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    [分享]FRED在雜散光分析中的應(yīng)用 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2021-07-30
    雜散光問題出現(xiàn)在幾乎所有的光機系統(tǒng)或者照明系統(tǒng)中。通過遮擋或者移除零件、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來分析和避免雜散光問題。 SG~HzQ\%  
     FwKY;^`!d  
    1. 什么是雜散光？ .`u8(S+  
     ]p4?nT@]  
    簡單來說，雜散光就是系統(tǒng)不需要的噪音，它是由光機結(jié)構(gòu)、視場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，它將運用它的虛擬樣機研究分析能力來幫助我們消除它。 | Wj=%Ol%o  
     O,+9r_Gh  
    在成像系統(tǒng)中，雜散光的成因有很多，具體如下： $B9?>a|{A  
     'lEIwJV$  
    鬼像 6]GHCyo  
     KDf#e3  
    之所以叫作鬼像是因為像面離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。光線從透鏡表面反射偶數(shù)次就會形成鬼像。有兩次反射鬼像，四次反射鬼像等等。僅一個鏡面（比如卡塞格林望遠鏡）構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)是不會形成鬼像的。如果陽光在拍攝視場內(nèi)或附近時，鬼像就會出現(xiàn)在影像中。汽車的頭燈或者街燈也會在夜間攝影時造成雜散光。如果光亮源很小，各個鬼像會形成光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌的形態(tài)。在下圖1中呈現(xiàn)的就是一個很好的鬼像例子，其中一個雙膠合透鏡有著完美鍍膜的透鏡而另外一個光學(xué)系統(tǒng)的透鏡則沒有鍍?nèi)魏文�。追跡由一點發(fā)出的21*21的光線以覆蓋系統(tǒng)的第一片透鏡。 [# X} (  
     "`S?q G  
    O\oRM2^u}  
    圖1.兩個雙膠合透鏡，上面的雙膠合透鏡的各個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有鍍膜，各個光學(xué)表面有菲涅爾損耗從而產(chǎn)生鬼像。我們已經(jīng)改變了在各個表面的光線追跡控制，因此從這個表面反射的由于菲涅爾損耗而出現(xiàn)的光線變成了藍色。這種反射正是下方光學(xué)系統(tǒng)雜散光的成因。 $zhvI*0  
     y_Gs_xg  
    直接入射 247vU1  
     %PPy0RZ^  
    在諸如卡塞格林式系統(tǒng)中，當(dāng)中心遮攔太大或者望遠鏡鏡筒太短的時候，就會發(fā)生直接入射。視場以外的光線能夠進入望遠鏡，直接越過次鏡，穿越主鏡的開孔，從而以雜散光的形式直接打到焦平面上。如下圖2所示的那種望遠鏡系統(tǒng)，假如陽光可以直接進入的話，那這種雜散光危害是非常大的，對系統(tǒng)來說簡直就是一場災(zāi)難。 j)nE!GKD(  
     } nIYNeP?D  
    Cnc=GTR i  
    圖2.圖中所示綠色光線是軸外光源發(fā)出的光線，該光線繞開所有的光學(xué)部件并且直接進入探測器上。FRED 的3D可視化效果和用戶自定義光路的能力，使得這個問題很容易被發(fā)現(xiàn)。
    [EVyCIcY,h  
     一次散射光 _BgWy#  
     I@Y k &aU  
    當(dāng)雜散光源，比如太陽，直接照射到光學(xué)系統(tǒng)的時候就會產(chǎn)生單次散射光。部分散射光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后，會照射到焦平面，我們認為它散射進了視場。而一旦光線散射進了視場，它就變成了雜散光，要想消除這種雜散光，則不可避免地會伴有漸暈現(xiàn)象。所以遮光罩設(shè)計的基本目的就是不讓光線照射到系統(tǒng)上。 *Br }U  
     ",5=LW&,  
     多次散射光線 Mu.oqT  
     <Nloh+n=  
    即使散射光源不直接照射光學(xué)器件，散射光也會間接產(chǎn)生。首先散射光源照射到遮光罩表面發(fā)生散射，然后照射到光學(xué)器件。由此造成的雜散光總是比直接照射的散射光要小，但是它還是因為足夠大而要引起注意。圖3是一個很好的示范，它演示了場外光源發(fā)出的光線（圖中所示的綠色光線），進入卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)后，怎樣在系統(tǒng)內(nèi)的遮光罩與遮光罩之間發(fā)生多次散射，并最終到達探測器。 5>H&0> \  
     cYOcl-*af  
    圖3  綠色光線進入卡塞格林望遠鏡后入射到桶狀主遮光罩上發(fā)生散射，而后射向主反射鏡和次反射鏡，（分別以紅色和藍色代表），部分這些光線最終反射到探測器上。 =_6 Q26  
    邊緣衍射 {~#01p5  
     ?!c7Zx,(  
    當(dāng)孔徑尺寸和波長比相對較小的時候(104或者更小)，場外光源經(jīng)孔徑光闌發(fā)生的邊緣衍射可能是雜散光的一個重要來源。 8MU7|9 Q  
     6/'X$}X  
    紅外系統(tǒng)中的自輻射 7bVKH[  
     :.{d,)G  
    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。 這類系統(tǒng)通過檢測疊加在一個大背景上的一個小的信號來運轉(zhuǎn)。 室溫情況下，黑體發(fā)射率曲線的峰值在大概10μm處. 因而在這種波長下，環(huán)境也會"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)熱過程中會有很小的變化。熱成像系統(tǒng)一般通過減去背景來增強紅外圖像的對比度。當(dāng)背景不均勻，比如說有”水仙花效應(yīng)”, 就產(chǎn)生了一個雜散光信號。 特別是， 當(dāng)冷卻了的探測器的一個圖像在其自身成像的時候，背景的局部嚴重缺損就產(chǎn)生了。典型的表現(xiàn)為在圖像的中心形成黑斑。人們可能稱它為“雜斑”而不是雜散光。 \O~WMN  
     OzH\YN  
    紅外輻射計測量絕對輻射而不是一個相對輻射，所以任何背景輻射都是不允許的。在這樣一個設(shè)備中，有必要冷卻整個設(shè)備以降低溫度，用來消除因為自身散射引起的雜散光。 1b7?6CqV  
     +,i_G?eX  
    圖4  該圖演示了一個簡單的模型：一個溫?zé)岬牟鑹�，其表面有著不同的發(fā)射率和溫度分布。茶壺通過一個單透鏡成像，探測器放置在透鏡后面（觀察不到）。許多紅外系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)自身輻射到探測器的問題。而解決的方法不是移除自輻射源就是對這些輻射加以遮擋。
    以上幾種現(xiàn)象的組合 n"~K",~P  
     E3x<o<v  
    以上現(xiàn)象的組合也會發(fā)生，并且可能很重要。 比如， 自輻射光線可能繼而從光學(xué)器件上散射進入視場里面。由孔徑衍射的光線也可能從光學(xué)器件上面散射進入視場內(nèi)。 jrm^n_6};  
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