简单来说,杂散光就是不需要的噪音(光), 它是由光机结构、视场外光源或者不完善的光学零件产生的,或者由光学或者照明系统自身的热辐射引起的。 FRED 善于发现这些不需要的噪音,它将运用它的虚拟样机研究分析能力来帮助我们消除它。
在成像系统中,杂散光的成因有很多,具体如下:
鬼像
它之所以叫鬼像正是因为像面离焦或者是由明亮的光源成鬼影一样的像。鬼像是由透镜表面的反射引起的。光必须从透镜表面反射偶数次才会形成鬼像。有两次反射鬼像, 四次反射鬼像等等。仅一个镜面(比如卡塞格林望远镜)构成的光学系统是不会形成鬼像的。 如果阳光在拍摄视场内或附近时,鬼像就会出现在影像中。汽车的头灯或者街灯也会在夜间摄影时造成杂散光。如果光亮源很小,各个鬼像会形成光学系统的孔径光阑的形态。 在下图1中呈现的就是一个很好的鬼像例子, 其中一个双胶合透镜有着完美镀膜的透镜而另外一个光学系统的透镜则没有镀任何膜。追迹由一点发出的21*21的栅格光线以覆盖系统的第一片透镜。
图1—两个双胶合透镜,上面的双胶合透镜,在它的各个透镜上都镀有理想的增透膜。下面的双胶合透镜由于其透镜没有镀膜,各个光学表面有菲涅尔损耗从而产生鬼像。我们已经改变了在各个表面的光线追迹控制,因此从这个表面反射的由于菲涅尔损耗而出现的光线变成了蓝色。这种反射正是下方光学系统杂散光的成因。
直接入射
在诸如卡塞格林式系统中,当中心遮拦太大并且/或者望远镜镜筒太短的时候,直接入射就会发生。视场以外的光线能够进入望远镜,直接越过次镜,穿越主镜的开孔,从而以杂散光的形式直接打到焦平面上。如下图2所示的那种望远镜系统,假如阳光可以直接进入的话,那这种杂散光危害是非常大的,对系统来说简直就是一场灾难。
图2— 图中所示绿色光线是轴外光源发出的光线,该光线绕开所有的光学部件并且直接进入探测器上。FRED 的3D可视化效果和用户自定义光路的能力,使得这个问题很容易被发现。
一次散射光
当杂散光源,比如太阳,直接照射到光学系统的时候就会产生单次散射光。部分散射光线经过光学系统之后,会照射到焦平面。我们认为它散射进了视场。而一旦光线散射进了视场,它就变成了杂散光,要想消除这种杂散光,则不可避免地会伴有渐晕现象.。所以遮光罩设计的基本目的就是不让光线照射到系统上。
多次散射光线
即使散射光源不直接照射光学器件, 散射光也会间接产生。 首先散射光源照射到遮光罩表面发生散射,然后照射到光学器件。由此造成的杂散光总是比直接照射的散射光要小, 但是它还是因为足够大而要引起注意。图3是一个很好的示范, 它演示了场外光源发出的光线(图中所示的绿色光线),进入卡塞格林望远镜系统后,怎样在系统内的遮光罩与遮光罩之间发生多次散射,并最终到达探测器。
图3—绿色光线进入卡塞格林望远镜后入射到桶状主遮光罩上发生散射,而后射向主反射镜和次反射镜,(分别以红色和蓝色代表),部分这些光线最终反射到探测器上。
边缘衍射 当孔径尺寸和波长比相对较小的时候(104 或者更小),场外光源经孔径光阑发生的边缘衍射可能是杂散光的一个重要来源。 红外系统中的自辐射 热红外或者热成像系统中也可以出现杂散光,该杂散光是由设备自身的热辐射引起的。 这类系统通过检测叠加在一个大背景上的一个小的信号来运转。 室温情况下,黑体发射率曲线的峰值在大概10um处. 因而在这种波长下,环境也会"发光".随着温度或者发射率的变化,黑体发射曲线在发热过程中会有很小的变化。 热成像系统一般通过减去背景来增强红外图像的对比度。当背景不均匀,比如说有水仙花效应, 就产生了一个杂散光信号。 特别是, 当冷却了的探测器的一个图像在其自身成像的时候,背景的局部严重缺损就产生了。典型的表现为在图像的中心形成黑斑。人们可能称它为“杂斑”而不是杂散光。 红外辐射计测量绝对辐射而不是一个相对辐射,所以任何背景辐射都是不可接受的。 在这样一个设备中,冷却整个设备来降低温度以消除因为自身散射引起的杂散光是必要的。
以上几种现象的组合 以上现象的组合也会发生,并且可能很重要。 比如, 自辐射光线可能继而从光学器件上散射进入视场里面。由孔径衍射的光线也可能从光学器件上面散射进入视场内。 |
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