摘要：雜散光是光學系統(tǒng)中所有非正常傳輸光的總稱，雜散光對光學系統(tǒng)性能的影響因系統(tǒng)不同而變化。因此，在現(xiàn)代光學設計中，雜散光分析成為光學設計工作中的一個重要環(huán)節(jié)。雜散光產(chǎn)生的原因比較復雜，討論了漏光和透射面殘余反射引起的雜散光，針對漏光雜散光給出了高密度取樣的分析方法，對于殘余反射的雜散光建立了帶能量因子的光線光學模型和光線二叉樹的數(shù)據(jù)結構，在保證計算精度的同時減少了計算時間。對一個卡塞格林光學系統(tǒng)進行了漏光雜散光分析和光學表面殘余反射雜散光的近軸與實際光線分析，得到減少雜散光的措施，達到了雜散光分析的目的。

關鍵詞：雜散光；鬼像；漏光；光線追跡

0.引言

雜散光是光學系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產(chǎn)生于漏光、透射光學表面的殘余反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學表面的殘余反射，以及由于光學表面質量問題產(chǎn)生的散射光，而紅外光學系統(tǒng)還有因系統(tǒng)自身熱輻射產(chǎn)生的雜散光。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(chǎn)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.雜散光分析方法

1.1.漏光雜散光

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l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。

圖1.長焦卡塞格林折、反射照相物鏡

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.光學系統(tǒng)透射面殘余反射雜散光

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(chǎn)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