雜散光問題出現在幾乎所有的光機系統或者照明系統中。通過遮擋或者移除零件、表面涂漆或者在光學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。
1. 什么是雜散光？
簡單來說，雜散光就是系統不需要的噪音，它是由光機結構、視場外光源或者不完善的光學零件產生的，還有可能是由光學或系統自身的熱輻射引起的。FRED 善于發現這些不需要的噪音，它將運用它的虛擬樣機研究分析能力來幫助我們消除它。
在成像系統中，雜散光的成因有很多，具體如下：
鬼像
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）構成的光學系統是不會形成鬼像的。如果陽光在拍攝視場內或附近時，鬼像就會出現在影像中。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系統的孔徑光闌的形態。在下圖1中呈現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系統的透鏡則沒有鍍任何膜。追跡由一點發出的21*21的光線以覆蓋系統的第一片透鏡。
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，各個光學表面有菲涅爾損耗從而產生鬼像。我們已經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的光線變成了藍色。這種反射正是下方光學系統雜散光的成因。
直接入射
在諸如卡塞格林式系統中，當中心遮攔太大或者望遠鏡鏡筒太短的時候，就會發生直接入射。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，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，對系統來說簡直就是一場災難。
圖2.圖中所示綠色光線是軸外光源發出的光線，該光線繞開所有的光學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現。
一次散射光
當雜散光源，比如太陽，直接照射到光學系統的時候就會產生單次散射光。部分散射光線經過光學系統之后，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象。所以遮光罩設計的基本目的就是不讓光線照射到系統上。
多次散射光線
即使散射光源不直接照射光學器件，散射光也會間接產生。首先散射光源照射到遮光罩表面發生散射，然后照射到光學器件。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出的光線（圖中所示的綠色光線），進入卡塞格林望遠鏡系統后，怎樣在系統內的遮光罩與遮光罩之間發生多次散射，并最終到達探測器。
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。
邊緣衍射
當孔徑尺寸和波長比相對較小的時候(104或者更小)，場外光源經孔徑光闌發生的邊緣衍射可能是雜散光的一個重要來源。
紅外系統中的自輻射
熱紅外或者熱成像系統中也可以出現雜散光，該雜散光是由設備自身的熱輻射引起的。 這類系統通過檢測疊加在一個大背景上的一個小的信號來運轉。 室溫情況下，黑體發射率曲線的峰值在大概10μm處. 因而在這種波長下，環境也會"發光"。隨著溫度或者發射率的變化，黑體發射曲線在發熱過程中會有很小的變化。熱成像系統一般通過減去背景來增強紅外圖像的對比度。當背景不均勻，比如說有”水仙花效應”, 就產生了一個雜散光信號。 特別是， 當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生了。典型的表現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。
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。在這樣一個設備中，有必要冷卻整個設備以降低溫度，用來消除因為自身散射引起的雜散光。
圖4 該圖演示了一個簡單的模型：一個溫熱的茶壺，其表面有著不同的發射率和溫度分布。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）。許多紅外系統中都發現機械結構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。
以上幾種現象的組合
以上現象的組合也會發生，并且可能很重要。 比如， 自輻射光線可能繼而從光學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器件上面散射進入視場內。
2.FRED如何呈現散射光？
有幾種方法可以跟蹤散射光。第一種方法是制造一個光源，再追跡其通過光學系統的光線。第二種方法是通過系統從探測器的反向逆追跡光線。通過使用任何3D光線追跡軟件程序來顯示雜散光光路是相當重要的。光學工程師可以利用FRED來顯示雜散光發生的位置。反射光線以及折射光線僅僅是問題的一部分，散射光也是一個問題。
3.FRED如何產生幾何界面？
系統的幾何結構可以直接在FRED 中通過簡單圖形界面來創建。也可以導入由機械軟件設計的IGES或STEP格式文件，和光學設計程序的文檔，或者從ASAP 輸出文檔中轉換過來。FRED軟件具有許多選項用于生成表面，包括標準平面，二次曲線，柱面，橢圓體，雙曲線，環形面，多項式曲面，澤尼克多項式表面，樣條曲面，網狀面，旋轉曲線，壓邊曲線，復合曲線，凹線和用戶自定義表面等。圖1和圖2中所示的均為FRED建立的表面。
因為FRED 有一個多文檔用戶界面，所以可以在文檔間進行元件的相互剪切，復制以及粘貼。 實體在理論上可能被設置為各層組裝體，組件和元件等等。它符合系統的物理層結構；任何一個物體都可以在任意的坐標系統中定義。任何表面都可能被任何隱式曲面或者任何孔徑收集曲線剪切。
4.FRED如何追蹤光路？
FRED可以進行高級光線追跡。這種光線追跡可以清晰地追蹤系統中所有光線的所有路徑。圖5顯示了在圖1中的兩個雙膠合透鏡的光線路徑的列表。光線歷史報告是一個對所有光線的完整陳列，標出了有多少光線以這條光路發射，他們怎樣到達最終的實體（在這個實例中是焦平面）以及他們穿過了多少表面（事件計數）。也可以取任一條光線追跡的光路然后將其復制到用戶定義光路列表 (選擇光路，將鼠標移至光路然后選擇一個選項將這條光路復制到用戶定義光路列表)。這條光路將立刻在高級光線追跡中呈現一個可選光路作為一個可用的光線追跡方法。還可以僅對這條光線繪制彌散斑圖或點擴散函數圖。
通過使用這種方法可以發現鬼像、直接入射、一次或多重散射在光路中所占的比例大小。
圖5 表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統的光線路徑。注意到有8條光路到達了探測器，表中第二欄到最后一欄所示。第二條光路是完美鍍膜系統的光路，光路0是未鍍膜系統的一個光路。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個交叉點和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。
圖6 追跡未鍍膜雙膠合透鏡中的8路徑
圖7 圖6中呈現的光線路徑信息
5. FRED 怎樣顯示彌散斑圖
FRED以光線顏色來顯示彌散斑。在圖8中，我們可以很容易的發現，鬼像的光線集中在未鍍膜信號周圍并且以藍色表示，右邊是有鍍膜的完善透鏡系統。
圖8 圖1中的雙膠合透鏡系統所成的彌散斑圖
6. FRED中如何查看輻照度圖？
FRED以四塊面板呈現輻照度圖。左上方是一個等大的偽彩色圖，它顯示的是在選中分析面單元接受到的光功率，其右邊欄的刻度顯示的是這個圖中的功率等級。右上和左下的面板是左上面板的橫截面。點擊左上方圖中的任一處，一個橫截面將會出現在水平以及垂直兩個方向，在這個位置的坐標和輻射將會顯示在這個左上方的面板的左下角。右下方的圖顯示在這個分析面上定義的各個像素的數量和光線。如果用戶點擊右下方的圖，就可以看到每個探測器像素的相對誤差。這是一個很好的方式讓你知道是否已經追跡了足夠多的光線來為系統繪制有效的輻照度圖， 這點對于照明系統來說尤其重要。兩個雙膠合透鏡系統的輻照圖在下圖9中顯示。
圖9 雙膠合透鏡系統的輻照度圖
只看一個面板的時候，鼠標左鍵雙擊界面。因為接下來的兩個圖是為左上的面板而定制的。 |
