基于LightTools 軟件的微光光學系統雜散光分析

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軍代室，江蘇 無錫 214116）

引言

雜散光是光學系統中所有非正常傳輸光的總稱。雜散光就是光學系統的噪聲，直接影響系統成像質量，導致圖像對比度和調制傳遞函數降低[1-2]。微光光學系統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現目標。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，最終導致系統失效。所以針對這類光學系統，一般都有雜散光指標的要求。

1 微光光學系統基本參數

圖1 中的微光光學系統采用經典的折射式結構形式。根據微光像增強器的響應光譜范圍，物鏡工作波段為450 nm～850 nm。選取F數1.5 以保證獲得足夠的光能量，同時兼顧系統的體積和重量。當物鏡頻率在50 lp/mm 時，調制傳遞函數大于0.4，保證成像質量良好，其技術指標如表1 所示。

圖1 微光光學系統結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of low-level-light optical system

表1 微光光學系統技術指標Table 1 Technical indexes of low-level-light optical system

2 微光光學系統雜散光分析

2.1 雜散光的形成

雜散光是入射到系統內部或者在系統內部產生的非成像光束，其主要來源有2 個方面：1） 光學系統視場之外的雜散光源 由于系統結構設計的缺陷或光學系統所使用材料表面的散射特性，其所發出的光輻射直接（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） 視場內部的成像目標雜散光 即成像目標光線經由系統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、結構元件表面的殘余反射、散射以及衍射所產生[3-4]。

2.2 雜散光的危害

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

對于微光夜視產品來說，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品，亮分劃的光學系統還會產生亮分劃幻象，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） 結構零件消除雜散光 在光學腔體鏡筒內壁噴砂氧化[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驗，但由于雜散光對光學系統性能的影響因系統不同而變化，雜散光控制情況不穩定，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。因此在現代微光光學系統設計中，雜散光分析成為設計工作中的一個重要環節。

3 雜散光仿真

3.1 基礎建模

在LightTools 軟件中導入微光物鏡和鏡筒，建立基礎模型，并在焦面上設置接收器；其次在接收器上設置過濾器，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：

鏡頭和透射光譜曲線相同，光源光譜為400 nm～900 nm 內的連續光譜，450 nm、550 nm、650 nm、750 nm 和850 nm 的權分別為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3 000 000 條。雜散光系數為

3.2 雜散光模擬

3.2.1 鏡筒內壁表面特性導致雜散光的模擬

大部分雜散光的光線都經過鏡筒的反射，因此鏡筒內壁的構造及其光學特性對雜散光系數起著舉足輕重的作用。將鏡筒內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°，經過LightTools軟件模擬后，得到如下結果：

鏡筒表面的光學特性對雜散光系數影響較大，應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，經過LightTools 軟件模擬后，得到雜散光系數為

圖2 設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

結果表明，采用防雜散光光闌能夠使雜散光系數明顯下降。

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光學表面100%透射，這種理想情況無法在工程上實現，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%，其他參數不變，計算200 萬條光線，得到如下結果：

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

不經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%，是雜散光系數增加百分數的一半。由此可見，經透鏡表面反射的雜散光有一部分經若干表面多次反射后到達像面，另一部分先經鏡筒內壁漫反射和散射后，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，設置鏡筒內壁反射率為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：

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%。試驗結果和模擬結果接近，表明減小鏡筒內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局部亮斑，反而加重雜散光，因此在螺紋加工完成后應充分清潔螺紋表面。

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 結論

本文以一個微光光學系統為對象，采用LightTools軟件進行了雜散光分析和消雜散光結構設計。在討論雜散光原理的基礎上，分析了消除雜散光的方法和效果。結合微光光學系統，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。該方法在微光產品設計和生產中能夠有效控制雜散光，對其他微弱信號探測系統的設計具有一定的借鑒意義。