“眩光”是一個(gè)用于成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確地解釋這一現(xiàn)象需要執(zhí)行一個(gè)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(jìn)行初步觀察。本文展示了如何使用OpticStudio中內(nèi)置的工具進(jìn)行初步的眩光測量。此分析需要幾分鐘的時(shí)間來執(zhí)行，并且可以在不進(jìn)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(zhǔn)建模這些雜散光源是一個(gè)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(zhǔn)確地分析系統(tǒng)的性能。雜散光可以通過OpticStudio進(jìn)行分析，在另一篇知識(shí)庫文章中進(jìn)行了雜散光分析詳細(xì)步驟的介紹，但是分析眩光則需要預(yù)先進(jìn)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(zhǔn)備進(jìn)行分析的鏡頭

我們要建立一個(gè)有保護(hù)平板的成像系統(tǒng)。保護(hù)平板的目的是保護(hù)敏感的鏡頭元件不受環(huán)境的影響。然而如下文所述，保護(hù)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(huì)錯(cuò)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(diǎn)擊表面屬性中的 散射 (Scattering) 選項(xiàng)，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(biāo)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(shí)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(zhǔn)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(jìn)入系統(tǒng)選項(xiàng)，點(diǎn)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(diǎn)擊優(yōu)化 (Optimize) ... 優(yōu)化向?qū)?(Optimization Wizard)，點(diǎn)擊 重置 (Reset)，然后點(diǎn)擊 確定 (OK)（默認(rèn)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(diǎn)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(gè)簡單的演示，我們將建模一個(gè)用于隔著飛機(jī)舷窗成像的透鏡——飛機(jī)的外窗會(huì)隨著時(shí)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(gè)玻璃平板。

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

表面1

·表面：表面類型 = 標(biāo)準(zhǔn)面

· 標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)面

· 標(biāo)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(gè)鏡頭，使它們略大于通過的光束。進(jìn)入 系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) … 孔徑 (Aperture) 并設(shè)置 凈口徑余量毫米 (Clear Semi-Diameter Margin Millimeters) 為3mm。進(jìn)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(gè)鏡頭進(jìn)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(gè)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(jì)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(shí)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(huì)自動(dòng)歸位。

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

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

表面1

· 表面：表面類型 = 標(biāo)準(zhǔn)面

標(biāo)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(gè)表面的半直徑，此時(shí)半直徑已經(jīng)自動(dòng)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(gè)非序列系統(tǒng)。在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中找到最后一個(gè)鏡頭表面（表面 14），并在其上添加注釋“最后一個(gè)表面”。這是一個(gè)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(gè)表面”，然后點(diǎn)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(yàn) NSC 轉(zhuǎn)換是否正確。

打開一個(gè) 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(dòng)編輯文件。

增加散射并進(jìn)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(gè)適當(dāng)?shù)纳⑸淠Ｐ蛠韺?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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(diǎn)擊 “膜層/散射 (Coat/Scatter)” 選項(xiàng)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(xiàng)應(yīng)該如下所示：

系統(tǒng)現(xiàn)在將模擬一個(gè)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(gè)內(nèi)置的 ABg 散射模型 (LAMB-SPEC)，但是如果希望建模一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)，您需要仔細(xì)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(diǎn)擊 設(shè)置 (Settings)。增加采樣到 512 × 512，勾選 散射光線 (Scatter Rays)，點(diǎn)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(gè)現(xiàn)象的原因，我們將查看如下所示的點(diǎn)列圖。

打開點(diǎn)列圖，點(diǎn)擊 分析 (Analyze) ... 光線跡點(diǎn) (Rays & Spots) ... 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖 (Standard Spot Diagram)，然后進(jìn)行如下設(shè)置：

注意，我們暫時(shí)沒有勾選散射光線。這里是當(dāng)散射光線被忽略時(shí)產(chǎn)生的點(diǎn)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(gè)點(diǎn)列圖中心的黑色圓環(huán)顯示了計(jì)算出的衍射艾里斑尺寸，直徑為 5.5 微米。

現(xiàn)在點(diǎn)擊 點(diǎn)列圖 (Spot Diagram) ... 設(shè)置 (Settings) 勾選 散射光線 (Scatter Rays)，然后點(diǎn)擊確定。這是包括散射光線影響在內(nèi)的點(diǎn)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(jìn)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(gè)位置，看看軸上和軸外視場點(diǎn)列圖的光線密度差異。

下面是軸上視場點(diǎn)列圖的放大圖像：

這是離軸視場點(diǎn)列圖的放大圖像：

通常我們認(rèn)為一個(gè)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(rèn)為軸上視場像斑的點(diǎn)列圖會(huì)比離軸視場像斑的點(diǎn)列圖更好。讓我們進(jìn)一步放大軸上視場的點(diǎn)列圖，看看發(fā)生了什么。我已經(jīng)將點(diǎn)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(diǎn)列圖中心的小黑環(huán)代表了計(jì)算出的艾里斑尺寸，和考慮散射之前的點(diǎn)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(diǎn)列圖完全相同（我們在原始點(diǎn)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(gè)小點(diǎn)上，從而使理想的純黑背景（無光線到達(dá)）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(diǎn)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?yàn)殡x軸視場光束散射的光線離中心光斑更遠(yuǎn)，所以在中心點(diǎn)列圖附近的背景強(qiáng)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(shí)的 MTF 曲線所示。

請注意，還有兩個(gè)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(gè)功能也可以檢查散射的效果。