什么是雜散光？軟件如何幫助尋找雜散光？

雜散光是任何能干擾光學(xué)系統(tǒng)預(yù)期功能的多余的電磁輻射。雜散光可以出現(xiàn)在成像系統(tǒng)或投影系統(tǒng)中，盡管控制前者的雜散光通常更為關(guān)鍵。雜散光可以來自光學(xué)系統(tǒng)正在拍攝的物體，也可以來自非預(yù)期的外部輻射源，或者就紅外敏感系統(tǒng)而言，雜散光可以來自系統(tǒng)本身的元件因自身熱量而發(fā)光。

雜散光的例子包括：

?光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械安裝表面的反射光

?通過系統(tǒng)外殼縫隙的漏光

?由于系統(tǒng)光學(xué)表面的灰塵和其他缺陷帶來的散射光

?對于地基天文學(xué)而言，城市燈光經(jīng)大氣反射產(chǎn)生的天空輝光可能是雜散光的主要來源

?太陽、地球和月球是軌道望遠(yuǎn)鏡常見的外部雜散光源

兩種類型的雜散光

雜散光可以分為兩種不同的類型：鬼像和雜光或眩光。

在成像系統(tǒng)中，當(dāng)來自圖像場中的光源的光經(jīng)歷兩次或更多不需要的反射，然后落在成像設(shè)備上，產(chǎn)生不需要的鬼影圖像時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)鬼像。對于數(shù)碼相機(jī)來說，鬼像最常見的來源之一是從成像設(shè)備反射回光學(xué)系統(tǒng)的光，然后從透鏡表面反射回來形成二次圖像。

雜光或眩光通常發(fā)生在當(dāng)光在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部散射時(shí)，包括在光學(xué)表面缺陷處或在系統(tǒng)中的機(jī)械元件處。眩光也可能是由于大氣中光線的反射引起的，比如霧霾或天空輝光。

?鬼像

o通常由成像表面之間的非正常反射引起

o光柵的比較高的或未被阻擋的衍射級次

o明亮散射表面的二次成像

?雜光或眩光

o從光學(xué)系統(tǒng)視場之外入射到像面上的光

o視場范圍內(nèi)的明亮光源，來自溫暖表面的熱輻射

o通常是光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光散射的結(jié)果

鬼像示例：用手機(jī)相機(jī)拍攝的照片，清晰地顯示了蠟燭火焰的三個(gè)銳利聚焦的鬼影圖像。還有第四個(gè)彌散的鬼像，以中間銳利的鬼影為中心彌散開。

為什么在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)雜散光很重要？

雜散光可以通過向圖像中添加不需要的光線來降低圖像的對比度。對于探測系統(tǒng)，雜散光會(huì)降低它們的靈敏度。對于商業(yè)成像系統(tǒng)，這可能會(huì)產(chǎn)生令人不快的圖像。對于光投影系統(tǒng)，雜散光會(huì)在光束圖案中產(chǎn)生不需要的亮斑。

軟件如何幫助尋找雜散光？

鬼影圖像通?？梢杂眯蛄泄饩€追蹤軟件進(jìn)行分析。由于表面的反射率通常非常低，因此只有涉及兩次反射的鬼影才會(huì)引起關(guān)注。這顯著降低了問題復(fù)雜性，因此可以獨(dú)立檢查每個(gè)可能的鬼像路徑，并評估潛在影響。

鬼影示例：一個(gè)單獨(dú)的鬼影路徑的序列光線追蹤。視場范圍內(nèi)的物體發(fā)出的光穿過透鏡，在右邊的探測器上成像。部分光隨后被探測器反射回透鏡。然后其中某一個(gè)透鏡表面將光線反射回探測器的不同位置。這個(gè)鬼影很有意思，因?yàn)楣碛肮饩€幾乎聚焦在探測器上，這將導(dǎo)致與光線在一個(gè)更大的區(qū)域分散開相比，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)更明亮的鬼影圖像。

雜光可以通過許多通常不可預(yù)料的光路進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。蒙特卡羅軟件被用來研究雜光的影響。窮舉方法將隨機(jī)產(chǎn)生許多光線，并通過模型分析能量如何分布。方差縮減方法用于提高從包含低概率事件（如大角度散射）的路徑中求解雜光貢獻(xiàn)的效率。

非預(yù)期光示例：視場范圍內(nèi)的物體發(fā)出的光線經(jīng)透鏡支架散射，然后被透鏡表面反射到探測器上。

雜散光模擬的計(jì)算方法

由鬼像和雜光組成的雜散光的分析和控制是成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要而復(fù)雜的任務(wù)。鬼像產(chǎn)生自位于主光路內(nèi)的表面的多次反射。在焦點(diǎn)處或焦點(diǎn)附近撞擊在圖像平面上的鬼影圖像是特別值得關(guān)注的?—雜光可能是由于透鏡支架、透鏡的非光學(xué)表面（如平面和邊緣）的光反射引起的，也可能是探測器本身的反射重新成像到探測器上。由于探測器微觀結(jié)構(gòu)的衍射，模擬從探測器反射的光線可能變得復(fù)雜。所有的計(jì)算都是均可用常見的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件完成。下面以Synopsys公司的三款軟件為例子，講述分析相機(jī)系統(tǒng)中雜散光的典型工作流程。

CODEV

l設(shè)計(jì)透鏡以滿足光學(xué)性能要求

l執(zhí)行鬼像分析以找出特定的成對困難表面

l如果需要，使用@GHOST重新優(yōu)化以避免鬼影圖像

l導(dǎo)出到LightTools以便進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)和雜光分析

LightTools

l從CodeV導(dǎo)入鏡頭文件

l設(shè)計(jì)鏡頭支架

l將光學(xué)特性指定給支架、透鏡和探測器的表面

l插入一個(gè)光源

l運(yùn)行多重蒙特卡洛仿真以分析雜光和鬼像

RSoft

l在RSoft CAD中為探測器芯片和納米結(jié)構(gòu)AR涂層建模

l采用BSDFUtility對使用FullWAVE或DifractMOD的結(jié)構(gòu)的透射光和反射光進(jìn)行建模

l輸出BSDF文件到LightTools

編輯：黃飛