雜散光問題出現在幾乎所有(yǒu)的光機系統或者照明(míng)系統中。通(tōng)過遮擋或者移除零件、表面塗漆或者在光學器(qì)件表面鍍膜都可(kě)以減少(shǎo)或者消除雜散光。在本案例中，我們将闡述雜散光的定義并且介紹怎樣利用FRED來(lái)分析和(hé)避免雜散光問題。
1. 什麽是雜散光？
簡單來(lái)說，雜散光就是系統不需要的噪音(yīn)，它是由光機結構、視(shì)場(chǎng)外光源或者不完善的光學零件産生(shēng)的，還(hái)有(yǒu)可(kě)能是由光學或系統自身的熱輻射引起的。FRED 善于發現這些(xiē)不需要的噪音(yīn)，它将運用它的虛拟樣機研究分析能力來(lái)幫助我們消除它。
在成像系統中，雜散光的成因有(yǒu)很(hěn)多(duō)，具體(tǐ)如下：
鬼像
之所以叫作(zuò)鬼像是因為(wèi)像面離焦或者是由明(míng)亮的光源成鬼影(yǐng)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(yǒu)兩次反射鬼像，四次反射鬼像等等。僅一個(gè)鏡面（比如卡塞格林望遠鏡）構成的光學系統是不會(huì)形成鬼像的。如果陽光在拍攝視(shì)場(chǎng)內(nèi)或附近時(shí)，鬼像就會(huì)出現在影(yǐng)像中。汽車(chē)的頭燈或者街(jiē)燈也會(huì)在夜間(jiān)攝影(yǐng)時(shí)造成雜散光。如果光亮源很(hěn)小(xiǎo)，各個(gè)鬼像會(huì)形成光學系統的孔徑光闌的形态。在下圖1中呈現的就是一個(gè)很(hěn)好的鬼像例子，其中一個(gè)雙膠合透鏡有(yǒu)着完美鍍膜的透鏡而另外一個(gè)光學系統的透鏡則沒有(yǒu)鍍任何膜。追迹由一點發出的21*21的光線以覆蓋系統的第一片透鏡。
圖1.兩個(gè)雙膠合透鏡，上(shàng)面的雙膠合透鏡的各個(gè)透鏡表面都鍍有(yǒu)理(lǐ)想的增透膜。下面的雙膠合透鏡由于其透鏡沒有(yǒu)鍍膜，各個(gè)光學表面有(yǒu)菲涅爾損耗從而産生(shēng)鬼像。我們已經改變了在各個(gè)表面的光線追迹控制(zhì)，因此從這個(gè)表面反射的由于菲涅爾損耗而出現的光線變成了藍(lán)色。這種反射正是下方光學系統雜散光的成因。
直接入射
在諸如卡塞格林式系統中，當中心遮攔太大(dà)或者望遠鏡鏡筒太短(duǎn)的時(shí)候，就會(huì)發生(shēng)直接入射。視(shì)場(chǎng)以外的光線能夠進入望遠鏡，直接越過次鏡，穿越主鏡的開(kāi)孔，從而以雜散光的形式直接打到焦平面上(shàng)。如下圖2所示的那(nà)種望遠鏡系統，假如陽光可(kě)以直接進入的話(huà)，那(nà)這種雜散光危害是非常大(dà)的，對系統來(lái)說簡直就是一場(chǎng)災難。
圖2.圖中所示綠色光線是軸外光源發出的光線，該光線繞開(kāi)所有(yǒu)的光學部件并且直接進入探測器(qì)上(shàng)。FRED 的3D可(kě)視(shì)化效果和(hé)用戶自定義光路的能力，使得(de)這個(gè)問題很(hěn)容易被發現。
一次散射光
當雜散光源，比如太陽，直接照射到光學系統的時(shí)候就會(huì)産生(shēng)單次散射光。部分散射光線經過光學系統之後，會(huì)照射到焦平面，我們認為(wèi)它散射進了視(shì)場(chǎng)。而一旦光線散射進了視(shì)場(chǎng)，它就變成了雜散光，要想消除這種雜散光，則不可(kě)避免地會(huì)伴有(yǒu)漸暈現象。所以遮光罩設計(jì)的基本目的就是不讓光線照射到系統上(shàng)。
多(duō)次散射光線
即使散射光源不直接照射光學器(qì)件，散射光也會(huì)間(jiān)接産生(shēng)。首先散射光源照射到遮光罩表面發生(shēng)散射，然後照射到光學器(qì)件。由此造成的雜散光總是比直接照射的散射光要小(xiǎo)，但(dàn)是它還(hái)是因為(wèi)足夠大(dà)而要引起注意。圖3是一個(gè)很(hěn)好的示範，它演示了場(chǎng)外光源發出的光線（圖中所示的綠色光線），進入卡塞格林望遠鏡系統後，怎樣在系統內(nèi)的遮光罩與遮光罩之間(jiān)發生(shēng)多(duō)次散射，并最終到達探測器(qì)。
圖3 綠色光線進入卡塞格林望遠鏡後入射到桶狀主遮光罩上(shàng)發生(shēng)散射，而後射向主反射鏡和(hé)次反射鏡，（分别以紅色和(hé)藍(lán)色代表），部分這些(xiē)光線最終反射到探測器(qì)上(shàng)。
邊緣衍射
當孔徑尺寸和(hé)波長比相對較小(xiǎo)的時(shí)候(104或者更小(xiǎo))，場(chǎng)外光源經孔徑光闌發生(shēng)的邊緣衍射可(kě)能是雜散光的一個(gè)重要來(lái)源。
紅外系統中的自輻射
熱紅外或者熱成像系統中也可(kě)以出現雜散光，該雜散光是由設備自身的熱輻射引起的。 這類系統通(tōng)過檢測疊加在一個(gè)大(dà)背景上(shàng)的一個(gè)小(xiǎo)的信号來(lái)運轉。 室溫情況下，黑(hēi)體(tǐ)發射率曲線的峰值在大(dà)概10μm處. 因而在這種波長下，環境也會(huì)"發光"。随着溫度或者發射率的變化，黑(hēi)體(tǐ)發射曲線在發熱過程中會(huì)有(yǒu)很(hěn)小(xiǎo)的變化。熱成像系統一般通(tōng)過減去背景來(lái)增強紅外圖像的對比度。當背景不均勻，比如說有(yǒu)”水(shuǐ)仙花(huā)效應”, 就産生(shēng)了一個(gè)雜散光信号。 特别是， 當冷卻了的探測器(qì)的一個(gè)圖像在其自身成像的時(shí)候，背景的局部嚴重缺損就産生(shēng)了。典型的表現為(wèi)在圖像的中心形成黑(hēi)斑。人(rén)們可(kě)能稱它為(wèi)“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)設備中，有(yǒu)必要冷卻整個(gè)設備以降低(dī)溫度，用來(lái)消除因為(wèi)自身散射引起的雜散光。
圖4 該圖演示了一個(gè)簡單的模型：一個(gè)溫熱的茶壺，其表面有(yǒu)着不同的發射率和(hé)溫度分布。茶壺通(tōng)過一個(gè)單透鏡成像，探測器(qì)放置在透鏡後面（觀察不到）。許多(duō)紅外系統中都發現機械結構自身輻射到探測器(qì)的問題。而解決的方法不是移除自輻射源就是對這些(xiē)輻射加以遮擋。
以上(shàng)幾種現象的組合
以上(shàng)現象的組合也會(huì)發生(shēng)，并且可(kě)能很(hěn)重要。 比如， 自輻射光線可(kě)能繼而從光學器(qì)件上(shàng)散射進入視(shì)場(chǎng)裏面。由孔徑衍射的光線也可(kě)能從光學器(qì)件上(shàng)面散射進入視(shì)場(chǎng)內(nèi)。
2.FRED如何呈現散射光？
有(yǒu)幾種方法可(kě)以跟蹤散射光。第一種方法是制(zhì)造一個(gè)光源，再追迹其通(tōng)過光學系統的光線。第二種方法是通(tōng)過系統從探測器(qì)的反向逆追迹光線。通(tōng)過使用任何3D光線追迹軟件程序來(lái)顯示雜散光光路是相當重要的。光學工程師(shī)可(kě)以利用FRED來(lái)顯示雜散光發生(shēng)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如何産生(shēng)幾何界面？
系統的幾何結構可(kě)以直接在FRED 中通(tōng)過簡單圖形界面來(lái)創建。也可(kě)以導入由機械軟件設計(jì)的IGES或STEP格式文件，和(hé)光學設計(jì)程序的文檔，或者從ASAP 輸出文檔中轉換過來(lái)。FRED軟件具有(yǒu)許多(duō)選項用于生(shēng)成表面，包括标準平面，二次曲線，柱面，橢圓體(tǐ)，雙曲線，環形面，多(duō)項式曲面，澤尼克多(duō)項式表面，樣條曲面，網狀面，旋轉曲線，壓邊曲線，複合曲線，凹線和(hé)用戶自定義表面等。圖1和(hé)圖2中所示的均為(wèi)FRED建立的表面。
因為(wèi)FRED 有(yǒu)一個(gè)多(duō)文檔用戶界面，所以可(kě)以在文檔間(jiān)進行(xíng)元件的相互剪切，複制(zhì)以及粘貼。 實體(tǐ)在理(lǐ)論上(shàng)可(kě)能被設置為(wèi)各層組裝體(tǐ)，組件和(hé)元件等等。它符合系統的物理(lǐ)層結構；任何一個(gè)物體(tǐ)都可(kě)以在任意的坐(zuò)标系統中定義。任何表面都可(kě)能被任何隐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(kě)以進行(xíng)高(gāo)級光線追迹。這種光線追迹可(kě)以清晰地追蹤系統中所有(yǒu)光線的所有(yǒu)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。光線曆史報告是一個(gè)對所有(yǒu)光線的完整陳列，标出了有(yǒu)多(duō)少(shǎo)光線以這條光路發射，他們怎樣到達最終的實體(tǐ)（在這個(gè)實例中是焦平面）以及他們穿過了多(duō)少(shǎo)表面（事件計(jì)數(shù)）。也可(kě)以取任一條光線追迹的光路然後将其複制(zhì)到用戶定義光路列表 (選擇光路，将鼠标移至光路然後選擇一個(gè)選項将這條光路複制(zhì)到用戶定義光路列表)。這條光路将立刻在高(gāo)級光線追迹中呈現一個(gè)可(kě)選光路作(zuò)為(wèi)一個(gè)可(kě)用的光線追迹方法。還(hái)可(kě)以僅對這條光線繪制(zhì)彌散斑圖或點擴散函數(shù)圖。
通(tōng)過使用這種方法可(kě)以發現鬼像、直接入射、一次或多(duō)重散射在光路中所占的比例大(dà)小(xiǎo)。
圖5 表中所示為(wèi)在圖1中的雙膠合透鏡系統的光線路徑。注意到有(yǒu)8條光路到達了探測器(qì)，表中第二欄到最後一欄所示。第二條光路是完美鍍膜系統的光路，光路0是未鍍膜系統的一個(gè)光路。注意到兩條光路中所代表的能量都有(yǒu)不同，1是0光路，0.868是第二光路。第8光路有(yǒu)71條光線，與表面有(yǒu)12個(gè)交叉點和(hé)2次反射。這條光路顯示在圖6下方。這條清晰的光路是可(kě)以看到的，如圖7所示。
圖6 追迹未鍍膜雙膠合透鏡中的8路徑
圖7 圖6中呈現的光線路徑信息
5. FRED 怎樣顯示彌散斑圖
FRED以光線顔色來(lái)顯示彌散斑。在圖8中，我們可(kě)以很(hěn)容易的發現，鬼像的光線集中在未鍍膜信号周圍并且以藍(lán)色表示，右邊是有(yǒu)鍍膜的完善透鏡系統。
圖8 圖1中的雙膠合透鏡系統所成的彌散斑圖
6. FRED中如何查看輻照度圖？
FRED以四塊面闆呈現輻照度圖。左上(shàng)方是一個(gè)等大(dà)的僞彩色圖，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(shàng)和(hé)左下的面闆是左上(shàng)面闆的橫截面。點擊左上(shàng)方圖中的任一處，一個(gè)橫截面将會(huì)出現在水(shuǐ)平以及垂直兩個(gè)方向，在這個(gè)位置的坐(zuò)标和(hé)輻射将會(huì)顯示在這個(gè)左上(shàng)方的面闆的左下角。右下方的圖顯示在這個(gè)分析面上(shàng)定義的各個(gè)像素的數(shù)量和(hé)光線。如果用戶點擊右下方的圖，就可(kě)以看到每個(gè)探測器(qì)像素的相對誤差。這是一個(gè)很(hěn)好的方式讓你(nǐ)知道(dào)是否已經追迹了足夠多(duō)的光線來(lái)為(wèi)系統繪制(zhì)有(yǒu)效的輻照度圖， 這點對于照明(míng)系統來(lái)說尤其重要。兩個(gè)雙膠合透鏡系統的輻照圖在下圖9中顯示。
圖9 雙膠合透鏡系統的輻照度圖
隻看一個(gè)面闆的時(shí)候，鼠标左鍵雙擊界面。因為(wèi)接下來(lái)的兩個(gè)圖是為(wèi)左上(shàng)的面闆而定制(zhì)的。 |
