光學系統雜散光分析：從理論到實踐的全面指南

    在光學系統設計中，雜散光常常是容易被忽視卻能“一票否決”設計成果的關鍵因素。即使成像光學系統的像質設計精良、加工公差控制寬松，若雜散光超出可接受范圍，最終成像質量仍會大打折扣；對于非成像光學系統，雜散光則可能形成非預期光斑，破壞系統功能。本文將從雜散光的基礎認知出發，梳理其分析邏輯、核心方法與實踐技巧，為光學設計人員提供系統的雜散光控制思路。

    一、雜散光：光學系統的“隱形干擾”

    要做好雜散光分析，首先需明確其定義——雜散光的判定需結合系統類型：

    對成像光學系統而言，所有非設計預期、卻最終傳播至探測器面的光線，均屬于雜散光；

    對非成像光學系統而言，任何導致成像或形成非預期光斑的光線傳播，都可歸為雜散光。

    需特別注意的是，雜散光無法完全消除，設計的核心目標是“有效抑制”：只要其對系統功能（如成像清晰度、探測精度）的影響落在可接受范圍內，即可認為雜散光控制達標。因此，雜散光分析不應是光學設計的“收尾環節”，而需貫穿從方案設計到實物測試的全過程。

    二、雜散光分析的理論基石

    雜散光分析需以光學理論為支撐，同時結合分類、評價、成因等核心維度，構建完整的分析框架。

    1.核心光學知識儲備

    雜散光的傳播與相互作用本質是光的輻射、反射、散射等現象的綜合體現，需掌握以下基礎理論：

    輻射度學與光度學：描述光的輻射能量與視覺亮度特性，是量化雜散光強度的基礎；

    普朗克定律與黑體輻射：尤其適用于紅外光學系統，解釋物體自發輻射產生的內雜散光；

    光與材料的相互作用：反射、透射、吸收的比例關系，直接影響雜散光的傳播路徑；

    散射模型：包括朗伯散射（均勻擴散）、高斯散射（正態分布擴散）、哈維散射（表面粗糙度相關）、米氏散射（大顆粒散射）等，以及BSDF（雙向散射分布函數）、BRDF（雙向反射分布函數）等量化表面散射特性的參數。

    2.雜散光的分類邏輯

    按不同維度劃分雜散光，可幫助精準定位干擾來源：

    3.雜散光的評價指標

    需通過量化指標判斷雜散光是否達標，常用指標有三類：

    點源透射比（PST）：衡量點光源（如太陽）的雜散光透過系統到達探測器的比例，是航天、遙感等強光源場景的核心評價指標；

    雜光系數：系統總雜散光能量與目標信號光能量的比值，直接反映雜散光對信號的干擾程度；

    信噪比（SNR）：探測器輸出的信號強度與雜散光引起的噪聲強度之比，決定系統的探測靈敏度。

    4.雜散光的三大產生原因

    雜散光的來源可歸納為衍射、鬼像、散射三類，其形成機制各有不同：

    衍射：強光照射光學孔徑（如光圈、鏡頭邊緣）時，光線發生衍射，在像面形成孔徑的衍射像，常見于高亮度場景（如正午拍攝太陽）；

    鬼像：光線在光學表面（如鏡頭、濾光片）發生非預期的剩余反射，當多個表面的反射光在系統曲率巧合下匯聚時，會在像面形成“幽靈光斑”，即鬼像；

    散射：分為結構表面散射與光學表面散射——結構表面（如遮光罩內壁、鏡筒）的粗糙度會導致光線漫反射，光學表面的磨料殘留、劃痕或粗糙度則直接引發散射，兩者均可能使雜散光到達像面。

    5.雜散光的“四步抑制法”

    針對雜散光成因，行業內形成了“MoveIt、BlockIt、Paint/CoatIt、CleanIt”的經典抑制策略：

    1.移除（MoveIt）：通過結構或光學參數調整，切斷雜散光路徑——如調整遮光罩位置避開強光方向，或修改鏡頭曲率減少剩余反射；

    2.遮擋（BlockIt）：利用物理部件阻擋雜散光，常用器件包括光闌（限制視場）、遮光罩（阻擋外部強光）、擋光環（抑制鏡筒內散射）、冷屏（紅外系統專用，減少背景輻射）、濾光片（過濾非工作波段光線）；

    3.表面處理（Paint/CoatIt）：通過鍍膜或涂覆改變表面光學特性——如鏡頭鍍增透膜減少反射，遮光罩內壁噴黑漆降低反射率，或通過微結構設計抑制散射；

    4.清潔（CleanIt）：控制光學表面污染，如冷加工后清除磨料殘留，裝配時避免指紋、灰塵附著，減少散射源。

    三、從理論到實踐：雜散光分析流程

    雜散光分析需結合“理論建模”與“實物測試”，同時注重模型簡化以提升效率。

    1.理論建模分析

    通過光學軟件搭建虛擬系統，模擬雜散光傳播路徑，核心步驟包括：

    1.模型構建：導入光學系統（鏡頭、探測器）與結構件（遮光罩、鏡筒）的三維模型；

    2.參數設置：定義光源特性（如太陽的輻射強度、目標光源的波段）、表面屬性（反射率、散射模型、鍍膜參數）、探測器參數（探測波段、靈敏度）；

    3.光線追跡：采用非序列光線追跡技術（模擬真實光線的隨機傳播），統計到達探測器的雜散光強度與分布；

    4.結果分析：判斷PST、雜光系數等指標是否達標，定位關鍵雜散光來源（如某鏡片的剩余反射、遮光罩的散射）。

    2.實物測試驗證

    理論模型需通過實物測試校準，常用測試設備與方法包括：

    測試系統：光學目標模擬器（由積分球/激光光源、靶標、平行光管組成）+高精度轉臺；

    測試內容：調整轉臺角度，測量不同視場角下的PST值，觀察全視場成像中的雜散光光斑，驗證是否與理論模型一致；

    優化迭代：若測試結果不達標，需回溯模型參數（如修正表面散射系數），或調整實物結構（如更換遮光罩黑漆）。

    3.實踐中的關鍵技巧：模型簡化

    實物結構往往包含螺紋孔、螺帽等細節，若直接導入軟件會大幅增加光線追跡的計算量，降低分析效率。因此，前期模型簡化是提升效率的核心：

    原則：“抓主要矛盾”——保留影響雜散光傳播的關鍵結構（如遮光罩內壁、鏡頭邊緣），刪除無光學意義的細節（如固定用的螺紋孔、銘牌）；

    方法：若機械模型過于復雜，可根據原始結構重新建模，僅保留光學相關維度（如遮光罩的長度、內壁角度、擋光環位置）。

    四、提升分析效率的關鍵技巧

    雜散光分析是“軟件操作”與“理論判斷”的結合，需注重以下實踐經驗：

    1.仿真場景需貼近真實

    建模時應還原系統的實際工作環境，例如：

    航天光學系統需模擬太陽、地球的輻射背景；

    車載鏡頭需考慮路燈、對向車燈的強光干擾；

    這樣才能更精準地驗證實物中的雜散光問題，避免“理論達標但實物失效”。

    2.善用軟件加速功能

    主流光學軟件均提供提升追跡效率的功能，核心是“定向抽樣”：

    重點采樣：對雜散光敏感的區域（如探測器面、關鍵鏡片表面）增加光線采樣數量，提高分析精度；

    反向光線追跡：從探測器向光源方向追跡光線，快速定位能到達探測器的雜散光路徑，減少無效計算；

    這些功能的本質是在蒙特卡洛隨機抽樣基礎上，調整概率分布，讓分析聚焦于關鍵區域。

    3.軟件與理論并重

    軟件能力：至少熟練掌握一款非序列光線追跡軟件（如LightTools、TracePro），同時熟悉成像設計軟件（如Zemax）用于前期鬼像分析；

    理論判斷：通過定性分析定位關鍵雜散光源（如某表面反射率過高、遮光罩長度不足），避免在非關鍵因素上浪費時間——例如，若系統內雜散光主要來自紅外鏡頭的自發輻射，可優先優化鏡頭材料而非外部遮光罩。

    4.關注探測器參數匹配

    探測器是雜散光的“最終接收端”，其參數直接影響分析結果：

    可見光探測器：重點關注探測波段（需與系統工作波段匹配）、最小探測光強（判斷弱雜散光是否會被感知）、光線入射角限制（避免斜射光線引發額外散射）；

    紅外探測器：需考慮NETD（噪聲等效溫差，衡量對微弱溫度變化的探測能力）、制冷杜瓦的參數（減少自身熱輻射干擾）、信噪比（避免雜散光淹沒目標信號）。

    五、總結：在實踐中積累雜散光控制經驗

    雜散光分析的難點在于“無固定解決方案”——即使軟件功能不斷升級，不同系統（如航天相機、車載鏡頭、紅外測溫儀）的雜散光來源與控制策略仍存在差異。因此，提升雜散光控制能力的核心在于：

    1.持續積累項目經驗：記錄不同場景下的雜散光來源（如強光源、結構散射）與解決方案（如更換鍍膜、優化遮光罩結構）；

    2.系統學習理論知識：推薦參考SPIE（國際光學工程學會）的經典著作《StrayLightAnalysisandControl》，構建完整的理論體系；

    3.注重“理論測試優化”的迭代：通過實物測試驗證理論模型，不斷修正參數，形成適合特定系統的分析方法。

    對光學專業人員而言，雜散光分析不僅是技術工作，更是對“光的傳播規律”的深度理解——只有將理論知識與實踐經驗結合，才能設計出真正抗雜散光的高性能光學系統。