【光电通信】光学系统优化：分析杂散光的影响 来源:今日光电 发布时间:2022-05-24 3751浏览
杂散光会妨碍任何光学系统的性能。 通过对杂散光及正确工具的更深入理解，光学工程师可以预测和补偿其影响以提高质量。 Richard Pfisterer, Photon Engineering LLC 电气工程师非常熟悉散粒噪声、热噪声、闪烁噪声和串扰的影响，并识别到这些因素如何降低系统的信噪比 (SNR)。 图 1. 点源透射率 (PST) 图以图形化方式指示出来自内部结构、镜面反射和高阶散射效应 的散射 。图片由 Photon Engineering LLC 提供。 光学噪声的来源 衍射被认为是一种杂散光机制，因为它产生的能量分布远远超出几何考虑的预期范围。例如，圆形孔径在被相干光照射时会产生可以覆盖探测器区域的艾里分布。由于衍射辐照度与光的波长成正比，因此它在紫外光和可见光中很少成为重要的杂散光贡献者，但在 长波红外波段可能变得非常重要，从而主导光学表面散射的影响。 当入射到表面的光被分成反射和透射分量并继续传播时，就会产生重影；最终，部分光到达图像平面。由于鬼像是镜面反射，它们可以保留入射光的相干性和偏振特性；在高功率激光系统中，鬼像相干叠加产生能够使光学元件碎裂的高通量水平并不少见。 未经后期抛光的金刚石车削表面通常包含车削过程残留的周期性凹槽，其作用类似于衍射光栅。入射光被衍射成多个非预期的衍射级，并通过系统传播。 研磨和抛光过程会在光学表面留下残留的微粗糙度以及亚表面损伤。少量入射在光学表面上的光被散射成以镜面方向为中心的角分布 （通常是洛伦兹）并继续传播。在图像平面上，来自所有表面的散射分布不连贯地相加以创建复合散射场。 灰尘具有散射光的能力，几乎在所有环境中无处不在。散射光的准确分布是光的波长、颗粒的复折射率及其在表面上的大小分布的函数。虽然在数学上与表面粗糙度完全无关，但颗粒散射分布也表现为洛伦兹函数。 喷涂和表面处理分为四大类：漫反射（哑光）表面、镜面（光泽）表面、混合表面（根据光入射到表面的角度从漫反射到镜面变化）和“其他”，即包括碳纳米管技术，这是我们所知道的“最黑”的材料。 喷涂和表面处理在控制杂散光方面可能非常有效，但它们也会引起不必要的副作用，例如气体排放和产生粉尘（剥落）。µm - 12µm）段明显，其中黑体曲线的峰值对应于室温。不幸的是，这正是许多类型仪器工作的波段，因此热红外导引头、医学成像设备（例如用于乳腺癌和皮肤癌诊断）和其他热检测系统的设计人员必须考虑仪器的 热自发射 如何降低他们试图成像的热信号的对比度 。 杂散光指标 正如镜头设计人员可能使用包围能量或均方根 (rms) 波前误差来表征光学系统的性能一样，杂散光分析人员使用几种不同的指标来描述光机械系统的杂散光特性。 点源透射率 (PST) 是可追溯到 1970 年代的最古老的杂散光指标，其概念非常简单：根据线性系统理论，PST 是入射角的函数，指探测器上的某些能量与入射到系统中的能量之比。通过将 PST 表示为入射到探测器上的辐照度与入射到入瞳的辐照度之比 ，使这个非常一般的定义经常变得更加具体。 无论定义是什么，PST 都具有作为诊断工具的价值——通过识别杂散光效应在哪个角度变得重要，从而导致对负责的杂散光机制的识别——以及比较工具。 通过比较两个不同系统的 PST，分析人员可以立即量化硬件差异如何影响杂散光特性。 图 2. 物空间中 杂散光 百分比 强度图。图片由 Photon Engineering LLC 提供。 “ 杂散光百分比”将系统的杂散光特性表示为单个数字。它是来自每个可能的杂散机制的光噪声功率与来自预期目标的信号功率之比。换句话说，它本质上是以百分比表示的 SNR 的倒数。在遮挡良好的系统中，杂散光的百分比通常在几个百分点的数量级。这种特殊的杂散光指标通常用于 视场非常小，地球为有着 大立体角的 杂散光源 的 轨道地球资源卫星相机等应用。 鬼像计算经常用于摄影和手机镜头的开发，以识别在特定条件下照明时可能导致伪影的“敏感”表面。计算虽然是光线密集型，但很简单，可以包括 带宽 光谱 源 、涂层对每个表面入射角 变化的敏感性、材料吸收、探测器响应率等的影响。 在长波红外成像应用中， 热自发射 是使用 1980 年代开发的一种巧妙方法计算的： 从探测器向后追踪的光线确定每个组件的几何配置因子 (GCF)——投影立体角除以 pi。 一旦 GCF 已知，标准辐射方程可用于确定通常以瓦特或光子数/面积/秒报告的热自发射贡献。 与以前的技术相比，这种技术的巨大优势在于，计算的准确性取决于所追踪的光线数量，而这又是由分析人员决定的。 挡板设计 挡板、光阑和叶片都用于控制不需要的光通过光学系统的传播。 大多数光学设计师都熟悉用于阻挡场外杂散光的场光阑； 然而，这些在光路“折叠”到自身上的反射系统中并不总是有效。 Lyot 光阑是放置在与入瞳共轭平面上的光阑，主要用于阻挡源自入瞳边缘的衍射效应。 包含叶片的挡板管通常用于在高离轴角度的直接照明下遮挡光学系统，并在光到达光学系统之前控制散射事件的数量。（由于散射是一种低效的能量传播方法，有时它只需要一些杂散光与沿挡板的叶片相互作用即可充分抑制杂散光。）它们还被用于杜瓦瓶和其他探测 器 组件中以限制照明杂散光。 图 3. 鬼像的形态会 在系统的视场内剧烈 变化。上图： 离轴 41°处的复色鬼像图， 中图： 离轴 47°处的复色鬼像图， 下图： 相机光学中轴向光线轨迹。图片由 Photon Engineering LLC 提供。 并非所有的叶片都是明显的。有时，使用非常浅的叶片来抑制望远镜管侧面的掠入射反射。现代分析软件的功能 现代杂散光分析软件得益于近 40 年的不断发展的硬件，因此已经非常成熟。 在许多方面，软件与商业 CAD 软件非常相似，因为它可以定义并随后编辑复杂的几何图形。镜头设计软件 通常构建 少于 100个表面的系统。与 镜头设计软件不同， 杂散光分析软件可能需要描述数十 万个表面， 逐一 地对每个“螺母和螺栓”进 行建模。 杂散光软件与 CAD 的不同之处在于组件的镜面反射和散射特性的规范。 为了执行最基本的杂散光计算，必须指定光学涂层（镜面反射）信息以及散射模型；后者由 BSDF（双向散射分布函数）描述。 BSDF 的定义可能变得极其复杂，因为它们是 3D 镜面反射角和散射角的函数，并且通常还依赖于波长和偏振。在公开文献中找到喷涂或表面处理的 BSDF 的完整规格通常是不可能的，因此通常将样品发送到具有多波长散射计的测量实验室来表征 BSDF。 入射角 。 这个过程被称为“光线分裂”，是所有鬼像计算的基础。 图 4. 有时光线不会按照镜头设计者的预期传播。挡板可以防止不需要的光到达探测 器 。由 PhotonEngineering LLC 提供。 入射到指定了散射模型的表面上的单条光线将生成散射光线 的分布，其通量值由 BSDF确定。虽然散射在物理上辐射到相对于局部表面法线的 2π 立体角内，但在软件中如此大的立体角内生成散射光线在计算上是低效的。因此，散射光线 通常“瞄准”感兴趣的特定方向，例如朝向探测 器 或探测 器的像面 。这被称为“重要性抽样”。光线 。鉴于系统的复杂性和最终追踪的光线数量，给定计算运行几个小时、几天甚至更长时间的情况并不少见。近年来，分布式计算网络的可访问性使得大幅减少杂散光计算的运行时间成为可能。探测 器 上的总杂散光水平。虽然这确实是有用的信息，但它并没有向分析人员建议需要做什么才能使系统性能更好。然而，借助现代杂散光软件，分析人员可以进行大量计算，从而深入了解杂散光的传播方式。例如，除了探测 器 处信号和杂散光的辐照度图外，分析人员还可以仔细阅读各个表面杂散光贡献表、描述通过系统的杂散光的确切轨迹的光线 路径列表以及如何照明表面。根据这些输出，分析人员可以决定哪些表面需要更好的阻隔、升级的 AR 涂层、不同类型的喷涂等。Hamming曾经说过“计算的目的是洞察力，而不是数字 ”。这句话经常被引用，确切的描述了现代杂散光软件的价值 1 。喷涂 的黑度存在理论上的限制，但通常不需要采取极端措施来使系统正常工作。有时，这只是将单个叶片正确定位在挡板中或保持内表面“足够干净”的问题，这会导致不可接受和接近最佳性能之间的差异。 正在寻找芯片现货或供应渠道？ 芯片求购一键发，icspec供需随心看。
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图 1. 点源透射率 (PST) 图以图形化方式指示出来自内部结构、镜面反射和高阶散射效应的散射。图片由 Photon Engineering LLC 提供。
图 2. 物空间中杂散光百分比强度图。图片由 Photon Engineering LLC 提供。
图 4. 有时光线不会按照镜头设计者的预期传播。挡板可以防止不需要的光到达探测器。由 PhotonEngineering LLC 提供。