“眩光”是一個用于成像系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的術(shù)語。從技術(shù)上講，眩光是照射在成像系統(tǒng)的傳感器平面從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的雜散光。雖然準確地解釋這一現(xiàn)象需要執(zhí)行一個完整的非序列分析，但許多光學(xué)成像系統(tǒng)只需要對前向散射效應(yīng)進行初步觀察。本文展示了如何使用OpticStudio中內(nèi)置的工具進行初步的眩光測量。此分析需要幾分鐘的時間來執(zhí)行，并且可以在不進行完整的非序列分析的情況下得到有意義的結(jié)果。

簡介

光學(xué)系統(tǒng)中有許多潛在的雜散光源，而精準建模這些雜散光源是一個繁復(fù)的任務(wù)。

對于高靈敏度的光學(xué)系統(tǒng)，盡可能多地建模這些雜散光現(xiàn)象將有助于準確地分析系統(tǒng)的性能。雜散光可以通過OpticStudio進行分析，在另一篇知識庫文章中進行了雜散光分析詳細步驟的介紹，但是分析眩光則需要預(yù)先進行設(shè)置。

相反，普通光學(xué)成像系統(tǒng)只需要通過前向散射效應(yīng)來分析眩光，如本文后半部分所示。

準備進行分析的鏡頭

我們要建立一個有保護平板的成像系統(tǒng)。保護平板的目的是保護敏感的鏡頭元件不受環(huán)境的影響。然而如下文所述，保護平板本身卻是雜散光的重要來源。

我們將應(yīng)用大角度散射效應(yīng)模型（部分朗伯 (Lambertian) 散射模型），所以我們將需要先將鏡頭轉(zhuǎn)換為非序列組件。這樣做的原因是OpticStudio在純序列模式下只允許小角度散射，如果我們沒有將鏡頭轉(zhuǎn)換為非序列組件，則會錯過一些非常有趣的效果。

注：如果我們只對小角度散射模型感興趣，我們可以跳過轉(zhuǎn)換為非序列模式的步驟，然后點擊表面屬性中的 散射 (Scattering) 選項，簡單地添加散射屬性。

我們將從OpticStudio提供的鏡頭開始本次模擬。鏡頭文件的標題是 “Double Gauss 28 degree field.zmx”，它位于 {Zemax}\Samples\Sequential\Objectives 文件夾中。把鏡頭加載到OpticStudio中后，我們要做的第一件事就是調(diào)整一下鏡頭。下圖為系統(tǒng)首次加載到OpticStudio時的布局圖：

在分析(Analyze) ... MTF曲線 (MTF) ... 幾何MTF (Geometric MTF) 中查看系統(tǒng)的幾何傳遞函數(shù)。單擊設(shè)置，并將最大頻率設(shè)置為 50。設(shè)置完后的玻璃平板如下圖所示：

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下圖所示：

注意，我們正在分析的是在焦平面上的光瞳近似圓形的成像系統(tǒng)。因此，與 FFT 衍射 MTF 相比，幾何MTF給出了更加精準的結(jié)果，但更重要的是幾何 MTF 使我們能夠囊括所發(fā)生散射效應(yīng)。

為了調(diào)整鏡頭，我們將首先增加系統(tǒng)的 F 數(shù)。進入系統(tǒng)選項，點擊孔徑的下拉菜單。將光圈值設(shè)置為 25，然后 Enter鍵。

接下來點擊優(yōu)化 (Optimize) ... 優(yōu)化向?qū)?(Optimization Wizard)，點擊 重置 (Reset)，然后點擊 確定 (OK)（默認序列優(yōu)化函數(shù)- RMS波前/質(zhì)心/高斯求積/ 3環(huán)6臂)?，F(xiàn)在點擊 優(yōu)化! (Optimize!) ... 開始 (Start)。傳遞函數(shù)現(xiàn)在有了顯著的提升。

為了做一個簡單的演示，我們將建模一個用于隔著飛機舷窗成像的透鏡——飛機的外窗會隨著時間的推移風(fēng)化從而有噴砂處理類似的磨損，這將成為散射的重要來源。接下來我們要做的是在模型的前面添加一個玻璃平板。

進入鏡頭數(shù)據(jù)編輯器，點擊表面 1（這是最外側(cè)的鏡頭表面）。在該表面前插入兩個新的表面，為這兩個新表面設(shè)置以下參數(shù)值：

表面1

·表面：表面類型 = 標準面

· 標注 = 平板外側(cè) (Window-outer)

· 曲率 = 無限

· 厚度 = 10 mm

· 材料 = BK7

表面2

· 表面：表面類型 = 標準面

· 標注 = 平板內(nèi)側(cè) (Window-inner)

· 曲率 = 無限

· 厚度 = 20 mm

接下來，我們想略微加大每個鏡頭，使它們略大于通過的光束。進入 系統(tǒng)選項 (System Explorer) … 孔徑 (Aperture) 并設(shè)置 凈口徑余量毫米 (Clear Semi-Diameter Margin Millimeters) 為3mm。進入 布局圖 (Layout window) … 設(shè)置 (Settings)，并將 起始面 (First Surface) 設(shè)置為1。

設(shè)置完的布局圖如下所示：

將鏡頭轉(zhuǎn)換為非序列模式

為了對這個鏡頭進行雜散光分析，我們需要將它轉(zhuǎn)換為非序列組件。在 OpticStudio中這個過程十分簡潔快速，但首先我們要做的是了解 OpticStudio 要求系統(tǒng)光闌位于鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中任何非序列組件之前。

注意：我們計劃使玻璃平板的外表面成為散射表面，因此玻璃平板必須是非序列組件的一部分。而現(xiàn)在我們鏡頭的光闌實際上位于鏡頭的深處。

為了使光闌位于玻璃平板前，在玻璃平板之前添加光闌，使得它的位置和大小與鏡頭的入瞳位置一致。用鏡頭數(shù)據(jù)編輯器在空間中將光闌后退到玻璃平板的位置，然后系統(tǒng)的其余部分就會自動歸位。

我們需要知道入瞳的位置和大小，所以進入評價函數(shù)編輯器并插入兩個新的操作數(shù)：ENPP 和 EPDI。更新評價函數(shù)，您將看到自動計算的結(jié)果值。

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中點擊表面 1，點擊插入鍵。為這個新表面設(shè)置以下值：

表面1

· 表面：表面類型 = 標準面

標注 = 光闌 (Aperture Stop)

· 曲率 = 無限

· 厚度 = -86.063994 mm

現(xiàn)在打開表面 1 (Surface 1) ... 屬性 (Properties) ...類型 (Type)，勾選 使此表面為光闌 (Make Surface Stop)。需要注意的是，由于本系統(tǒng)的孔徑類型是入瞳直徑，所以我們不需要再設(shè)置這個表面的半直徑，此時半直徑已經(jīng)自動設(shè)置為 12.5mm。

我們還差最后一步就能將鏡頭轉(zhuǎn)換為一個非序列系統(tǒng)。在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中找到最后一個鏡頭表面（表面 14），并在其上添加注釋“最后一個表面”。這是一個非必要步驟，但它可以在本系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到非序列后幫助我們找到最終面。

現(xiàn)在單擊 文件 (File) ... 轉(zhuǎn)換為 NSC 組 (Convert to NSC Group)。首先取消選中 把文件轉(zhuǎn)換到 NSC 模式 (Convert file to Non-Sequential Mode)。接下來，設(shè)置 起始面 (First Surface) 為 “2 - 平板外側(cè)”，設(shè)置 終止面 (Last Surface) 為 “14 - 最后一個表面”，然后點擊確定。

系統(tǒng)的 MTF 與轉(zhuǎn)換到 NSC 之前是相同的，可以用此檢驗 NSC 轉(zhuǎn)換是否正確。

打開一個 3D 布局窗口，并將 起始面 (First Surface) 設(shè)置為 2，系統(tǒng)看起來與最初的序列模式布局圖幾乎相同。

注意，唯一的區(qū)別是第一組鏡片的邊緣是斜切的。如果不需要斜切邊緣，只需在轉(zhuǎn)換之前在這些表面添加孔徑，或在轉(zhuǎn)換后手動編輯文件。

增加散射并進行分析

下一步是模擬經(jīng)受了惡劣的環(huán)境影響的玻璃平板外表面。我們通過在玻璃平板的正面添加一個適當(dāng)?shù)纳⑸淠Ｐ蛠韺崿F(xiàn)這一點。

打開物體 1 的 非序列元件編輯器 (Non-Sequential Component Editor) ... 物體屬性(Object Properties)（該物體為BK7材質(zhì)的玻璃平板）。點擊 “膜層/散射 (Coat/Scatter)” 選項卡，將 面元 (Face) 設(shè)置為“1，第一面”。接下來改變 散射模型 (Scatter Model) 為“ABg”，然后 透射 (Transmit) 選擇“LAMB-SPEC”。完成后，所有選項應(yīng)該如下所示：

系統(tǒng)現(xiàn)在將模擬一個高度散射的玻璃平板前表面，以及玻璃平板后表面之后的光滑（非散射）理想透鏡表面。

注意，我們在本文中選擇了一個內(nèi)置的 ABg 散射模型 (LAMB-SPEC)，但是如果希望建模一個真實的系統(tǒng)，您需要仔細選擇能夠精確模擬您所期望散射效應(yīng)的散射模型。

轉(zhuǎn)到已經(jīng)打開的 幾何MTF (Geometric MTF) 窗口并點擊 設(shè)置 (Settings)。增加采樣到 512 × 512，勾選 散射光線 (Scatter Rays)，點擊確定。結(jié)果圖顯示了眩光對系統(tǒng) MTF 曲線的影響：

這里值得注意的結(jié)果是軸上視場受眩光影響最大。為了分析這個現(xiàn)象的原因，我們將查看如下所示的點列圖。

打開點列圖，點擊 分析 (Analyze) ... 光線跡點 (Rays & Spots) ... 標準點列圖 (Standard Spot Diagram)，然后進行如下設(shè)置：

注意，我們暫時沒有勾選散射光線。這里是當(dāng)散射光線被忽略時產(chǎn)生的點列圖：

這些光斑非常小，測量得到只有幾十微米的寬度（注意圖底部的 RMS 半徑值，單位是微米）。每個點列圖中心的黑色圓環(huán)顯示了計算出的衍射艾里斑尺寸，直徑為 5.5 微米。

現(xiàn)在點擊 點列圖 (Spot Diagram) ... 設(shè)置 (Settings) 勾選 散射光線 (Scatter Rays)，然后點擊確定。這是包括散射光線影響在內(nèi)的點列圖：

現(xiàn)在的光斑大小在幾十毫米左右（RMS 尺寸將顯示在圖的底部），您可以進一步看到軸上視場（圖左上角）大部分光線緊密地落在中心附近，而離軸視場的光斑不是那么集中。放大下面所示的兩個位置，看看軸上和軸外視場點列圖的光線密度差異。

下面是軸上視場點列圖的放大圖像：

這是離軸視場點列圖的放大圖像：

通常我們認為一個成像系統(tǒng)如果能將更多的光線聚焦到中心像斑上，其成像性能就越好，因此我們可認為軸上視場像斑的點列圖會比離軸視場像斑的點列圖更好。讓我們進一步放大軸上視場的點列圖，看看發(fā)生了什么。我已經(jīng)將點列圖的設(shè)置更改為如下：

接下來我放大到軸上視場光斑的中心：

點列圖中心的小黑環(huán)代表了計算出的艾里斑尺寸，和考慮散射之前的點列圖中看到的一樣。我們可以看到現(xiàn)在的高光線密度區(qū)域的尺寸和形狀還與原始點列圖完全相同（我們在原始點列圖內(nèi)忽略了散射效應(yīng)），但散射效應(yīng)仍將一些光照射在這個小點上，從而使理想的純黑背景（無光線到達）變?yōu)榫哂泄饩€分布的背景。這反過來降低了系統(tǒng)的對比度，從而降低了 MTF。

注意：在我們的模型中添加散射對中心點列圖的形狀或大小沒有任何影響，散射效應(yīng)只將一些光線從光斑中心位置移開。

因為離軸視場光束散射的光線離中心光斑更遠，所以在中心點列圖附近的背景強度比軸上視場光束弱。因此，我們可以期望離軸視場比軸上視場有更好的對比度和更高的MTF。這符合 OpticStudio 在包含散射時的 MTF 曲線所示。

請注意，還有兩個其他的分析特性允許您“散射光線”：幾何圖像分析和幾何圈入能量，這兩個功能也可以檢查散射的效果。