用LightTools进行微光光学系统杂散光分析

引言

杂散光是光学系统中所有非正常传输光的总称。杂散光就是光学系统的噪声，直接影响系统成像质量，导致图像对比度和调制传递函数降低。微光光学系统在低照度下接收目标反射的微弱光信号，能够在夜间无主动照明的情况下发现目标。在微弱信号探测中，杂散光的危害更加严重，少量的杂散光会使目标淹没在噪声中，最终导致系统失效。所以针对这类光学系统，一般都有杂散光指标的要求。

1.微光光学系统基本参数图1中的微光光学系统采用经典的折射式结构形式。根据微光像增强器的响应光谱范围，物镜工作波段为450 nm～850 nm。选取F数1.5以保证获得足够的光能量，同时兼顾系统的体积和重量。当物镜在频率50 lp/mm时，调制传递函数大于0.4，保证成像质量良好，其技术指标如表1所示。

图1.微光光学系统结构示意图

表1.微光光学系统技术指标2. 微光光学系统杂散光分析2.1 杂散光的形成

杂散光是入射到系统内部或者在系统内部产生的非成像光束，其主要来源有两个方面：一是光学系统视场之外的杂散光源，由于系统结构设计的缺陷或光学系统所使用材料表面的散射特性，其所发出的光辐射直接（漏光）或间接（反射光、散射光）地传播扩散到像平面上的非目标光信号；二是视场内部的成像目标杂散光，即成像目标光线经由系统以非正常成像路径到达像平面的光线，主要是由成像目标的光线通过光学、结构元件表面的残余反射、散射以及衍射所产生。

2.2 杂散光的危害对于成像光学系统，杂散光会增加像面上的噪声，特别是在像面附近出现的杂散光汇聚点会对成像产生严重影响。 对于微光夜视产品来说，杂散光对成像效果的影响更大。由于光能量较弱，低照度探测器件的增益高，对杂散光有明显的放大作用，杂散光会明显地增大背景噪声、降低目标与背景的对比度，从而影响系统观察识别目标的能力。尤其是对具有亮分划的微光夜视产品，亮分划的光学系统还会产生亮分划幻象，它所引起的杂散光的危害更加严重，会影响观察和瞄准。

2.3 杂散光的消除

杂散光的消除方法包括两类：一是光学零件消除杂散光，光学零件表面镀增透膜，在光学零件外边缘涂消光黑漆以吸收杂散光；二是结构零件消除杂散光，在光学腔体镜筒内壁喷砂氧化、涂覆消杂光涂料，隔圈、压圈等零件加消光光阑或者消光螺纹，从而实现对杂散光的吸收。

但上述消除杂散光的措施仅是定性分析，缺乏量化分析的手段，虽然积累了一定的经验，但由于杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化，杂散光控制情况不稳定，所以需要寻找一种定量分析的手段，既能有效减少杂散光，又方便加工。因此在现代微光光学系统设计中，杂散光分析成为设计工作中的一个重要环节。

3. 杂散光仿真

图2. 设置防杂散光光阑的镜筒示意图

图 3. 微光物镜模型图

4. 结论

本文以一个微光光学系统为对象，采用LightTools软件进行了杂散光分析和消杂散光结构设计。在讨论杂散光原理的基础上，分析了消除杂散光的方法和效果。结合微光光学系统，提出消光螺纹的方式消除杂散光，并用LightTools软件建模分析不同螺距的螺纹对于杂散光消除的影响。仿真和试验结果均表明，采用螺距M0.35的消光螺纹能够有效降低杂散光。该方法在微光产品设计和生产中能够有效控制杂散光，对其他微弱信号探测系统的设计也具有一定的借鉴意义。

审核编辑：郭婷