光学系统杂散光分析

收稿日期:2006-08-09; 修订日期:2006-10-11 基金项目:国家自然科学基金委与中国物理研究院联合基金资助项目(10376034) 作者简介:岑兆丰(1957-),男,浙江慈溪人,教授,主要从事光学仪器、光学设计及软件开发。Email:cenzf@zju.edu.cn 第36卷第3期 红外与激光工程 2007年6月 Vol.36No.3 InfraredandLaserEngineering Jun.2007 光学系统杂散光分析 岑兆丰 1,李晓彤 1,朱启华 2 (1.浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室,浙江 杭州 310027;2.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900) 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,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 中图分类号:O435;TH74 文献标识码:A 文章编号:1007-2276(2007)03-0300-05 Straylightanalysisforopticalsystem CENZhao!feng1,LIXiao!tong1,ZHUQi!hua2 (1.StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ResearchCenterof LaserFusion,ChineseAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China) Abstract:Straylightisallkindsofraystransmittedalongimproperways.Theinfluenceofstray lightisdifferentaccordingtoopticalsystem′sstructure.Straylightanalysisismoreandmoreimportant foropticalengineers.Manyreasonswillcausestraylight.Lightleakageandthestraylightcausedby residualreflectiononrefractionsurfacesarediscussed.Lightleakageisevaluatedbythemethodofhigh! densitysamplingraytracing.Theraymodelwithenergyfactorandraybinarytreedatastructureareused forresidualreflectionstraylightanalysis.Thismethodcanavoidrepetitiouscalculationanditscomputing accuracyishighenoughtoestimatetheinfluenceofstraylight.Asanexample,thestraylightina Cassegrainsystemisanalyzed.Theresultshowsthatthemethodsofabatingstraylightareindicated. Keywords:Straylight; Ghostimage; Lightleakage; Raytrace 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[1]。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 1所示),由于主反射镜中 第3期 岑兆丰等:光学系统杂散光分析 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 Fig.1Cassegrainrefractionandreflectionobjective 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[2],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 在使用光 线光学方法时,每一根光线都可以看作是代表一定空 间立体角的细小光束,光线传输本身是光能量的传 输,因此在每一根光线传输时使其带有一个能量因 子,表示该光线所带能量的大小,在传输时能量因子 随光能量的损失而变化,就可以描述光能的变化情 况。采用这种方法后,杂散光分析可以不使用蒙特卡 罗方法而直接有序地进行,当遇到一个透射面,原来 的一根光线分为两根,一根继续透射而另一根则反 射,处理时只要将光线能量因子乘以透射率就是透射 光线的新能量因子,而乘以反射率就是反射光线的新 能量因子。 (2)光线二叉树方法[3] 由于一根光线变成两根, 如果每一根光线都要从头开始光线追迹,那就会有大 量的重复工作,为此,采用了二叉树的数据结构,来描 述光线在透射面上一分为二的关系,如图 2所示。 图 2光线二叉树结构图 Fig.2Raybinarytree 当光线到达某个透射面时,在该面上建立二叉树 结点,了光线在面上的坐标和入射光线的方向余 弦以及光线的能量因子,光线的透射部分和反射部分 可以用二叉树的两个分枝分别描述,计算时先沿着其 中一个分枝光追到底,再回到某个面的结点处,以此 为起点再追另一路,直到追完所有的分枝。由此可以 看出二叉树数据结构存储了光追过程中光线在各面 上的基本信息,避免了重复计算,而且递归处理使软 件简洁、可靠性高,一棵二叉树随一条光线追迹而建 立,虽然当光学系统面数很多时,要占用很大的内存, 但是由于其动态存储特性,一旦追完一条光线并将结 果记录,二叉树就可以删除,将占用的内存释放,以备 下一条光线使用。 如果研究像面上的能量分布情况,可以事先在像 面上划分格子,当一条光线到达像面时,看其落入哪 301 红外与激光工程 第36卷红外与激光工程 第36卷 一个格子,并将每个格子中的光线加权叠加,其权重 就是能量因子,将所有格子的值再现就是像面上能量 分布情况[4]。 2分析实例 折反射系统应用很广[5-6],用图 1所示的长焦卡 塞格林折、反射照相物镜作为分析实例,在这个系统 中可能会有漏光,也就是光未经主次镜直接进入系统 并到达像面,同时由于有折射透镜,也存在透射面残 余反射杂散光。 2.1漏光分析 对所分析的长焦卡塞格林系统加遮光罩,但没有 做其他防漏光光阑处理,分析可得系统漏光的情况, 如图 3所示。 图 3没有防漏光时的系统漏光和像面漏光情况 Fig.3Straylightinthesystemandontheimageplanwithout shieldtubes 对这个系统主次镜加上如图 4所示的防漏光遮 光筒后,漏光的情况大大减轻,如图 5所示。 图 4系统的防漏光措施 Fig.4Shieldtubeinthesystem 图 5防漏光后的系统漏光和像面漏光情况 Fig.5Straylightinthesystemandontheimageplanwith shieldtubes 软件还可以分别给出各视场进入系统漏光光线 的比例: 总光线数 (视场角 6.545)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.667)=31417,漏光光线数= 7,漏光百分比=0.022% 总光线数 (视场角 6.788)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.909)=31417,漏光光线数= 6,漏光百分比=0.019% 总光线数 (视场角 7.030)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 7.152)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 总光线数 (视场角 7.515)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 总光线数 (视场角 6.545)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.667)=31417,漏光光线数= 7,漏光百分比=0.022% 总光线数 (视场角 6.788)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.909)=31417,漏光光线数= 6,漏光百分比=0.019% 总光线数 (视场角 7.030)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 7.152)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 总光线数 (视场角 7.515)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 总光线数 (视场角 6.545)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.667)=31417,漏光光线数= 7,漏光百分比=0.022% 总光线数 (视场角 6.788)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 6.909)=31417,漏光光线数= 6,漏光百分比=0.019% 总光线数 (视场角 7.030)=31417,漏光光线数= 4,漏光百分比=0.013% 总光线数 (视场角 7.152)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 总光线数 (视场角 7.515)=31417,漏光光线数= 2,漏光百分比=0.006% 以上数据表明该系统在防漏光处理之后,视场角 在 6.54~7.52°之间存在漏光,最大视场的漏光量为 0.022%,这说明系统采用了防漏光措施后只有极少的 302 第3期 岑兆丰等:光学系统杂散光分析 2.3 二次反射杂散光的实际光线分析 要想了解杂散光在像面上的分布情况,应使用实 际光线鬼像分析方法。杂散光分析可以对几个视场进 行,图 7(a)是正常光在像面上能量分布,图中选取了 对称的五个视场,右边的灰度条是相对辐照度的值对 应灰度。(b)为二次反射杂散光在像面上能量分布。 图 7五个视场点正常光和二次反射杂散光 在像面上的能量分布 Fig.7Energydistributioncausedbyregularrayand secondaryreflectionstraylightontheimageplan 由于本系统各表面的透过率比较高,残余反射的能 量很小,因此杂散光的相对能量比起正常光要小很多。 但在有强光光源照明时,此能量也增加背景噪声。 在一些要求比较高的系统中,除了要分析二次反 射杂散光,还要分析高次反射杂散光。 2.4 四次反射杂散光分析 下面对本系统作四次反射鬼像分析,得到鬼像 19533个,其中对离像面最近的 10个鬼像,按其在像 面上产生的照度排序,结果如表 2所示。能量分布如 图 8所示,(a)为中心视场,(b)为 0.75视场。 图 8四次反射杂散光在像面上的能量分布 Fig.8Energydistributionbyfourthreflectionstraylight 表 1 光学系统二次反射鬼像近轴分析 Tab.1Paraxialanalysisofsecondaryreflectionstraylight 光可以漏进系统到达像面。通常的光学系统如此处理 即可,但是一些特殊系统不允许有任何漏光,就必须 再改进防漏光措施,有时会产生少量的拦光。 如图 6所示,系统防漏光光阑加以改进后彻底消 除漏光,但是此时会有 2%左右的拦光产生。 图 6彻底消除漏光 Fig.6Straylightremovedbyimprovingshieldtubes 2.2 二次反射杂散光近轴分析 假定光学系统中各表面均镀增透膜,反射率为 1%,忽略吸收损失,透射率为 99%。首先计算正常光 路,假定物方亮度为 3000nt,得到像点照度为 163.11lx。 对本系统作二次反射杂散光分析,整个系统共得 二次反射鬼像153个。取距离探测器表面最近的10个 鬼像,并对其按鬼光束在探测器表面产生的照度从大 到小排序,得到影响最大的前 10个鬼像,如表 1所示, 其中S1、S2分别表示第一次反射面、第二次反射面。 虽然近轴分析是近似的,但是计算量小,而且可以 直接给出有危害鬼点的形成原因,对消除杂散光有很 好的指导意义。表中可以看出第一个鬼像点就在像面 上,其在像面上的照度要比其他的鬼像点大多个数量 级,因此需要加以控制,可以将第 5面和第 6面这两个 产生鬼像的面进一步降低反射率,以减小鬼像的能量。 No RefS2 RefS1 Distance u Brightness Illuminance GhostIllum 1 5 6 -2.24E-03 4.55E-01 2.50E-01 6.03E-02 1.63E-01 2 15 16 -5.95E-01 3.04E-01 2.50E-01 1.92E-06 7.25E-02 3 4 5 6.45E+00 4.26E-01 2.50E-01 8.28E-09 1.43E-01 4 4 6 6.44E+00 4.26E-01 2.45E-01 8.14E-09 1.40E-01 5 6 18 9.74E+00 -3.94E-01 2.01E-01 3.41E-09 9.77E-02 6 5 18 9.72E+00 -3.95E-01 1.97E-01 3.34E-09 9.63E-02 7 6 17 1.16E+01 -3.81E-01 2.05E-01 2.63E-09 9.33E-02 8 5 17 1.15E+01 -3.82E-01 2.01E-01 2.58E-09 9.21E-02 9 4 18 1.75E+01 -3.70E-01 1.93E-01 1.15E-09 8.28E-02 10 4 17 1.96E+01 -3.58E-01 1.97E-01 9.98E-10 7.93E-02 303 红外与激光工程 第36卷红外与激光工程 第36卷 由以上分析的结果可知,在此系统中四次反射杂 散光的鬼像在像面上的位置与二次鬼像位置不同,处 于其像点的对称位置上,其能量密度比二次反射杂散 光要低得多,这与表 2分析结果一致。 3结 论 以上分析表明,近轴分析给出了影响最严重的鬼像 及其产生的原因,从而可以通过修改有关参数或镀膜等 方法加以处理。实际光线分析可以得到像面上杂散光的 能量分布和相对照度情况,提供了很直观的结果。通过 对漏光的分析可以指导设计者改进遮光筒,以保证在最 小拦光的情况下消除漏光。结果表明,现代光学系统杂 散光分析是十分必要的,否则可能对成像造成比较严重 的影响。在一些强激光光学系统中更是需要对整个系统 的杂散光和鬼像做全面的分析,因为如果有鬼像点出现 在光学元件表面附近,强大的能量有可能损毁元器件, 造成系统损伤[7-9]。文中在分析漏光杂散光和光学透射面 残余反射杂散光时,都使用了自行开发的杂散光分析专 用软件。本软件还可以分析红外光学系统自身热辐射的 影响,已经在其他文章中介绍过[1]。 参考文献: [1]XIXiao,LIXiao!tong,CENZhao!feng.Influenceofthermal 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