雜散光問(wèn)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(guò)遮擋或者移除零件、表面涂漆以及在光學(xué)器件進(jìn)行鍍膜都可以減少或者消除雜散光。 在本文中，我們會(huì)對(duì)雜散光做出定義并且說(shuō)明怎樣利用FRED 來(lái)分析和減少雜散光問(wèn)題。
1、 什么是雜散光？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雜散光就是不需要的噪音(光)， 它是由光機(jī)結(jié)構(gòu)、視場(chǎng)外光源或者不完善的光學(xué)零件產(chǎn)生的，或者由光學(xué)或者照明系統(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(lái)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
它之所以叫鬼像正是因?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。光必須從透鏡表面反射偶數(shù)次才會(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(yáng)光在拍攝視場(chǎng)內(nèi)或附近時(shí)，鬼像就會(huì)出現(xiàn)在影像中。汽車(chē)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(méi)有鍍?nèi)魏文�。追跡由一點(diǎn)發(fā)出的21*21的柵格光線以覆蓋系統(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，在它的各個(gè)透鏡上都鍍有理想的增透膜。下面的雙膠合透鏡由于其透鏡沒(méi)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。
在諸如卡塞格林式系統(tǒng)中，當(dāng)中心遮攔太大并且／或者望遠(yuǎn)鏡鏡筒太短的時(shí)候，直接入射就會(huì)發(fā)生。視場(chǎng)以外的光線能夠進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，直接越過(guò)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。如下圖2所示的那種望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，假如陽(yáng)光可以直接進(jìn)入的話(huà)，那這種雜散光危害是非常大的，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)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(kāi)所有的光學(xué)部件并且直接進(jìn)入探測(cè)器上。FRED 的3D可視化效果和用戶(hù)自定義光路的能力，使得這個(gè)問(wèn)題很容易被發(fā)現(xiàn)。
當(dāng)雜散光源，比如太陽(yáng)，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(guò)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(chǎng)。而一旦光線散射進(jìn)了視場(chǎng)，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(chǎng)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(cè)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(cè)器上。
邊緣衍射
當(dāng)孔徑尺寸和波長(zhǎng)比相對(duì)較小的時(shí)候(104 或者更小)，場(chǎng)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(lái)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(lèi)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)疊加在一個(gè)大背景上的一個(gè)小的信號(hào)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。 室溫情況下，黑體發(fā)射率曲線的峰值在大概10um處. 因而在這種波長(zhǎng)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(guò)程中會(huì)有很小的變化。 熱成像系統(tǒng)一般通過(guò)減去背景來(lái)增強(qiáng)紅外圖像的對(duì)比度。當(dāng)背景不均勻，比如說(shuō)有水仙花效應(yīng), 就產(chǎn)生了一個(gè)雜散光信號(hào)。 特別是， 當(dāng)冷卻了的探測(cè)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(chēng)它為“雜斑”而不是雜散光。
紅外輻射計(jì)測(cè)量絕對(duì)輻射而不是一個(gè)相對(duì)輻射，所以任何背景輻射都是不可接受的。 在這樣一個(gè)設(shè)備中，冷卻整個(gè)設(shè)備來(lái)降低溫度以消除因?yàn)樽陨砩⑸湟鸬碾s散光是必要的。
圖4—該圖演示這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，一個(gè)溫?zé)岬牟鑹�，其表面有著不同的發(fā)射率和溫度分布。茶壺通過(guò)一個(gè)單透鏡成像，探測(cè)器放置在透鏡后面（看不見(jiàn)）。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(cè)器的問(wèn)題。而解決的方法不是移除自輻射源就是對(duì)這些輻射加以遮擋。
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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)。
2．FRED 怎樣呈現(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，再追跡通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光線。第二種方法是通過(guò)系統(tǒng)從探測(cè)器的進(jìn)行反向光線追跡。能夠通過(guò)使用任何3D光線追跡軟件程序來(lái)顯示雜散光光路是相當(dāng)重要的。光學(xué)工程師利用FRED的軟件來(lái)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(wèn)題的一部分，散射光也是一個(gè)問(wèn)題。
3、FRED怎樣產(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(guò)運(yùn)用簡(jiǎn)單圖形界面來(lái)生成。也可以輸入由機(jī)械軟件設(shè)計(jì)的IGES 或者STEP 格式文件，和光學(xué)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的文件，或者從ASAP 輸出文檔中轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)。FRED程序有許多選項(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，多項(xiàng)式曲面，澤尼克，非均勻有理B樣條， 網(wǎng)狀，旋轉(zhuǎn)曲線，壓邊曲線，復(fù)合曲線，凹線和用戶(hù)自定義表面。圖1和圖2中所示的為FRED繪制的那些表面之一。
因?yàn)镕RED 有一個(gè)多文檔用戶(hù)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所整理（切開(kāi)），以下是詳細(xì)說(shuō)明。
4 、FRED 怎樣追蹤光路？
FRED 有能力去完成一次高級(jí)的光線追跡。 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)表是一個(gè)對(duì)所有光線的完整報(bào)告，記載了有多少光線以這條光路發(fā)射，他們?cè)鯓拥竭_(dá)最終的實(shí)體（在這個(gè)事例中是焦平面）以及他們穿過(guò)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(hù)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(hù)定義光路列表)。 這條光路將立刻在高級(jí)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?xún)H對(duì)這條光線繪制彌散斑圖或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。
通過(guò)使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)在每個(gè)鬼像，直接入射，一次或多重散射光路中所占多大比例。
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(cè)器，表中第二欄到最后一欄所示。第二條光路是完美覆膜系統(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個(gè)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， 它顯示在圖7中。
圖6—追跡未鍍膜雙膠合透鏡中的第八條路徑
圖7—在圖6中呈現(xiàn)的光線路徑信息
FRED以光線顏色來(lái)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(hào)周?chē)⑶乙运{(lán)色表示，在右邊是鍍有膜的完善透鏡系統(tǒng)。
圖8—圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)所成的彌散斑圖
FRED 以四色的面板呈現(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上單元功率。 右邊的刻度顯示的是這個(gè)圖中的功率等級(jí)。 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(hù)點(diǎn)擊右下方的圖，就可以看到每個(gè)探測(cè)器像素的相對(duì)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(lái)為系統(tǒng)繪制有效的輻照度圖， 這點(diǎn)對(duì)于照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要。兩個(gè)雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻照?qǐng)D在下圖9中顯示。
圖9—雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻射圖
如果立刻用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊左上面板，可以選擇刻度數(shù)據(jù)選項(xiàng)來(lái)獲得鬼像光線的具體信息。 在選擇了縮放數(shù)據(jù)選項(xiàng)，菜單也顯示了以后， 選擇對(duì)數(shù)選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK鍵查看圖10。 如用右鍵再次點(diǎn)擊左上的面板并且選擇透視圖，將會(huì)取消選項(xiàng)并且會(huì)有一個(gè)2D 的圖像出現(xiàn)在圖11。
圖10—雙膠合透鏡系統(tǒng)的對(duì)數(shù)縮放輻照度圖
圖11—對(duì)數(shù)縮放輻照?qǐng)D的2D 畫(huà)面
在“散射”文件夾中包括了默認(rèn)和用戶(hù)自己輸入的散射模型，這些模型都可以應(yīng)用于FRED的任何表面上。根據(jù)入射光角度以及局部曲面法線的方向， 每個(gè)模型計(jì)算出合適的三維雙向散射分布函數(shù)（BSDF）。 BSDF的另一種定義方式是雙向反射分布函數(shù)（BRDF）以及雙向透射分布函數(shù)（BTDF）。
FRED自帶有三個(gè)默認(rèn)的散射模型：: 黑朗伯（4%黑漫反射率），白朗伯（96% 白漫反射率）以及Harvey-Shack（拋光面）。另外，以參量描述的散射模型在FRED 中也是可用的：黑漆（熱成像系統(tǒng)）, ABg, 表面顆粒（Mie） 和 Phong.一個(gè)表面至少可以應(yīng)用一種類(lèi)型的散射模型。圖12顯示創(chuàng)建一個(gè)用戶(hù)自定義散射模型的對(duì)話(huà)框列表， 解釋了FRED最新的散射定義，是一個(gè)支持腳本的BSDF 函數(shù)，用戶(hù)可以通過(guò)方程來(lái)定義的一種散射模型。 允許或者停止反射和傳輸散射組分最近應(yīng)用于表面的每個(gè)光線追蹤控制。每個(gè)散射表面必須有至少一個(gè)散射方向，通過(guò)運(yùn)用菜單欄選項(xiàng)工具自動(dòng)設(shè)置該方向，或采用散射重要性抽樣，或可以通過(guò)“Surface”對(duì)話(huà)框的“Scatter”欄手動(dòng)定義。每個(gè)散射方向都可以應(yīng)用于設(shè)置在表面的每個(gè)散射模型。圖13顯示的是為表面設(shè)置多重重點(diǎn)采樣的對(duì)話(huà)框。通過(guò)把目標(biāo)定義在特定方向上，比如鏡像或?qū)χ囟ǖ膶?shí)體，閉合曲線， 空間中的一點(diǎn)或者橢圓柱體來(lái)實(shí)現(xiàn)多重重點(diǎn)采樣。
圖12—散射對(duì)話(huà)框顯示有多種方法來(lái)定義散射
圖13—應(yīng)用于一個(gè)特定表面上的重點(diǎn)采樣定義選項(xiàng)。如圖中所示，多重散射特性和多個(gè)重點(diǎn)采樣目標(biāo)可以一起運(yùn)用。注意到該圖中， 該面同時(shí)定義了MIE散射特性和Harvey Shack 拋光面散射，并且還定義兩個(gè)重點(diǎn)采樣目標(biāo)， 一個(gè)指向表面，一個(gè)朝向焦平面。
完成一次高級(jí)的光線追跡以后，只要選擇了保存光線歷史選項(xiàng)，F(xiàn)RED就會(huì)生成一份雜散光報(bào)告。這樣就有可能從工具菜單中得到一份詳細(xì)的雜散光光線報(bào)告，該報(bào)告將指出鬼像以及散射光路怎樣到達(dá)任何一個(gè)表面。 圖14所示的高級(jí)光線追跡對(duì)話(huà)框中，可以看到該對(duì)話(huà)框有設(shè)置/運(yùn)用光線歷史檔案的選項(xiàng)并勾上了“確定光線路徑”的選項(xiàng)。 圖15顯示的是一個(gè)簡(jiǎn)單的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的雜散光光線報(bào)告，該報(bào)告詳細(xì)說(shuō)明了雜散光是怎樣以離軸5度的視場(chǎng)從光源射入的望遠(yuǎn)鏡的
圖14—高級(jí)光線追跡對(duì)話(huà)框，該對(duì)話(huà)框有創(chuàng)建/運(yùn)用光線歷史檔案的選項(xiàng)和“確定光線路徑”的選項(xiàng)。
9、FRED如何通過(guò)多點(diǎn)光源迭代來(lái)輸出對(duì)應(yīng)的角功率點(diǎn)源傳輸曲線？
FRED 有一個(gè)內(nèi)置匯編BASIC腳本語(yǔ)言。幾乎所有的圖形界面命令都可以用Visual Basic 匯編語(yǔ)言來(lái)表述。 FRED 也有“自動(dòng)客戶(hù)服務(wù)”功能， 該功能可以被調(diào)用或者調(diào)用其他“自動(dòng)激活”程序，比如Excel。 基于此，我們就可以定義多個(gè)軸外光源，并且可以在FRED BASIC腳本語(yǔ)言中，利用“NEXT”循環(huán)，依次在環(huán)繞系統(tǒng)作水平和垂直兩個(gè)方向的掃描，從而得到點(diǎn)光源傳輸曲線。 圖17中顯示了圖15的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)數(shù)點(diǎn)源傳輸曲線。 注意到，圖17中顯示的PST圖形是由圖16中的BASIC腳本調(diào)用EXCEL來(lái)完成繪制的。
圖17— BASIC腳本輸出生成的Excel 圖表
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