光學系統的雜散光分析指引
一、概述
雜散光定義
光學系統中，針對成像光學系統，任何非希望但經過傳播後到達探測器面的光線為雜散光；針對非成像光學系統，任何成像或其它非預期的光線傳播形成的光斑等為雜散光。
光學設計中，雜散光分析是非常重要的環節。對於成像系統，即使設計像質良好，加工公差寬鬆，如果雜散光達到影響成像質量，則之前的工作就屬於徒勞。某種意義上，雜散光對於光學系統有一票否決的作用。正因為如此，在光學設計的整個過程，雜散光應該是要持續關注的內容。同時，雜散光無法完全消除，只能一定程度上抑制，只要雜散光不影響成像質量，或者說其影響在可接受或可允許的條件下，即視為完成雜散光抑制工作。
總之，一個優秀的光學設計系統，雜散光是必須要考量的因素。
二、理論基礎
2.1 雜散光分析中設計的光學知識包括如下(具體內容參見光學教材)
- 輻射度學、光度學、普朗克定律、黑體；
- 光與材料的作用：反射、投射、吸收；
- 表面屬性：反射率、透射率、吸收率；
- 散射模型：朗伯散射、高斯散射、哈維散射、米氏散射、BSDF/BTDF/BRDF等。
2.2 雜散光分類
- 按照視場，分為視場內和視場外雜散光；
- 按照光學系統，分為系統外雜散光和系統內雜散光，系統內雜散光主要發生在紅外光學領域，物體自發輻射引起雜散光；
- 按照部件，分為外部光源（太陽、月亮、星星、黃道、燈光、環境背景光等）、光學系統雜散光、光學結構雜散光、探測器雜散光等。
2.3 雜散光評價方法
- 點源透射比PST；
- 雜光係數；
- 信噪比。
2.4 雜散光產生的原因
- 衍射：孔徑在強光照射下在像面上看到孔徑的衍射像；
- 鬼像：光線剩餘反射引發，在光學系統曲率的巧合下，在像面上形成非預設光斑等；
- 散射：主要是結構表面散射，光線入射後發生散射，引起複雜光線傳播，某些部分到達像面並形成幹擾成像的光斑；光學表面，主要是表面粗糙度等，引起的散射光線到達像面幹擾成像。
2.5 雜散光消除方法(」Move It 、Block It 、Paint/Coat It 、Clean It」)
- 移除-結構設計中更改結構位置、光學設計中更改光學參數；
- 遮擋-光闌、遮光罩、擋光環、冷屏、濾光片、消光片等；
- 表面處理-鍍膜、噴漆、光學表面的粗糙度、、其它表面微結構等；
- 清潔-主要是光學表面的污染，比如冷加工中的磨料殘留等；
2.6 雜散光的分析與測試
- 理論建模分析-在軟體中建模，設置好光源、表面屬性、探測器屬性，進行光線追跡查看雜散光情況；
- 實物建模分析-一般使用光學目標模擬器（主要為光源（積分球、激光光源、靶標等）+平行光管+高精度轉檯），測量不同角度下的PST等情況，全視場查看實際目標源的成像情況，分析是否滿足使用要求。
2.7 常用分析軟體(目前雜散光分析的理論基礎主要是基於概率統計的光線追跡技術)
- LightTools 操作較為人性化，界面三維顯示效果好，宏語言開發方便
- Fred 非序列和序列光線的集合，雜散光分析的表面模型全
- ASAP 據說分析精度高，追跡速度快，沒有使用過
- TracePro 使用效果不錯，雜散光分析的表面模型較全，Bitmap功能大讚
- Optis 和機械設計軟體集合緊密，結構修改方便
- 其它 Zemax等
2.8 分析方法
- 關鍵表面的尋找
- 反向光線追跡
- 重點採樣
- 光線統計分析
- ......
三、分析流程
3.1 教材中的流程[1]
3.2 實踐操作
A-遮光罩的設計
涉及到的有黑漆的選擇、內壁螺紋的參數與加工、很多文獻中都有介紹，具體可參見。
B-結構的優化
工作中常常會使用機械加工的結構作為雜散光分析的輸入，一般情況下這種結構比較詳細的給出了系統的全部細節，比如螺紋孔、螺帽等非常細緻的結構件，增大了光線追跡的計算量，不利於雜散光分析的效率提升。所以在雜散光分析前期，要對模型開展簡化工作，或者根據機械結構重新建模，採用抓主要矛盾的方法，對模型進行優化，去掉不必要的結構細節，使其適用於雜散光分析。
四、重點分享
A-軟體中的雜散光模擬，可重點關注在建模模擬真實場景中的幹擾光源
雜散光分析中，可以建模一個模擬真實情況的目標源系統，可以較好的與實際情況建立對應，對於分析實物中的雜光原因驗證非常有效。
B-充分利用重點採樣、反向光線追跡等功能，儘可能加速光線追跡速度
目前軟體中增加了比較多的功能，用於提升雜散光分析的效率，基本原理是在蒙特卡洛分析的基礎上調整概率抽樣的狀態，可以對感興趣的方向加快分析速度。
C-軟體熟悉，理論分析並重
雜散光分析目前一般都要使用非序列光線追跡軟體，所以要求對軟體操作比較熟悉，對於常用的分析軟體，至少掌握一種軟體的詳細操作方法。同時成像光學設計軟體也要熟悉一種，作為設計中前期的鬼像等的設計與分析。
D-雜散光系統使用。
同時，分析過程中也要理論分析並重。通過關鍵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費太多時間。
E-探測器的參數
分析中探測器的參數需要同時考慮，對於可見光探測器，主要關注可探測波段(與系統波段的匹配與差別)、可探測最小光強、光線在探測器表面入射角的限制、探測器表面玻璃平板的參數等；對於紅外探測器，主要關注NETD、製冷探測器的杜瓦參數、信噪比等。
五、總結
雜散光屬於光學設計中比較難以形成固定理論分析的內容，即使有了功能更加完善的軟體，對光線追跡結果的分析以及系統設計結果的改進仍然難以給出統一的解決方案。只能在不斷的分析工作中、持續的項目經驗積累中，梳理總結雜散光分析的方法、思路與經驗，提升設計效率，加快系統研製流程。
本文未對光學雜散光分析進行具體介紹，主要介紹雜散光分析的知識框架，光學專業人員可以依據此進行知識補充後，開展系統的雜散光分析初步工作。對雜散光分析有需要或感興趣的人員，推薦大家學習SPIE的雜散光書籍Stray Light Analysis and Control(詳細信息參見文章最後圖片)，系統建立雜散光分析的理論與方法。
PS：文中圖片來自參考文獻。
參考書籍
[1] Stray Light Analysis and Control
作者：王慶豐光學設計導論-知乎專欄
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