漏光引起的雜散光分析

漏光引起的雜散光分析

0熱輻射雜光的影響不同的色散是光學系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，它產生于光學表面的不足反射、鏡筒壁等非表面的剩余反射以及由于光學表面質量問題產生的散射光。此外，系統(tǒng)本身的熱輻射也導致了不同的色散。對于成像光學系統(tǒng),雜散光會增加像面上的噪聲,特別是在像面附近出現(xiàn)的雜散光匯聚點會對成像產生嚴重影響,這些匯聚點就稱作“鬼像”。文中將討論分析漏光和透射光學表面的殘余反射雜散光的建模。1不同色散分析1.1加遮光藥物分離和光學系統(tǒng)漏光雜散光是指部分光未按照所設定的光束限制(視場、孔徑、漸暈)直接進入光學系統(tǒng)的情況。這在折反射光學系統(tǒng)光路中經(jīng)常出現(xiàn),因此在這類光學系統(tǒng)中應該對這種雜散光進行專門的分析。例如,一個典型的卡塞格林系統(tǒng)(如圖1所示),由于主反射鏡中間存在通光孔,如果不加特殊光闌處理,就會有光不通過主次鏡的反射直接進入光學系統(tǒng),并到達像面形成鬼像。為消除這種漏光,通常采用加遮光罩和在主次鏡上加上專門的筒形消雜光光闌。為了徹底消除漏光雜光,同時又保證正常光束的通過,需要對漏光進行非常精確的分析,可以使用目前常用的光學設計軟件(如Zemax),這需要將光學系統(tǒng)模型稍加改造,將主次鏡改成為特定的光闌,并對視場進行密集取樣。這種方法比較煩瑣,特別是加了筒形光闌之后,建模困難,為此筆者設計了專用分析軟件,方便地輸入各光闌的位置、大小和長短(筒形光闌),設定視場和孔徑高密度取樣的情況,軟件能夠直接顯示出漏光在像面上的光斑分布情況和到達像面的光的走向,在這一分析的指導下,設計人員可以方便地確定各筒形光闌的大小、位置和長短。1.2光追跡分析的應用光學系統(tǒng)的透射面無論怎樣處理,總會有部分光被反射,其中一些經(jīng)多次反射后會在像面上形成鬼像。特別是一些復雜的光學系統(tǒng),對一個比較亮的光源成像時,這種現(xiàn)象尤為嚴重,可以在圖像中出現(xiàn)一串大大小小的亮環(huán)或光點。要模擬這種雜散光的產生和傳輸可以將每個透射面作為部分透射、部分反射的表面,分別對各面透射光和反射光的傳輸進行研究,求出各路光束在指定位置的能量分布情況,對于成像光學系統(tǒng)主要研究像面上的能量分布。目前,很多光學設計軟件和分析軟件都有鬼像分析功能。雜散光分析通常采用蒙特卡羅方法,這種方法是在某個物點上隨機發(fā)出很多條光線,當某條光線到達一個透射面之后,其透射或反射的概率是由透過率決定,當追跡了大量光線之后,統(tǒng)計出到達像面的光線數(shù)量和分布情況,就可以了解在像面上的雜散光的能量分布情況,這種方法必須追跡相當數(shù)量的光線,否則結果就不具備統(tǒng)計意義,特別是當系統(tǒng)比較復雜、面數(shù)比較多時光線數(shù)就必然以幾何級數(shù)增加。計算量的問題就非常突出。為此,采用光線光學方法設計了專用雜散光分析軟件,為了避免重復計算,使用以下處理方法:(1)使用有能量因子的光線光學方法在使用光線光學方法時,每一根光線都可以看作是代表一定空間立體角的細小光束,光線傳輸本身是光能量的傳輸,因此在每一根光線傳輸時使其帶有一個能量因子,表示該光線所帶能量的大小,在傳輸時能量因子隨光能量的損失而變化,就可以描述光能的變化情況。采用這種方法后,雜散光分析可以不使用蒙特卡羅方法而直接有序地進行,當遇到一個透射面,原來的一根光線分為兩根,一根繼續(xù)透射而另一根則反射,處理時只要將光線能量因子乘以透射率就是透射光線的新能量因子,而乘以反射率就是反射光線的新能量因子。(2)光線二叉樹方法由于一根光線變成兩根,如果每一根光線都要從頭開始光線追跡,那就會有大量的重復工作,為此,采用了二叉樹的數(shù)據(jù)結構,來描述光線在透射面上一分為二的關系,如圖2所示。當光線到達某個透射面時,在該面上建立二叉樹結點,記錄了光線在面上的坐標和入射光線的方向余弦以及光線的能量因子,光線的透射部分和反射部分可以用二叉樹的兩個分枝分別描述,計算時先沿著其中一個分枝光追到底,再回到某個面的結點處,以此為起點再追另一路,直到追完所有的分枝。由此可以看出二叉樹數(shù)據(jù)結構存儲了光追過程中光線在各面上的基本信息,避免了重復計算,而且遞歸處理使軟件簡潔、可靠性高,一棵二叉樹隨一條光線追跡而建立,雖然當光學系統(tǒng)面數(shù)很多時,要占用很大的內存,但是由于其動態(tài)存儲特性,一旦追完一條光線并將結果記錄,二叉樹就可以刪除,將占用的內存釋放,以備下一條光線使用。如果研究像面上的能量分布情況,可以事先在像面上劃分格子,當一條光線到達像面時,看其落入哪一個格子,并將每個格子中的光線加權疊加,其權重就是能量因子,將所有格子的值再現(xiàn)就是像面上能量分布情況。2反射工程的研究折反射系統(tǒng)應用很廣,用圖1所示的長焦卡塞格林折、反射照相物鏡作為分析實例,在這個系統(tǒng)中可能會有漏光,也就是光未經(jīng)主次鏡直接進入系統(tǒng)并到達像面,同時由于有折射透鏡,也存在透射面殘余反射雜散光。2.1防漏光措施2.對所分析的長焦卡塞格林系統(tǒng)加遮光罩,但沒有做其他防漏光光闌處理,分析可得系統(tǒng)漏光的情況,如圖3所示。對這個系統(tǒng)主次鏡加上如圖4所示的防漏光遮光筒后,漏光的情況大大減輕,如圖5所示。軟件還可以分別給出各視場進入系統(tǒng)漏光光線的比例:總光線數(shù)(視場角6.545)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.667)=31417,漏光光線數(shù)=7,漏光百分比=0.022%總光線數(shù)(視場角6.788)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.909)=31417,漏光光線數(shù)=6,漏光百分比=0.019%總光線數(shù)(視場角7.030)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角7.152)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%總光線數(shù)(視場角7.515)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%總光線數(shù)(視場角6.545)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.667)=31417,漏光光線數(shù)=7,漏光百分比=0.022%總光線數(shù)(視場角6.788)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.909)=31417,漏光光線數(shù)=6,漏光百分比=0.019%總光線數(shù)(視場角7.030)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角7.152)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%總光線數(shù)(視場角7.515)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%總光線數(shù)(視場角6.545)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.667)=31417,漏光光線數(shù)=7,漏光百分比=0.022%總光線數(shù)(視場角6.788)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角6.909)=31417,漏光光線數(shù)=6,漏光百分比=0.019%總光線數(shù)(視場角7.030)=31417,漏光光線數(shù)=4,漏光百分比=0.013%總光線數(shù)(視場角7.152)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%總光線數(shù)(視場角7.515)=31417,漏光光線數(shù)=2,漏光百分比=0.006%以上數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)在防漏光處理之后,視場角在6.54~7.52°之間存在漏光,最大視場的漏光量為0.022%,這說明系統(tǒng)采用了防漏光措施后只有極少的光可以漏進系統(tǒng)到達像面。通常的光學系統(tǒng)如此處理即可,但是一些特殊系統(tǒng)不允許有任何漏光,就必須再改進防漏光措施,有時會產生少量的攔光。如圖6所示,系統(tǒng)防漏光光闌加以改進后徹底消除漏光,但是此時會有2%左右的攔光產生。2.2次反射鬼像假定光學系統(tǒng)中各表面均鍍增透膜,反射率為1%,忽略吸收損失,透射率為99%。首先計算正常光路,假定物方亮度為3000nt,得到像點照度為163.11lx。對本系統(tǒng)作二次反射雜散光分析,整個系統(tǒng)共得二次反射鬼像153個。取距離探測器表面最近的10個鬼像,并對其按鬼光束在探測器表面產生的照度從大到小排序,得到影響最大的前10個鬼像,如表1所示,其中S1、S2分別表示第一次反射面、第二次反射面。雖然近軸分析是近似的,但是計算量小,而且可以直接給出有危害鬼點的形成原因,對消除雜散光有很好的指導意義。表中可以看出第一個鬼像點就在像面上,其在像面上的照度要比其他的鬼像點大多個數(shù)量級,因此需要加以控制,可以將第5面和第6面這兩個產生鬼像的面進一步降低反射率,以減小鬼像的能量。2.3像面能量分布要想了解雜散光在像面上的分布情況,應使用實際光線鬼像分析方法。雜散光分析可以對幾個視場進行,圖7(a)是正常光在像面上能量分布,圖中選取了對稱的五個視場,右邊的灰度條是相對輻照度的值對應灰度。(b)為二次反射雜散光在像面上能量分布。由于本系統(tǒng)各表面的透過率比較高,殘余反射的能量很小,因此雜散光的相對能量比起正常光要小很多。但在有強光光源照明時,此能量也增加背景噪聲。在一些要求比較高的系統(tǒng)中,除了要分析二次反射雜散光,還要分析高次反射雜散光。2.4像面能量分布下面對本系統(tǒng)作四次反射鬼像分析,得到鬼像19533個,其中對離像面最近的10個鬼像,按其在像面上產生的照度排序,結果如表2所示。能量分布如圖8所示,(a)為中心視場,(b)為0.75視場。由以上分析的結果可知,在此系統(tǒng)中四次反射雜散光的鬼像在像面上的位置與二次鬼像位置不同,處于其像點的對稱位置上,其能量密度比二次反射雜散光要低得多,這與表2分析結果一致。3在光學系統(tǒng)雜光分析應用中的應用問題以上分析表明,近軸分析給出了影響最嚴重的鬼像及其產生的原因,從而可以通過修改有關參數(shù)或鍍膜等方法加以處理。實際光線分析可以得到像面上雜散光的能量分布和相對照度情況,提供了很直觀的結果。通過對漏光的分析可以指導設計者改進遮光