光学系统杂散光分析

摘要：杂散光是光学系统中所有非正常传输光的总称，杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化。因此，在现代光学设计中，杂散光分析成为光学设计工作中的一个重要环节。杂散光产生的原因比较复杂，讨论了漏光和透射面残余反射引起的杂散光，针对漏光杂散光给出了高密度取样的分析方法，对于残余反射的杂散光建立了带能量因子的光线光学模型和光线二叉树的数据结构，在保证计算精度的同时减少了计算时间。对一个卡塞格林光学系统进行了漏光杂散光分析和光学表面残余反射杂散光的近轴与实际光线分析，得到减少杂散光的措施，达到了杂散光分析的目的。

关键词：杂散光；鬼像；漏光；光线追迹

0.引言

杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，产生于漏光、透射光学表面的残余反射和镜筒内壁等非光学表面的残余反射，以及由于光学表面质量问题产生的散射光，而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，杂散光会增加像面上的噪声，特别是在像面附近出现的杂散光汇聚点会对成像产生严重影响，这些汇聚点就称作“鬼像”。文中将讨论分析漏光和透射光学表面的残余反射杂散光的建模。

1.杂散光分析方法

1.1.漏光杂散光

漏光杂散光是指部分光未按照所设定的光束限制(视场、孔径、渐晕)直接进入光学系统的情况。这在折反射光学系统光路中经常出现，因此在这类光学系统中应该对这种杂散光进行专门的分析。例如，一个典型的卡塞格林系统(如图l所示)，由于主反射镜中间存在通光孔，如果不加特殊光阑处理，就会有光不通过主次镜的反射直接进入光学系统，并到达像面形成鬼像。

图1.长焦卡塞格林折、反射照相物镜

为消除这种漏光，通常采用加遮光罩和在主次镜上加上专门的筒形消杂光光阑。为了彻底消除漏光杂光，同时又保证正常光束的通过，需要对漏光进行非常精确的分析，可以使用目前常用的光学设计软件(如Zemax)，这需要将光学系统模型稍加改造，将主次镜改成为特定的光阑，并对视场进行密集取样。这种方法比较烦琐，特别是加了筒形光阑之后，建模困难，为此笔者设计了专用分析软件，方便地输入各光阑的位置、大小和长短(筒形光阑)，设定视场和孔径高密度取样的情况，软件能够直接显示出漏光在像面上的光斑分布情况和到达像面的光的走向，在这一分析的指导下，设计人员可以方便地确定各筒形光阑的大小、位置和长短。

1.2.光学系统透射面残余反射杂散光

光学系统的透射面无论怎样处理，总会有部分光被反射，其中一些经多次反射后会在像面上形成鬼像。特别是一些复杂的光学系统，对一个比较亮的光源成像时，这种现象尤为严重，可以在图像中出现一串大大小小的亮环或光点。要模拟这种杂散光的产生和传输可以将每个透射面作为部分透射、部分反射的表面，分别对各面透射光和反射光的传输进行研究，求出各路光束在指定位置的能量分布情况，对于成像光学系统主要研究像面上的能量分布。目前，很多光学设计软件和分析软件都有鬼像分析功能。杂散光分析通常采用蒙特卡罗方法，这种方法是在某个物点上随机发出很多条光线，当某条光线到达一个透射面之后，其透射或反射的概率是由透过率决定，当追迹了大量光线之后，统计出到达像面的光线数量和分布情况，就可以了解在像面上的杂散光的能量分布情况，这种方法必须追迹相当数量的光线，否则结果就不具备统计意义，特别是当系统比较复杂、面数比较多时光线数就必然以几何级数增加。计算量的问题就非常突出。为此，采用光线光学方法设计了专用杂散光分析软件，为了避免重复计算，使用以下处理方法：

(1)使用有能量因子的光线光学方法