摘要：非成像光束在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)表面的多次折射反射容易在像面附近形成光暈或鬼像，變焦系統(tǒng)由于鏡片多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜等往往難以進(jìn)行全面的分析模擬。利用ASAP軟件模擬每個(gè)透射面作為部分透射、部分反射的表面，對(duì)變焦光學(xué)系統(tǒng)非軸上光進(jìn)行分析，模擬出變焦系統(tǒng)的光學(xué)元件表面和光機(jī)內(nèi)壁，實(shí)行實(shí)際光線追跡，然后以像面為研究對(duì)象，進(jìn)一步實(shí)施實(shí)際光線追跡,模擬出全部散射光在像面上的能量分布，找出鬼像形成的原因，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變二次反射所在面的曲率或改變所在面的折射率兩種方法對(duì)變焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減小鬼點(diǎn)數(shù)目，以提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鬼像；變焦系統(tǒng)；ASAP；光線追跡；模擬

引言

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，主要是由組成系統(tǒng)的光學(xué)元件、機(jī)械零件的反射和散射而產(chǎn)生。這些雜散光傳播回到另一個(gè)元件表面，最后傳播到像平面上，反射的頂點(diǎn)在像平面上時(shí)就形成了鬼像，即鬼像是雜散光的另外一種表現(xiàn)。另外，紅外光學(xué)系統(tǒng)還有因系統(tǒng)自身熱輻射產(chǎn)生的雜散光。

對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)，雜散光會(huì)增加相面上的噪聲，降低像面的對(duì)比度和調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個(gè)像面的層次減少，清晰度變壞，嚴(yán)重時(shí)雜散輻射噪聲可能完全淹沒目標(biāo)信號(hào)。對(duì)于變焦成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于面數(shù)較多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，更易在像面附近形成光暈或者鬼像，從而影響成像的銳度和對(duì)比度，降低了鏡頭的分辨率，干擾目標(biāo)的識(shí)別。另外，在一些強(qiáng)激光光學(xué)系統(tǒng)中，如果不全面分析系統(tǒng)的雜散光和鬼像，那么鬼像點(diǎn)帶來(lái)的強(qiáng)大能量可能會(huì)損毀元件，造成損傷。因此利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬、分析初步設(shè)計(jì)方案，依據(jù)分析結(jié)果修改光學(xué)元件參數(shù)可以大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)費(fèi)用，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

鬼像仿真的關(guān)鍵問(wèn)題是模擬出物理屬性與現(xiàn)實(shí)情況相接近的物體表面狀態(tài)和光源。目前，很多光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和分析軟件都有鬼像分析功能，常用的雜散光分析軟件目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的有ZEMAX、TracePro、OptiCAD、ASAP等。本文采用的仿真軟件是ASAP。由于ASAP是一套綜合的光學(xué)分析和雜散光分析軟件包，是利用MonteCarlo法進(jìn)行光線追跡計(jì)算，該軟件的雜散光分析計(jì)算功能非常強(qiáng)大；可以通過(guò)簡(jiǎn)易三維光機(jī)模型，指定散射模型來(lái)計(jì)算各方面的雜散光。該軟件的內(nèi)置非常全面的BRDF數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)內(nèi)置的BRDF數(shù)據(jù)庫(kù)可以指定各分析面的散射特性，有能力產(chǎn)生反應(yīng)真實(shí)光線在真實(shí)世界里面的路徑的散射模型及接近實(shí)際的擴(kuò)展光源模型。故在理論上，采用該軟件進(jìn)行變焦系統(tǒng)的鬼像模擬是可行的。此外，ASAP還可以計(jì)算各階鬼像雜散光、各種衍射雜散光和紅外系統(tǒng)的自身熱輻射。

1 模擬原理

從理論上來(lái)說(shuō)，光線的多次反射和折射在光學(xué)系統(tǒng)中的任一表面都會(huì)發(fā)生，2個(gè)面之間每發(fā)生1次往返的反射即可形成1次鬼像。

圖2.變焦系統(tǒng)

圖3.變焦系統(tǒng)的鬼像模擬和點(diǎn)列圖

圖10.視場(chǎng)外的光線在系統(tǒng)形成的鬼像

3 結(jié)論

變焦鏡頭作為一種較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，由于鏡片數(shù)量較多，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并存在運(yùn)動(dòng)部件，其雜散光及鬼像分析手段較為匱乏。但通過(guò)ASAP的光線仿真分析可以為這些部件的結(jié)構(gòu)調(diào)整提出詳盡的數(shù)據(jù)和直觀的圖像參考，這也為通過(guò)修改有關(guān) 透鏡的幾何參數(shù)、材料等對(duì)不合理的光路設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，或?yàn)橄到y(tǒng)引入消雜光結(jié)構(gòu)如遮光罩、表面涂層等手段做出有益的預(yù)判。通過(guò)ASAP的模擬分析比較，我們發(fā)現(xiàn)改變2次反射所在面的曲率及對(duì)關(guān)鍵面加鍍寬帶多層減反膜等措施是消除或改善變焦鏡頭鬼像的較為有效的方法。所以用ASAP軟件進(jìn)行變焦系統(tǒng)的鬼像模擬分析，對(duì)于降低產(chǎn)品成本，達(dá)到較高的成像效果有一定的指導(dǎo)意義。

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