光学系统的杂散光分析指引
一、概述
杂散光定义
光学系统中，针对成像光学系统，任何非希望但经过传播后到达探测器面的光线为杂散光；针对非成像光学系统，任何成像或其它非预期的光线传播形成的光斑等为杂散光。
光学设计中，杂散光分析是非常重要的环节。对于成像系统，即使设计像质良好，加工公差宽松，如果杂散光达到影响成像质量，则之前的工作就属于徒劳。某种意义上，杂散光对于光学系统有一票否决的作用。正因为如此，在光学设计的整个过程，杂散光应该是要持续关注的内容。同时，杂散光无法完全消除，只能一定程度上抑制，只要杂散光不影响成像质量，或者说其影响在可接受或可允许的条件下，即视为完成杂散光抑制工作。
总之，一个优秀的光学设计系统，杂散光是必须要考量的因素。
二、理论基础
2.1 杂散光分析中设计的光学知识包括如下(具体内容参见光学教材)
- 辐射度学、光度学、普朗克定律、黑体；
- 光与材料的作用：反射、投射、吸收；
- 表面属性：反射率、透射率、吸收率；
- 散射模型：朗伯散射、高斯散射、哈维散射、米氏散射、BSDF/BTDF/BRDF等。
2.2 杂散光分类
- 按照视场，分为视场内和视场外杂散光；
- 按照光学系统，分为系统外杂散光和系统内杂散光，系统内杂散光主要发生在红外光学领域，物体自发辐射引起杂散光；
- 按照部件，分为外部光源（太阳、月亮、星星、黄道、灯光、环境背景光等）、光学系统杂散光、光学结构杂散光、探测器杂散光等。
2.3 杂散光评价方法
- 点源透射比PST；
- 杂光系数；
- 信噪比。
2.4 杂散光产生的原因
- 衍射：孔径在强光照射下在像面上看到孔径的衍射像；
- 鬼像：光线剩余反射引发，在光学系统曲率的巧合下，在像面上形成非预设光斑等；
- 散射：主要是结构表面散射，光线入射后发生散射，引起复杂光线传播，某些部分到达像面并形成干扰成像的光斑；光学表面，主要是表面粗糙度等，引起的散射光线到达像面干扰成像。
2.5 杂散光消除方法(」Move It 、Block It 、Paint/Coat It 、Clean It」)
- 移除-结构设计中更改结构位置、光学设计中更改光学参数；
- 遮挡-光阑、遮光罩、挡光环、冷屏、滤光片、消光片等；
- 表面处理-镀膜、喷漆、光学表面的粗糙度、、其它表面微结构等；
- 清洁-主要是光学表面的污染，比如冷加工中的磨料残留等；
2.6 杂散光的分析与测试
- 理论建模分析-在软体中建模，设置好光源、表面属性、探测器属性，进行光线追迹查看杂散光情况；
- 实物建模分析-一般使用光学目标模拟器（主要为光源（积分球、激光光源、靶标等）+平行光管+高精度转台），测量不同角度下的PST等情况，全视场查看实际目标源的成像情况，分析是否满足使用要求。
2.7 常用分析软体(目前杂散光分析的理论基础主要是基于概率统计的光线追迹技术)
- LightTools 操作较为人性化，界面三维显示效果好，宏语言开发方便
- Fred 非序列和序列光线的集合，杂散光分析的表面模型全
- ASAP 据说分析精度高，追迹速度快，没有使用过
- TracePro 使用效果不错，杂散光分析的表面模型较全，Bitmap功能大赞
- Optis 和机械设计软体集合紧密，结构修改方便
- 其它 Zemax等
2.8 分析方法
- 关键表面的寻找
- 反向光线追迹
- 重点采样
- 光线统计分析
- ......
三、分析流程
3.1 教材中的流程[1]
3.2 实践操作
A-遮光罩的设计
涉及到的有黑漆的选择、内壁螺纹的参数与加工、很多文献中都有介绍，具体可参见。
B-结构的优化
工作中常常会使用机械加工的结构作为杂散光分析的输入，一般情况下这种结构比较详细的给出了系统的全部细节，比如螺纹孔、螺帽等非常细致的结构件，增大了光线追迹的计算量，不利于杂散光分析的效率提升。所以在杂散光分析前期，要对模型开展简化工作，或者根据机械结构重新建模，采用抓主要矛盾的方法，对模型进行优化，去掉不必要的结构细节，使其适用于杂散光分析。
四、重点分享
A-软体中的杂散光模拟，可重点关注在建模模拟真实场景中的干扰光源
杂散光分析中，可以建模一个模拟真实情况的目标源系统，可以较好的与实际情况建立对应，对于分析实物中的杂光原因验证非常有效。
B-充分利用重点采样、反向光线追迹等功能，尽可能加速光线追迹速度
目前软体中增加了比较多的功能，用于提升杂散光分析的效率，基本原理是在蒙特卡洛分析的基础上调整概率抽样的状态，可以对感兴趣的方向加快分析速度。
C-软体熟悉，理论分析并重
杂散光分析目前一般都要使用非序列光线追迹软体，所以要求对软体操作比较熟悉，对于常用的分析软体，至少掌握一种软体的详细操作方法。同时成像光学设计软体也要熟悉一种，作为设计中前期的鬼像等的设计与分析。
D-杂散光系统使用。
同时，分析过程中也要理论分析并重。通过关键表面和照射表面的定性分析，可以有效的提升分析效率，避免在其他不重要的因素方案花费太多时间。
E-探测器的参数
分析中探测器的参数需要同时考虑，对于可见光探测器，主要关注可探测波段(与系统波段的匹配与差别)、可探测最小光强、光线在探测器表面入射角的限制、探测器表面玻璃平板的参数等；对于红外探测器，主要关注NETD、制冷探测器的杜瓦参数、信噪比等。
五、总结
杂散光属于光学设计中比较难以形成固定理论分析的内容，即使有了功能更加完善的软体，对光线追迹结果的分析以及系统设计结果的改进仍然难以给出统一的解决方案。只能在不断的分析工作中、持续的项目经验积累中，梳理总结杂散光分析的方法、思路与经验，提升设计效率，加快系统研制流程。
本文未对光学杂散光分析进行具体介绍，主要介绍杂散光分析的知识框架，光学专业人员可以依据此进行知识补充后，开展系统的杂散光分析初步工作。对杂散光分析有需要或感兴趣的人员，推荐大家学习SPIE的杂散光书籍Stray Light Analysis and Control(详细信息参见文章最后图片)，系统建立杂散光分析的理论与方法。
PS：文中图片来自参考文献。
参考书籍
[1] Stray Light Analysis and Control
作者：王庆丰光学设计导论-知乎专栏
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