[技術]FRED在雜散光分析中的應用 [復制鏈接]

邊緣衍射

當孔徑尺寸和波長比相對較小的時候(104 或者更小)，場外光源經(jīng)孔徑光闌發(fā)生的邊緣衍射可能是雜散光的一個重要來源。

紅外系統(tǒng)中的自輻射

熱紅外或者熱成像系統(tǒng)中也可以出現(xiàn)雜散光，該雜散光是由設備自身的熱輻射引起的。 這類系統(tǒng)通過檢測疊加在一個大背景上的一個小的信號來運轉(zhuǎn)。 室溫情況下，黑體發(fā)射率曲線的峰值在大概10um處. 因而在這種波長下，環(huán)境也會"發(fā)光".隨著溫度或者發(fā)射率的變化，黑體發(fā)射曲線在發(fā)熱過程中會有很小的變化。 熱成像系統(tǒng)一般通過減去背景來增強紅外圖像的對比度。當背景不均勻，比如說有水仙花效應, 就產(chǎn)生了一個雜散光信號。 特別是， 當冷卻了的探測器的一個圖像在其自身成像的時候，背景的局部嚴重缺損就產(chǎn)生了。典型的表現(xiàn)為在圖像的中心形成黑斑。人們可能稱它為“雜斑”而不是雜散光。

紅外輻射計測量絕對輻射而不是一個相對輻射，所以任何背景輻射都是不可接受的。 在這樣一個設備中，冷卻整個設備來降低溫度以消除因為自身散射引起的雜散光是必要的。

圖4—該圖演示這樣一個簡單的問題，一個溫熱的茶壺，其表面有著不同的發(fā)射率和溫度分布。茶壺通過一個單透鏡成像，探測器放置在透鏡后面（看不見）。許多紅外系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)機械結構自身輻射到探測器的問題。而解決的方法不是移除自輻射源就是對這些輻射加以遮擋。

以上幾種現(xiàn)象的組合

以上現(xiàn)象的組合也會發(fā)生，并且可能很重要。 比如， 自輻射光線可能繼而從光學器件上散射進入視場里面。由孔徑衍射的光線也可能從光學器件上面散射進入視場內(nèi)。

2．FRED 怎樣呈現(xiàn)散射光？

有幾種方法可以跟蹤散射光。第一種方法是制造一個光源，再追跡通過光學系統(tǒng)的光線。第二種方法是通過系統(tǒng)從探測器的進行反向光線追跡。能夠通過使用任何3D光線追跡軟件程序來顯示雜散光光路是相當重要的。光學工程師利用FRED的軟件來顯示雜散光發(fā)生的位置。反射光線以及折射光線僅僅是問題的一部分，散射光也是一個問題。

3、FRED怎樣產(chǎn)生幾何界面？

系統(tǒng)的幾何結構可以直接在FRED 中通過運用簡單圖形界面來生成。也可以輸入由機械軟件設計的IGES 或者STEP 格式文件，和光學設計程序設計的文件，或者從ASAP 輸出文檔中轉(zhuǎn)換過來。FRED程序有許多選項用于生成表面，包括標準平面，二次曲線，柱面，橢圓體， 雙曲線，環(huán)形，多項式曲面，澤尼克，非均勻有理B樣條， 網(wǎng)狀，旋轉(zhuǎn)曲線，壓邊曲線，復合曲線，凹線和用戶自定義表面。圖1和圖2中所示的為FRED繪制的那些表面之一。

因為FRED 有一個多文檔用戶界面，所以可以在文檔間進行元件的相互剪切，復制以及粘貼。 實體在理論上可能被設置為各層組裝體，組件和元件等等。它符合系統(tǒng)的物理層結構；任何一個物體都可以在任意的坐標系統(tǒng)中定義。 任何表面都可能被任何隱式曲面或者任何孔徑收集曲線所整理（切開），以下是詳細說明。

4 、FRED 怎樣追蹤光路？

FRED 有能力去完成一次高級的光線追跡。 這種光線追跡可以清晰地追蹤系統(tǒng)中所有光線的所有路徑。 圖5顯示了在圖1中的兩個雙膠合透鏡的光線路徑的列表。 光線歷史報表是一個對所有光線的完整報告，記載了有多少光線以這條光路發(fā)射，他們怎樣到達最終的實體（在這個事例中是焦平面）以及他們穿過了多少表面（事件計數(shù)）。 也可以取任一條光線追跡的光路然后將其復制到用戶定義光路列表 (選擇光路， 將鼠標移至光路然后選擇一個選項將這條光路復制到用戶定義光路列表)。 這條光路將立刻在高級光線追跡中呈現(xiàn)一個可選光路作為一個可用的光線追跡方法。還可以僅對這條光線繪制彌散斑圖或點擴散函數(shù)圖。

通過使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)在每個鬼像，直接入射，一次或多重散射光路中所占多大比例。 圖5—表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)的光線路徑。注意到有8條光路到達了探測器，表中第二欄到最后一欄所示。第二條光路是完美覆膜系統(tǒng)的光路， 光路0 是未鍍膜系統(tǒng)的一個光路。 注意到兩條光路中所代表的能量都有不同， 1 是0 光路，0.868 是第二光路。 第8 光路有71 條光線， 與表面有12個交叉點和2個反射。這條光路顯示在圖6下方。 這條清晰的光路是可以看到的， 它顯示在圖7中。 圖6—追跡未鍍膜雙膠合透鏡中的第八條路徑 圖7—在圖6中呈現(xiàn)的光線路徑信息 5、FRED 怎樣顯示彌散斑圖 FRED以光線顏色來顯示彌散斑。在圖8中，我們可以很容易的發(fā)現(xiàn)，鬼像的光線集中在未鍍膜信號周圍并且以藍色表示，在右邊是鍍有膜的完善透鏡系統(tǒng)。 圖8—圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)所成的彌散斑圖 6、FRED 怎樣呈現(xiàn)輻照度圖？ FRED 以四色的面板呈現(xiàn)輻照度圖。左上方是一個等大的偽彩色圖，它顯示的是在選中分析面上單元功率。 右邊的刻度顯示的是這個圖中的功率等級。 右上和左下的面板是左上面板的橫截面。點擊左上方圖中的任一處，一個橫截面將會出現(xiàn)在水平以及垂直兩個方向，在這個位置的坐標和輻射將會顯示在這個左上方的面板的左下角。右下方的圖顯示在這個分析面上定義的各個像素的數(shù)量和光線。如果用戶點擊右下方的圖，就可以看到每個探測器像素的相對誤差。這是一個很好的方式讓你知道是否已經(jīng)追跡了足夠多的光線來為系統(tǒng)繪制有效的輻照度圖， 這點對于照明系統(tǒng)來說尤其重要。兩個雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻照圖在下圖9中顯示。 圖9—雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻射圖 只看一個面板的時候，鼠標左鍵雙擊界面。因為接下來的兩個圖是為左上的面板而制的。 如果立刻用鼠標右鍵點擊左上面板，可以選擇刻度數(shù)據(jù)選項來獲得鬼像光線的具體信息。 在選擇了縮放數(shù)據(jù)選項，菜單也顯示了以后， 選擇對數(shù)選項，點擊OK鍵查看圖10。 如用右鍵再次點擊左上的面板并且選擇透視圖，將會取消選項并且會有一個2D 的圖像出現(xiàn)在圖11。

通過使用這種方法可以發(fā)現(xiàn)在每個鬼像，直接入射，一次或多重散射光路中所占多大比例。 圖5—表中所示為在圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)的光線路徑。注意到有8條光路到達了探測器，表中第二欄到最后一欄所示。第二條光路是完美覆膜系統(tǒng)的光路， 光路0 是未鍍膜系統(tǒng)的一個光路。 注意到兩條光路中所代表的能量都有不同， 1 是0 光路，0.868 是第二光路。 第8 光路有71 條光線， 與表面有12個交叉點和2個反射。這條光路顯示在圖6下方。 這條清晰的光路是可以看到的， 它顯示在圖7中。 圖6—追跡未鍍膜雙膠合透鏡中的第八條路徑 圖7—在圖6中呈現(xiàn)的光線路徑信息 5、FRED 怎樣顯示彌散斑圖FRED以光線顏色來顯示彌散斑。在圖8中，我們可以很容易的發(fā)現(xiàn)，鬼像的光線集中在未鍍膜信號周圍并且以藍色表示，在右邊是鍍有膜的完善透鏡系統(tǒng)。 圖8—圖1中的雙膠合透鏡系統(tǒng)所成的彌散斑圖 6、FRED 怎樣呈現(xiàn)輻照度圖？FRED 以四色的面板呈現(xiàn)輻照度圖。左上方是一個等大的偽彩色圖，它顯示的是在選中分析面上單元功率。 右邊的刻度顯示的是這個圖中的功率等級。 右上和左下的面板是左上面板的橫截面。點擊左上方圖中的任一處，一個橫截面將會出現(xiàn)在水平以及垂直兩個方向，在這個位置的坐標和輻射將會顯示在這個左上方的面板的左下角。右下方的圖顯示在這個分析面上定義的各個像素的數(shù)量和光線。如果用戶點擊右下方的圖，就可以看到每個探測器像素的相對誤差。這是一個很好的方式讓你知道是否已經(jīng)追跡了足夠多的光線來為系統(tǒng)繪制有效的輻照度圖， 這點對于照明系統(tǒng)來說尤其重要。兩個雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻照圖在下圖9中顯示。 圖9—雙膠合透鏡系統(tǒng)的輻射圖 只看一個面板的時候，鼠標左鍵雙擊界面。因為接下來的兩個圖是為左上的面板而制的。如果立刻用鼠標右鍵點擊左上面板，可以選擇刻度數(shù)據(jù)選項來獲得鬼像光線的具體信息。 在選擇了縮放數(shù)據(jù)選項，菜單也顯示了以后， 選擇對數(shù)選項，點擊OK鍵查看圖10。 如用右鍵再次點擊左上的面板并且選擇透視圖，將會取消選項并且會有一個2D 的圖像出現(xiàn)在圖11。 10—雙膠合透鏡系統(tǒng)的對數(shù)縮放輻照度圖 圖11—對數(shù)縮放輻照圖的2D 畫面 7、FRED 怎樣定義散射表面？在“散射”文件夾中包括了默認和用戶自己輸入的散射模型，這些模型都可以應用于FRED的任何表面上。根據(jù)入射光角度以及局部曲面法線的方向， 每個模型計算出合適的三維雙向散射分布函數(shù)（BSDF）。 BSDF的另一種定義方式是雙向反射分布函數(shù)（BRDF）以及雙向透射分布函數(shù)（BTDF）。FRED自帶有三個默認的散射模型：: 黑朗伯（4%黑漫反射率），白朗伯（96% 白漫反射率）以及Harvey-Shack（拋光面）。另外，以參量描述的散射模型在FRED 中也是可用的：黑漆（熱成像系統(tǒng)）, ABg, 表面顆粒（Mie） 和 Phong.一個表面至少可以應用一種類型的散射模型。圖12顯示創(chuàng)建一個用戶自定義散射模型的對話框列表， 解釋了FRED最新的散射定義，是一個支持腳本的BSDF 函數(shù)，用戶可以通過方程來定義的一種散射模型。 允許或者停止反射和傳輸散射組分最近應用于表面的每個光線追蹤控制。每個散射表面必須有至少一個散射方向，通過運用菜單欄選項工具自動設置該方向，或采用散射重要性抽樣，或可以通過“Surface”對話框的“Scatter”欄手動定義。每個散射方向都可以應用于設置在表面的每個散射模型。圖13顯示的是為表面設置多重重點采樣的對話框。通過把目標定義在特定方向上，比如鏡像或?qū)χ�特定的實體，閉合曲線， 空間中的一點或者橢圓柱體來實現(xiàn)多重重點采樣。 圖12—散射對話框顯示有多種方法來定義散射 圖13—應用于一個特定表面上的重點采樣定義選項。如圖中所示，多重散射特性和多個重點采樣目標可以一起運用。注意到該圖中， 該面同時定義了MIE散射特性和Harvey Shack 拋光面散射，并且還定義兩個重點采樣目標， 一個指向表面，一個朝向焦平面。 8、FRED怎樣追跡散射光路？完成一次高級的光線追跡以后，只要選擇了保存光線歷史選項，F(xiàn)RED就會生成一份雜散光報告。這樣就有可能從工具菜單中得到一份詳細的雜散光光線報告，該報告將指出鬼像以及散射光路怎樣到達任何一個表面。 圖14所示的高級光線追跡對話框中，可以看到該對話框有設置/運用光線歷史檔案的選項并勾上了“確定光線路徑”的選項。 圖15顯示的是一個簡單的卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)的雜散光光線報告，該報告詳細說明了雜散光是怎樣以離軸5度的視場從光源射入的望遠鏡的 圖14—高級光線追跡對話框，該對話框有創(chuàng)建/運用光線歷史檔案的選項和“確定光線路徑”的選項。 圖15—雜散光光線報告數(shù)據(jù)表可以用來追蹤任一級別的散射光以及鬼像光路，并且該報表項可以在指定接收面后，輸出到達該面的光路數(shù)，光線數(shù)功率百分率和各個光路的總功率。 9、FRED如何通過多點光源迭代來輸出對應的角功率點源傳輸曲線？FRED 有一個內(nèi)置匯編BASIC腳本語言。幾乎所有的圖形界面命令都可以用Visual Basic 匯編語言來表述。 FRED 也有“自動客戶服務”功能， 該功能可以被調(diào)用或者調(diào)用其他“自動激活”程序，比如Excel。 基于此，我們就可以定義多個軸外光源，并且可以在FRED BASIC腳本語言中，利用“NEXT”循環(huán)，依次在環(huán)繞系統(tǒng)作水平和垂直兩個方向的掃描，從而得到點光源傳輸曲線。 圖17中顯示了圖15的卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)對數(shù)點源傳輸曲線。 注意到，圖17中顯示的PST圖形是由圖16中的BASIC腳本調(diào)用EXCEL來完成繪制的。 圖17— BASIC腳本輸出生成的Excel 圖表