基于LightTools 軟件的微光光學系統(tǒng)雜散光分析

朱佳麗，張 平，李 剛，韋湘宜，費程波，干 杰，袁玉芬，季亞萍

（1. 江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫 214194；2. 陸軍裝備部駐無錫地區(qū)軍代室，江蘇 無錫 214116）

引言

雜散光是光學系統(tǒng)中所有非正常傳輸光的總稱。雜散光就是光學系統(tǒng)的噪聲，直接影響系統(tǒng)成像質(zhì)量，導致圖像對比度和調(diào)制傳遞函數(shù)降低[1-2]。微光光學系統(tǒng)在低照度下接收目標反射的微弱光信號，能夠在夜間無主動照明的情況下發(fā)現(xiàn)目標。在微弱信號探測中，雜散光的危害更加嚴重，少量的雜散光會使目標淹沒在噪聲中，最終導致系統(tǒng)失效。所以針對這類光學系統(tǒng)，一般都有雜散光指標的要求。

1 微光光學系統(tǒng)基本參數(shù)

圖1 中的微光光學系統(tǒng)采用經(jīng)典的折射式結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)微光像增強器的響應(yīng)光譜范圍，物鏡工作波段為450 nm～850 nm。選取F數(shù)1.5 以保證獲得足夠的光能量，同時兼顧系統(tǒng)的體積和重量。當物鏡頻率在50 lp/mm 時，調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.4，保證成像質(zhì)量良好，其技術(shù)指標如表1 所示。

圖1 微光光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of low-level-light optical system

表1 微光光學系統(tǒng)技術(shù)指標Table 1 Technical indexes of low-level-light optical system

2 微光光學系統(tǒng)雜散光分析

2.1 雜散光的形成

雜散光是入射到系統(tǒng)內(nèi)部或者在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的非成像光束，其主要來源有2 個方面：1） 光學系統(tǒng)視場之外的雜散光源 由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷或光學系統(tǒng)所使用材料表面的散射特性，其所發(fā)出的光輻射直接（漏光）或間接（反射光、散射光）地傳播擴散到像平面上的非目標光信號；2） 視場內(nèi)部的成像目標雜散光 即成像目標光線經(jīng)由系統(tǒng)以非正常成像路徑到達像平面的光線，主要是由成像目標的光線通過光學、結(jié)構(gòu)元件表面的殘余反射、散射以及衍射所產(chǎn)生[3-4]。

2.2 雜散光的危害

對于成像光學系統(tǒng)，雜散光會增加像面上的噪聲，特別是在像面附近出現(xiàn)的雜散光匯聚點會對成像產(chǎn)生嚴重影響。

對于微光夜視產(chǎn)品來說，雜散光對成像效果的影響更大。由于光能量較弱，低照度探測器件的增益高，對雜散光有明顯的放大作用，雜散光會明顯地增大背景噪聲、降低目標與背景的對比度，從而影響系統(tǒng)觀察識別目標的能力[5-6]。尤其是對具有亮分劃的微光夜視產(chǎn)品，亮分劃的光學系統(tǒng)還會產(chǎn)生亮分劃幻象，它所引起的雜散光的危害更加嚴重，會影響觀察和瞄準。

2.3 雜散光的消除

雜散光的消除方法包括2 類：1） 光學零件消除雜散光 光學零件表面鍍增透膜[7-8]，在光學零件外邊緣涂消光黑漆以吸收雜散光[9]；2） 結(jié)構(gòu)零件消除雜散光 在光學腔體鏡筒內(nèi)壁噴砂氧化[10-11]、涂覆消雜光涂料[12]，隔圈、壓圈等零件加消光光闌或者消光螺紋[13-15]，從而實現(xiàn)對雜散光的吸收。

但上述消除雜散光的措施僅是定性分析，缺乏量化分析的手段，雖然積累了一定的經(jīng)驗，但由于雜散光對光學系統(tǒng)性能的影響因系統(tǒng)不同而變化，雜散光控制情況不穩(wěn)定，所以需要尋找一種定量分析的手段，既能有效減少雜散光，又方便加工。因此在現(xiàn)代微光光學系統(tǒng)設(shè)計中，雜散光分析成為設(shè)計工作中的一個重要環(huán)節(jié)。

3 雜散光仿真

3.1 基礎(chǔ)建模

在LightTools 軟件中導入微光物鏡和鏡筒，建立基礎(chǔ)模型，并在焦面上設(shè)置接收器；其次在接收器上設(shè)置過濾器，把鏡頭像面的雜散光能量從總能量中分離出來。一般鏡頭的成像光路透過率均大于0.1，而雜散光從射入系統(tǒng)到到達像面的全路徑透過率（含反射、散射等）均小于0.1。因此在位于像面的接收器上設(shè)置2 個路徑透過率過濾器，令其中一個透過率小于0.1，另一個全透，即可得到接收器上的雜散光能量Estray_light和總能量Eall_light，二者之比即為該鏡頭的雜散光系數(shù)：

鏡頭和透射光譜曲線相同，光源光譜為400 nm～900 nm 內(nèi)的連續(xù)光譜，450 nm、550 nm、650 nm、750 nm 和850 nm 的權(quán)分別為10、37、70、100、75（約為2 856 K 標準光源與XD4 微光陰極組合的光譜特性）。透鏡光學面設(shè)置為100%透射或全反射，透鏡毛面和鏡筒、隔圈表面為橢圓高斯散射面，吸收率90%、反射率10%，其中反射部分的一半（5%）是漫反射，一半（5%）是高斯散射，高斯角為15°。

光源采用與入射窗重合的均勻朗伯平面光源，仿真光線數(shù)3 000 000 條。雜散光系數(shù)為

3.2 雜散光模擬

3.2.1 鏡筒內(nèi)壁表面特性導致雜散光的模擬

大部分雜散光的光線都經(jīng)過鏡筒的反射，因此鏡筒內(nèi)壁的構(gòu)造及其光學特性對雜散光系數(shù)起著舉足輕重的作用。將鏡筒內(nèi)壁的光學特性略作改變，即總反射比保持10%不變，把漫反射部分減小為0.5%（即10%×5%），高斯散射部分增大為9.5%（即10%×95%），高斯角仍為15°，經(jīng)過LightTools軟件模擬后，得到如下結(jié)果：

鏡筒表面的光學特性對雜散光系數(shù)影響較大，應(yīng)使其盡量接近朗伯漫反射面，比如采用噴砂氧化處理等，以減小雜散光。

在鏡筒中后部安放若干防雜散光光闌，如圖2所示，表面的光學特性同上，經(jīng)過LightTools 軟件模擬后，得到雜散光系數(shù)為

圖2 設(shè)置防雜散光光闌的鏡筒示意圖Fig. 2 Schematic diagram of objective lens barrel with antistray light diaphragm

結(jié)果表明，采用防雜散光光闌能夠使雜散光系數(shù)明顯下降。

3.2.2 透鏡表面特性導致雜散光的模擬

透鏡表面的部分反射對雜散光系數(shù)也有不可忽視的影響，因此開展透鏡表面特性對雜散光的影響分析。前文全部計算均假設(shè)光學表面100%透射，這種理想情況無法在工程上實現(xiàn)，即使鍍制減反射膜，反射率仍在1%左右。假定光學表面的反射比為1.5%、透射比為98.5%，其他參數(shù)不變，計算200 萬條光線，得到如下結(jié)果：

因此，增加透鏡表面反射特性后，雜散光系數(shù)由1.6%增加到2.2%，增大了35.2%。

不經(jīng)過鏡筒反射的雜散光能量（純粹由表面多次反射造成的雜散光能量）為1.010 8×10?7W/mm?2，約占總雜散光能量5.399 3×10?7W/mm?2的18.7%，是雜散光系數(shù)增加百分數(shù)的一半。由此可見，經(jīng)透鏡表面反射的雜散光有一部分經(jīng)若干表面多次反射后到達像面，另一部分先經(jīng)鏡筒內(nèi)壁漫反射和散射后，再由透鏡表面透射或反射到達像面，兩者都是雜散光的組成部分。因此透鏡表面鍍膜要求平均反射率小于1%，最大反射率小于1.5%。

3.2.3 采用消光螺紋的雜散光模擬

防雜散光光闌的模擬結(jié)果很好，但是在鏡筒中增加該光闌需要增加壁厚，且加工工藝性較差，因此在微光光學系統(tǒng)中一般采用消光螺紋。在微光物鏡（如圖3 所示）的鏡筒中部設(shè)置2 種不同的消光螺紋，圖4（a）是螺距M0.5 的消光螺紋；圖4（b）是螺距M0.35 的消光螺紋。

圖3 微光物鏡模型圖Fig. 3 Model of low-level-light objective lens

圖4 消光螺紋示意圖Fig. 4 Schematic diagram of extinction threads

在LightTools 模型中，設(shè)置鏡筒內(nèi)壁反射率為15% （其中漫反射35%、高斯散射65%），光學件表面反射率為1.5%、透射比為98.5%。

經(jīng)過模擬得到螺紋M0.5 物鏡的雜散光能量圖如圖5 所示，圖5（a）為像面總輻照度分布圖；圖5（b）為像面雜散光輻照度分布圖。計算雜散光能量與總能量的比值，可獲得螺紋M0.5 物鏡的雜散光系數(shù)：

圖5 螺紋M0.5 物鏡雜散光能量模擬圖Fig. 5 Simulation diagram of stray light energy of thread M0.5 objective lens

同樣，圖6 是模擬獲得的螺紋M0.35 物鏡雜散光能量圖，圖6（a）和圖6（b）分別是像面總輻照度和雜散光輻照度分布圖。螺紋M0.35 物鏡的雜散光系數(shù)為

圖6 螺紋M0.35 物鏡雜散光能量模擬圖Fig. 6 Simulation diagram of stray light energy of thread M0.35 objective lens

7 個微光物鏡（消光螺紋M0.5）的雜散光實測值如表2 所示，雜散光平均值為4.6%；3 個微光物鏡（消光螺紋M0.35）的雜散光實測值如表3 所示，雜散光平均值為4.03%。試驗結(jié)果和模擬結(jié)果接近，表明減小鏡筒內(nèi)壁消光螺紋的螺距能夠有效降低雜散光。但需要注意的是，由于M0.35 消光螺紋螺距較小，螺紋加工會有金屬屑殘留，表面氧化后殘留物脫落會出現(xiàn)局部亮斑，反而加重雜散光，因此在螺紋加工完成后應(yīng)充分清潔螺紋表面。

表2 微光物鏡（螺紋M0.5）雜散光測量值Table 2 Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.5)

表3 微光物鏡（螺紋M0.35）雜散光測量值Table 3 Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.35)

4 結(jié)論

本文以一個微光光學系統(tǒng)為對象，采用LightTools軟件進行了雜散光分析和消雜散光結(jié)構(gòu)設(shè)計。在討論雜散光原理的基礎(chǔ)上，分析了消除雜散光的方法和效果。結(jié)合微光光學系統(tǒng)，提出消光螺紋的方式消除雜散光，并用LightTools 軟件建模分析不同螺距的螺紋對于雜散光消除的影響。仿真和試驗結(jié)果均表明，采用螺距M0.35 的消光螺紋能夠有效降低雜散光。該方法在微光產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中能夠有效控制雜散光，對其他微弱信號探測系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的借鑒意義。