雜散光問題出現(xiàn)在幾乎所有的光機(jī)系統(tǒng)或者照明系統(tǒng)中。通過遮擋或者移除零件、表面涂漆或者在光學(xué)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。 ?MhY;z`=  
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1. 什么是雜散光？ 5$ra4+k0  
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簡單來說，雜散光就是系統(tǒng)不需要的噪音，它是由光機(jī)結(jié)構(gòu)、視場外光源或者不完善的光學(xué)零件產(chǎn)生的，還有可能是由光學(xué)或系統(tǒng)自身的熱輻射引起的。FRED 善于發(fā)現(xiàn)這些不需要的噪音，它將運用它的虛擬樣機(jī)研究分析能力來幫助我們消除它。 ,:!dqonn  
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在成像系統(tǒng)中，雜散光的成因有很多，具體如下： +R_w- NI  
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鬼像 Kpo{:a  
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之所以叫作鬼像是因為像面離焦或者是由明亮的光源成鬼影一樣的像。鬼像是由透鏡表面的反射引起的。光線從透鏡表面反射偶數(shù)次就會形成鬼像。有兩次反射鬼像，四次反射鬼像等等。僅一個鏡面（比如卡塞格林望遠(yuǎn)鏡）構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)是不會形成鬼像的。如果陽光在拍攝視場內(nèi)或附近時，鬼像就會出現(xiàn)在影像中。汽車的頭燈或者街燈也會在夜間攝影時造成雜散光。如果光亮源很小，各個鬼像會形成光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌的形態(tài)。在下圖1中呈現(xiàn)的就是一個很好的鬼像例子，其中一個雙膠合透鏡有著完美鍍膜的透鏡而另外一個光學(xué)系統(tǒng)的透鏡則沒有鍍?nèi)魏文�。追跡由一點發(fā)出的21*21的光線以覆蓋系統(tǒng)的第一片透鏡。 XdDy0e4{%<  
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圖1.兩個雙膠合透鏡，上面的雙膠合透鏡的各個透鏡表面都鍍有理想的增透膜。下面的雙膠合透鏡由于其透鏡沒有鍍膜，各個光學(xué)表面有菲涅爾損耗從而產(chǎn)生鬼像。我們已經(jīng)改變了在各個表面的光線追跡控制，因此從這個表面反射的由于菲涅爾損耗而出現(xiàn)的光線變成了藍(lán)色。這種反射正是下方光學(xué)系統(tǒng)雜散光的成因。 PB 
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直接入射 .d;XLS~  
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在諸如卡塞格林式系統(tǒng)中，當(dāng)中心遮攔太大或者望遠(yuǎn)鏡鏡筒太短的時候，就會發(fā)生直接入射。視場以外的光線能夠進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，直接越過次鏡，穿越主鏡的開孔，從而以雜散光的形式直接打到焦平面上。如下圖2所示的那種望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，假如陽光可以直接進(jìn)入的話，那這種雜散光危害是非常大的，對系統(tǒng)來說簡直就是一場災(zāi)難。 mt+IB4`  
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 一次散射光 5$e|@/(0  
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當(dāng)雜散光源，比如太陽，直接照射到光學(xué)系統(tǒng)的時候就會產(chǎn)生單次散射光。部分散射光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后，會照射到焦平面，我們認(rèn)為它散射進(jìn)了視場。而一旦光線散射進(jìn)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(xiàn)象。所以遮光罩設(shè)計的基本目的就是不讓光線照射到系統(tǒng)上。 JRm:hf'  
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 多次散射光線 <[H1S@{W  
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即使散射光源不直接照射光學(xué)器件，散射光也會間接產(chǎn)生。首先散射光源照射到遮光罩表面發(fā)生散射，然后照射到光學(xué)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(fā)出的光線（圖中所示的綠色光線），進(jìn)入卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，怎樣在系統(tǒng)內(nèi)的遮光罩與遮光罩之間發(fā)生多次散射，并最終到達(dá)探測器。 w6fVZY4  
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邊緣衍射 Xw=>L#Q  
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當(dāng)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(jīng)孔徑光闌發(fā)生的邊緣衍射可能是雜散光的一個重要來源。 |8$x  
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紅外系統(tǒng)中的自輻射 E0<9NFQr7  
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熱紅外或者熱成像系統(tǒng)中也可以出現(xiàn)雜散光，該雜散光是由設(shè)備自身的熱輻射引起的。 這類系統(tǒng)通過檢測疊加在一個大背景上的一個小的信號來運轉(zhuǎn)。 室溫情況下，黑體發(fā)射率曲線的峰值在大概10μm處. 因而在這種波長下，環(huán)境也會"發(fā)光"。隨著溫度或者發(fā)射率的變化，黑體發(fā)射曲線在發(fā)熱過程中會有很小的變化。熱成像系統(tǒng)一般通過減去背景來增強(qiáng)紅外圖像的對比度。當(dāng)背景不均勻，比如說有”水仙花效應(yīng)”, 就產(chǎn)生了一個雜散光信號。 特別是， 當(dāng)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(yán)重缺損就產(chǎn)生了。典型的表現(xiàn)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。 %r0yBK2uOp  
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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(shè)備中，有必要冷卻整個設(shè)備以降低溫度，用來消除因為自身散射引起的雜散光。 LsnM5GU7  
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以上幾種現(xiàn)象的組合 );wSay>%(  
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以上現(xiàn)象的組合也會發(fā)生，并且可能很重要。 比如， 自輻射光線可能繼而從光學(xué)器件上散射進(jìn)入視場里面。由孔徑衍射的光線也可能從光學(xué)器件上面散射進(jìn)入視場內(nèi)。 3%]%c6  
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2.FRED如何呈現(xiàn)散射光？ SsDe\"?Q  
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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(xué)系統(tǒng)的光線。第二種方法是通過系統(tǒng)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(dāng)重要的。光學(xué)工程師可以利用FRED來顯示雜散光發(fā)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。 *v[WJ"8@  
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3.FRED如何產(chǎn)生幾何界面？ 8'Z#sM^E  
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系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)可以直接在FRED 中通過簡單圖形界面來創(chuàng)建。也可以導(dǎo)入由機(jī)械軟件設(shè)計的IGES或STEP格式文件，和光學(xué)設(shè)計程序的文檔，或者從ASAP 輸出文檔中轉(zhuǎn)換過來。FRED軟件具有許多選項用于生成表面，包括標(biāo)準(zhǔn)平面，二次曲線，柱面，橢圓體，雙曲線，環(huán)形面，多項式曲面，澤尼克多項式表面，樣條曲面，網(wǎng)狀面，旋轉(zhuǎn)曲線，壓邊曲線，復(fù)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。 _-&\~w  
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因為FRED 有一個多文檔用戶界面，所以可以在文檔間進(jìn)行元件的相互剪切，復(fù)制以及粘貼。 實體在理論上可能被設(shè)置為各層組裝體，組件和元件等等。它符合系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)；任何一個物體都可以在任意的坐標(biāo)系統(tǒng)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。 [a;U'v*  
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4.FRED如何追蹤光路？ [2UjY^\;T  
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FRED可以進(jìn)行高級光線追跡。這種光線追跡可以清晰地追蹤系統(tǒng)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(biāo)出了有多少光線以這條光路發(fā)射，他們怎樣到達(dá)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(shù)）。也可以取任一條光線追跡的光路然后將其復(fù)制到用戶定義光路列表 (選擇光路，將鼠標(biāo)移至光路然后選擇一個選項將這條光路復(fù)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(xiàn)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(kuò)散函數(shù)圖。 }&)X4=  
通過使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)鬼像、直接入射、一次或多重散射在光路中所占的比例大小。 bsw0+UY=9  
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圖5 表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)的光線路徑。注意到有8條光路到達(dá)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(tǒng)的光路，光路0是未鍍膜系統(tǒng)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。 \f6SA{vR|