什么是杂散光？软件如何帮助寻找杂散光？

杂散光是任何能干扰光学系统预期功能的多余的电磁辐射。杂散光可以出现在成像系统或投影系统中，尽管控制前者的杂散光通常更为关键。杂散光可以来自光学系统正在拍摄的物体，也可以来自非预期的外部辐射源，或者就红外敏感系统而言，杂散光可以来自系统本身的元件因自身热量而发光。

杂散光的例子包括：

•光学系统内部机械安装表面的反射光

•通过系统外壳缝隙的漏光

•由于系统光学表面的灰尘和其他缺陷带来的散射光

•对于地基天文学而言，城市灯光经大气反射产生的天空辉光可能是杂散光的主要来源

•太阳、地球和月球是轨道望远镜常见的外部杂散光源

两种类型的杂散光

杂散光可以分为两种不同的类型：鬼像和杂光或眩光。

在成像系统中，当来自图像场中的光源的光经历两次或更多不需要的反射，然后落在成像设备上，产生不需要的鬼影图像时，就会出现鬼像。对于数码相机来说，鬼像最常见的来源之一是从成像设备反射回光学系统的光，然后从透镜表面反射回来形成二次图像。

杂光或眩光通常发生在当光在光学系统内部散射时，包括在光学表面缺陷处或在系统中的机械元件处。眩光也可能是由于大气中光线的反射引起的，比如雾霾或天空辉光。

•鬼像

o通常由成像表面之间的非正常反射引起

o光栅的比较高的或未被阻挡的衍射级次

o明亮散射表面的二次成像

•杂光或眩光

o从光学系统视场之外入射到像面上的光

o视场范围内的明亮光源，来自温暖表面的热辐射

o通常是光学系统内部的光散射的结果

鬼像示例：用手机相机拍摄的照片，清晰地显示了蜡烛火焰的三个锐利聚焦的鬼影图像。还有第四个弥散的鬼像，以中间锐利的鬼影为中心弥散开。

为什么在设计中发现杂散光很重要？

杂散光可以通过向图像中添加不需要的光线来降低图像的对比度。对于探测系统，杂散光会降低它们的灵敏度。对于商业成像系统，这可能会产生令人不快的图像。对于光投影系统，杂散光会在光束图案中产生不需要的亮斑。

软件如何帮助寻找杂散光？

鬼影图像通常可以用序列光线追踪软件进行分析。由于表面的反射率通常非常低，因此只有涉及两次反射的鬼影才会引起关注。这显著降低了问题复杂性，因此可以独立检查每个可能的鬼像路径，并评估潜在影响。

鬼影示例：一个单独的鬼影路径的序列光线追踪。视场范围内的物体发出的光穿过透镜，在右边的探测器上成像。部分光随后被探测器反射回透镜。然后其中某一个透镜表面将光线反射回探测器的不同位置。这个鬼影很有意思，因为鬼影光线几乎聚焦在探测器上，这将导致与光线在一个更大的区域分散开相比，会出现一个更明亮的鬼影图像。

杂光可以通过许多通常不可预料的光路进入光学系统。蒙特卡罗软件被用来研究杂光的影响。穷举方法将随机产生许多光线，并通过模型分析能量如何分布。方差缩减方法用于提高从包含低概率事件（如大角度散射）的路径中求解杂光贡献的效率。

非预期光示例：视场范围内的物体发出的光线经透镜支架散射，然后被透镜表面反射到探测器上。

杂散光模拟的计算方法

由鬼像和杂光组成的杂散光的分析和控制是成像系统设计中一项重要而复杂的任务。鬼像产生自位于主光路内的表面的多次反射。在焦点处或焦点附近撞击在图像平面上的鬼影图像是特别值得关注的⁠—杂光可能是由于透镜支架、透镜的非光学表面（如平面和边缘）的光反射引起的，也可能是探测器本身的反射重新成像到探测器上。由于探测器微观结构的衍射，模拟从探测器反射的光线可能变得复杂。所有的计算都是均可用常见的光学设计仿真软件完成。下面以Synopsys公司的三款软件为例子，讲述分析相机系统中杂散光的典型工作流程。

CODEV

l设计透镜以满足光学性能要求

l执行鬼像分析以找出特定的成对困难表面

l如果需要，使用@GHOST重新优化以避免鬼影图像

l导出到LightTools以便进行安装设计和杂光分析

LightTools

l从CodeV导入镜头文件

l设计镜头支架

l将光学特性指定给支架、透镜和探测器的表面

l插入一个光源

l运行多重蒙特卡洛仿真以分析杂光和鬼像

RSoft

l在RSoft CAD中为探测器芯片和纳米结构AR涂层建模

l采用BSDFUtility对使用FullWAVE或DifractMOD的结构的透射光和反射光进行建模

l输出BSDF文件到LightTools

编辑：黄飞