杂散光计算与分析的主要过程简述

在开始任何光线追迹和分析之前，需要对系统的结构和各表面进行设置，来让它适合于一阶鬼像与杂散光计算。这里有需要在设计中处理的8项：

1）创建一个“FRED”孔径光阑；

2）指定能允许鬼像产生的表面涂层性质；

3）指定能允许鬼像产生的表面光线追迹控制属性；

4）光源位置规格的修改；

5）鬼像杂散光计算；

6）表面粗糙和表面涂黑散射处理；

7）PST计算；

8）关键面与照明面。

1.创建一个“FRED”孔径光阑

注意到导入透镜系统后，孔径光阑的表面是一个简单的Air/Air透射平面。可以将鼠标移动到某一面（节点位置）可以看到其表面的属性，如图12-2所示。

图12-2 将鼠标移动到某一面（节点位置）可以看到其表面的属性

在FRED里，模型表面的物理属性决定着光传播的方向，因此需要将序列“光阑”表面转化为真正的“物理”光阑表面，以适用于FRED。

首先打开Surf1的对话框，点击Aperture标签。我们将使该平面表面转变为一个环面，且内部孔径等于当前圆盘外部孔径。这很容易实现，通过复制“Trimming Volume Outer Boundary”的现有值，并将该值粘贴到“Trimming Vol-ume Inner Hole”。然后，增大外部边界的裁剪量（与透镜镜筒的机械尺寸一样大）。具体操作过程如图12-3所示。

图12-3 带有孔洞结构的光阑裁剪方法

有了一个环形表面，我们需要赋予一些光学属性。在表面对话框Coating/RayControl标签里，应用Absorb涂层和Halt All光线追迹控制完成对环形表面光学属性设置如图12-4所示。

图12-4 光阑表面的镀膜与光线控制设定

2.指定表面涂层性质

分析的要点是找出多少功率（以及功率的分布）到达了我们的焦平面，这是由在我们的透镜表面之间的镜面反射的现象产生的，这些都不是“设计”路径。举个例子，我们第一个透镜元件内的内部反射可能会到达探测器，我们希望可以量化它的贡献。

为了产生鬼像路径，我们的透镜需要有涂层覆盖，这可以让部分入射能量以反射和透射的方式传播。默认情况下，导入的透镜表面具有100%透射涂层，将没有任何鬼像产生。我们可以浏览透镜的每一个光学表面，然后给每个表面应用一个非理想的涂层模型，不过FRED确实提供了一个界面，使得这一过程变得非常简单。点击Menu＞Edit＞Edit/View Multiple Surfaces，该功能可以非常简单地完成多表面深层性质设置如图12-5所示。

图12-5 光学属性编辑框

使用该界面以默认的“Standard Coating”替换我们所有的透射表面，该“Standard Coating”允许96%的功率透射和4%的功率反射，默认的“Allow All”光线追迹控制允许光线在一个界面分成反射和透射两个组分。在按下键盘上的“Ctrl”键的同时，选择表格中具有“Transmit”涂层的行，如图12-6所示。

图12-6 按住“Ctrl”键的同时，选择表格中具有“Transmit”涂层的行

现在我们已经选中了我们希望修改的行，使用对话框中的“Modify All High-lighted Spreadsheet Rows”区域，来替换我们想要的属性。在这种情况下，选择属性类型“Coating”下拉列表，从可用的属性下拉列表中选择“Standard Coat-ing”，然后单击“Replace”按钮。

3.指定表面光线追迹控制属性

对于Raytrace Control重复这一过程，使用Allow All属性。

一旦您已经替换了选定表面的Coating和Raytrace Control，您可以单击“OK”按钮提交更改，返回到文件中，关闭Edit/View Multiple Surfaces对话框。

4.设置光源

结构属性现在支持在透镜元件内产生一阶鬼像，但需要设置光源。按照常规，FRED创建了多个视场光源，这里仅需应用轴上视场光源，因此可以将离开轴光源设置为不可追迹如图12-7所示。展开光源文件夹，选择树形文件夹中的视场光源1～5，单击鼠标右键，切换为“Make All NOT Traceable”选项，将这些光源关闭。

图12-7 离轴光源设定为不追迹

当追迹非相干的光源时，一个非常好的办法是移除“网格化”的光源。打开格子光源设置对话框如图12-8所示，在Field Position 0光源上双击，打开它的对话框，然后移动到Positions/Directions标签上。注意到Ray Positions设置为“Grid Plane”。

图12-8 格子光源参数设定对话框

使用非相干光源时，具有网格位置和方向规格会导致计算出的能量分布（光源网格与分析网格重叠）产生混叠效应。为了去除这种现象发生的可能性，我们改变了光线位置类型，从原本的Grid Plane变为Random Plane，同时保持相同的孔径大小和形状如图12-9所示。

根据上面的描述改变了您的光源光线位置规格后，单击“OK”按钮接受这些变化，关闭对话框。

图12-9 将格子光源替换为随机光源

5.鬼像杂散光计算(www.xing528.com)

使用Analysis下拉的Stray Light path report计算在探测器上的光线路径及鬼像的能量，其中0°视场情况下的鬼像追迹图如图12-10所示。此外杂散光和鬼像数据分析报告也可以被导出，如图12-11所示。

图12-10 0°视场情况下的鬼像追迹图

鬼像产生的总能量是0.00665；每一个产生的鬼像路径，可以通过追迹每一个路径来获取其光线轨迹。此外，可以通过光线过滤器的方法获得鬼像的能量分布。只保留鬼像能量的方法是我们采用高级光线追迹，统计光线追迹路径，路径0对应正常路径，其余的路径均是非成像路径，并指定光线到探测器上，如图12-12所示。

按住键盘上的“Alt”键并在辐照度图上画矩形小格子（黑色的框图），可以清楚地知道哪些路径起主要作用（热点），然后定位这些路径（见图12-13），就能知道哪些元件起主要影响。也可以选取某个特定的路径，来分析这一路径上经过哪些元件如图12-14所示。

图12-11 杂散光与鬼像报告

图12-12 光线过滤器的设定方法（只保留鬼像能量）

图12-13 鬼像辐照度和鬼像热点区域的设定方法

a）鬼像辐照度的设定方法 b）鬼像热点区域的设定方法

图12-14 单独提取出某一路径所经过的元件

可以通过镀制AR增透膜消除鬼像。AR膜层可以使用国际上著名的薄膜设计软件Essential Macleod来进行设计，其输出数据格式.CSV可以导入到FRED里面，使用这个膜系数据如图12-15所示。

图12-15 膜系数据[源自《Stray Light Analysisand Control》（杂散光分析与控制）一书]

将图12-15中的膜系数据应用于镜头中各透镜表面，鬼像的能量已经降低到了0.00013909，如图12-16所示。

6.表面粗糙和表面涂黑的散射模型处理

图12-17为该相机完整的杂散光分析模型，包含：①成像光学元件；②镜筒；③机体。为了更接近实际相机的杂散光模型，为折射光学表面增加粗糙度，赋予Harvey-shack散射模型，表面粗糙度为20Å。图12-18为Harvey-shack BSDF曲线。对非光学表面赋予Aeroglaze Z306散射模型，TIS=2%，黑漆Aero-glaze Z306 BSDF曲线如图12-19所示。

图12-16 鬼像报告

图12-17 完整的杂散光分析模型

图12-18 Harvey-shack BSDF曲线

基于图12-17这个模型，计算包含杂散光和鬼像的辐照度图如图12-20左图所示，以及杂散光的能量分布如图12-20右图所示。

图12-19 黑漆Aeroglaze Z306 BSDF曲线

图12-20 包含杂散光和鬼像的辐照度分布及杂散光的颜色分布

a）包含杂散光和鬼像的辐照度分布 b）杂散光的颜色分布

图12-21 PST计算结果

7.PST计算

点源透射率（PST）是离轴角为θ的点光源经光学系统在像面上产生的辐照度E_SL与该点光源位于轴上时产生的辐照度E_inc的比值，用来评价杂散光抑制。FRED内置的脚本库可以非常方便地执行PST计算，省去了冗杂的设置不同的视场光源及光源角度采样问题。图12-21为系统包含鬼像、表面粗糙及表面涂黑处理的杂散光的抑制情况。计算时为了方便，通常把入射辐照度归一化为1。

8.确定一次散射和关键面

各散射面对杂散光贡献的重要性不一致，那些最重要的少数散射面是需要重点进行修改的。首先，追踪杂散光的系统中，找到杂散光照射的表面，成为照明面，杂散光分布的三维点图如图12-22所示。其次，从像方向反向追迹光线，那些经过镜面反射或折射照射的表面成为关键表面。

图12-22 三维点图

通过FRED内置的脚本语言，可以快速找到起主要作用的一次散射面。不同照明面的杂散光分析报告如图12-23所示。

图12-23 关键面与照明面分析报告