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光学系统中的杂散光

2021-12-16 17:40| 发布者:Davis| 查看:2062| 评论:0|原作者: 红外光学 Infrared Optics

摘要:光学系统中的杂散光会影响性能,光学工程师需要对其进行深入了解,通过杂散光分析软件等工具进行预测与抑制。衍射效应、鬼像等都可能是杂散光产生的重要原因。点源透光率、杂散光百分比、盲图分析计算等可以用于检测和分析光机系统中的杂散光特性。在红外成像中,还需考虑热辐射的影响。

众所周知,光学系统中杂散光会影响其性能。光学工程师必须对杂散光进行深入了解,通过掌握必要的工具,对系统的杂散光进行准确的预测与有效的抑制。

在光电仪器领域,电子学工程师非常熟悉散粒噪声、热噪声、闪烁噪声和串扰的影响,深知他们对系统造成的影响,并掌握降低这些噪声并提到系统信噪比的方法。

有相当一部分光学工程师将绝大部分精力集中于系统成像质量的优化与分析,对系统存在或潜在的光学噪声(杂散光)认识不足,从而导致系统的性能不佳。

在对弱目标探测的系统(如天文观测、微光信号检测、医疗仪器)中,对光学噪声的分析更为重要,在一些情况下,杂散光足以掩盖你所想得到的信息。此外,光学工程师可能不明白杂散光是如何通过系统传播的,或者光线遇到光学表面和挡板是如何散射的。
如今,杂散光分析技术已趋于成熟,对光线散射过程的理解,杂散光水平的预测、杂散光来源的识别,杂散光分析软件的不断完善,光学工程师对杂散光分析、优化并抑制的能力持续得到提升。例如,以卡塞格伦望远镜系统为例,可以用点源透射率(PST)图分析系统内部结构的散射、光学表面闪烁和高阶散射效应。

杂散光的来源

衍射效应通常被认为是一种杂散光产生的重要原因,衍射产生的能量分布远远超出了从几何光学角度所考虑的预期。如,当光照射一个圆形孔径时,产生的是一个Airy斑分布并成像在探测器上。衍射效应与光的波长成正比,在紫外和可见光波段中,衍射效应对杂散光贡献较小;但在红外波段,衍射效应造成的杂散光影响中变得比较明显,在一定程度上会主导光学表面散射。

入射到光学表面的光被分成反射和透射两部分,并且两者都继续在系统中传播时,就会产生鬼像。鬼像保留入射光的相干和偏振特性,在高功率激光系统中,鬼像相干叠加而产生光通量足以破坏系统中的光学元件。在成像系统中,由一部分光学表面产生的鬼像也许会到达像面,这也不是设计者所期望的。

没有经过抛光的金刚石车削表面通常含有车削过程中残留的周期性凹槽,在特定的条件下会起到衍射光栅的作用,入射光形成不同衍射级的光线,并通过系统传播。磨削和抛光过程也会在光学表面留下残余的微粗糙度以及亚表面损伤,少量入射到光学表面的光被散射成以镜面方向为中心的洛伦兹(Lorentzian)分布并继续传播,最终来自所有表面的散射无相干地叠加在成像面上。灰尘颗粒具有散射光线的能力,散射光的分布与光的波长、散射粒子的复杂折射率、灰尘在光学表面的大小分布有关,光线颗粒散射的分布也表现为洛伦兹(Lorentzian)函数。

由于系统中零件的表面喷涂与处理(如阳极化、纹理或涂黑)方式的不同,散射光分布也不尽相同。表面喷涂与处理一般分为四类:漫射(哑光)饰面、镜面(光泽)饰面、混合饰面以及其他(如碳纳米涂层)。表面喷涂与处理可以非常有效地控制杂散光,但它们也可能导致有害的副作用,如片状微粒生成

系统中机械结构都根据其温度和发射率辐射热能,这种热辐射通常分布在长波红外(8~12μm)波段,黑体曲线的峰值对应于室温,这是许多类型的热成像设备使用环境的温度,工程师应当考虑如何减小设备的自发辐射对成像对比度的影响。

描述杂散光的参数

就像光学工程师使用点扩散函数(PSF)或均方根波前误差来描述光学系统的性能一样,杂散光分析人员也可以使用几种不同的参数来描述光机系统杂散光的特性。
点源透光率(PST)

最传统的评价杂散光的指标。PST的定义为:光学系统视场外视场的点源目标的辐射,经光学系统后在像面产生的辐照度与其在光学系统入瞳处辐照度的比值,它是点光源(杂散光)入射角的函数。PST可以作为诊断工具,可以分析出不同入射角的杂散光对系统的影响,从而制定相应的杂光抑制措施;PST也可以作为一种比较工具,分析两个不同系统的杂散光特性。

杂散光百分比(Percent stray light)
用来分析来自每一个可能的杂散机构的光噪声功率与来自预定目标的信号功率的比值。在一个有良好挡板设计的系统中,杂散光的百分比通常在几个百分点左右。这种杂散光评价方式通常用于视场非常小的系统中(如在轨卫星相机)。

鬼像的分析计算经常用于光学成像系统中,以识别在特定条件下可能产生伪影的“敏感”表面。

在红外成像的应用中,从探测器反向追踪的光线确定几何构型因子(GCF),即每个分量的投影立体角除以π。一旦GCF确定,就可以使用标准辐射方程来确定系统中各部分的自发辐射贡献产生的杂散辐射。

消杂光光阑的设计

消杂光光阑用来抑制系统杂散光通过光学系统的传播。大多数光学设计师都熟悉用视场光阑阻挡外场杂光;然而,在存在“自身折叠”的反射系统中不是总有效。Lyot光阑是放置在入瞳共轭面上的光阑,主要用于阻挡来自瞳孔边缘的衍射效应。

含有多层遮光板的杂散光光栏通常用于在离轴角较大的光线对光学系统的影响,并抑制散射的发生。散射是一种低效的能量传播方法,有时只需要对这种杂散光光栏进行简单设计,就能对杂散光起到很好的作用。这种光栏也用于制冷探测器的杜瓦瓶中,以限制杂散光对焦平面的影响。
在光学系统要求更轻小、更灵敏的前提下,光学工程师应努力地分析系统存在或潜在的杂散光来源并采取合理简单的方式对其进行抑制。虽然杂散光的理论很复杂,但在通常情况下,系统的杂散光抑制不需要采取复杂极端的措施,大道而简,有时采取一个简单的措施就可以使系统接近完美,譬如合理设计设置多层遮光板或保持系统内部表面足够清洁。

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