雜散光抑制與評估技術發(fā)展與展望（特邀）

王虎，陳欽芳，馬占鵬，2，閆昊昱，2，林上民，2，薛要克，4，5

（1 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

（3 中國科學院空間精密測量技術重點實驗室，西安 710119）

（4 中國科學院青年創(chuàng)新促進會，北京 100037）

（5 北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

雜散光是指由進入光學或電子光學系統(tǒng)的部分輻射所引起的在該系統(tǒng)像面上的有害光照度［1］，包括來自該系統(tǒng)內部或外部的輻射。雜散光的存在會降低像面的對比度和信噪比，嚴重時目標信號可能會被雜散光完全湮沒，造成光學成像或者探測的失效［2-6］。實際光機系統(tǒng)的雜散光是由多種因素共同造成的，分析過程比較復雜，故針對不同探測要求和使用環(huán)境，需要考慮不同種類的雜散光。

雜散光按照來源不同可分為三類：視場外雜散光、視場內雜散光和內部熱輻射雜散光［7-10］。

1）視場外雜散光是指雜散光光源來自光學系統(tǒng)視場外部，如太陽、地氣光（地球大氣散射的太陽光）等進入系統(tǒng)，經系統(tǒng)內部構件（光學表面和機械表面）的多次反射、折射、散射以及衍射到達探測器的非成像光線。此類雜散光廣泛存在于各類光學儀器中，目前相關研究較多。對于諸如星敏感器等對暗弱恒星目標探測的光學載荷則主要分析視場外雜光。

2）視場內雜散光一方面是由于光學元件表面的粗糙度、表面疵病、表面污染等帶來的殘余反射、散射、衍射及結構件表面散射導致部分參與成像的光線在整機系統(tǒng)內部以非正常路徑到達系統(tǒng)像面，形成光噪聲的非成像光線。另一方面是由成像光束形成鬼像，即二次反射像，是光學系統(tǒng)中任意兩個表面反射所產生的位于焦面附近的附加像。理論上光線經過系統(tǒng)任意折射面后，均會產生多次折射與反射，而只要滿足兩表面出現往返性反射，則會產生鬼像。鬼像也是一種雜光，對鬼像的產生表面、鬼像的能量大小以及鬼像的位置分布的分析和抑制，可以適當減小其對成像的影響，進而達到更全面地抑制雜散光傳輸的目的。

3）內部熱輻射雜散光一般出現在紅外系統(tǒng)，在一定溫度下此類系統(tǒng)內部元件會產生熱輻射，可能形成熱噪聲雜光，從而引起探測器響應。此外，紅外光學系統(tǒng)多使用制冷型探測器，則有可能出現冷反射現象，即探測器自身像經反射后到達像面，形成新的背景噪聲。隨著紅外探測系統(tǒng)的發(fā)展，以及人們對熱輻射雜光研究的深入，內部雜光的研究將不再局限于長波紅外波段。

近年來，隨著光電探測器件靈敏度和探測閾值的不斷提升，相應地對空間光學相機雜散光的抑制與評估提出了更高要求，因此雜散光技術的研究成為了國內外學者的關注重點。國外經過幾十年發(fā)展，關于雜散光輻射研究已形成綜合性學科，交叉并行發(fā)展。國內雖然起步晚，部分雜光研究內容滯后于國外，但是發(fā)展迅速，在仿真模擬和實驗測量上取得了一定成果，目前已形成初步的雜散光仿真與測試體系，雜散光的抑制與評估已成為光機系統(tǒng)設計中不可缺少的重要組成部分。目前主要存在以下問題：

1）國內多家高校和科研院所以各自需求為導向，對雜散光進行了分散化研究，側重點各不相同，還未形成系統(tǒng)性的雜散光分析流程。

2）未對早期的部分算法和初級分析軟件進行持續(xù)性深入研究和創(chuàng)新升級，導致國外雜光分析軟件占據整個國內市場，還未出現一套國產通用的雜散光分析軟件。

3）國內缺少統(tǒng)一、完整、全面的用于雜散光仿真分析的材料表面屬性數據庫，導致部分材料屬性只能按照經驗來設置，分析結果只能作為參考，不具備較強的可信度。

以推動我國高精度雜散光抑制與評估技術持續(xù)、系統(tǒng)發(fā)展以及相關雜散光理論的快速應用實踐為導向，本文按照雜散光的分析流程，歸納了雜散光抑制與評估技術的研究體系，對其中關鍵技術的國內外發(fā)展現狀進行了總結與對比，匯總了各關鍵技術未來發(fā)展所面臨的難點和挑戰(zhàn)，為相關科研人員提供一套系統(tǒng)性的雜散光抑制與評估技術研究路線，有助于雜散光分析研究的高效開展，推動雜散光抑制與評估技術的總體發(fā)展。

1 雜散光關鍵技術與分析流程

目前雜散光問題的研究已經發(fā)展成為分支繁多、涉及學科很廣的一門綜合技術，其中關鍵技術可歸納為：雜散光抑制方案制訂、抑制模型表面特性測量與建模（包含散射理論、涂層材料散射特性研究、表面質量（表面粗糙度、表面疵?。┘氨砻媲鍧嵍?、散射測量設備、雜散光抑制效果仿真、雜散光測試及評估［11］。這四項關鍵技術可作為獨立課題分別進行研究，同時各技術之間相互聯(lián)系，不可分割。雜散光分析流程如圖1 所示。具體步驟為：

圖1 雜散光分析流程Fig.1 Stray light engineering process flowchart

1）根據系統(tǒng)噪聲抑制指標分配及雜光源和目標特性，確定雜散光的抑制要求，制定雜散光抑制總體方案，并在光機結構設計中進行相應雜散光抑制設計，包含遮光罩、擋光環(huán)的型式及消雜光光闌設計等。

2）抑制模型表面特性測量與建模是雜散光仿真分析的基礎。依據散射相關理論，對不同涂層材料、基底及表面處理方式、不同清潔度的表面進行雙向散射分布函數（Bidirectional Scattering Distribution Function，BSDF）測量，建立散射數據庫。構建準確的雜散光分析模型，是雜散光分析的必要前提和基礎。

3）雜散光抑制效果仿真是進行雜散光抑制的必要環(huán)節(jié)，在設計階段仿真系統(tǒng)雜散光抑制水平，可對下一步的雜散光抑制方案優(yōu)化迭代提供數據支撐，并對系統(tǒng)遮光罩、擋光環(huán)、表面消光涂層等雜光抑制手段給出優(yōu)化改進措施［12］，避免在實物應用階段才暴露出不可彌補的顛覆性錯誤，既減少研制時間又節(jié)約經費，在系統(tǒng)設計階段以及實際工程研制中發(fā)揮著重要作用。

4）雜散光的測試可作為檢測標準，準確評估系統(tǒng)的消雜光抑制效果，可反映系統(tǒng)的雜散光實際抑制水平。此外，依據系統(tǒng)的測量結果與雜散光抑制效果仿真數據進行比對，可進一步修正仿真模型。

2 雜散光抑制方案制訂

2.1 雜散光輻射傳輸理論

雜散光通常以散射、反射等方式到達系統(tǒng)像面，其能量的傳輸過程符合基本輻射傳輸理論［13］，可以描述為光線到達一個物體表面后將部分能量傳遞到另一個物體表面的過程，每個過程都存在發(fā)射面和接收面，雜散光能量在這兩個表面進行傳輸。因此，可把雜散光源分成多個微面元，到達像面微面元的積分總和即為到達像面的雜散光。雜散光基本輻射傳輸如圖2 所示，dAs為光源微面元，Ls為其輻射亮度，dAc為接收微面元，θs、θc分別為光源微面元和接收微面元各自法線與中心連線的夾角，Rsc為兩微面元中心連線的長度，dΩs為光源微面元對于接收面元的立體角。

圖2 基本輻射傳輸示意圖［13］Fig.2 Basic radiative transfer［13］

經過輻射傳輸，微面元dAc接收的由光源微面元dAs發(fā)出的輻射通量dΦc為

對式（1）進行整理轉化，可得

式中，GCF 是幾何因子，定義為輻射源面元對于接收面元的投影立體角；BSDF 是表面雙向散射分布函數，dΦs為光源面的輻射通量，Es是輻射源面元的輻照度。因此，要實現對雜散光的抑制，即減小微面元dAc接收輻通量dΦc，可以通過以下措施實現：

1）減小GCF：減小每一級雜散光傳遞的GCF，通過設置遮光罩、擋光環(huán)、消雜光光闌等雜散光抑制結構阻攔雜光在系統(tǒng)內的傳輸路徑。

2）降低BSDF：對處在光路中的光機結構表面進行特殊處理，如對非光學面的黑化處理，提高材料表面的吸收率，降低發(fā)射率；對光學表面鍍膜，提高透射材料表面的透射率（或反射系統(tǒng)的反射率），降低散射率等。

3）減小dΦs：本質上是對上級雜散輻射源的出射能量的衰減。在減小GCF 和BSDF 的同時，輻射能量dΦs也同時在減小。此外，還可以通過采用帶通濾光片、設置光闌低溫工作等措施降低雜散光產生表面的溫度，達到抑制探測系統(tǒng)內部雜光的目的；對于紅外系統(tǒng)，除了降低自身輻射外，也可以采用遮光罩外表面鍍金等措施，達到對內部表面雜散輻射的抑制。此外，光學系統(tǒng)入口要避免雜光光源直射，遠離視場外部雜散光源［14］。

2.2 雜散光抑制方法

圖3 為典型雜散光對圖像的影響。雜散光抑制的目的是保證具有一定信噪比的成像質量，避免和減少非成像光線到達像面。在雜散光抑制方案制定時要考慮：1）目標、背景、光源等外部環(huán)境情況；2）系統(tǒng)內部熱輻射及整體溫度分布情況；3）系統(tǒng)的光機結構構型。綜合考慮系統(tǒng)外部雜散光、內部鬼像以及對于紅外系統(tǒng)有可能存在的冷反射、熱輻射雜散光進行有效的抑制［7］。按照雜散光的來源，給出了常規(guī)抑制方法以及相關抑制思路，如圖4 所示。

圖3 典型雜散光現象［7，9-10］Fig.3 Typical stray light phenomenon［7，9-10］

圖4 雜散光抑制方法分類Fig.4 Classification of stray light suppression methods

此外，在某些特定情況下，還可以采用濾波法、相鄰幀相減法、偏振法、數值孔徑法及圖像校正法等對雜散光進行抑制。

2.3 視場外雜散光抑制方法

2.3.1 光學系統(tǒng)構型

在整機系統(tǒng)中雜散光主要通過光學系統(tǒng)進行傳遞，即以鏡面反射及散射的方式到達像面形成雜散光。因此，系統(tǒng)的光學設計與雜散光的傳播緊密相關，選擇合理的光學設計能夠使雜散光的抑制事半功倍。光學系統(tǒng)設計時，對于雜散光的抑制應遵循以下三個原則：1）在不影響正常成像情況下，減少光學元件表面數，以減少表面產生反射及散射的機會；2）為避免出瞳雜散光到達像面，可適當增大光學系統(tǒng)的工作距離；3）在保證像質的基礎上，使光學系統(tǒng)的入瞳位置盡量前移，在光學系統(tǒng)進光最小口徑處限制雜光傳輸能量。在滿足像質要求的同等條件下，離軸系統(tǒng)構型一方面由于可使大入射角度的雜光光線以更大離軸角反射從而難以到達探測器，另一方面還能避免次鏡結構支撐桿引起的“星芒”現象。

“星芒”是強點光源入射到包含線性遮攔（或者小光圈）的光學系統(tǒng)后所產生的衍射現象，衍射發(fā)生在垂直線性遮攔處。圖5（a）、（b）為同一場景人為改變不同方向鏡頭擦拭痕跡（手指劃痕）引起的“星芒”現象，圖5（c）、（d）是哈勃望遠鏡遇亮星“天狼星（Sirius）”引起的“星芒”現象［15-16］。“星芒”的存在如同雜光一樣會干擾其周邊暗星的探測，故而離軸系統(tǒng)在雜光抑制上比同軸系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。

圖5 衍射“星芒”現象分布圖［15-16］Fig.5 Distribution map of diffraction spikes［15-16］

歐空局2015 年發(fā)射的空間激光干涉天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）引力波探測器［17-19］，在研制階段其光學系統(tǒng)最早采用了同軸卡塞格林式望遠結構構型，但同軸結構中次鏡表面會產生后向反射和散射，即使將次鏡中心部分開孔或使用高吸收涂層來抑制后向反射光，中心遮攔部分的圓形邊界也會因為衍射效應產生一個泊松亮斑。而且同軸系統(tǒng)的次鏡支撐結構位于光路中，次鏡結構后向散射可直接到達探測器。考慮到苛刻的雜散光抑制要求，引力波探測望遠鏡系統(tǒng)選用了離軸四反結構構型以避免上述問題。圖6（a）為“LISA”設計光路圖，主鏡M1、次鏡M2分別為離軸拋物面和離軸雙曲面，三鏡M3與四鏡M4均為球面。為有效抑制雜散光，可以在在M2和M3間加入一次像面并設置消雜光光闌。我國空間引力波探測“太極計劃”［20-21］中，望遠系統(tǒng)的設計方案同樣是類似離軸四反構型。

2.3.2 遮光罩

遮光罩用來限制視場外光線，使任何直射到其內表面的光線經一次反射后不能進入光學系統(tǒng)入瞳。遮光罩通常位于整個系統(tǒng)的最前端，用以封閉系統(tǒng)并阻斷雜散光路徑。遮光罩越長，雜散光遮擋及吸收越多，進入整個系統(tǒng)的背景光（輻射）就越少。但是遮光罩過長會增加系統(tǒng)的體積和重量，因此合理選擇遮光罩的尺寸尤為重要。考慮體積以及不同遮光效果，根據反射、吸收等衰減雜光途徑設計反射式、遮擋式或者兩者相兼顧的遮光型式，對遮光罩內部形狀依據光學視場及探測器外形設計成立方錐型、立方體型、圓柱或圓錐型等常見形狀以及為完成特定需求設計的不規(guī)則形狀［6，22-25］，如圖7 所示。

圖7 不同形狀遮光罩［6，22-25］Fig.7 Different shapes of baffle［6，22-25］

為進一步防止一次雜光進入光學系統(tǒng)，在遮光罩內設置若干擋光環(huán)（光欄），擋光環(huán)的作用是使一次雜散光完全消除，進入擋光環(huán)內的雜光部分被擋掉而被內壁吸收，其余雜光被反射進入其他相鄰的擋光環(huán)擋掉。最終使一次雜散光在進入光學鏡頭前被完全消除。擋光環(huán)［26］與遮光罩壁可構成半封閉狀光陷阱，用以遮擋間接雜散光（反射光、散射光）傳輸路徑并多次消減傳輸能量，對軸外大角度雜光十分有效。通過光線逆追擊作圖法確定擋光環(huán)的數量、高度、間距、傾角及倒角等參數。圖8 為圓錐形遮光罩及其內部擋光環(huán)分布示意圖。

圖8 外遮光罩內部擋光環(huán)結構示意圖［26］Fig.8 Structure of the vanes in the outer baffle［26］

此外，還可以在一些機械結構關鍵表面設計消光螺紋或者蜂窩狀吸光腔，用以增強散射和吸收面積，達到消減雜光能量的抑制效果。圖9（a）為吳玲林等［27］為瞄準鏡設計的蜂窩狀遮光罩，遮光板上設有蜂窩狀遮光孔，如圖9（b）所示，在保證不遮擋瞄準鏡視線的前提下達到遮光效果，當光從瞄準鏡側前方入射時，大角度入射雜光會進入到蜂窩狀遮光孔的孔壁上被遮擋，可防止其干擾正常瞄準；光入射瞄準鏡后產生的部分反射光再次進入蜂窩狀遮光孔的孔壁而被遮擋，使反射光減弱甚至消失，避免鏡面反射光暴露槍手位置。圖9（c）為何育林等［28］提出的蜂窩狀防眩光光學構件及教室照明燈具，通過光學構件本體側壁的遮擋，使得柔光板處發(fā)射出的光線被限制，只有在光學構件正下方范圍內才能看到柔光板，避免用戶無意目視柔光板時光線直接照射到人眼，達到防眩光的目的。

圖9 蜂窩狀擋光結構［27-28］Fig.9 Honeycomb light blocking structure［27-28］

圖10（a）為林上民等研制的內壁為蜂窩狀遮光罩實物圖，遮光罩內部未設置擋光環(huán)，而是在內壁采用蜂窩狀微結構以增大內壁吸收和散射面積。蜂窩結構雖然在一定程度上有助于減小雜散光，但眾多蜂窩的累積等效壁厚端面以及底部粘接膠面形成的類鏡面使其綜合反射光影響比較明顯，其只適用于對雜光抑制比要求較低的系統(tǒng)中。而且蜂窩狀結構以及其與遮光罩內壁粘連的形式，增加了遮光罩內壁結構的復雜性，不易進行雜散光分析。哈爾濱工業(yè)大學陳學等［29］，利用蜂窩表面的反射，將單個蜂窩結構等效為正六棱柱，如圖10（b）所示，以蒙特卡洛法為基礎，獲得蜂窩結構等效面的反射概率模型，計算分析遮光罩的抑制特性，結果表明：一級和二級蜂窩結構遮光罩對水平入射雜光的抑制分別達到10-4和10-9水平；雜散光漫入射（各個方向無規(guī)律入射）時，其對應消光抑制比分別為10-2和10-3水平。

圖10 蜂窩狀遮光罩散射分析［29］Fig.10 Scattering analysis of honeycomb baffle［29］

傳統(tǒng)型擋光環(huán)垂直于遮光罩內壁或者按照最佳規(guī)避雜光傾斜某一角度，擋光環(huán)兩面往往涂覆高吸收涂層，對遮光罩內壁面積的增加有明顯效果。遮光罩內部表面及擋光環(huán)所吸收的外部熱量會導致整機系統(tǒng)溫度升高，給內部熱輻射雜光的抑制帶來困難。對于太陽望遠鏡及地球同步遙感相機，太陽光直射入口，很可能會出現極端高溫現象［30］。因此在可見、紅外共孔徑多譜段探測系統(tǒng)或紅外探測系統(tǒng)中，采用反射式擋光環(huán)，可以有效減少擋光環(huán)對熱輻射的吸收，降低了系統(tǒng)的輻射雜光。圖11（a）是橢球面反射擋光環(huán)反射光線示意圖，橢圓焦點為P、S，經過點P的任意光線，再經過橢圓上任何一點Q、Q′或Q″后，入射角為θi，反射角為θr，反射光線則會過S點。若將焦點S設為入口位置，則經表面反射返回S點的光線必然從入口出去。因此該類型遮光方式可以控制遮光罩溫度的升高，減少了紅外雜散光。

圖11 反射式遮光罩及內部擋光環(huán)設置［31-32］Fig.11 Reflective baffles with vanes［31-32］

遮光罩分為一級和多級，主要區(qū)別在于對大角度視場外雜光的抑制上［33］。大角度軸外雜光經一級遮光罩內表面反射，有可能進入遮光罩及系統(tǒng)內部；多級遮光罩主要針對在抑制角外有不同位置的雜光源，如同時有月亮和地氣光，可用一個二級遮光罩分別抑制這兩種不同的雜光源，如圖12（a）所示。從雜光抑制的方式考慮，第一級遮光罩內壁可設置成鏡面，反射軸外大角度光線；也可將其設置為第一級只針對大角度雜光，第二級針對小角度及剩余抑制角度的雜光?？偟膩碇v，當存在多個雜光光源時，多級遮光罩更具優(yōu)勢。單獨的外遮光罩適用于透射式系統(tǒng)，而折反式系統(tǒng)為提高雜光抑制效果，則要設計內、外遮光罩［34］，如圖12（b）所示。

圖12 透射式二級三段式遮光罩與折反式內外遮光罩［33-34］Fig.12 Transmissive two-class three-stage baffle and catadioptric system with inner and outer baffle［33-34］

在傳統(tǒng)遮光罩設計基礎上，中科院西安光機所林上民等［35-37］對超輕型光機系統(tǒng)結構雜光抑制技術進行了研究，通過對擋光環(huán)及刃口的優(yōu)化設計，將黑色涂層處理后的擋光環(huán)刃口寬度由原來一體化加工時的0.2 mm 減小到0.03 mm，降低了所有擋光環(huán)刃口的累積反射面積，測試結果如圖13（b）、（c）所示，該型遮光罩針對恒星等弱暗目標可大幅提升雜光抑制效率。同時，對于近軸小視場光學系統(tǒng)而言，如圖13（d）所示的百葉窗式遮光罩，不僅能夠自動消除鏡間熱影響，還具有高的結構穩(wěn)定性和良好的雜散光抑制效果。

圖13 超輕型遮光罩［35-37］Fig.13 Ultra-light baffle［35-37］

2003 年，日本發(fā)射的“SERVIS-1”衛(wèi)星星敏感器［38］如圖14 所示，將光學系統(tǒng)第一個鏡片設計成近半球形，利用大角度入射光線在半球透鏡內會發(fā)生全反射的原理，把半球透鏡作為“角度濾波器”使用，只有小于臨界角的視場內光線可以通過，可有效縮減兩級遮光罩的長度，使其僅為傳統(tǒng)遮光罩長度的3/4?！癝ERVIS-2”衛(wèi)星［39］于2010 年成功發(fā)射，在軌驗證達到了預期對雜光的抑制效果。但該方案在系統(tǒng)前額外增加了球透鏡，給系統(tǒng)設計帶來了難度，同時球透鏡也增加了系統(tǒng)重量。該雜光抑制方法并不適合所有的光學系統(tǒng)，后續(xù)未見類似應用報道。

圖14 全反射技術與兩級遮光罩的聯(lián)合應用［38-39］Fig.14 Combined application of total reflection technology and two-stage hood baffle［38-39］

隨著大口徑高分辨光學遙感器的發(fā)展，傳統(tǒng)的固定式遮光罩尺寸和重量也相應變大，隨動可展開遮光罩技術應運而出。該技術以收縮發(fā)射、在軌彈出的方式，同時滿足了系統(tǒng)大口徑尺寸和發(fā)射過程中火箭整流罩對遮光罩的空間約束。在軌后有序展開多層大面積薄膜遮光罩，實現雜光抑制效果控制及熱控制性能。美國Foster-Miller［40］開發(fā)的一款可展開遮光罩，核心展開單元由卷尺彈簧組件構成，軸向、徑向均可展開，有效隔絕了空間望遠鏡的環(huán)境熱輻射，提高了對雜光的抑制效果。圖15（a）、（b）為展開前、后的照片。2021 年12 月發(fā)射的James Webb 太空望遠鏡［41-42］，同樣采用了多層可展開遮陽罩的方式，有效隔絕來自太陽、地球的雜散光和熱輻射。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）下一代先進技術大孔徑空間望遠鏡（Advanced Technology Large Aperture Space Telescope，ATLAST）［43］仍將采用可展開遮光罩技術，以保證對強光源的有效隔絕。

圖15 可展開型遮光罩［40-42］Fig.15 Expandable sunshields［40-42］

我國2019 年發(fā)射的“高分七號”（GF-7）衛(wèi)星［44-46］前視相機也采用了可展開遮光罩結構，如圖16 所示，入軌前遮光罩折疊收攏，入軌后根據指令成功展開，標志著我國遙感相機可展開遮光罩技術取得了在軌零的突破。中科院西安光機所李創(chuàng)等［47-51］對空間望遠鏡精密展開機構技術進行了持續(xù)性研究，如圖17 所示，研制的碳纖維桿盤繞式張拉整體展開結構，驗證了可展開機構能壓縮可展開功能；研制的六自由度調節(jié)機構，不僅可解決由于制造公差和外部干擾所導致的可展開望遠鏡展開后，次鏡無法準確到達設計位置的問題，也能用于可展開遮光罩，可提高展開精度；研制的基于帶狀彈簧精密展開結構，如圖18 所示，具有展開精度高、結構簡單、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，折疊時儲存彈性應變能，為后續(xù)展開提供動力，并通過形狀記憶合金的鎖緊釋放裝置進行鎖緊，釋放后能夠自行展開到工作位置并完成自鎖。

圖16 “高分七號”衛(wèi)星遙感相機可展開遮光罩［44-46］Fig.16 Deployable sunshield on GF-7 satellite remote sensing camera［44-46］

圖17 可展開機構及自由度調節(jié)機構［47］Fig.17 Adjustment system with hexapod structure［47］

圖18 基于帶狀彈簧的可展開望遠鏡樣機［51］Fig.18 Prototype of a deployable telescope based on a ribbon spring［51］

我國2019 年提出的太陽系近鄰宜居行星的太空探索計劃-“覓音計劃”［52-53］光學系統(tǒng)將仿生技術和折紙方法相結合，依據自然界中花從花蕾至花朵的形狀變化等同為遮光罩遮光面積的逐步增大，采用類似花萼和花瓣的配合結構，可提高對雜光的抑制效果，如圖19。采用正六邊形底面、折展比為8 的拓撲構型遮光罩方案，折疊后的包絡空間和衛(wèi)星星體空間保持一致，能夠更好地利用空間。遮光結構選用兩層薄膜，既可遮光又可隔熱。

圖19 “覓音計劃”空間可展開薄膜遮光罩［52-53］Fig.19 Deployable membrane sunshield of“MEAYIN Project”［52-53］

為了滿足對太陽系外行星較大范圍的探測需求，美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）［54］提出了一種外形為太陽花狀的天基可展開星體雜光遮星傘，其展開直徑為34 m，收攏直徑小于5 m，對非目標星體雜光的抑制能力可達10-10。圖20 為遮星傘在軌工作原理圖，從遠處觀察行星時，遮星傘遮擋中央恒星的光線，花瓣結構會構成一個較為平緩的邊緣透過行星光線，避免光線的過度彎折（或偏折），遮星傘可以形成黑色錐形“陰影區(qū)域”，空間望遠鏡得以拍攝到被淹沒在恒星光芒之中的行星體。為了測試與驗證遮星傘雜光抑制能力及像面對比度，普林斯頓大學［55-57］研究人員在地面搭建了如圖21 所示的測試系統(tǒng)，像面對比結果如圖22 所示。測試結果表明：在工作波段內，該遮光罩對雜光的抑制能力可達10-9，像面對比度可達10-11。

圖20 太陽花狀行星遮陽傘在軌示意圖［55-57］Fig.20 Schematic of sunflower-shaped planet starshade instrument on orbit［55-57］

圖21 太陽花狀遮星傘地面測試［54］Fig.21 Ground test of the sunflower-shaped starshade［54］

圖22 太陽花狀遮星傘對比度仿真［55-57］Fig.22 Contrast simulation of the sunflower starshade［55-57］

2.3.3 光闌

當雜光通過遮光罩內部進入成像系統(tǒng)后，可在系統(tǒng)內部合理設置光闌結構對雜光進行抑制，達到有效阻斷或衰減雜光的目的。常用的有消雜光光闌、視場光闌、Lyot 光闌等［58］。Lyot 光闌可以有效抑制光學系統(tǒng)孔徑光闌受到強光照射后引起的衍射雜散光，光學系統(tǒng)中孔徑光闌邊緣產生的衍射雜散光經后續(xù)光學系統(tǒng)后將重新會聚，并在光闌的一次像面處形成一亮環(huán)，如圖23 所示。因此，將Lyot 光闌放置在孔徑光闌的一次像面位置可以大大降低衍射光斑的能量。整個抑制過程中發(fā)生兩次衍射衰減，充分抑制了衍射雜散光。與視場光闌一樣，當系統(tǒng)尺寸體積受限或者不存在中間像面時，Lyot 光闌可能無法添加到系統(tǒng)中。

圖23 Lyot 光闌在消雜光系統(tǒng)中的應用［58］Fig.23 Application of Lyot stop in stray light elimination system［58］

在實際工程雜散光的抑制中，往往是將多種抑制手段綜合使用以達到最佳的抑制效果。圖24 為美國NASA 發(fā)射的SABER 望遠鏡［59］，外部前遮光罩和鏡筒主遮光罩的應用限制視場外大角度一次雜光，使得雜光在遮光罩內壁經過兩次及兩次以上反射后才有可能到達主鏡。主鏡內遮光罩、次鏡遮光罩則避免主鏡一次散射光直接到達次鏡，且避免大部分大視場光直接入射至次鏡，加入了光陷阱對外部漏光進行吸收。此外，在光機系統(tǒng)內部設置了視場光闌、Lyot 光闌對雜光進行了抑制。

圖24 多種雜光抑制方法在SABER 望遠鏡上的應用［59］Fig.24 Application of various means of suppression for stray light in SABER telescope［59］

日冕儀是對太陽日冕活動進行監(jiān)測，對可能影響地球的災害性天氣預測的空間設備［60-61］。圖25（a）為日冕儀光學結構圖，系統(tǒng)的雜光源為太陽直射光。在系統(tǒng)前方放置三個齒狀遮光盤，主體部分用以遮擋太陽中心部分的直射光，外掩體齒狀遮光盤如圖25（b）所示，可以使垂直入射到遮光盤邊緣光束的衍射光線方向平行于遮光盤平面，有效減少進入到系統(tǒng)中的光能，使雜光消除率提高一個數量級以上。其次針對太陽直射光在外掩體D1和入射孔徑A1附近產生的邊緣衍射光，可分別在外掩體D1關于物鏡組O1的共軛位置D2、入射孔徑A1關于物鏡組O2的共軛位置A3處設置Lyot 光闌進行抑制。距離太陽最近的物鏡組O1各表面多次反射形成的雜散光在中繼鏡組O3的中部被聚焦，能夠實現有效的雜光遮攔。

圖25 大視場日冕儀光學系統(tǒng)［60-61］Fig.25 Large field of view coronagraph optical system［60-61］

2.3.4 表面屬性

雜散光的強弱與表面雙向反射分布函數（Bidirectional Reflective Distribution Function，BRDF）直接相關，表面BRDF 的降低，同樣可以實現很好的抑制和雜光消除。因此，需要對處于光路中的機械結構表面、光學表面進行消光處理。消光處理的思路為改變光在不同介質表面的傳輸路徑并進一步降低傳播能量。故而在加工后的機械結構通光內表面通過改變其表面微形貌（如結構零件表面噴砂、增大局部表面粗糙度以及微納結構等處理）、改善表面吸收光線能力（如表面黑化處理、噴涂消光漆、焦平面非工作區(qū)粘貼黑色吸光布）等方式降低表面BRDF。

要降低光學表面的BRDF，一方面要提高其表面光潔度，減小表面疵病、劃痕等引起散射的誘因；另一方面通過膜系設計及鍍膜提高透過率或者反射率。對處于光路中的非工作光學表面采用消光處理能進一步減少表面的散射，對于透鏡元件需要注意的是，除了關注玻璃條紋度、氣泡、均勻度以及內透過率等材料本身屬性引起的BRDF 變化外，在非工作端面涂覆吸光涂料時，涂料的折射率不得小于玻璃材料的折射率，否則在玻璃材料與涂料之間易形成全反射條件，在臨界角以外入射的所有光線不能進入涂料介質被吸收，而是直接反射到后續(xù)光路進而形成雜散光。

光學表面和機械表面的表面清潔度都會影響到散射強度，表面污染會引起B(yǎng)RDF 相應增大，嚴重時影響探測信號接收，因此，控制表面污染也是雜光抑制的重要內容。目前常采用的表面處理方式有：消光涂層、碳納米管技術、微納表面結構、光學鍍膜、以及表面粗糙度與表面潔凈度等。

2.3.4.1 消光涂層

消光涂層是一種在特定波長范圍內強烈吸收光線，以達到消除或降低光線散射現象的油漆或涂料［62］。消光圖層常用來對光學非工作面和機械結構面進行處理，通過降低表面的散射或反射特性直接影響雜散光的傳輸路徑，達到對雜光的抑制。未消光處理的結構表面具有較高的反射率或散射率，導致非目標光線通過多次散射或反射產生雜光。表1 為常用的黑漆［9］。

表1 主要黑化表面處理［9］Table 1 Widely used black surface treatments［9］

美國Aeroglaze?Z306［63］是一種主要服務于航天器結構件表面的聚氨酯黑漆，其特點是太陽吸收率高、出氣率低及耐輻射性能好。Z306 黑漆的太陽吸收率αs為0.95±0.01，其法向發(fā)射率ε(0)為0.90±0.05。有機涂層在高真空狀態(tài)下釋放小分子顆粒物，可能會影響探測器的光學系統(tǒng)工作性能，而Z306 黑漆的整體質量損失（Total Mass Loss，TML）為1%，其可凝物揮發(fā)（Collected Volatile Condensable Materia，CVCM）為0.02%。

英國NPL 實驗室［62，64］基于鎳磷材料研制了一種低反射率超級黑漆，如圖26 所示，使用硫酸鎳和次磷酸納溶液對待處理樣件發(fā)黑處理，生成一種以化學方式沉積的鎳磷涂層，最后使用硝酸腐蝕處理樣件表面，即可生成超黑涂層。經實驗測定，該涂層在可見光和紫外波段具有較低反射率，如在633 nm 波長處的反射率僅為0.4%，遠低于傳統(tǒng)黑漆的反射率。

圖26 不同含磷量下的鎳磷黑漆電鏡圖像［62，64］Fig.26 SEM images of different phosphorus compositions in nickel-phosphorus black paint［62，64］

法國MAP 公司［65］研制的啞光黑色涂層MAP?PNC，其主要成分是硅酮樹脂，通過添加一些添加劑實現白色和黑色的顏色控制。太陽吸收率αs可達到0.98±0.02，可凝物揮發(fā)物（Collected Volatile Condensable Materials，CVCM）為0.09%，其恢復后的質量損失（Recovered Mass Loss，RML）為0.56%［66］。其中RML 定義為真空測試后樣品的整體質量損失值（Total Mass Loss，TML）與隨后放置室溫吸收水蒸氣恢復后質量損失值（Water Vapor Regained，WVR）的差值。MAP?PNC 在-170℃都有很好的熱穩(wěn)定性。此外，該公司還研發(fā)了PU1、AQ PU1、PUK、AQ PUK、HT1607 等消光黑漆，太陽吸收率αs均保持在0.95～0.96 之間。

俄羅斯研制的［62，67］黑漆主要有AK-512、AK-243、KO818、1-416 等，其黏結劑主要成分是有機硅樹脂和丙烯酸樹脂，其太陽吸收率αs在0.90～0.95 之間。其中，AK-512 黑漆以最佳的空間穩(wěn)定性，服務了多款俄羅斯航天器。

用于我國航天器上的消光涂層多具有高吸收率和低反射率的特點。其中，中科院上海有機化學所研制的SB-3 黑漆因具有較高的太陽吸收率而廣泛應用于各類光學遙感器上。常用的黑色有機熱控涂層還有ERB-2B、SH-96 黑漆、Es951 黑漆等［62］，相關材料參數及應用情況見表2。此外，中科院上海硅酸鹽研究所對鋁合金進行鍍黑鎳處理，吸收率αs能夠達到0.92～0.95，結構件處理厚度變化在0.01 mm 內。中科院西安光機所基于實際測量，已建立適用于航空航天的黑漆數據庫，包括SB-3/A、Z306、PNC、黑鎳、碳納米管涂層等［68］，以及適用于地面測試實驗室的內壁材料數據庫，如消光黑布、黑色消光玻璃和黑色亞克力板等。

表2 我國的熱控黑漆性能及應用［62］Table 2 Performance of black thermal control coating and its appliances in China［62］

中科院寧波材料所先進涂層與增材制造研究團隊［69-73］基于5～30 nm 納米碳球，研制出了超黑吸光涂層HD-CB99A、HD-CB98B 以及特種吸光涂層HD-CB97H，采用機器人在線編程輔助熱噴涂技術進行超黑涂層噴涂成型，如圖27 所示，保證了超黑涂層的成分/組織均勻性和整體性能穩(wěn)定性。所研制的吸光涂層HDCB99A，如圖28 所示，在0.2～25 μm 波段吸光率高達99%，使用溫度范圍為-196～800 ℃，具有低的可凝揮發(fā)物污染。吸光涂層HD-CB98B 在0.2～2.5 μm 波段吸光率優(yōu)于98%，2.5～18 μm 波段輻射率超過0.96，具有優(yōu)異的輻射散熱功能，使用溫度范圍為-196～250 ℃。特種吸光涂層HD-CB97H 在0.2～2.5 μm 的吸光率平均值在97.5%～98.0%之間，2.5～18 μm 的輻射率可達0.96，彌補了涂層HD-CB99A、HD-CB98B 無法清潔、刮擦、觸摸的缺陷，具有一定的耐磨性能以及可觸可摸可洗的特點。

圖27 自動機器人輔助熱噴涂技術［71］Fig.27 Automated robot-assisted thermal spray technology［71］

圖28 新型超黑涂層HD-CB99A［72］Fig.28 New super black coating HD-CB99A［72］

2020 年北京衛(wèi)星制造廠有限公司［74-75］研制了一種適用于空間環(huán)境的高吸收率消雜光熱控涂層SCB-1，如圖29 所示，在200～2 500 nm 波長范圍內太陽吸收比αs優(yōu)于0.98。經過了真空-紫外、真空-電子及真空-質子的連續(xù)輻照實驗后太陽吸收比降低最大值為0.012，半球發(fā)射率εh（同溫度下的輻射體和黑體的輻射出射度之比）變化量在0.01 以內，涂層太陽吸收比與半球發(fā)射率變化較小。

圖29 真空-紫外、真空-電子及真空-質子串聯(lián)輻照前后SCB-1 和PNC 涂層太陽光譜吸收曲線［74-75］Fig.29 Test spectral curve before and after vacuum-UV，vacuum-electron and vacuum-proton irradia of SCB-1 and PNC［74-75］

2.3.4.2 碳納米管技術

碳納米管［76-78］作為國際新材料領域的研究熱點，憑借其獨特的力學、電學、光學、電磁學及超導性能等，引領新型消光材料的發(fā)展。理想碳納米管是無縫、中空的片層石墨烯管體，按照石墨烯的片層數可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。自2007 年起，NASA 科學家團隊［79］研究了一種適用于空間飛行器的多壁碳納米管（Multiwalled Carbon Nanotube，MWCNT）涂層，稱其“Blacker than black”，該涂層的吸收率在0.9～24 μm 的波長范圍內為0.99～0.91，且呈單調降低。已公開報道的美國KH-12 衛(wèi)星［80-81］，除了使用錐形充氣罩用以折射地面雷達探測電磁波外，還使用了在可見光波段吸收率高達99.965%的碳納米管材料，因此，除了太陽能電池板和工作鏡頭外，整個衛(wèi)星幾乎呈絕對黑色，地面觀測裝置很難探測到該衛(wèi)星，實現了隱身效果。

英國Surrey Nano Systems 公司［82］基于碳納米管材料研制的Vantablack 也是反射率最低的超黑材料，如圖30 所示，光線無法直接進入只能穿過其間的縫隙。這種超黑物質傳導熱的效率為銅的7 倍，堅固程度為鋼的10 倍，測試633 nm 波長可見光的吸收率達到了99.965%。任何被它覆蓋的物體在人眼看來都會是一個平坦且無底的空洞。Vantablack S-VIS 適用于光譜范圍為紫外-太赫茲（UV-THz）的空間設備，Vantablack S-IR 適用于光譜范圍為5～14 μm 的空間設備，Vantablack VB×2 適用于光譜范圍為UV-THz的地面設備。涂有Vantablack S-VIS 的樣品在-196 ℃液氮浸泡后，放置于200 ℃熱板上后，其性能仍然保持不變。2015 年12 月，該材料首次應用于監(jiān)測衛(wèi)星的雙星跟蹤器上，性能穩(wěn)定，隨后也應用于Antares NG10 設備上。

圖30 Vantablack 黑漆的應用［82］Fig.30 Application of Vantablack paint［82］

意大利DE NICOLA F 團隊［83］在2016 年曾以硅為基底材料，沉積單壁碳納米管（Single Walled Carbon Nanotube，SWCNT）涂層進行吸收率測定實驗，通過引入蛾眼效應（梯度折射率），實現了對入射光的高吸收，如圖31 所示。實驗結果表明：碳納米管涂層的厚度可直接影響其抗反射性能。在45°入射光下，該材料的最高吸收率可達99.9%，發(fā)射率高達99.3%。

圖31 單壁碳納米管涂層［83］Fig.31 Single-walled carbon nanotube coatings［83］

2016 年，北京控制工程研究所的郝云彩、余成武等［84］仿真分析在雜光抑制角和點源透過率（Point Source Transmittance，PST）指標一致的情況下，如圖32 所示，所設計的碳納米管遮光罩結構構型較噴涂PNC 黑漆的遮光罩長度縮短了30 mm，外口徑縮小了45 mm。此外，該團隊開發(fā)了以鈦合金材料為基底進行碳納米管涂層生長的新技術，涂層吸光率達到99%以上，所制作的碳納米管遮光罩可等效替代傳統(tǒng)飛行產品遮光罩，通過真空原子氧、熱真空、力學環(huán)境等各項空間環(huán)境實驗，驗證了其具有較好的空間環(huán)境適用性。

圖32 碳納米管遮光罩［84］Fig.32 Carbon nanotube（CNT）baffle［84］

2.3.4.3 微納表面結構

2020 年，中科院西安光機所李明團隊［85-86］通過調整飛秒激光在金屬表面的能量密度、掃描間隔和光束偏振態(tài)，獲得不同特性的表面微納混合結構如圖33 所示，可作為光腔捕獲光線進入其內部經多次反射最終達到衰減消光的目的，分析結果如圖34 所示。與其他典型周期性吸光結構相比，該類型的微納混合結構在250～2 300 nm 光譜波段具有2%的超低平均反射率，在紫外波段最低反射率可降低至1.5%。高低溫試驗驗證其性能具有較高的穩(wěn)定性，有效彌補了傳統(tǒng)黑漆、電鍍、噴砂等方法壽命短、高低溫脫落、易污染、不穩(wěn)定等問題，為雜散光的抑制手段提供新的思路。

圖33 飛秒激光加工設備及圓偏振激光下的微納結構［85-86］Fig.33 Fs laser processing system and morphology of micro/nano structures in circularly polarized laser［85-86］

圖34 不同實驗條件下微納結構的光譜反射率［85-86］Fig.34 Reflection spectra of micro/nano structures at different experimental conditions［85-86］

2.3.4.4 光學鍍膜

提高透射光學元件表面的透過率（或者反射鏡的反射率），不僅能大幅提升系統(tǒng)獲得的有效總能量，還能減小雜光，尤其是可減少鬼像發(fā)生的概率。如圖35 所示，在透鏡表面鍍制高增透膜系或者通過鍍膜控制特定工作波段光線透過，抑制其他非工作譜段光線通過；反射鏡表面可以通過鍍高反射率膜系，如詹姆斯·韋伯（James Webb）望遠鏡［87］以極高剛性和輕質特性的鈹材料作為主鏡襯底，反射面的表面粗糙度小于20 nm，鍍上金膜后，有效提高了其反射紅外光線的能力。

圖35 鍍金膜的James Webb 太空望遠鏡［87］Fig.35 James Webb Space Telescope coated with golden thin［87］

光學薄膜中的散射損耗直接影響著薄膜性能［88］，隨著表面均方根粗糙度的增大，鏡面反射率明顯下降。光學薄膜粗糙面的散射，除了要考慮單個界面粗糙度以外，還要考慮這些界面粗糙度之間的互相關特性。西安工業(yè)大學潘永強等［88］通過對K9 玻璃基底上TiO2薄膜的研究表明，當基底粗糙度較小時，隨膜層厚度增加，薄膜表面的粗糙度不僅包括基底本身粗糙度復現在薄膜外表面，薄膜生長所帶來的固有粗糙度也逐步體現，會逐漸減弱薄膜界面粗糙度的互相關性，其總后向散射仍優(yōu)于粗糙度較高的基底上沉積的薄膜。因此，降低基底表面粗糙度可直接減小薄膜的散射損耗。

隨著鍍膜技術的不斷進步，等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、低溫化學氣相沉積（Low Temperature Chemical Vapor Deposition，LPCVD）、金屬有機化合物化學氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）等新型化學氣相沉積鍍膜方式［89-92］出現，與經典的物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）技術相比，所制備的薄膜以較大的折射率變化范圍，拓展了膜系設計的空間，可用于低散射漸變折射率光學薄膜的設計與制備，為改善現有光學薄膜器件性能及獲取特定功能光學薄膜提供新路徑。圖36 為等離子體增強化學氣相沉積實驗裝置。

圖36 等離子體增強化學氣相沉積實驗裝置［90-91］Fig.36 Setup of plasma-enhanced chemical vapor deposition（PECVD）［90-91］

具體來說，與電子束熱蒸發(fā)技術比較，PECVD 技術制備的薄膜具有更為致密的薄膜結構、更加靈活的折射率變化范圍和更少的表面缺陷（如物理氣相沉積技術不可控的制備缺陷，膜料噴濺和麻點等）；與離子束熱蒸發(fā)技術制備的薄膜相比，兩者致密度接近，但PECVD 薄膜的折射率可調范圍更加靈活，更適合制備折射率連續(xù)的漸變層。此外，PECVD 技術制備的薄膜具有良好的覆型性，適合異形曲面上的制備，非常適合在微結構表面上制備光學薄膜。

漸變折射率薄膜，又稱為非均勻薄膜［92-94］，即沿薄膜厚度方向膜層的折射率呈遞增或遞減變化，改善了傳統(tǒng)多層光學薄膜膜層間的不穩(wěn)定性和躍變特性，圖37 為漸變折射率涂層反射率分布圖。漸變膜層的層間緊密堆積，因此具有更優(yōu)良的增透特性和更高的激光損傷閾值（定義為單位面積上的激光能量，單位為J/cm2）。

圖37 漸變折射率涂層反射率分布［94］Fig.37 Reflectivity distribution of graded-index coating［94］

PECVD 技術在制備減反膜時［93］，可以在膜系結構中引入漸變折射率層，平滑通帶的透過率、降低薄膜內部電場強度，從而實現超寬帶減反、抗強場損傷等傳統(tǒng)薄膜制備技術難以實現的優(yōu)點；PECVD 技術所制備的高損傷閾值高反膜，薄膜表面更加均勻，且制備多層膜時，中間部分存在漸變層，使得界面破損效應變小，從而使損傷閾值大幅提高。此外，PECVD 技術制備的薄膜的粗糙度優(yōu)于熱蒸發(fā)技術制備薄膜，且接近于離子束濺射技術制備的薄膜。

2.3.4.5 表面粗糙度與表面清潔度

圖38 給出了表面形貌和顆粒污染的分布圖。散射是輻射在傳播過程中遇到小微粒使傳播方向改變并向各個方向散開。按照粒子尺寸與光波波長的大小關系，引起散射的主要有瑞利散射和Mie 散射。瑞利散射是當粒子尺寸小于1/10 波長或更小時太陽輻射光譜波長的散射，強度正比于（1∕λ4）；Mie 散射是粒子尺寸大于1/10 波長到接近太陽輻射光譜波長時所發(fā)生的散射，強度正比于（1∕λ2），且散射光的前向比后向的散射強度更強，方向性較明顯。故而光學表面的粗糙度會直接影響表面的散射特性。通常使用總積分散射（Total Integrated Scatter，TIS）表示散射或透射光總能量與入射光總能量的比值，其與均方根粗糙度σ 的關系為［95-96］

圖38 表面形貌和顆粒污染的影響［9，102-103］Fig.38 Influence of the surface topography and particulate contaminants［9，102-103］

式中，Δn是光束入射、散射空間的折射率差，對于鏡面而言，通常取Δn=2；λ為入射光波長，θi為光束入射角。從式（3）可以看出，在其它條件保持不變的情況下，表面粗糙度與總積分散射成正比，隨著表面粗糙度增大，其像面接收到的雜散輻射必然增大，因此在光機元件加工時，要盡量控制表面粗糙度。

由散射強度與波長的關系可以看出，波長越短，散射強度越強。對于強光強目標散射效應尤其明顯。如lyα 日冕儀［97］主反射鏡采用超光滑表面（RMS 粗糙度優(yōu)于1 nm）來降低表面粗糙度引起光的散射。另一方面表面灰塵等微粒污染物的存在改變了光與介質表面的散射特性，使其超出了表面粗糙度所造成的影響。大顆粒Mie 散射可以通過提高潔凈室內空氣潔凈度實現消除，而瑞利散射可將光學設備放置真空密封腔，通過減少大氣中的微粒數量來減弱或建立相應模型計算剔除。目前潔凈室等級［98-100］有國際標準ISO 14644-1：2015 和中國標準GB/T16292-1996。美國環(huán)境科學與技術研究所［101］提出的清潔度標準IESTCC1246D 提供了表面清潔度（Cleanliness Level，CL）這一單一參數來量化描述表面微粒數量，TRIBBLE A及BUCH J 等［9］研究了表面清潔度與組裝環(huán)境的潔凈室級別、暴露于該環(huán)境中的時間和暴露于環(huán)境中的空間方向的關系，結果表明，在同等條件下，組裝環(huán)境潔凈水平越高、暴露時間越短、工作表面水平向下放置，其表面清潔度越好。這些參數與表面清潔度CL 值的關系為

式中，Forient為方向因子，當工作面水平朝上時取1，垂直放置取0.1，水平面朝下取0.01；ρ為由潔凈室每小時換氣次數決定的常數；NISOCLASS為潔凈室的ISO 14644-1 級別；A為擬合常數。

2020 年，LINTZ M 等［104］通過分析引力波LISA 望遠鏡光學表面因微流星體沖擊產生的碰撞坑與污染物，建立了一種估算光學表面微流星體損傷引起的雜散光的計算模型。2021 年，西安工業(yè)大學潘永強團隊［105-106］通過在K9 玻璃表面沉積單層SiO2或TiO2光學薄膜，如圖39 所示，實現了對光學元件表面上方半徑為100 nm 粒子污染物球心處電場強度的有效調控，并根據電場強度最小值確定了所對應的光學薄膜厚度，不僅降低了光學元件表面污染物球心處的電場強度，也進一步降低了光學元件表面粒子污染物引起的雙向反射分布函數（BRDF）以及污染物引起的總散射損耗。計算結果表明，波長為632.8 nm 的光垂直入射時，單層SiO2薄膜和單層TiO2 薄膜可將K9 玻璃表面的總散射分別降低12.40%和25.04%，通過實驗也驗證了單層SiO2薄膜對于表面粒子污染物散射降低的有效性。但該方法的應用需要預估表面粒子污染物的粒徑分布，對基底材料、光學薄膜的種類和厚度都有特定要求。

圖39 單層光學薄膜對表面顆粒污染的散射抑制［105-106］Fig.39 Suppression of surface particle pollutant scattering by single-layer film［105-106］

此外，還可以利用一些清除表面污染的方法［107-111］，如釋氣處理、二氧化碳噴雪花效應、離子去除法、紫外線輻射清潔以及靜電除塵技術等，清潔光學表面以降低其表面散射。二氧化碳噴雪清潔是利用處于高壓狀態(tài)下的液態(tài)或氣態(tài)二氧化碳在減壓噴霧過程中形成含有固體二氧化碳雪花晶體（0.3～1 μm）的高速運動氣流和污染物間的能量和動量的轉移（表面污垢受冷微變形，雪花升華產生體積膨脹，爆開污垢）以及高速氣流的清洗作用來清除光路內的污染物，已經在很多航空航天項目中得以應用。圖40 是二氧化碳雪清潔現場，具有如下優(yōu)點：1）清潔對象廣：可去除油脂（如指紋）、分子污染物及亞微米顆粒污染物；2）清洗速度快：能完成大面積、大尺寸光學元件清洗；3）效率高：光學元件表面清潔水平可優(yōu)于IEST-CC1246D 標準250級；4）對基底材料基本不限制：清潔材料包括金屬、陶瓷、塑料和玻璃表面、半導體晶片、真空元器件、各種鍍膜（金膜、銀膜等）后的光學元件等。

圖40 二氧化碳雪清潔現場［87］Fig.40 CO2 snow cleaning［87］

除此以外，還可以利用靜電防塵和除塵。當不帶靜電微粒與另一個帶靜電物體靠近時，基于靜電感應，微粒會感應出與帶靜電物體相反的電性，互相吸引，從而出現靜電吸附現象。王虎等［112］設計了一種光學系統(tǒng)防塵裝置，如圖41（a）所示，通過將特定的導電膜鍍制在光學系統(tǒng)的第一鏡面上，依靠鍍膜后鏡面與特殊導電壓圈的可靠接觸，靜電經由導電膜傳遞后由接地導出，最終灰塵因無靜電吸附而無法粘附在鏡面上，實現防塵目的。該方法尤其適合于月球車、火星車等對光學載荷具有較高防塵需求的任務中。除了消除靜電實現除塵外，也可以利用靜電場電暈放電，釋放離子與自由電子，則灰塵粒子將帶有相應電子，經集塵板收集清除。KANAZAWA S 等［113］研究的雙極荷電技術，如圖41（b）所示，可使帶相反電荷的細顆粒在電荷間庫侖力的作用下發(fā)生靜電凝聚，產生更大的顆粒，從而提高了靜電除塵（ESP）對細（亞微米）顆粒的收集效率，如圖41（c）所示，通過使用雙極荷電技術，粒徑為0.3～1 μm 的顆粒物的分布比例由原來的75%減少到18%，粒徑為1～5 μm 的顆粒物分布比例由25%增大到82%，微納米量級顆粒污染物的去除效率達到了80%。2016 年馮壯波等［114］曾通過在靜電除塵器上加入纖維過濾器，混合除塵，提高了對粉塵微粒的收集效率。

圖41 靜電除塵技術與應用［112，114］Fig.41 Electrostatic dust removal technology and application［112，114］

2.4 視場內雜散光抑制方法

視場內雜散光主要是由非成像光束通過儀器內壁及元件折、反射后進入像面產生的，具體受光學元件、結構件表面粗糙度、表面疵病以及表面污染所帶來的殘余反射、散射以及衍射的影響，以及光學元件、結構件等各折射面的反射光、儀器內壁的反射光，鏡片本身的漫反射或者鏡筒的反射等。因此，在雜散光的抑制上，要對光學元件的加工、使用、搬運、清洗、保存過程嚴格控制，保證所需表面質量和表面清潔度，避免因為表面粗糙度、表面疵?。辄c、劃痕、破點等）及表面污染對成像造成影響，還要根據光學元件類型使用高反射膜系或高透過率膜系，對光路附近的非工作面使用高吸收率涂層，這與視場外雜散光部分抑制方法一致。

鬼像即二次反射像，是視場內雜散光的另外一種表現形式，為光學系統(tǒng)中任意兩個表面的殘余反射導致部分非成像光線在光學系統(tǒng)焦面附近匯聚形成的附加像。由于光學系統(tǒng)都鍍高反/高透膜，經兩次反射后能量更加微弱，故一般只考慮二次反射引起的鬼像影響。對于有k個折射面的光學系統(tǒng)，其任意兩面間各一次反射造成的鬼像數目為k×()k-1 2。鬼像包括鬼像焦點像和鬼像光瞳像。鬼像焦點像由物面形成，鬼像光瞳像由光瞳形成。由于光瞳是系統(tǒng)全視場能量積分處，所以鬼像光瞳像的影響可能較大。對于高功率激光系統(tǒng)而言，為了防止激光擊穿空氣，形成氣爆，除了要避免成像光路形成的內焦點，還要避免鬼像光路形成的鬼像內焦點。

在鬼像的抑制方面，除了控制表面質量、表面清潔度，使用特定膜系、涂層以外，可以在初始光學設計時對鬼像進行快速初步分析，通過不斷調整光學系統(tǒng)構型及內部光學元件參數，盡可能在保證系統(tǒng)成像質量前提下，對鬼像進行消除。另外，減小曝光時間以及圖像處理也是常用的鬼像消除方法，圖42 是圖像法消鬼像流程，圖43 是圖像法消除鬼像實例。

圖42 圖像法消鬼像流程Fig.42 Image method to eliminate ghost image

圖43 圖像法消鬼像實例［7］Fig.43 An example of image method to eliminate ghost image［7］

2.5 內部熱輻射抑制方法

紅外成像系統(tǒng)中，在一定溫度下內部元件會產生熱輻射，使紅外探測器響應從而影響目標信號的探測。在使用遮光罩以及光闌組合進行抑制外部雜散光時，雖然也會減弱外部環(huán)境帶來的溫度變化對內部元件的影響，但是在紅外光學系統(tǒng)中，仍然需要獨特的內部熱輻射抑制方法，包括溫度控制法和溫闌抑制法，在設計時往往根據實際應用需求，使用多種方法共同抑制。

2.5.1 溫度控制法

溫度控制法是對光學系統(tǒng)進行內部降溫，短波波段逐步成為輻射能量中心，因此長波紅外熱輻射能量得到降低。溫度控制法作為最有效的內部熱輻射抑制方法之一，曾被多個紅外探測系統(tǒng)所使用。歐洲宇航局于2009 年發(fā)射的空間望遠鏡Herschel［115］如圖44 所示，通過將望遠系統(tǒng)浸泡在液氮中，保持恒溫85 K 左右，可以在長波紅外甚至55～671 μm 波段進行有效探測。此外，南極多波段紅外相機（Antarctic Multiband Infrared Camera，AMICA）［116］也采用了該方法，將整個光學系統(tǒng)、濾光輪和紅外探測器放置于特制的35 K 低溫杜瓦瓶內，中波紅外陣列相機直接與二級制冷機相連，并與光路進行隔熱處理，制冷溫度可達7 K。

圖44 溫度控制法實例［115］Fig.44 An example of temperature control method［115］

圖45 是中科院云南天文臺研制的1 m 新真空太陽望遠鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）［117］，主要用于太陽觀測。太陽照射會讓地面溫度劇烈升高，不同地物的反射率不同，地面和大氣的感熱交換引起近地大氣溫度梯度，嚴重影響望遠鏡成像質量。水的比熱非常大，且有很高的傳導能力，獲得的太陽輻射能很快地向下層傳導。另外水的蒸發(fā)強烈，蒸發(fā)過程中消耗了很多熱量使水溫升不高，也減少了空氣的感熱交換，使得相同熱量照射到水面與照射到地面的情況下水面的升溫會慢很多。因此在有大面積水的區(qū)域，白天的氣流一般都很穩(wěn)定，望遠鏡受到的干擾就小。另外撫仙湖觀測站為了降低望遠鏡及建筑物本身吸收太陽熱量引起對大氣的輻射影響，將觀測站附近所有暴露物品都涂成對太陽反射率較高的白色，樓頂平臺也最大限度灌滿了水，與湖水形成循環(huán)，時刻帶走太陽照在建筑物上的熱量，從而把太陽對大氣的熱輻射影響降到最小。

圖45 1 m 新真空太陽望遠鏡NVST［117］Fig.45 One-meter vacuum solar telescope NVST［117］

此外，黃善杰等［115］通過對1 m 口徑紅外太陽望遠鏡視場光闌、密封窗口和CCD 探測器等關鍵部位進行局部制冷，在保證望遠鏡系統(tǒng)觀測精度的同時有效抑制了系統(tǒng)內部輻射，可以根據應用需求進行溫度調整，減小對杜瓦體積、成本、探測器工作溫度的限制與約束。

2.5.2 溫闌控制法

溫闌控制法即采用溫闌和冷光闌相匹配的方法抑制紅外系統(tǒng)內部雜光。冷光闌可以抑制背景輻射，并且冷光闌通常與前面光學系統(tǒng)出瞳及大小相重合，即冷光闌效率為100%，此時進入主光路的雜散光將被冷光闌遮攔，從而有效抑制了系統(tǒng)的雜散輻射。成像光束通過溫闌反射凹面中心孔，聚焦到像面上。凹面把冷光闌的孔徑成像于冷光闌的孔徑平面上，即溫闌-冷光闌匹配。這種匹配可以顯著減少背景噪聲，改善像面的均勻性。

2.5.3 雜光綜合抑制

在實際應用中，往往會結合多種抑制方法以達到最佳雜光抑制效果。英國宇航技術中心（UK Astronomy Technology Centre，UKATC）所設計的可見光和近紅外巡天望遠鏡（Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy，VISTA）［22］所搭載的紅外相機（VISTA IR Camera，VIRCAM）如圖46 所示，采用Ritchey-Chretien 結構，由于視場范圍較大，取消了傳統(tǒng)的冷光闌結構，對擋光環(huán)結構及特殊光學元件（成像透鏡）進行降溫處理，很好地抑制了系統(tǒng)中的內部雜散輻射。擋光環(huán)為橢圓反射式結構，表面鍍有特殊消雜光膜層，可有效吸收近紅外波段輻射并反射中波以上的熱輻射。此外，在系統(tǒng)次鏡附近添加的環(huán)狀反射光闌有效抑制了大氣輝光傳遞到系統(tǒng)像面，減弱雜散光對系統(tǒng)的作用。

圖46 VIRCAM 紅外相機綜合抑制熱輻射［22］Fig.46 Comprehensive thermal suppression in VIRCAM［22］

涂層法作為抑制雜散光的基礎，對于內部熱輻射同樣有效。根據紅外系統(tǒng)的工作波段進行涂層選擇，如鍍金會增加紅外鏡面的反射率、降低其表面吸收率和紅外波段發(fā)射率。圖47 是美國在2010 年研制的長波紅外光譜儀MAKO［115］，采用內部鍍金的方法，減弱了系統(tǒng)內部散射。

圖47 MAKO 光譜儀鍍金實物圖［115］Fig.47 Gold plating of MAKO spectrometer［115］

對于紅外光學設備，必須考慮冷反射（Narcissus）。紅外探測器比它周圍的環(huán)境溫度低，它的輻射有可能通過光學系統(tǒng)中的某些面反射回來又落在探測器上，從而形成探測器自身的冷像，在像面的中心出現冷反射的黑斑鬼像。

冷反射也有兩種抑制方法，一種為結構法，另一種是補償法，即非均勻性校正法。與結構法消除鬼像類似，結構法抑制冷反射，同樣需要先分析出產生嚴重冷反射的光學表面，調整該表面的曲率半徑直至冷反射像無法會聚于像面，如把光學系統(tǒng)前面的平板窗口傾斜放置。鬼像與冷反射的區(qū)別在于來源不同，前者來源為強光源，后者來源為冷屏。強光源（或者目標）隨光學系統(tǒng)拍攝時，逐漸發(fā)生變化，冷屏則保持不變，因此可使用變密度盤法補償［7］。此外，變密度盤可校正因漸暈或者鍍膜不均勻造成的像面照度不均勻現象。

2.6 其他雜散光抑制方法

2.6.1 濾波法

濾波法分為空域濾波法和帶通濾波法?？沼驗V波法是利用探測器靈敏度相對較強的譜段，規(guī)避雜光譜段。帶通濾波法是在系統(tǒng)前加一個窄帶濾光片，濾除工作譜段外其余雜光。美國NASA 于1998 年發(fā)射的太陽探測器（Transition Region and Coronal Explorer，TRACE）單載荷衛(wèi)星［118-119］，采用了帶通濾波法抑制雜散光，如圖48 所示，系統(tǒng)前端安裝四象限濾光片以阻止非成像波長的輻射進入系統(tǒng)，其中三個扇形濾光片透過17.1 nm、19.5 nm、28.4 nm 太陽特征譜段波長，一個圓形濾光片是針對121.6 nm、150 nm 特征波長，一對濾光輪安裝在主鏡后面，以進一步濾光并在紫外通道中提供波長選擇。每個濾光輪位置處各自配備了一個鋁薄膜濾光片，以防入口濾光片出現針孔或在其他形式的故障時提供進一步的雜散光的衰減。此外，NASA 在2010 年發(fā)射的太陽動力學觀測衛(wèi)星（Solar Dynamics Observatory，SDO）攜帶的大氣成像裝置（Atmospheric Imaging Assembly，AIA）光學望遠鏡組前方同樣采用窗口濾光片［120］，如圖49 所示，能夠阻止來自太陽的絕大部分熱輻射進入鏡筒內。前端窗口濾波片、反射鏡涂層以及像面濾波片的共同作用，可滿足對其他譜段雜散光的抑制要求。

圖48 帶通濾波法在TRACE 望遠鏡上的應用［118-119］Fig.48 Application of bandpass filtering to suppress stray light in TRACE［118-119］

圖49 帶通濾波法在SDO-AIA 望遠鏡上的應用［120］Fig.49 Application of bandpass filtering to suppress stray light in SDO-AIA［120］

2.6.2 相鄰幀相減法

相鄰幀相減法也稱為背景提取法，其原理是控制照明的開和關，同時采集圖像，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）（或激光）不開啟時采集的圖像只有背景光，開啟時采集的圖像包括目標和背景光，兩幅圖像相減即可把干擾背景消除掉。2011 年，張維安等［121-122］為解決全向激光探測中太陽光閃爍產生虛假信號，干擾實際探測的問題，按照圖像的特征對經過相鄰幀相減后的光斑圖像進行了判斷和識別。該方法不依賴于探測器和圖像采集設備，可以在后期處理中完成。圖50 為太陽光虛假信號的識別與排除分析圖，經實驗驗證，該方法對虛假信號具有較好的識別和抑制效果。

圖50 太陽光虛假信號的識別與排除［121］Fig.50 Judgment and exclusion of false signal generated by sunlight［121］

2.6.3 偏振法

傳統(tǒng)強度成像只能記錄目標的振幅信息，難以記錄目標特有的其它維度信息［123］。偏振圖像以像素點灰度值對應不同偏振信息，可以獲取強度圖像不具備的特有信息，可對強度成像技術進行補充和完善，應用廣泛。圖51（a）為常規(guī)的強度圖像，玻璃表面和水面的反射導致難以觀察玻璃后和水下場景，圖像模糊，而葉片反射光甚至造成了圖像發(fā)白，顏色失真。在圖51（b）的偏振圖像中，對表面強度炫光進行了消除，圖像清晰度更佳。

圖51 偏振光學成像消除炫光［123］Fig.51 Polarized optical imaging eliminates glare［123］

偏振成像憑借在散射介質中清晰成像的優(yōu)勢，在霧霾成像和不透明水體成像中應用廣泛。在2001 年，哥倫比亞大學的SCHECHNER Y Y 等［123］基于對霧霾大氣下目標成像研究，提出了以偏振技術為核心的去霧算法模型。通過旋轉相機前方的線偏振片，獲得偏振方向互為正交的兩幅圖像，由圖像的偏振信息計算空氣光強，并在原始拍攝對象中對空氣光強進行剔除，在一定程度上，可以對觀測目標背景雜光進行衰減和消除。后續(xù)還可以通過補償目標反射光強，達到偏振清晰成像的目的。該理論的提出和應用，奠定了偏振法在背景去噪技術中的重要地位，推動了偏振成像技術的快速發(fā)展。圖52 是偏振成像技術在圖像去霧中的應用，其中圖52（a）、（b）為偏振方向互為正交的原始拍攝圖像，圖52（c）為后期經偏振去霧算法處理后的清晰圖像。

圖52 偏振光學即時去霧效果［123］Fig.52 Instant dehazing of images using polarization［123］

渾濁水體成像的物理模型，與大氣霧霾下的光學成像很相似，均為介質中的顆粒物對成像光線的吸收和散射造成了觀測圖像的模糊和退化［124］。但由于渾濁水體對光線的衰減作用更強，導致環(huán)境光照度變弱，所以一般需要采用主動成像。以主動光照明作為水下成像的探測方式，水中顆粒物會與光源相互作用，造成較強的后向散射光，直接影響到圖像的觀測。天津大學胡浩豐課題組［125］為了抑制后向散射光對圖像的干擾，以偏振為基礎，采用圓偏振光主動照明，提升了觀測圖像的清晰度，實驗結果如圖53 所示。

圖53 圓偏振光在渾濁介質偏振成像恢復中的應用［125］Fig.53 Application of circularly polarized light in the restoration of polarized imaging in turbid media［125］

此外，劉飛等［124，126］也曾對自然光照明下的圖像進行了偏振復原研究，充分考慮了水體的吸收和散射效應。該模型不僅解決了后向散射導致的圖像對比度降低問題，在一定程度上減弱了水體吸收所引起的圖像色彩畸變。圖54 為實驗結果分析圖。

圖54 自然光照下的清晰介質偏振成像［126］Fig.54 Polarization-based imaging for clear underwater vision in natural illumination［126］

隨著對水下成像研究的深入，前向散射對圖像的影響同樣不可忽略。西安電子科技大學邵曉鵬團隊［124，127］以刃邊法為基礎，對前向散射造成的圖像退化函數進行了合理估計，實驗結果較好，如圖55 所示。該模型一般用于低濃度渾濁水體中，提升了圖像對比度，圖像細節(jié)較為清晰，實現了水下“看得清”的目的。

圖55 刃邊法使用前后圖像對比［127］Fig.55 Image comparison before and after using the edge method［127］

2.6.4 數值孔徑法

當光線從折射率較高的光纖纖芯進入較低折射率光纖包層時，若入射角超過某一臨界角（光線遠離法線）時，折射光線將會消失不見，所有的入射光線將沿光纖纖芯反射而不會進入光纖包層，如圖56（a）、（b），這是由于入射光線在光纖纖芯和包層的交界面產生全反射。

基于光纖全反射對光線選擇的原理，王虎等［128］提出了針對不同視場設置不同數值孔徑的光纖組合，如圖56（c）所示，只允許特定視場成像光線通過，達到對視場外雜散光的抑制作用。為實現寬視場上均勻有效的耦合，可以采用多模光纖彎曲，最終在傳統(tǒng)焦平面獲得相應圖像。由于光導纖維反射時沒有光線的損失，因此該方法能夠提高探測系統(tǒng)的信噪比，為雜散光的抑制開辟了新方向。

圖56 數值孔徑法抑制雜散光Fig.56 Numerical aperture method to suppress stray light

2.6.5 圖像校正法

光機系統(tǒng)在完成優(yōu)化設計、加入雜散光抑制措施后，若雜散光的作用仍然明顯或需進一步提升探測信噪比，還可以通過后期圖像處理校正雜光。雜散光的圖像校正主要分為圖像復原法和矩陣法［129］。

圖像復原法是以反卷積的方式，將質量較低的缺陷圖像進行復原和恢復［11］。該方法主要依據光學系統(tǒng)的特點和雜散光的成因分析圖像退化過程，建立相應的圖像降質類型，從而估算系統(tǒng)的點擴散函數，最后采用相應算法對圖像復原。IWASAKI A 等［129］建立了包含特征參量的雜散光分布函數，并利用Van-Cittert迭代算法對雜光進行了校正。BITLIS B 等［130］提出了移變分析參數模型，通過實測隨空間變化的不同視場點擴散函數，使用非線性優(yōu)化計算了模型中的未知參數，如圖57 所示。隨空間變化的點擴散函數增大了圖像復原的計算量，但是校正后圖像飽滿，細節(jié)清晰，對比度更高。KOVACS G 等［131］通過在軌測量點擴散函數，運用反卷積的方法對小行星Vesta 圖像進行了校正，如圖58 所示。原育凱等［129］在光機建模的基礎上，獲得FY-2 氣象衛(wèi)星掃描輻射計圖像退化模型，采用逆濾波算法實現校正。嚴明等［132-134］使用分塊自適應算法對雜散光進行處理，前提是要測量雜光在圖像上的空間分布，建立特征模型函數。圖59 為采用分塊算法的SJ-9A 遙感圖像。

圖57 非線性優(yōu)化算法在圖像上的應用［130］Fig.57 Application of nonlinear optimization algorithm in image correction［130］

圖58 反卷積法在小行星Vesta 圖像上的應用［131］Fig.58 Application of deconvolution algorithm in image correction of asteroid Vesta［131］

圖59 分塊自適應算法在“實踐九號”衛(wèi)星多光譜圖像上應用［132-134］Fig.59 Application of sub-image adaptive algorithms in multispectral image correction of SJ-9A［132-134］

矩陣法以儀器在不同像元下的雜散光分布矩陣為基礎，通過矩陣運算完成對雜散光的校正。該方法最早由ZONG Yuqin［135］提出，如圖60 所示。國外多數的成像儀器都采用該方法來抑制儀器內部雜散光。張軍強等［129］使用單色儀測量了不同波長位置處的雜散光影響矩陣，實現了對雜散光的校正。尚楊等［129］對成像光譜儀的點擴散函數進行了測量，將光譜儀假設為線性波長不變系統(tǒng)，即單色光形狀與波長無關，只在位置進行平移的前提下，構建光譜函數矩陣，確定波長權重影響因子，使用帶寬矩陣校正帶寬，從而減弱和消除儀器測量中存在的雜散光誤差。

圖60 矩陣法對雜散光的校正［135］Fig.60 Correction of stray light by matrix method［135］

3 抑制模型表面特性測量與建模

雜散光分析的準確性與幾何結構模型以及表面散射模型的準確性緊密相關。幾何模型的建立可以在軟件SolidWorks、AutoCAD、ProE 的輔助下準確完成；雜散光在光機系統(tǒng)內部進行散射和傳播，因此，對相關表面的散射特性研究是雜光仿真中的關鍵環(huán)節(jié)。

3.1 雙向反射分布函數

光學系統(tǒng)一般由不同材料和屬性的各種表面構成，不同材料和不同屬性的表面，其反射、散射、吸收等特性不同，因此對系統(tǒng)表面特性進行研究，是進行雜散光分析的基礎。雙向反射分布函數（BRDF）是研究物體表面散射屬性的主要工具，由NICODEMUS F E［26，136-137］在1970 年首次提出，使用幾何方法表征表面的散射特性，定義為反射（散射）輻亮度與入射輻照度的比值，即

式中，θi和?i分別是入射光線在球坐標系中的天頂角和方位角，θs和?s分別是散射光線在球坐標系中的天頂角和方位角，dL是散射表面微分輻亮度，dE是微分入射輻照度，dPs是散射在立體角dΩs內的輻射功率，Pi是入射輻射功率，如圖61 所示。

圖61 BSDF、BRDF 和BTDF 的定義［26，136-137］Fig.61 Geometry for the definition of BRDF，BTDF and BSDF［26，136-137］

BRDF 除了與入射角、散射角有關外，也是入射波長、入射光、散射光偏振態(tài)的函數。BRDF 的定義可以擴展到透射元件的雙向透射分布函數BTDF，且BRDF 和BTDF 之和構成一般雙向散射分布函數BSDF。

3.2 BRDF 設備與測量

實驗測量的優(yōu)點是比較直觀準確，可以對一些復雜或未知材料的表面散射情況進行測量，然后在實測數據基礎上進行建模與解析計算。鑒于表面散射在雜散光分析中的關鍵作用，國外對BRDF 的測量研究起步很早，很多研究機構都竭盡全力來研究自己特有的測量儀器。

1977 年，美國Hughes Aircraft 公司［138］就已自主研發(fā)并制造出了透明材料的BRDF 散射測量儀。它采用四種波長的激光（0.6328、1.06、3.29、10.6 μm）作為光源，測量了20 種紅外材料前向和后向0.5°～70°范圍的散射情況。1993 年，美國TMA Technologies Inc［139-140］為NASA 研制了高精度真角散射坐標系（True Angle Scatter Coordinate system，TASC）全自動散射儀，放置于萬級層流潔凈室中使用，以防空氣微粒和灰塵污染對測試結果造成影響。其測試光源為高強度氙燈，測試波長為0.23～0.9 μm，覆蓋近紫外到近紅外，光源可更換，測量范圍覆蓋幾乎整個半球，曾用于NASA 對約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）Mars-1的測試。德國Fraunhofer 研究所［141-142］設計了一套全自動角度分辨光散射儀（Angle Resolved Light Scatter，ARS），可用于任意電介質、金屬或半導體材料，測試動態(tài)范圍從10-6～105sr-1，對均方根粗糙度優(yōu)于1 nm 的表面很靈敏。目前，國外已開發(fā)多種商用BRDF 測量設備［139-144］，并提供測試服務，設備參數如表3、實物裝置如圖62 所示。

圖62 散射儀實物圖［139-140］Fig.62 Picture of the scatterometer［139-140］

表3 主要商用BRDF 測試設備［139，143］Table 3 The main commercial BRDF measurement devices［139，143］

國內對BRDF 的測量研究雖然始于20 世紀末，但是發(fā)展迅速。中科院光電所、長春光機所、上海光機所、安徽光機所、西安電子科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等單位［145-148］都搭建了BRDF 測量裝置，測量波長范圍涵蓋紫外到紅外，可以測量樣片的標量和極化BRDF，由于只能獲得有限條件下的BRDF，因此有必要結合（半）經驗模型，利用有限條件下的實驗數據，通過算法優(yōu)化模型參數，完成樣片統(tǒng)計建模。由于大部分裝置為實驗室搭建，所以未見后續(xù)應用與報道。此外，測試數據比較分散，沒有形成統(tǒng)一的材料散射數據庫，且難以從他方得到特定材料BRDF 數據。

綜合分析國內外BRDF 測量裝置，其主要組成部分如圖63 所示。目前，BRDF 的測量分為絕對測量法和相對測量法［149-150］。絕對測量法是直接按照BRDF 的定義，分別測量入射光和反射光對應的電壓值，不使用任何參考標準直接將電壓值轉換，得到的測量結果。但是BRDF 測量裝置一般轉動結構較為復雜，系統(tǒng)本身誤差和實驗產生的隨機誤差都會對測量結果造成干擾，導致測量結果不準確。相對測量法通常使用標準件（如聚四氟乙烯標準白板等）的測量值來對測量設備進行校正，然后進行目標樣品的測量，最后使用標準件測量值修正樣品測量值。

圖63 BRDF 散射儀組成結構Fig.63 Structure of the BRDF Scatterometer

雖然目前國內外的BRDF 測試系統(tǒng)種類繁多，功能強大，但仍存在以下問題：

1）抗干擾能力弱，測試易受光源和探測器的不穩(wěn)定性、溫度變化等因素影響。

2）迄今為止，測試裝置均為單波長測試或者離散多波長疊加的多光譜測試，尚未見到有連續(xù)光譜的測試系統(tǒng)，現有測試裝備可能會丟失很多光譜信息。

3）自動化程度低，測試效率較低，測試過程繁瑣。入射方向與出射方向組合工況較多，如果提高測試精度，必然帶來極大的測試工作量。

4）測試精度問題。在近鏡面反射角附近，由于探測器的遮攔，導致該部分數據缺失；大角度測試受環(huán)境污染影響較大，導致數據不準確。

因此，未來BRDF 的測試會向高精度、多光譜、高效自動化、抗干擾的方向發(fā)展，大規(guī)模數據庫的構建將成為必然。

3.3 BRDF 模型分析

實際測量過程中，光源和探測器的不穩(wěn)定會影響測量精度，而目標表面的變化對測量也有一定的干擾。此外，BRDF 是入射光、反射光方向以及入射波長的強函數。即使獲取同一波長下的全部BRDF 信息，在精度要求不高時，入射和出射方向也有上萬種線性組合，數據量龐大，要耗費很多時間和存儲空間。所以實驗測量可以作為一種初步獲得材料表面信息的手段，不適合后續(xù)工程上大規(guī)模推廣及應用。雜散光相關領域目前多在有限的特征BRDF 測量數據上建模計算，用以彌補實驗測量不能得到任意入射和觀測方向上的不足。

根據基礎理論的不同，將散射模型分理論模型［151］和工程統(tǒng)計模型兩類，其中工程統(tǒng)計模型又分為幾何光學模型和經驗／半經驗模型。理論模型以電磁場散射理論為基礎，利用邊界條件限制，通過解方程獲得解析模型［152-155］，如Harvey-Shack 散射模型、Rayleigh-Rice 矢量微擾模型、Beckmann-Kirchhoff 理論模型。HARVEY J E［156］在進行大量散射實驗后發(fā)現，散射光強隨散射角的變化曲線并不規(guī)律和對稱。而將散射光強除以散射角余弦，并繪制隨散射角正弦與鏡面反射方向正弦的差的變化曲線后發(fā)現，這些曲線又可以相互重合?；趯Υ罅繉嶒灲Y果的統(tǒng)計分析，得出“在方向余弦空間，散射輻照度是位移不變的”結論。HARVEY J E 和SHACK R V 后續(xù)又推導了表面散射現象的線性系統(tǒng)理論。Harvey-Shack 散射模型表達式為

式中，參數b0、l及s可由實測數據擬合計算獲取。該模型經過參數變換，可以轉化為雜散光分析軟件自帶的ABg 模型［9］，表達式為

Rayleigh-Rice 矢量微擾模型［157］表達式為

式中，Q是表面偏振因子，與入射角、散射角、入射光束、散射光束的偏振態(tài)有關，功率譜密度函數（Power Spectral Density，PSD）與x、y方向的頻率fx、fy有關。理論模型的堅實理論基礎使其在適用范圍內一般與實際測量保持一致，但在應用方面存在制約條件：1）散射特性相關參數（如表面相關長度、均方高度、介電常數等）不易獲得，并且各參數只有在相關頻段范圍內有效；2）具有涂層的粗糙表面受到體散射和多重散射影響，求解過程復雜，難以得到簡單、實用結論。中科院西安光機所王虎團隊基于表面散射理論，推導了光滑條件下的廣義Harvey-Shack 近似解析式，結合實際應用增加了與散射角相關的經驗校正因子。通過逆向散射的方法，從有限表面測量數據中預測其他角度的散射情況。結果表明，經驗修正型廣義Harvey-Shack 散射模型能夠有效提高散射測驗的精度，更符合光學表面的散射實際情況，可以應用在后向散射抑制要求較高的超光滑表面儀器模型上［158］。

幾何光學模型是通過對實際粗糙表面的微觀幾何結構進行數學統(tǒng)計而推出的理論公式。模型假設表面是由無數微面元組成，每個微面元都遵循菲涅爾反射定律，所以，隨機粗糙表面的光散射特性是所有微面元共同光散射的統(tǒng)計結果。幾何光學模型通常表示為鏡面反射與漫反射兩項的線性組合。其中，鏡反射項主要受到表面的菲涅爾反射函數、遮蔽函數以及小面元的分布函數影響，漫反射項則一般認為滿足朗伯散射定律。由于幾何模型基于一系列假設，易受到材質物理參數測量的限制，因此僅適用于具有某種特性表面的反射情況。典型模型如Torrance-Sparrow 模型［159-160］，可以預測非鏡向峰值現象。COOK R L 對Torrance-Sparrow 模型中面元分布函數進行了修改，得到Cook-Torrance 模型［161］。幾何光學模型都適用于粗糙表面，即表面均方根（RMS）粗糙度遠大于入射波長。

（半）經驗統(tǒng)計模型以目標表面的物理特性為基礎，結合實驗測量結果，利用簡單數學函數的組合擬合表面散射特性，具有直觀、簡單、實用性強的優(yōu)點。由于該模型不以物理原理為基礎，所以模型一般沒有實際物理含義，通常不符合互易性、能量守恒等物理特性，典型（半）經驗模型有Lambert 模型、Minnaert 模型、Phong 模型、Ward 模型等［143］。吳振森等［162］在Torrance-Sparrow 模型基礎上，提出了五參數半經驗模型，將微面元分布函數表示為非高斯函數形式并使用相對菲涅爾函數，可以模擬金屬合金或帶有涂層的樣片，但形式復雜，計算量大。在此基礎上，該團隊又陸續(xù)提出了六參數、七參數模型［163］。無一例外，這些模型均是在實測數據基礎上，基于各類算法如遺傳算法、模擬退火算法等完成BRDF 的建模，建模結果與實際測量數據匹配良好。王虎團隊基于實際表面散射情況，建立了適用于顆粒污染的Mie 散射模型和適用于表面疵病的朗伯散射模型。N種不同粒徑污染物［9］所導致的Mie 散射模型，表達式為

式中，λ為入射光線波長；θs為相對于表面法線的散射角；f（Di）為第i個直徑的微粒密度；Is（Di，θ）和Ip（Di，θ）分別為直徑Di的微粒在S 偏振和P 偏振強度下關于散射角的函數；R為表面反射率。

如果散射表面的BSDF 不隨入射角或散射角的變化而變化，則該表面稱為朗伯型。朗伯散射體的總積分散射TIS 與其BSDF 關系為

隨著神經網絡和深度學習的拓展，出現了以機器學習等方法為基礎的數據驅動模型［164-168］。該方法不僅需要大量實測數據進行訓練建模，給實驗測量帶來挑戰(zhàn)，數據過大也會造成計算速度過于緩慢，因此，該方法并未在雜散光分析上進行后續(xù)應用。

上述提到的模型都有著明顯的優(yōu)缺點，散射模型都有著明確的適用范圍，僅針對某一類或某幾類目標表面。對于未知及不同表面散射，可以在已有模型的基礎上，進行合理選擇與改進，獲得符合需要的實用模型。目前，適用范圍廣、模擬精度高的“萬能模型”并未出現，這也是眾多科研人員的研究目標。

4 雜散光抑制效果仿真

計算機仿真擬合是雜散光分析的重要方法，可以解決高抑制比光學系統(tǒng)雜散光測試費用高昂、實驗繁瑣的缺陷，能夠提高雜散光的分析效率。仿真模擬的結果具有重要參考意義，可指導實際光機系統(tǒng)的研制與生產。此外，隨著技術發(fā)展，軟件仿真分析的功能越來越全面，建立模型的精度也越來越高，現已成為研究雜散輻射的常用方法［59，169-170］。

4.1 雜散光分析軟件發(fā)展歷程

早在20 世紀70 年代初，NASA 及美國軍方就開始委托科研機構對雜散光分析軟件進行了研究。隨后，出現了Honeywell Avionics Division 研制的GUERAP III，亞利桑那州立大學大學研制的Arizona’s Paraxial Analysis of Radiation Transfer/Program for the Analysis of Diffracted Energy（APART/PADE）以及Hughes Aircraft Company 研制的Off-Axis Rejection Design Analysis Software（OARDAS）等代表性的早期雜光仿真軟件［7］。這些軟件為美國和歐洲太空計劃做出了巨大貢獻，如APART 軟件曾對著名的Hubble 望遠鏡進行了詳細的雜散光分析，在滿足雜光抑制要求后，才進行發(fā)射。在20 世紀80 年代中期，中科院長春光機所開發(fā)了初步鬼像計算程序GHOST-V1.0，航天508 所編寫了星載相機遮光罩雜光分析有限元法專用程序，中科院西安光機所李英才團隊曾提出一種簡化雜光分析方法的數理模型［7］。此外，北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校［171］也提出了雜散光的相關計算方法，但均未進行大范圍推廣。雖然如此，這些工作也為雜散光分析軟件的國產化發(fā)展奠定了基礎。

隨著計算機性能的不斷提升，計算機可以建立更為復雜、精確的光機系統(tǒng)模型，同時光線追跡的數量、速度、精確度也有了顯著提升。表4 為目前國內外常用的雜散光分析軟件［169］。這些軟件都有非連續(xù)追跡的功能，可以兼容復雜的CAD、SolidWorks 結構。ASAP 軟件是對APART 軟件的升級和發(fā)展，是一套綜合雜散光分析軟件，具有最好的光線追跡效率。Lambda Research 公司研發(fā)的TracePro，圖形界面友好和3 維圖形功能強大。此外，Zemax、CODE V 等知名商業(yè)化光學綜合設計軟件，也有很強的雜散光分析功能。

表4 各類雜散光分析軟件對比［169］Table 4 Comparison of various stray light analysis softwares［169］

4.2 仿真分析的計算方法

從20 世紀20 年代到現在，出現了多種雜散光的計算方法，主要有蒙特卡洛法、光線追跡法、區(qū)域法、近軸近似法等［169］。

4.2.1 蒙特卡洛法

蒙特卡洛法是一種以隨機變量統(tǒng)計試驗為基礎，模擬計算工程問題近似解的數值方法。雜散光在光機系統(tǒng)中的產生和傳播具有一定的隨機性，因此采用概率分布函數進行統(tǒng)計計算，適合采用蒙特卡洛法求解。該方法首先隨機引入大量的單獨光線，所有光線均通過系統(tǒng)進行追跡，光線與各種表面相交或在內部傳播時，根據表面散射特性（BRDF），隨機地散射光線，然后再繼續(xù)追跡每一方向上的光線，直至滿足條件，停止追跡。若要獲取可靠的統(tǒng)計結果，需要大量的光線進行追跡。此外，使用蒙特卡洛法需要在計算前對光的入射、反射、透射、衍射、散射、吸收等現象建立模型，模型與實際的接近程度直接影響最終追跡結果。因此，該方法也對表面特性的準確模擬提出了較高要求。迄今為止，蒙特卡洛法是計算無規(guī)則雜散光唯一成熟的方法，國內外常用雜光軟件ASAP、LightTools、TracePro 及早期的GUERAP III 都是基于蒙特卡洛法來開發(fā)的。

4.2.2 光線追跡法

與蒙特卡洛法不同，光線追跡法通常利用確定的公式計算雜散光。實現前提如下：1）多種光線追跡程序的出現，易于計算加權后光線通過系統(tǒng)的路徑。2）隨著標量衍射理論的發(fā)展，可以用孔徑邊緣光線來描述衍射現象。漫反射一般是通過臨界表面面積的逐級確定來進行計算。在光機系統(tǒng)中，直接被探測器看到的表面稱為一級臨界表面，其余間接看到的表面為二級或二級以上臨界表面。按照逐級計算臨界面積、漫射系數和照度，就可以計算由漫反射產生的雜散光。使用點列圖來表示經過光學系統(tǒng)后的光線與接收面的交點，點列圖上每一點都代表著一份輻射能量。成像與非成像光束所產生的照度可以由單位接收面積加權數目點來確定，在此基礎上計算雜光比。一般情況下，參與計算的點數越多，計算精度就越高。

4.2.3 區(qū)域法

區(qū)域法，也稱為有限元法，是計算雜散輻射的確定性方法。該方法在輻射傳熱的基礎上，將光機結構表面以及它們被前面或后面光學元件所成的像分解為眾多面元區(qū)域。對雜散光貢獻量較大面積劃分得越細，計算精度則越高。輻射傳熱適用于計算兩個面元區(qū)域間的能量傳輸，然后計算雜散輻射在整個系統(tǒng)中的能量傳遞。為提高計算效率，需要確定雜散輻射在系統(tǒng)中的傳輸路徑，按路徑計算不同離軸角的雜散光大小。早期雜光軟件APART/PADE 曾用該方法對多個系統(tǒng)進行雜散光的分析。

4.2.4 近軸近似法

近軸近似法可以計算雜散光的近似解，在光度學范圍內對雜散光作定性分析。該方法盡管精度較低，但遠沒有其他幾種方法復雜，可以對系統(tǒng)雜光進行粗略仿真分析指導，對設計和加工仍有一定的實用指導意義。

5 雜散光測試及評估

經過對光機系統(tǒng)雜散光抑制能力的準確仿真分析后，建立雜散光地面測量系統(tǒng)對裝配完成后的整機系統(tǒng)進行測量，獲得系統(tǒng)實際的雜光量級非常重要，是最終確定和驗證系統(tǒng)真實雜散光抑制能力的關鍵。一般用來評價雜散光大小的指標為雜光系數和點源透過率。這兩個指標采用了不同形式描述光學系統(tǒng)像面上的雜散光量級，在定義、測量方法、測試能力及應用范圍上各有不同。

一般地，雜光系數通過傳統(tǒng)的面源法（黑斑法）來測量系統(tǒng)視場內雜散光水平，點源透過率則通過點源法來測量系統(tǒng)的軸外視場雜散光的抑制能力。

5.1 雜光系數

國際標準ISO9358：1994（E）［172］和中國國家標準GB/T 10988-2009［1］對雜光系數（Veiling Glare Index，VGI）定義為：在均勻亮度的擴展視場中放置一個黑斑，經被測樣品成像后，其中心區(qū)域上的光照度與移去黑斑放上白斑后在像面上同一處的光照度之比。VGI 以百分比表示，即式中，VGI 是雜光系數，EB為有黑斑時的像面照度，E為無黑斑時的像面照度。

圖64（a）為雜光系數典型裝置示意圖，圖64（b）和（c）為西安光機所研發(fā)的雜光系數測試儀［173］。擴展的2π 立體角亮視場是由設計布局的若干燈泡照明積分球內壁所構成的。黑斑目標是積分球內壁上的一個吸收腔，可以用與積分球內表面有同樣反射特性的白斑置換。被測光學系統(tǒng)放置在和黑斑相對方向的出口處。黑斑像的光照度用光電檢測器（附有小孔光闌和散射器）來測量。上述檢測信號與用白斑取代黑斑時所測到的檢測信號之比即為雜光系數。

圖64 雜光系數測試系統(tǒng)［1，173］Fig.64 Facility of the veiling glare index［1，173］

對于物距、口徑較小的系統(tǒng)，擴展光源可以選擇積分球。對于長焦距或望遠系統(tǒng)，可以采用兩個半球法、積分球加準直儀法［1］及西安光機所高萬榮等提出的分區(qū)擴展源法［11］來實現。長焦距、大口徑系統(tǒng)，雖然也可以用積分球法測量，但是由于所需積分球直徑較大，測量裝置實現比較困難［174］。1998 年中科院長春光機所馬冬梅等［11］提出箱體擴展光源，實現雜光系數的測量，如圖65（a）所示。其積分腔由前屏箱和4 個帶有方孔的方箱體組成，測試時可按需要位置擺放箱體，通過適當調整各屏之間距離，即可達到在2π 立體角范圍內獲得均勻亮場的要求。這5 個箱體內部由多個并排的燈和漫射屏構成。測試時燈照亮漫射屏，獲得整個測試場內均勻的亮度。在前屏箱的亮平面上安裝一圓形的黑體目標，可在屏前上、下、左、右移動，以實現軸上、軸外視場的測試。該裝置占地面積較大（30 m×2.5 m×2.5 m）。2006 年西安光機所馬臻等［175］提出以計算機全息光學元件為基礎的大口徑雜光系數測試方法，通過將大口徑平行光入射至計算機全息光學元件上，獲得空心光束，使用空心光束在待測系統(tǒng)后焦面形成被亮光區(qū)圍繞的黑斑區(qū)域圖像，分別測量暗斑區(qū)和亮光區(qū)的光照度計算出雜光系數。整套系統(tǒng)重量輕、體積小。2013 年趙建科等［176］利用經典黑斑法測量原理，提出了一種全視場雜散光測試方法，其測試精度從原來的1%提高至0.5%，可對Φ300 mm 以上口徑的光學系統(tǒng)雜散光系數進行測量。

圖65 擴展光源為箱體式的測量系統(tǒng)［11，175-176］Fig.65 The measurement which uses box type as exposure source［11，175-176］

5.2 點源透過率

隨著探測器性能的提升，空間光學系統(tǒng)雜光抑制水平和評價指標也逐步提高。研究人員提出了一個可測量的、可表示光機系統(tǒng)自身對雜光抑制水平的指標—點源透過率（PST）。PST 是指視場外離軸角θ的點源目標輻射，經光學系統(tǒng)后在像面產生的輻射照度Ed（θ）與入口處輻照度Ei的比值［9］

點源透過率PST 作為評價光機系統(tǒng)抑制雜光能力的重要指標，代表著系統(tǒng)本身對雜光的衰減能力，與光線的入射角θ、系統(tǒng)的工作波段λ有關，而與入射光的輻射強度無關［12］。

點源透過率雜散光測試系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能分為四個模塊：雜光光源模擬系統(tǒng)、環(huán)境保障系統(tǒng)、待測光機系統(tǒng)和探測系統(tǒng)。測試環(huán)境雜散光，如空氣散射和氣溶膠散射等，是影響測試精度的主要因素。根據對環(huán)境光污染控制方案的不同，國內外公開報道并且已在工程上應用的高精度點源透過率雜光測試系統(tǒng)主要分為雙柱罐和真空測試腔雜光測試系統(tǒng)兩大類。

5.2.1 高潔凈度雙柱罐測試系統(tǒng)

第一類是高潔凈度雙柱罐測試系統(tǒng)。以大尺寸的雙柱罐測試腔為基礎，內壁采用黑色有機玻璃有效抑制內壁散射。測試腔內部潔凈度達到百級水平（ISO5 級），降低Mie 散射影響，使得空氣散射以Rayleigh 散射占主導。如美國猶他州立大學的空間動力學實驗室建立的Black Hole［68］，該系統(tǒng)最早建于20 世紀70 年代，其最初測試口徑為203 mm，后經改造最終測試口徑接近1 000 mm，工作波長覆蓋紫外、可見和紅外，點源透過率測試閾值≤10-9量級，該系統(tǒng)曾用于美國絕大部分航天相機的雜散光測試，包括Cassini Narrow Field 相機、Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry（SABER）望遠鏡、Surface Stereo Imager（SSI）相機和Optical Navigation Camera（ONC）相機等設備，系統(tǒng)結構如圖66 所示。

圖66 Utah State University 點源透過率雜光測試系統(tǒng)［68］Fig.66 Point source transmittance stray light test facility of the Utah State University［68］

美國Ball Aerospace & Technologies Corp 公司［177］在2008 年也采用了Black Hole 的設計方案建成的雜光測試裝置，為降低光源散射引起的雜散光，在平行光管與消光腔體之間增加兩級擋光屏，其測試口徑為450 mm，測試波長為608 nm。根據公開報道［178］，2010 年該測試設備對Operation Land Image（OLI）望遠鏡的雜光水平進行測試，其PST 測試閾值達到10-9，與Black Hole 的測試精度相當。圖67 為點源透過率裝置的三維圖和實驗室裝置圖，使用準直系統(tǒng)產生的平行光模擬雜散光的光源。

圖67 BATC 公司點源透過率雜光測試裝置［177-178］Fig.67 Point source transmittance stray light test facility of the BATC［177-178］

中科院西安光機所于2008 年提出了標準星光模擬器雜散光PST 光學檢測系統(tǒng)，并在2014 年建成了標準星等模擬器和雜散光測試系統(tǒng)，以氙燈作為照明光源，模擬太陽光譜，測試口徑為550 mm，PST 測試閾值達到10-6。2015 年西安光機所為上海技物所研制的三波段點源透過率雜光測試系統(tǒng)，如圖68 所示，測試口徑達到1 m，光源采用激光光源，波段覆蓋可見光、短波紅外、長波紅外，可見光波段PST 測試閾值≤10-8量級，紅外波段達到10-6量級，整套系統(tǒng)規(guī)模30 m×8 m×9 m，是國內目前首臺規(guī)模最大、功能最全、測試精度最高的點源透過率雜光測試系統(tǒng)［179］，已成功應用于我國風云四號、高分等型號項目的雜光測試中。

圖68 西安光機所研制的點源透過率雜光測試系統(tǒng)［179］Fig.68 Point source transmittance stray light test station developed by XIOPM［179］

西安光機所陳欽芳團隊經過十多年雜散光抑制技術研究，已建立一體化的雜散光仿真分析與測量研究體系，先后研制完成近十套雜散光測量設備，測試波長范圍從單波段擴展至連續(xù)光譜，PST 測試精度優(yōu)于10-9，已經對測試系統(tǒng)精度的提高和誤差溯源進行了持續(xù)性升級與創(chuàng)新［180-184］：

1）自主設計了一種低散射高吸收黑玻璃［181］，如圖69（a）所示，可用于雜光測試系統(tǒng)圖69（b）擋光屏及圖69（c）內部測試腔中，解決了國外測試腔亞克力板材料帶來的占用空間大、不耐磨、易沾灰等問題。該玻璃以黑色浮法玻璃為基底，表面則使用了電子玻璃，形狀相同且平行設置，二者外邊緣采用膠密封，間距不超過0.1 mm，過渡層的折射率匹配液對空隙進行填充。浮法玻璃雖然具有較高吸收率，但表面粗糙度較差，一般高于4 nm，且表面疵病（劃痕、麻點等）較多。電子玻璃的表面粗糙度低于2 nm，在400～2 500 nm 波段的透過率為91%～92%，黑色浮法玻璃表面的劃痕、麻點等疵病可以被過渡層的折射率匹配液較好地填充。整個測試腔用玻璃的表面散射在10-5～10-6量級，至少低于亞克力板一個數量級，散射特性特別好，不需要依靠增大測試腔體積來減少返回待測光機系統(tǒng)入瞳處的內壁雜光，有效減小了測試腔體積。

圖69 自主研發(fā)的黑玻璃及其在PST 測試系統(tǒng)中的應用［180-181］Fig.69 Self-developed of black glass and its application in PST test system［180-181］

2）自主設計了一款等腰直角三角形高抑制比黑玻璃光陷阱［180］，如圖69（d）所示，解決了常規(guī)光陷阱不區(qū)分入射光線是否為平行，難以控制光線散射路徑，無法滿足高精度雜光測試需求的問題。當準平行光或平行光到達光陷阱表面時，經第一面反射，在可見光波段有＜10-4的能量返回入射傳輸空間，黑色玻璃吸收接近96%的光能量，剩余4%左右的能量經黑玻璃表面反射5 次后，再返回入射光傳輸空間，可使能量衰減到可以忽略的10-7量級，因此該光陷阱的衰減能力優(yōu)于10-4，較傳統(tǒng)光陷阱其衰減能力提高至少2 個量級。

3）針對光機儀器設備實際裝調需求，提出新的雜光測試平行光管光軸與光機系統(tǒng)光軸對準方法［182］，如圖70 所示，平行光管由平面折軸鏡和拋物面鏡共同組成，放置于結構框內；結構框上分別安裝了水平線激光器和豎直線激光器，出射光經待測光機系統(tǒng)的X軸、Y軸基準平面鏡依次反射，水平和豎直激光線與各自反射激光線的公共區(qū)域中放置了可透過性接收屏。該方法解決了現有技術中自準直瞄準結構復雜、成本高，基準鏡間接引光軸操作難度大、效率低，待測系統(tǒng)聚焦判斷法存在無法定量判斷且只能用于單純光學系統(tǒng)的技術問題。

圖70 雜光測試中平行光管光軸與光機系統(tǒng)光軸對準裝置［182］Fig.70 Optical axis alignment device of collimator and optomechanical system in stray light test［182］

4）因系統(tǒng)測試閾值主要受測試腔空氣散射和內壁散射的影響，針對地面實驗室中存在的大量空氣分子及氣溶膠粒子限制測試閾值的問題，提出了一種定量計算大氣散射對PST 測試準確度影響的全波段散射仿真模型［183］，已通過實驗室點源透過率雜光測試設備試驗驗證了模型的準確性，如圖71（a）、（b）所示。設計并驗證了現有雙柱罐內壁散射的測量方案并計算了內壁散射的影響，如圖71（c）所示，可在實際雜光測試結果中對內壁散射所占比例進行相應消除計算。此外，還可以對具備高吸收率、低散射率特性的內部材料，如黑色亞克力板、黑色光學玻璃等進行更換，對如橢球柱、圓柱等測試腔形狀進行設計，使雜散光能夠在測試腔內部完成多次吸收和反射，對內壁散射進行最佳抑制。雜光測試精度的分析研究有助于后續(xù)研究中將大氣散射、內壁散射的影響從測試結果中剔除，以提高雜散光的測試精度，這對于大視場雜光抑制比要求更高的系統(tǒng)測試具有重要意義。

圖71 點源透過率雜光測試系統(tǒng)精度分析［183］Fig.71 Accuracy analysis of the point source transmittance test system［183］

5）為了解決現有雜散光測試提供的信息量太少不足以準確分析及定位系統(tǒng)的雜散光問題，利用因環(huán)境光污染導致雜光在時間上滯后于信號光的原理，提出了以時間分辨為基礎的點源透過率雜散光測試系統(tǒng)［184］，如圖72 所示。光機系統(tǒng)內雜散光通過不同的雜散光路徑，經歷的光程不同，因此，在雜散光測試中增加時間維度信息，使其到達系統(tǒng)焦面的輻射能量隨時間變化，通過分析計算系統(tǒng)雜光傳輸時間分布與散射路徑的關系，可以揭示系統(tǒng)內雜散光傳輸的因果關系，對系統(tǒng)雜光問題的分析和控制具有重要意義，同時從時域角度分析了系統(tǒng)雜光特性，能有效提高系統(tǒng)的測試精度。此研究為深入了解系統(tǒng)雜光特性提供了重要的探索工具，對雜散光測試儀向分析儀的轉變起到了積極推動作用。

圖72 基于時間分辨點源透過率雜散光分析系統(tǒng)原理圖及結果分析［184］Fig.72 Structure and result analysis based on time-resolved PST test system［184］

5.2.2 真空測試腔雜光測試系統(tǒng)

第二類是采用對測試腔抽真空的方式來控制雜散光的影響，如比利時Centre Spatial of Liege［8，185］和美國Breault Research Organization 研究中心［186］建設的雜光測試系統(tǒng)，如圖73 所示。對于小尺寸待測系統(tǒng)來說，降低測試腔內氣壓可減小塵埃微粒的數量，有效抑制微粒的瑞利散射。當待測系統(tǒng)尺寸增大，如果不增大測試腔尺寸，內壁散射帶來的影響則不可忽略，同時大尺寸真空罐造價昂貴，而且較難實現。因此測試腔尺寸限制了PST 測試閾值，在可見光波段PST 測試閾值通常在10-5～10-6水平。

圖73 真空罐式點源透過率雜光測試系統(tǒng)［8，185-186］Fig.73 Point source transmittance test station in the form of vacuum chamber［8，185-186］

除了以上兩類裝置以外，美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）［174］曾采用單獨測試誤差，并從實際測試結果中剔除誤差的方式進行PST 的測試。該方法雖然成本不高，但是易受測試環(huán)境影響，很難對實驗精度進行控制，且難以進行后續(xù)修正。此外，中科院光電所、哈爾濱工業(yè)大學［12，68］都搭建過點源測量系統(tǒng)，但都屬于實驗裝置，入射光束的平行度較低，對于真實空間點源雜光對光機系統(tǒng)的影響模擬并不準確，測量精度較低，也未能進行后續(xù)工程化的應用和推廣。

5.3 雜光系數與點源透過率的區(qū)別與聯(lián)系

中科院西安光機所的李暉［187］推導了雜光系數（VGI）與點源透過率（PST）之間的關系，VGI 是對PST 在ω0至π/2 范圍內的積分之和，即

式中，ω0是光屏上黑斑對光學系統(tǒng)入瞳中心的角半徑。所以雜散光系數和點源透過率互相對應，均可以表示光機系統(tǒng)自身對雜散光的抑制。

雜光系數法適用于面源型的背景輻射雜光［174］。由于擴展光源無法做大，雜光系數法不適合測量大口徑的光學系統(tǒng)，多用于測量照相鏡頭等結構簡單、小口徑系統(tǒng)。此外，雜光系數法容易引入測量誤差，所以測量精度比較低，一般低于10-3，難以達到更高精度。但該方法成本低，占用空間小，比較容易實現。

點源透過率法對測量系統(tǒng)的口徑沒有要求，目前最好的測量系統(tǒng)如Black Hole［68］、BATC 公司點源透過率雜光測試裝置［178］閾值優(yōu)于10-9。雖然高精度點源透過率法對測試系統(tǒng)空間大小和潔凈度要求較高，但它是大口徑高精度雜散光測量技術發(fā)展的必然趨勢。

6 總結與展望

對雜光問題的研究已經開展了五十余年，并且隨著空間光學載荷探測精度的逐步提高，雜光分析與抑制研究已成為空間光學遙感成像的關鍵技術之一。因此，在未來的一段時間內，雜光問題仍將作為光機系統(tǒng)性能提升的難點而存在。目前，雜散光問題的研究已經發(fā)展成為分支繁多、涉及學科很廣的一門綜合技術，完整分析體系的建立是雜散光抑制與評估技術面臨的首要問題。應用于空間天文探測（如星冕儀、空間引力波探測等）相關的雜散光抑制和評估技術，正不斷突破傳統(tǒng)技術局限，在雜光來源、雜光抑制及其測試評估技術上都需要進行持續(xù)性創(chuàng)新。星冕儀的雜光更關注視場內雜光和衍射雜光，而空間引力波探測雜光主要來自鏡面的后向散射。雜光的來源不同，相應的抑制和評估技術也隨之改變，如空間引力波雜散光探測要依賴干涉的方法實現高精度后向散射光測量。因此，高效的雜光抑制與高精度的評估技術是空間光學技術發(fā)展的必然趨勢。

本文以雜散光的分析流程為基礎，對已有技術進行整理、分類，進一步補充了雜散光抑制與評估技術的連貫性和完整性，建立了雜散光分析的初步研究體系，包括雜散光抑制方案制訂、抑制模型表面特性測量與建模、雜散光抑制效果仿真、雜散光測試及評估四個關鍵技術模塊。

1）雜散光抑制方案制訂：在目前遮光罩、遮光板、擋光環(huán)和光闌的研究基礎上，可根據需求設計形式靈活的雜光抑制機構，未來遮光機構向著小型化、靈活化、可展開、可隨動發(fā)展，降低尺寸與質量、提高消雜光能力是其追求目標，甚至會出現無遮光罩和太陽免疫設計等概念［188］。冷反射和鬼像的消除更加傾向于設計初期軟件分析與后期圖像算法處理相結合的解決方法。紅外波段內部熱輻射仍將是雜散光抑制的一個難題。但隨著新工藝和新材料的出現，能夠選擇性能更好的消光材料，如納米材料有望將表面反射率降低到1%以下，單次反射就可實現傳統(tǒng)多次反射的抑制效果，對系統(tǒng)結構簡化和表面改善具有促進作用。數字圖像處理技術作為雜光抑制的最后一道防線，在逐步完善和發(fā)展過程中，必將發(fā)揮重要作用。

2）抑制模型表面特性測量與建模：表面散射模型是進行精確雜散光仿真分析的基礎。目前國外已擁有多種商業(yè)化BRDF 測試設備，如SOC-200 BDR、REFLET 180S、TSW CASI、TMA TASC、ALBATROSS等，對BRDF 的測試波段從紫外到紅外，幾乎涵蓋整個空間半球區(qū)域，對表面污染清潔研究頗多。各類散射理論和多種散射模型與實測數據相輔相成，已形成較為完備的材料BRDF 數據庫，且不對外公布和使用。目前我國對表面BRDF 的測量和建模多處于實驗室階段，研究分散化嚴重，沒有形成統(tǒng)一的材料散射數據庫，且難以從他方得到特定材料的BRDF 數據，表面污染問題也未得到重視和研究。應在國外測試設備基礎上，開發(fā)國產BRDF 的測試設備，整合國內材料散射數據，形成完備的BRDF 數據庫。未來BRDF 的測試會向高精度、多光譜、高效自動化、抗干擾的方向發(fā)展，譜段會從紫外拓展到微波，隨著計算機技術的發(fā)展，神經網絡和深度學習的引入，大規(guī)模數據庫的構建將成為必然。

3）雜散光抑制效果仿真：計算機仿真模擬是雜散光分析的重要手段，可以解決高抑制比光學系統(tǒng)雜散光實驗過于繁瑣、測試費用較高的問題，提高了雜散光的分析效率。國外對雜散光分析軟件的研究較早，從早期的GUERAP III、APART/PADE、OARDAS 到目前多種商用軟件ASAP、TracePro、FRED、LightTools等，提出了多種雜光計算方法。蒙特卡洛法憑借高準確性和計算簡潔性，已廣泛應用于多種商用軟件中，并且隨著計算機技術的迅猛發(fā)展以及新算法的出現，光線追跡的數量、速度、精確度都將得到巨大提升，分析的功能越來越全面，更能準確模擬雜散光對整機系統(tǒng)的影響，軟件的仿真分析方法是雜散光研究的重點。

4）雜散光測試及評估：雜散光的測量是最終確定和驗證系統(tǒng)真實雜散光抑制能力的關鍵。雜散光不同的測量方式形成了兩種評估方法，雜光系數法適用于低精度小口徑的一般光學系統(tǒng)，點源透過率法則適合大口徑、高雜散光抑制比要求的光學系統(tǒng)。國外多家科研機構研制的點源透過率雜光測試設備已在工程上應用多年，服務過多種空間儀器設備。國內雖然起步晚，但是發(fā)展較快，中科院西安光機所曾研制出國內首臺，也是測試能力最強的點源透過率雜光測試裝置，已成功應用在空間設備的雜光測量上，精度較高，目前已實現測試設備的量產化，服務于多家科研院所和高校。

未來雜散光抑制與評估技術將向著系統(tǒng)化、一體化解決空間探測需求方向發(fā)展，匯集光學設計、機械設計、輻射傳熱、表面材料、軌道仿真等多學科交叉領域，貫穿系統(tǒng)設計、加工、檢測、裝調、集成以及在軌測試的全過程，支撐未來空間遙感遠距離、暗弱目標、超大視場、多光譜等眾多空間應用需求。我們相信，隨著雜散光抑制與評估技術的不斷發(fā)展和理論的不斷完善，雜散光抑制與評估體系也將更加豐富、立體、有效，真正成為面向未來的空間光學技術，以支撐空間天文光學觀測等前瞻性、戰(zhàn)略性的科技研究領域。