雜散光抑制

本中心於九十三年度進行大口徑光電遙測系統(tǒng)研製，系統(tǒng)採用折反射式望遠鏡設(shè)計，入瞳直徑為 300 mm，光圈值為 F/# = 5，包含石英玻璃鏡片組成之修正像差鏡組，半視角為 1.7 度，使用線型 CCD 為感測器。系統(tǒng)在光學設(shè)計階段除了以提升成像品質(zhì)為目標外，同時也進行雜散光分析，在設(shè)計初期一併進行雜散光抑制，以降低雜散光對成像品質(zhì)的影響。

雜散光是光學系統(tǒng)不需要或是額外衍生出來的光線。雜散光的出現(xiàn)會降低對比、影像品質(zhì)，嚴重者會導致系統(tǒng)或是任務(wù)失敗，因此抑制雜散光在光學系統(tǒng)設(shè)計中是相當重要的課題。一般引發(fā)雜散光的因素眾多，經(jīng)驗上大致可分類為：一、光源直射 (straight-shots)；二、光學元件反射產(chǎn)生的鬼影 (ghost reflection)；三、光學表面及機械表面的散射光，即散射雜散光 (scatter stray light)；四、其他，如光圈 (stop) 及擋光板 (baffles) 的邊緣繞射 (edge diffraction)，光柵所產(chǎn)生多餘光線 (unwanted diffraction orders)，甚至紅外線系統(tǒng)中機構(gòu)與光學元件的溫度輻射效應(yīng) (thermal emission effect) 也是雜散光的來源。

在現(xiàn)實上，雖然雜散光無法完全消失，但配合適當?shù)墓鈾C設(shè)計將可有效的抑制雜散光在合理的程度內(nèi)，雜散光抑制必須在系統(tǒng)層級的角度優(yōu)先考量，配合光學設(shè)計與機構(gòu)設(shè)計來抑制雜散光，因為事後的修改，將會增加許多成本。通常選擇適當?shù)墓馊ξ恢谩⒃黾訐豕獍迮c擋光舵板 (vanes) 等遮光系統(tǒng)以及黑化機構(gòu)表面，可以有效抑制雜散光的發(fā)生。

望遠鏡遮光系統(tǒng)

折反射式望遠鏡之遮光系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：一、必須能排除光源直射效應(yīng)，防止望遠鏡組中的主反射鏡、次反射鏡與後端的修正鏡組受到視角外光源，如日光的直接照射。二、阻隔視角外或是未遵循設(shè)計光路徑，直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過的光線。三、減少系統(tǒng)內(nèi)的散射雜光 (scatter stray light)，或是主反射鏡與次反射鏡之間的二次反射 (double pass) 光線於焦平面成像。四、規(guī)範望遠鏡組的可視範圍。依據(jù)上述條件，遮光系統(tǒng)可分類為外鏡筒 (sun-shield)、位於主反射鏡中央缺孔的主擋光板 (primary baffle)、環(huán)繞於次反射鏡週邊的次擋光板 (secondary baffle)，另有位於各遮光元件與機構(gòu)上防止結(jié)構(gòu)表面散射雜光的次結(jié)構(gòu)，稱之為擋光舵板，如圖一。

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圖一、望遠鏡系統(tǒng)與遮光系統(tǒng)。

外鏡筒可提供望遠鏡組適當?shù)恼诒�，隔絕光線直接照射主反射鏡與次反射鏡，使得雜散光的來源主要限制於來自小角度的光源直射與散射雜光，因為光學系統(tǒng)仍然存在著設(shè)計視角值之外光源直射的問題。如前所述，這些視角外的光線並未受到主、次反射鏡之作用，便直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過，而直接抵達焦平面。此時消除光源直射效應(yīng)最有效的方法便是增加擋光板，直接阻擋這些直射的光線，在此擋光舵板可充分發(fā)揮其抑制雜散光的功能，特別是對於光源在較大離軸角度所產(chǎn)生的散射雜光，在增加擋光舵板後可降低一到三個級數(shù)的雜散光能量。

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圖二、特徵光束之光束覓跡圖。

擋光板的尺寸與位置除了要考慮其抑制雜散光的效能外，也要考慮其系統(tǒng)成像品質(zhì)的影響，過多的遮蔽會使得系統(tǒng)入光量降低而減低成像對比度，若系統(tǒng)視角受到阻隔則會有成像平面能量分布不均勻的情況。一般而言，主反射鏡中央缺孔延伸而出的稱之為主擋光板、環(huán)繞於次反射鏡週邊的則稱為次擋光板。值得注意的是設(shè)計時主擋光板不可阻擋到由主反射鏡反射至次反射鏡的光線，或者是由次反射鏡反射的成像光線；而次擋光板是不可阻擋到主反射鏡反射至次反射鏡的光線，並且要能確定其中央遮蔽率足夠大，以避免次擋光板之邊緣在焦平面成像。

擋光板的位置、形狀尺寸、開口大小關(guān)係到光學設(shè)計及感測器，在做法上可以先行利用軸上入射光束的初階計算出擋光板需要的預(yù)留長度，並當成初始設(shè)計值。接著再根據(jù)光學系統(tǒng)的視角與感測器規(guī)格，配合特徵光線的光束追蹤，如主反射鏡最邊緣所入射的光線與恰好通過次擋光板邊緣的入射光線來檢視次擋光板與主擋光板的輪廓，如圖二所示，並估計組裝與製作公差以決定正確尺寸。

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圖三、增加擋光板前後系統(tǒng) PST 的比較。

決定擋光板之後即可利用 PST (point source transmittance) 來評估擋光板的效能。PST 是一般最常被使用來評估光機系統(tǒng)雜散光特性的方法，簡單來說，是討論光源在進入系統(tǒng)時之能量以及最後落於焦平面上之能量比例，這可以將整個光機系統(tǒng)的雜散光資訊彙整成一個單一的數(shù)據(jù)，以利系統(tǒng)間的相互比較。

藉由 PST 曲線可以清楚的比較裝置擋光板前後的雜散光比例差異，與內(nèi)部擋光板阻擋直射光源的功用，如圖三。紅色曲線為未增加主次擋光板時所獲得的雜散光比例，很明顯的在原本會有光源直射現(xiàn)象的角度區(qū)間內(nèi)，雜散光的比例可獲得有效的抑制，以 10 度入射時的峰值為例，PST 由原先的 1.8% 被抑制至 5.19 × 10⁻³%，因此主次擋光板可如預(yù)期的阻擋直射光源進入望遠鏡組之後端組件。另外，值得注意的是在 4°–5° 區(qū)間內(nèi)，PST 值卻不如預(yù)期，不降反升。釐清各個雜散光路徑後，發(fā)現(xiàn)此時主擋光板反而是誘發(fā)雜散光的關(guān)鍵機構(gòu)，這表示在製造檔光板以及結(jié)構(gòu)表面黑化處理時必須更加注重其表面之散射特性 (BSDF)，以防止光線經(jīng)由主擋光板被反射至焦平面。

外鏡筒與主次鏡擋光板是最典型的望遠鏡系統(tǒng)遮光系統(tǒng)，本文提供了增加遮光系統(tǒng)前後的比較，希望能給光學或是光機設(shè)計者一個參考，以了解遮光系統(tǒng)的重要性。