摘要：雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中所有非正常傳輸光的總稱，雜散光對光學(xué)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(xué)設(shè)計中，雜散光分析成為光學(xué)設(shè)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(fù)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(xué)模型和光線二叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了漏光雜散光分析和光學(xué)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(dá)到了雜散光分析的目的。

關(guān)鍵詞：雜散光；鬼像；漏光；光線追跡

0.引言

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產(chǎn)生于漏光、透射光學(xué)表面的殘余反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學(xué)表面的殘余反射，以及由于光學(xué)表面質(zhì)量問題產(chǎn)生的散射光，而紅外光學(xué)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(xué)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(yán)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(xué)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(shè)定的光束限制(視場、孔徑、漸暈)直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的情況。這在折反射光學(xué)系統(tǒng)光路中經(jīng)常出現(xiàn)，因此在這類光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)該對這種雜散光進(jìn)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(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，并到達(dá)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(jìn)行非常精確的分析，可以使用目前常用的光學(xué)設(shè)計軟件(如Zemax)，這需要將光學(xué)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(jìn)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(shè)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(shè)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(dá)像面的光的走向，在這一分析的指導(dǎo)下，設(shè)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(xué)系統(tǒng)透射面殘余反射雜散光

光學(xué)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(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，對一個比較亮的光源成像時，這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)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(jìn)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(xué)系統(tǒng)主要研究像面上的能量分布。目前，很多光學(xué)設(shè)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(jī)發(fā)出很多條光線，當(dāng)某條光線到達(dá)一個透射面之后，其透射或反射的概率是由透過率決定，當(dāng)追跡了大量光線之后，統(tǒng)計出到達(dá)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(dāng)數(shù)量的光線，否則結(jié)果就不具備統(tǒng)計意義，特別是當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)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(xué)方法設(shè)計了專用雜散光分析軟件，為了避免重復(fù)計算，使用以下處理方法：

(1)使用有能量因子的光線光學(xué)方法