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杂散光

Table of Contents

什么是杂散光
杂散光类型
软件工具在寻找杂散光的过程中发挥的积极作用
用新思科技光学解决方案对杂散光进行建模和分析

随着智能手机摄影的功能不断进步以及网络社交媒体的高度发达，“打卡拍照”已经成为现代人生活社交的一部分，在“人均摄影师”的年代，运用先进的设备高超的摄影技巧拍摄出高质量的照片绝非难事。然而，除了构图，色彩等影响照片质量的因素外，我们会发现图像中有时出现不明原因的亮点和眩光，从而降低了成像效果，使整张精心拍摄的照片成为遗憾。那究竟这些不明原因的光是什么，怎么造成的，改如何改善，那就要从“杂散光”讲起

杂散光是一种有害的光，是光学系统中非预期的光线，也称作光学“噪声”。可能是透镜表面间的多次反射、机构反射、CIS (CMOS 图像传感器)造成，也可能是由于红外光学系统自身热辐射所产生。这些杂散光都有可能对正常的成像造成影响。随着光学系统探测要求越来越高，杂散光会影响光学系统的性能，降低成像对比度和画面质量，甚至影响信号，因此对杂散光进行分析和抑制的要求也逐步受到关注，也成为是光学系统像质检测的必要环节之"一。杂散光的示例包括:

光学系统内部机构件表面的反射光
穿过封闭系统间隙的漏光
从系统光学表面的灰尘或其他缺陷处反射出来的散射光
对于地面天文学来说，由城市上空大气的光反射引起的天空辉光是杂散光的主要来源
太阳、地球和月球是轨道望远镜常见的不需要的外部光源

杂散光类型

杂散光主要表现形式有两种：鬼像和眩光

在成像系统中，光线经过二次或多次不必要的反射，再次聚集到成像传感器上，就会形成鬼像。对于数码相机来说，最常见的鬼像形成原因是光线从镜头或传感器表面反射回光学系统，然后再从镜头表面反射回来，形成二次图像。主要成因还包括：

o 通常是由成像表面之"间的意外反射引起的

o 光栅的二阶或更高阶次的衍射

o 明亮散射表面造成的二次成像

Ghost example: Picture Photo taken with a cell phone camera that clearly shows three sharply focused ghost images of the candle flames. There is also a fourth, extended ghost image centered on the middle sharp ghost image. | Synopsys

鬼像示例：从图中的照片可以清晰地看出叁个聚焦锐利的蜡烛火焰的像，还可以看出中间的蜡烛火焰鬼像周边存在散开的光晕

眩光，通常是由于光在镜头内部反射和扩散造成的。这种杂光也可能由大气散射光引起，如雾霾或天空辉光。主要成因还包括：

o 光学系统视场之"外的光线入射到像面上

o 视场内的明亮光源，温度较高表面的热辐射

o 光学系统内部的光线散射

软件工具在寻找杂散光的过程中发挥的积极作用

得益于现代科技的发展，光线追迹软件已经可以对鬼像进行分析。光线追迹可以清晰地追踪系统中光线的所有路径，并且能够对每个可能的鬼像光路单独检查及评估潜在的影响。

Ghost example: A sequential ray trace of a single ghost image path. The light from an object in the field of view passes through the lens and forms an image on the detector at right. Some of the light is then reflected by the detector back into the lens. One of the lens surfaces then reflects the light back to the detector at a different location. This ghost image is of interest because the ghost light is nearly focused on the detector, which will lead to a much brighter ghost image than if the light were spread out over a larger area. | Synopsys

鬼像示例: 对单个鬼像路径进行光线追迹。从视场中的物体发出的光通过透镜并在右边的探测器上成像。其中，一些光线被探测器反射回镜头。而其中一个透镜表面又将光线反射到探测器的其他位置。这个鬼像反射的光几乎都集中在探测器的同一个位置上，如果它所反射的光覆盖更大的面积，那么这个鬼像会形成一个更亮的光斑。

眩光会通过许多意想不到的光路进入光学系统。利用基于蒙特卡罗算法的光学模拟软件能找到这些光。蒙特卡罗方法将随机产生许多光线，并通过模型分析能量如何分布。采用方差约减方法来提高发现这类小概率事件光路的效率，如大角度散射等。

Unintended light example: Light from an object in the field of view scatters off the lens mount and then is reflected by a lens surface to the detector. | Synopsys

非预期光线示例:来自视场中物体的光被透镜支架散射，然后又被透镜表面反射回到探测器。

用新思科技光学解决方案对杂散光进行建模和分析

杂散光的分析与抑制是成像系统设计中一个重要而复杂的课题。新思科技光学软件能对杂散光的问题进行建模和分析，起到抑制/消除杂散光并改善成像质量的作用。在最新发布的2022.03版本中，CODE V 和 LightTools 之"间改进互操作性的功能，可以使设计者易于模拟包含成像和非成像元件的光学系统，并节省开发时间。CODE V 基于表面的模型能够在 LightTools 中自动转换为高保真度的实体模型，用于光学产物仿真。这一点使您在使用新思光学软件的杂散光分析时变得更为得心应手。

除了软件分析，光散射测量的方法也是减少杂散光对设计性能的一种方式。Synopsys REFLET 180 仪器的 BSDF 测量数据提供了一种快速、准确的方法来模拟和比较设计中的杂散光投射量，从而在制造之"前评估材料对光学产物性能的影响。

您可以通过以下流程了解我们的杂散光分析过程：

Typical workflow for the analysis of stray light in a camera system when using Synopsys software. | Synopsys

总的来说，杂散光是无法完全消除，但能在一定程度上进行抑制，只要不影响成像质量或在可接受范围内，杂散光是允许存在的。因此，选择正确的杂散光分析软件，能有效提升您的光学设计品质与效率。

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