ASAP模拟变焦系统中鬼像的研究

摘要：非成像光束在光学系统内表面的多次折射反射容易在像面附近形成光晕或鬼像，变焦系统由于镜片多，机构复杂等往往难以进行全面的分析模拟。利用ASAP软件模拟每个透射面作为部分透射、部分反射的表面，对变焦光学系统非轴上光进行分析，模拟出变焦系统的光学元件表面和光机内壁，实行实际光线追迹，然后以像面为研究对象，进一步实施实际光线追迹,模拟出全部散射光在像面上的能量分布，找出鬼像形成的原因，并在此基础上通过改变二次反射所在面的曲率或改变所在面的折射率两种方法对变焦光学系统进行优化，减小鬼点数目，以提高系统的成像质量。

关键词：鬼像；变焦系统；ASAP；光线追迹；模拟

引言

杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，主要是由组成系统的光学元件、机械零件的反射和散射而产生。这些杂散光传播回到另一个元件表面，最后传播到像平面上，反射的顶点在像平面上时就形成了鬼像，即鬼像是杂散光的另外一种表现。另外，红外光学系统还有因系统自身热辐射产生的杂散光。

对于成像光学系统，杂散光会增加相面上的噪声，降低像面的对比度和调制传递函数，使整个像面的层次减少，清晰度变坏，严重时杂散辐射噪声可能完全淹没目标信号。对于变焦成像系统来说，由于面数较多、结构较为复杂，更易在像面附近形成光晕或者鬼像，从而影响成像的锐度和对比度，降低了镜头的分辨率，干扰目标的识别。另外，在一些强激光光学系统中，如果不全面分析系统的杂散光和鬼像，那么鬼像点带来的强大能量可能会损毁元件，造成损伤。因此利用计算机来模拟、分析初步设计方案，依据分析结果修改光学元件参数可以大大减少设计时间，降低设计费用，具有实际应用意义。

鬼像仿真的关键问题是模拟出物理属性与现实情况相接近的物体表面状态和光源。目前，很多光学设计软件和分析软件都有鬼像分析功能，常用的杂散光分析软件目前国内外广泛使用的有ZEMAX、TracePro、OptiCAD、ASAP等。本文采用的仿真软件是ASAP。由于ASAP是一套综合的光学分析和杂散光分析软件包，是利用MonteCarlo法进行光线追迹计算，该软件的杂散光分析计算功能非常强大；可以通过简易三维光机模型，指定散射模型来计算各方面的杂散光。该软件的内置非常全面的BRDF数据库，通过内置的BRDF数据库可以指定各分析面的散射特性，有能力产生反应真实光线在真实世界里面的路径的散射模型及接近实际的扩展光源模型。故在理论上，采用该软件进行变焦系统的鬼像模拟是可行的。此外，ASAP还可以计算各阶鬼像杂散光、各种衍射杂散光和红外系统的自身热辐射。

1 模拟原理

从理论上来说，光线的多次反射和折射在光学系统中的任一表面都会发生，2个面之间每发生1次往返的反射即可形成1次鬼像。

图2.变焦系统

图3.变焦系统的鬼像模拟和点列图

图10.视场外的光线在系统形成的鬼像

3 结论

变焦镜头作为一种较为复杂的光学系统，由于镜片数量较多，机械结构复杂，并存在运动部件，其杂散光及鬼像分析手段较为匮乏。但通过ASAP的光线仿真分析可以为这些部件的结构调整提出详尽的数据和直观的图像参考，这也为通过修改有关 透镜的几何参数、材料等对不合理的光路设计进行修正，或为系统引入消杂光结构如遮光罩、表面涂层等手段做出有益的预判。通过ASAP的模拟分析比较，我们发现改变2次反射所在面的曲率及对关键面加镀宽带多层减反膜等措施是消除或改善变焦镜头鬼像的较为有效的方法。所以用ASAP软件进行变焦系统的鬼像模拟分析，对于降低产品成本，达到较高的成像效果有一定的指导意义。

点此下载全文内容（PDF文档）： ASAP模拟变焦系统中鬼像的研究.rar (2014 K)