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、表面涂漆或者在光學(xué)器件表面鍍膜都可以減少或者消除雜散光。在本案例中，我們將闡述雜散光的定義并且介紹怎樣利用FRED來(lái)分析和避免雜散光問(wèn)題。 0?7XtC P<  
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1. 什么是雜散光？ )j6eE+gF  
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簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雜散光就是系統(tǒng)不需要的噪音，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，還有可能是由光學(xué)或系統(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。 71FeDpe  
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在成像系統(tǒng)中，雜散光的成因有很多，具體如下： 1,2EhfX|s  
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鬼像 vY6W|<s  
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之所以叫作鬼像是因?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。光線(xiàn)從透鏡表面反射偶數(shù)次就會(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的光線(xiàn)以覆蓋系統(tǒng)的第一片透鏡。 z^* '@  

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圖1.兩個(gè)雙膠合透鏡，上面的雙膠合透鏡的各個(gè)透鏡表面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(xiàn)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(xiàn)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。 q)u2Y]  
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直接入射 ,reJ(s  
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在諸如卡塞格林式系統(tǒng)中，當(dāng)中心遮攔太大或者望遠(yuǎn)鏡鏡筒太短的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生直接入射。視場(chǎng)以外的光線(xiàn)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。 p?(L'q"WK  
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 一次散射光 X[C3&NX#_  
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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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)照射到系統(tǒng)上。 =Je>`{J  
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 多次散射光線(xiàn)
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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�要引起注意。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(xiàn)（圖中所示的綠色光線(xiàn)），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。 S^RUw  
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邊緣衍射 :bM+&EP  
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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。 eOO+>%Z  
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紅外系統(tǒng)中的自輻射 2F_ R/{D  
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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(xiàn)的峰值在大概10μm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(xiàn)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。 E+_&HG}a  
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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允許的。在這樣一個(gè)設(shè)備中，有必要冷卻整個(gè)設(shè)備以降低溫度，用來(lái)消除因?yàn)樽陨砩⑸湟�起的雜散光。 q?{}3 dPC  
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以上幾種現(xiàn)象的組合 V%L/8Q~  
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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(xiàn)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(xiàn)也可能從光學(xué)器件上面散射進(jìn)入視場(chǎng)內(nèi)。 5vp|?-\h>  
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2.FRED如何呈現(xiàn)散射光？ >O{7/)gS^  
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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，再追跡其通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光線(xiàn)。第二種方法是通過(guò)系統(tǒng)從探測(cè)器的反向逆追跡光線(xiàn)。通過(guò)使用任何3D光線(xiàn)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)工程師可以利用FRED來(lái)顯示雜散光發(fā)生的位置。反射光線(xiàn)以及折射光線(xiàn)僅僅是問(wèn)題的一部分，散射光也是一個(gè)問(wèn)題。 8
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3.FRED如何產(chǎn)生幾何界面？ J}g~uW  
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系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)可以直接在FRED 中通過(guò)簡(jiǎn)單圖形界面來(lái)創(chuàng)建。也可以導(dǎo)入由機(jī)械軟件設(shè)計(jì)的IGES或STEP格式文件，和光學(xué)設(shè)計(jì)程序的文檔，或者從ASAP 輸出文檔中轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)。FRED軟件具有許多選項(xiàng)用于生成表面，包括標(biāo)準(zhǔn)平面，二次曲線(xiàn)，柱面，橢圓體，雙曲線(xiàn)，環(huán)形面，多項(xiàng)式曲面，澤尼克多項(xiàng)式表面，樣條曲面，網(wǎng)狀面，旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)，壓邊曲線(xiàn)，復(fù)合曲線(xiàn)，凹線(xiàn)和用戶(hù)自定義表面等。圖1和圖2中所示的均為FRED建立的表面。 I@7/jUO  
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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(xiàn)剪切。 VC&c)X  
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4.FRED如何追蹤光路？ CDg AGy
 
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FRED可以進(jìn)行高級(jí)光線(xiàn)追跡。這種光線(xiàn)追跡可以清晰地追蹤系統(tǒng)中所有光線(xiàn)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(xiàn)路徑的列表。光線(xiàn)歷史報(bào)告是一個(gè)對(duì)所有光線(xiàn)的完整陳列，標(biāo)出了有多少光線(xiàn)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)實(shí)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(xiàn)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(xiàn)追跡中呈現(xiàn)一個(gè)可選光路作為一個(gè)可用的光線(xiàn)追跡方法。還可以?xún)H對(duì)這條光線(xiàn)繪制彌散斑圖或點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。 V2znU  
通過(guò)使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)鬼像、直接入射、一次或多重散射在光路中所占的比例大小。 +H'\3^C-  
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圖5 表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)的光線(xiàn)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。第二條光路是完美鍍膜系統(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(xiàn)，與表面有12個(gè)交叉點(diǎn)和2次反射。這條光路顯示在圖6下方。這條清晰的光路是可以看到的，如圖7所示。 O
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