光机系统中的杂散光的抑制与控制

几乎所有的成像系统都会产生杂散光或不需要的光线。在成像系统中的杂散光是从光源发出的光线入射至系统，通过不同方式到达成像面成为不需要的光线。杂散光也发生在非成像系统，通常以两种方式呈现：鬼影(Ghost)及散射光(Scatter light)。本文讨论杂散光的成因以及如何在两种机构系统中减少杂散光。

杂散光的几种成因

成像系统中的杂散光主要有几种来源。依照其严重程度表列如下，不过其程度依光机系统不同而有所不同

“直接入射”主要发生在反射式系统

反射式光学系统及窗口的鬼影

一次散射是来自于未优化的遮光板或的高反射的接收器

多次散射来自于优化的遮光板 

在卡塞格仑型系统中，当中心遮栏太大或者望远镜的镜筒太短时，会出现”直接入射”。视场外的光线也可以进入望远镜，穿过第二个反射镜，通过主反射镜的小孔，直接照射到焦面上，而成为杂散光。如果太阳光线允许进入望远镜，则这种类型的杂散光线是一种灾难。

鬼影之所以这样叫是因为它们不在焦点上，或者看起来像光源的亮点。鬼影是由透镜表面的反射所引起的。要产生鬼影，光线必须从透镜表面反射偶数次。所以会有二次反射鬼影，四次反射鬼影等。如果只有一个面的反射镜的光学系统（如卡塞格仑(Cassegrain)望远镜）不会产生鬼影。在照相的时候，如果太阳在观察的视场里面或者它的附近，则太阳会产生鬼影。晚上照相的时候，汽车的顶灯和街灯也会产生鬼影。如果亮光源小，每个鬼影的形状就是光学系统的孔径光栏的形状。如果鬼影聚焦在像面上，则它看起来像光源。

当光源，如太阳，直接照射到系统中的光学组件时，会出现一次散射的光。有一部分光线散射的方向使它能够到达像面。我们说这部分光线散射到视场里面。一旦光线散射到视埸里面，它就成为杂散光，如果不产生渐晕，则没有办法消除它。因此遮光板的主要目的是光线使不直接照射到光学组件上。

即使杂散光源不直接照射到光学组件上，但首先通过挡光板表面进行散射，然后照射到光学组件上它们也可以间接地产生杂散光线。这种杂散光线一般比直接散射的情况小，但仍然大到值得考虑。

消除杂散光

杂散光是无法完全被消除的。但是它可以被降低到可以接受的程度。杂散光还有另一个名字：叫做光噪声。就像电讯系统及声音系统中的噪声可以被消除一样，光噪声之可以透过适当的设计光机系统来降低。在本文中将透过范例展示如何消除“直接入射”及鬼影。

消除“直接入射”

正常情形下，在视角内的光线进入望远镜成像在侦测器上就如同图一

图一 - 卡塞格仑望远镜的光线追迹

但是当视角外的光线直接入射至第二面反射镜中央的侦测器，将会发生什么事，如图二。

图二 – “直接入射”图形

要解决“直接入射”的唯一方式就是在望远镜中增加遮光板。在这个案例中要建立正确的遮光板需要做三种光线追迹，

第一种是在轴上的光线填满第一及第二面镜到达侦测器，图三。追迹第二种光线由侦测器到第二面镜，参照图四。

图三– 大量光线追迹至侦测器

图四– 由侦测器大量光线追迹回来

最后，我们必须考虑系统的FOV。图五显示了网格线(grid)追迹其角度为0.025度向下，刚好在FOV的边缘。外面的FOV光线是最值得注意的部份，这些光线限制了大部份的遮光板尺寸。现在只需要建立第一及第二遮光板不要挡住这些光线的路径即可。

图五 – FOV光线追迹的系统

首先，我们建立第二遮光板将会造成离轴光线一点点的渐晕。标准的建立遮光板的方式就是从第二面镜的外缘向外延伸至FOV的最后一条光线，参照图六。

图六 – 第二遮光板

接下来要做的是建立主要遮光板，由主要面镜的内缘延伸至外部FOV的最后一条光线并且检查是否有挡住轴上的光线或是侦测器上的光线。

 图七 – 主要遮光板正确尺寸

图八 – 完成的主要及第二遮光板

当完成了主要及第二遮光板后，可能”直接入射”卡塞格仑望远镜的杂散光就被消除了。

消除反射光学及窗口的鬼影

典型的的鬼影范例就是三片式Cooke透镜结构，参照图九。 鬼影的产生是来自于菲涅耳(Fresnel)损失在光线与未镀膜的透镜表面上。一般来说菲涅耳损失在总能量的百分之4到5之间，并且与入射角度及折射率有关。图九显示准直入射的光线入射至三片式的Cooke结构，并且完美穿透的图形。 

在图九中，五条光线水平入射，在Z轴上由左向右传播穿过三片透镜，最后到达最右方的观察面。

图九 – 五条准直光线入射至三片式Cooke结构

图十显示了五条准直光线通过相同的系统，但所使用的是一般没有镀膜的透镜。那些非平行的光线表示是由菲涅耳反射在每个透镜的表面所造成的反射光线。

图十 – 没有镀膜的三片式透镜的光线追迹

图十一显示了所有40条入射光到达侦测面的照度分析图，40条中有5条穿透光线及35条鬼影光线。图十一是显示照度分析图的剖面图，分别显示在左边及下面。5条穿透光的每一条贡献1.8E+7 W/m2在左边的剖面图中，而35条鬼影光线，每一条项献约4E+4 W/m2。它们之间差了3个数量级。

图十一 – 鬼影及穿透光线的照度分析图

在所有的鬼影分析中，当光线能量小于初始光线能量的0.01%时，光线将会停止运算。此一目的是为了避免由菲涅耳反射在界面运算所造成无限多条光线产生。

正常来说在透镜上都会使用抗反射膜，以避免由镜组所产生的鬼影效应。图十二显示了使用抗反射膜的透镜只有.25%的反射及99.75%的穿透，在相同的五条光线追迹状况下。所以没有大于初始光线.01%的光线到达侦测面。

图十二 – 有抗反射镀膜的三片式Cooke结构

因此在许多状况中很容易使用抗反射膜解决鬼影的问题，但是使用抗反射膜会增加系统所需成本 。

消除单次散射的路径

回到卡塞格仑系统，我们可以进一步消除单次散射的路径。最常见到的单次散射就是就是一道光线直接散射进入侦测器中。如果我们从侦器直接反向追迹回来，就可以看到所有单次散射的可能性。最常遇到的单次散射就是来自于主遮光板所造成的。要阻止许多在视角外的单次散射光线是很重要的，图十三显示了单次散射的路径。

图十三 – 单次散射路径

为了消除单次散射的路径，我们必须建立一圆锥形的挡板，挡住离轴光线所造成的单次散射。挡板所设定的区域可以在图十四看到要对准主遮光板。可以看到侦测器完全在主遮光板的内部区域，所以建立一挡板能够挡住光线入射到此一区域而又不会影向成像光线是很重要的一件事。

我们必须建立一挡板来挡住侦测器看到从圆锥形的挡板来的离轴光线。这个案例中我们需要使用两个挡板。

图十四 – 挡板挡住了视角内的光线

要确认挡板是否会挡住视角的光线也是一件很重要的事。在图十四可以看到不正确的挡板尺寸，挡住了入射光线会造成系统的渐晕。

图十五 – 正确的挡板尺寸

消除多次散射的路径

透过相同的方式可以建立起挡板，并将挡板分为分为两个区域，照明区域或透过反射直接在侦测器观测到的区域。这此一情形下，多次散射的光线不会直接进入侦测器中。