Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software
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摘要:
为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题，研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模，并开展杂散光分析。为减少杂散光，在物镜筒的筒壁加工消光螺纹，并针对不同形式的消光螺纹，开展了能量仿真模拟。仿真结果表明，采用螺距0.35 mm的消光螺纹，能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致，为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。
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关键词:
- 杂散光 /
- 微光光学系统 /
- 消光螺纹 /
- LightTools软件
Abstract:To solve the problem of stray light in low-level-light optical system detected by low illumination weak signal, the principle and characteristics of stray light were studied. The optical system modeling software LightTools was used to simulate the low-level-light optical system and analyze the stray light. In order to reduce stray light, the extinction threads were processed on the barrel wall of the objective lens barrel, and the energy simulation was carried out for different forms of extinction threads. The simulation results show that the stray light coefficient can be reduced from 7% to 4% by using the extinction thread with the pitch of 0.35 mm, which are consistent with the experimental results, and can provide guidance for the elimination of stray light in the design of optical systems with weak signal detection.
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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[1-2]。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。当物镜频率在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。
表 1 微光光学系统技术指标Table 1. Technical indexes of low-level-light optical system参数 数值 波长/nm 450～850 视场/(°) 10 焦距/mm 112 口径/mm 75 F数 1.5 轴上调制传递函数@50 lp/mm >0.4 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2个方面：1） 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；2） 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[3-4]。
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[5-6]。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2类：1） 光学零件消除杂散光 光学零件表面镀增透膜[7-8]，在光学零件外边缘涂消光黑漆以吸收杂散光[9]；2） 结构零件消除杂散光 在光学腔体镜筒内壁喷砂氧化[10-11]、涂覆消杂光涂料[12]，隔圈、压圈等零件加消光光阑或者消光螺纹[13-15]，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
3.1 基础建模
在LightTools软件中导入微光物镜和镜筒，建立基础模型，并在焦面上设置接收器；其次在接收器上设置过滤器，把镜头像面的杂散光能量从总能量中分离出来。一般镜头的成像光路透过率均大于0.1，而杂散光从射入系统到到达像面的全路径透过率（含反射、散射等）均小于0.1。因此在位于像面的接收器上设置2个路径透过率过滤器，令其中一个透过率小于0.1，另一个全透，即可得到接收器上的杂散光能量Estray_light和总能量Eall_light，二者之比即为该镜头的杂散光系数：
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} $$ (1) 镜头和透射光谱曲线相同，光源光谱为400 nm～900 nm内的连续光谱，450 nm、550 nm、650 nm、750 nm和850 nm的权分别为10、37、70、100、75（约为2 856 K标准光源与XD4微光阴极组合的光谱特性）。透镜光学面设置为100%透射或全反射，透镜毛面和镜筒、隔圈表面为椭圆高斯散射面，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，高斯角为15°。
光源采用与入射窗重合的均匀朗伯平面光源，仿真光线数3 000 000条。杂散光系数为
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{1.176\;7 \times {{10}^{ - 6}}}}{{2.967\;0 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.039\;66 \approx 4{\text{%}} $$ (2) 3.2 杂散光模拟
3.2.1 镜筒内壁表面特性导致杂散光的模拟
大部分杂散光的光线都经过镜筒的反射，因此镜筒内壁的构造及其光学特性对杂散光系数起着举足轻重的作用。将镜筒内壁的光学特性略作改变，即总反射比保持10%不变，把漫反射部分减小为0.5%（即10%×5%），高斯散射部分增大为9.5%（即10%×95%），高斯角仍为15°，经过LightTools软件模拟后，得到如下结果：
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{2.068\;4 \times {{10}^{ - 6}}}}{{3.064\;5 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.067\;50 \approx 7{\text{%}} $$ (3) 镜筒表面的光学特性对杂散光系数影响较大，应使其尽量接近朗伯漫反射面，比如采用喷砂氧化处理等，以减小杂散光。
在镜筒中后部安放若干防杂散光光阑，如图2所示，表面的光学特性同上，经过LightTools软件模拟后，得到杂散光系数为
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{4.647\;1 \times {{10}^{ - 7}}}}{{2.900\;0 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.016\;02 \approx 1.6{\text{%}} $$ (4) ![]()
图 2 设置防杂散光光阑的镜筒示意图Figure 2. Schematic diagram of objective lens barrel with anti-stray light diaphragm结果表明，采用防杂散光光阑能够使杂散光系数明显下降。
3.2.2 透镜表面特性导致杂散光的模拟
透镜表面的部分反射对杂散光系数也有不可忽视的影响，因此开展透镜表面特性对杂散光的影响分析。前文全部计算均假设光学表面100%透射，这种理想情况无法在工程上实现，即使镀制减反射膜，反射率仍在1%左右。假定光学表面的反射比为1.5%、透射比为98.5%，其他参数不变，计算200万条光线，得到如下结果：
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{5.399\;3 \times {{10}^{ - 7}}}}{{2.492\;9 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.021\;66 \approx 2.2{\text{%}} $$ (5) 因此，增加透镜表面反射特性后，杂散光系数由1.6%增加到2.2%，增大了35.2%。
不经过镜筒反射的杂散光能量（纯粹由表面多次反射造成的杂散光能量）为1.010 8×10−7 W/mm−2，约占总杂散光能量5.399 3×10−7 W/mm−2的18.7%，是杂散光系数增加百分数的一半。由此可见，经透镜表面反射的杂散光有一部分经若干表面多次反射后到达像面，另一部分先经镜筒内壁漫反射和散射后，再由透镜表面透射或反射到达像面，两者都是杂散光的组成部分。因此透镜表面镀膜要求平均反射率小于1%，最大反射率小于1.5%。
3.2.3 采用消光螺纹的杂散光模拟
防杂散光光阑的模拟结果很好，但是在镜筒中增加该光阑需要增加壁厚，且加工工艺性较差，因此在微光光学系统中一般采用消光螺纹。在微光物镜（如图3所示）的镜筒中部设置2种不同的消光螺纹，图4（a）是螺距M0.5的消光螺纹；图4（b）是螺距M0.35的消光螺纹。
在LightTools模型中，设置镜筒内壁反射率为15% （其中漫反射35%、高斯散射65%），光学件表面反射率为1.5%、透射比为98.5%。
经过模拟得到螺纹M0.5物镜的杂散光能量图如图5所示，图5（a）为像面总辐照度分布图；图5（b）为像面杂散光辐照度分布图。计算杂散光能量与总能量的比值，可获得螺纹M0.5物镜的杂散光系数：
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{4.297\;8 \times {{10}^{ - 7}}}}{{1.035\;6 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.041\;5 \approx 4.2{\text{%}} $$ (6) ![]()
图 5 螺纹M0.5物镜杂散光能量模拟图Figure 5. Simulation diagram of stray light energy of thread M0.5 objective lens同样，图6是模拟获得的螺纹M0.35物镜杂散光能量图，图6（a）和图6（b）分别是像面总辐照度和杂散光辐照度分布图。螺纹M0.35物镜的杂散光系数为
$$ \eta = \frac{{{E_{{\rm{stray\_light}}}}}}{{{E_{{\rm{all\_light}}}}}} = \frac{{3.782\;2 \times {{10}^{ - 7}}}}{{1.020\;2 \times {{10}^{ - 5}}}} = 0.037\;1 \approx 3.7{\text{%}} $$ (7) ![]()
图 6 螺纹M0.35物镜杂散光能量模拟图Figure 6. Simulation diagram of stray light energy of thread M0.35 objective lens7个微光物镜（消光螺纹M0.5）的杂散光实测值如表2所示，杂散光平均值为4.6%；3个微光物镜（消光螺纹M0.35）的杂散光实测值如表3所示，杂散光平均值为4.03%。试验结果和模拟结果接近，表明减小镜筒内壁消光螺纹的螺距能够有效降低杂散光。但需要注意的是，由于M0.35消光螺纹螺距较小，螺纹加工会有金属屑残留，表面氧化后残留物脱落会出现局部亮斑，反而加重杂散光，因此在螺纹加工完成后应充分清洁螺纹表面。
表 2 微光物镜（螺纹M0.5）杂散光测量值Table 2. Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.5)产品编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 平均值 杂散光
系数/%5.20 4.20 4.30 4.90 4.90 4.20 4.50 4.60 表 3 微光物镜（螺纹M0.35）杂散光测量值Table 3. Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.35)产品编号 1# 2# 3# 平均值 杂散光系数/% 3.90 4.00 4.20 4.03 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具有一定的借鉴意义。
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图 2 设置防杂散光光阑的镜筒示意图
Figure 2. Schematic diagram of objective lens barrel with anti-stray light diaphragm
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图 5 螺纹M0.5物镜杂散光能量模拟图
Figure 5. Simulation diagram of stray light energy of thread M0.5 objective lens
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图 6 螺纹M0.35物镜杂散光能量模拟图
Figure 6. Simulation diagram of stray light energy of thread M0.35 objective lens
表 1 微光光学系统技术指标
Table 1 Technical indexes of low-level-light optical system
参数 数值 波长/nm 450～850 视场/(°) 10 焦距/mm 112 口径/mm 75 F数 1.5 轴上调制传递函数@50 lp/mm >0.4 
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表 2 微光物镜（螺纹M0.5）杂散光测量值
Table 2 Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.5)
产品编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 平均值 杂散光
系数/%5.20 4.20 4.30 4.90 4.90 4.20 4.50 4.60
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表 3 微光物镜（螺纹M0.35）杂散光测量值
Table 3 Stray light measurement values of low-level-light objective lens (thread M0.35)
产品编号 1# 2# 3# 平均值 杂散光系数/% 3.90 4.00 4.20 4.03
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