件上散射進(jìn)入視場里面。由孔徑衍射的光線也可能從光學(xué)器件上面散射進(jìn)入視場內(nèi)。
2.FRED如何呈現(xiàn)散射光？
有幾種方法可以跟蹤散射光。第一種方法是制造一個(gè)光源，再追跡其通過光學(xué)系統(tǒng)的光線。第二種方法是通過系統(tǒng)從探測器的反向逆追跡光線。通過使用任何3D光線追跡軟件程序來顯示雜散光光路是相當(dāng)重要的。光學(xué)工程師可以利用FRED來顯示雜散光發(fā)生的位置。反射光線以及折射光線僅僅是問題的一部分，散射光也是一個(gè)問題。
3.FRED如何產(chǎn)生幾何界面？
系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)可以直接在FRED 中通過簡單圖形界面來創(chuàng)建。也可以導(dǎo)入由機(jī)械軟件設(shè)計(jì)的IGES或STEP格式文件，和光學(xué)設(shè)計(jì)程序的文檔，或者從ASAP 輸出文檔中轉(zhuǎn)換過來。FRED軟件具有許多選項(xiàng)用于生成表面，包括標(biāo)準(zhǔn)平面，二次曲線，柱面，橢圓體，雙曲線，環(huán)形面，多項(xiàng)式曲面，澤尼克多項(xiàng)式表面，樣條曲面，網(wǎng)狀面，旋轉(zhuǎn)曲線，壓邊曲線，復(fù)合曲線，凹線和用戶自定義表面等。圖1和圖2中所示的均為FRED建立的表面。
因?yàn)镕RED 有一個(gè)多文檔用戶界面，所以可以在文檔間進(jìn)行元件的相互剪切，復(fù)制以及粘貼。 實(shí)體在理論上可能被設(shè)置為各層組裝體，組件和元件等等。它符合系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)；任何一個(gè)物體都可以在任意的坐標(biāo)系統(tǒng)中定義。任何表面都可能被任何隱式曲面或者任何孔徑收集曲線剪切。
4.FRED如何追蹤光路？
FRED可以進(jìn)行高級光線追跡。這種光線追跡可以清晰地追蹤系統(tǒng)中所有光線的所有路徑。圖5顯示了在圖1中的兩個(gè)雙膠合透鏡的光線路徑的列表。光線歷史報(bào)告是一個(gè)對所有光線的完整陳列，標(biāo)出了有多少光線以這條光路發(fā)射，他們怎樣到達(dá)最終的實(shí)體（在這個(gè)實(shí)例中是焦平面）以及他們穿過了多少表面（事件計(jì)數(shù)）。也可以取任一條光線追跡的光路然后將其復(fù)制到用戶定義光路列表 (選擇光路，將鼠標(biāo)移至光路然后選擇一個(gè)選項(xiàng)將這條光路復(fù)制到用戶定義光路列表)。這條光路將立刻在高級光線追跡中呈現(xiàn)一個(gè)可選光路作為一個(gè)可用的光線追跡方法。還可以僅對這條光線繪制彌散斑圖或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。
通過使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)鬼像、直接入射、一次或多重散射在光路中所占的比例大小。
圖5 表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)的光線路徑。注意到有8條光路到達(dá)了探測器，表中第二欄到最后一欄所示。第二條光路是完美鍍膜系統(tǒng)的光路，光路0是未鍍膜系統(tǒng)的一個(gè)光路。注意到兩條光路中所代表的能量都有不同，1是0光路，0.868是第二光路。第8光路有71條光線，與表面有12個(gè)交叉點(diǎn)和2次反射。這條光路顯示在圖6下方。這條清晰的光路是可以看到的，如圖7所示。
圖6 追跡未鍍膜雙膠合透鏡中的8路徑
圖7 圖6中呈現(xiàn)的光線路徑信息
5. FRED 怎樣顯示彌散斑圖
FRED以光線顏色來顯示彌散斑。在圖8中，我們可以很容易的發(fā)現(xiàn)，鬼像的光線集中在未鍍膜信號周圍并且以藍(lán)色表示，右邊是有鍍膜的完善透鏡系統(tǒng)。
圖8 圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)所成的彌散斑圖
6. FRED中如何查看輻照度圖？
FRED以四塊面板呈現(xiàn)輻照度圖。左上方是一個(gè)等大的偽彩色圖，它顯示的是在選中分析面單元接受到的光功率，其右邊欄的刻度顯示的是這個(gè)圖中的功率等級。右上和左下的面板是左上面板的橫截面。點(diǎn)擊左上方圖中的任一處，一個(gè)橫截面將會(huì)出現(xiàn)在水平以及垂直兩個(gè)方向，在這個(gè)位置的坐標(biāo)和輻射將會(huì)顯示在這個(gè)左上方的面板的左下角。右下方的圖顯示在這個(gè)分析面上定義的各個(gè)像素的數(shù)量和光線。如果用戶點(diǎn)擊右下方的圖，就可以看到每個(gè)探測器像素的相對誤差。這是一個(gè)很好的方式讓你知道是否已經(jīng)追跡了足夠多的光線來為系統(tǒng)繪制有效的輻照度圖， 這點(diǎn)對于照明系統(tǒng)來說尤其重要。兩個(gè)雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻照圖在下圖9中顯示。
圖9 雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻照度圖
只看一個(gè)面板的時(shí)候，鼠標(biāo)左鍵雙擊界面。因?yàn)榻酉聛淼膬蓚�(gè)圖是為左上的面板而定制的。 |
