量化眩光效应 (Veiling Glare)

“眩光”是一个用于成像系统设计领域的术语。从技术上讲,眩光是照射在成像系统的传感器平面从而导致系统性能下降的杂散光。虽然准确地解释这一现象需要执行一个完整的非序列分析,但许多光学成像系统只需要对前向散射效应进行初步观察。本文展示了如何使用OpticStudio中内置的工具进行初步的眩光测量。此分析需要几分钟的时间来执行,并且可以在不进行完整的非序列分析的情况下得到有意义的结果。

作者 Mike Tocci

简介

光学系统中有许多潜在的杂散光源,而精准建模这些杂散光源是一个繁复的任务。

对于高灵敏度的光学系统,尽可能多地建模这些杂散光现象将有助于准确地分析系统的性能。杂散光可以通过OpticStudio进行分析,在另一篇知识库文章中进行了杂散光分析详细步骤的介绍,但是分析眩光则需要预先进行设置。

相反,普通光学成像系统只需要通过前向散射效应来分析眩光,如本文后半部分所示。

准备进行分析的镜头

我们要建立一个有保护平板的成像系统。保护平板的目的是保护敏感的镜头元件不受环境的影响。然而如下文所述,保护平板本身却是杂散光的重要来源。

我们将应用大角度散射效应模型(部分朗伯 (Lambertian) 散射模型),所以我们将需要先将镜头转换为非序列组件。这样做的原因是OpticStudio在纯序列模式下只允许小角度散射,如果我们没有将镜头转换为非序列组件,则会错过一些非常有趣的效果。

注:如果我们只对小角度散射模型感兴趣,我们可以跳过转换为非序列模式的步骤,然后点击表面属性中的 散射 (Scattering) 选项,简单地添加散射属性。

我们将从OpticStudio提供的镜头开始本次模拟。镜头文件的标题是 “Double Gauss 28 degree field.zmx”,它位于 {Zemax}\Samples\Sequential\Objectives 文件夹中。把镜头加载到OpticStudio中后,我们要做的第一件事就是调整一下镜头。下图为系统首次加载到OpticStudio时的布局图:

layout

分析(Analyze) ... MTF曲线 (MTF) ... 几何MTF (Geometric MTF) 中查看系统的几何传递函数。单击设置,并将最大频率设置为 50。设置完后的玻璃平板如下图所示:

geometric mtf

系统的传递函数如下图所示:

geometric mtf

注意,我们正在分析的是在焦平面上的光瞳近似圆形的成像系统。因此,与 FFT 衍射 MTF 相比,几何MTF给出了更加精准的结果,但更重要的是几何 MTF 使我们能够囊括所发生散射效应。更多细节请详见知识库文章理解传递函数的操作数

为了调整镜头,我们将首先增加系统的 F 数。进入系统选项,点击孔径的下拉菜单。将光圈值设置为 25,然后 Enter键。

接下来点击优化 (Optimize) ... 优化向导 (Optimization Wizard),点击 重置 (Reset),然后点击 确定 (OK)(默认序列优化函数- RMS波前/质心/高斯求积/ 3环6臂)。现在点击 优化! (Optimize!) ... 开始 (Start)。传递函数现在有了显著的提升。

geometric mtf

为了做一个简单的演示,我们将建模一个用于隔着飞机舷窗成像的透镜——飞机的外窗会随着时间的推移风化从而有喷砂处理类似的磨损,这将成为散射的重要来源。接下来我们要做的是在模型的前面添加一个玻璃平板。

进入镜头数据编辑器,点击表面 1(这是最外侧的镜头表面)。在该表面前插入两个新的表面,为这两个新表面设置以下参数值:

表面1

  • 表面:表面类型 = 标准面
  • 标注 = 平板外侧 (Window-outer)
  • 曲率 = 无限
  • 厚度 = 10 mm
  • 材料 = BK7

表面2

  • 表面:表面类型 = 标准面
  • 标注 = 平板内侧 (Window-inner)
  • 曲率 = 无限
  • 厚度 = 20 mm

接下来,我们想略微加大每个镜头,使它们略大于通过的光束。进入 系统选项 (System Explorer) … 孔径 (Aperture) 并设置 净口径余量毫米 (Clear Semi-Diameter Margin Millimeters) 为3mm。进入 布局图 (Layout window) … 设置 (Settings),并将 起始面 (First Surface) 设置为1。

设置完的布局图如下所示:

layout

将镜头转换为非序列模式

为了对这个镜头进行杂散光分析,我们需要将它转换为非序列组件。在OpticStudio中这个过程十分简洁快速,但首先我们要做的是了解OpticStudio要求系统光阑位于镜头数据编辑器中任何非序列组件之前。

注意:我们计划使玻璃平板的外表面成为散射表面,因此玻璃平板必须是非序列组件的一部分。而现在我们镜头的光阑实际上位于镜头的深处。

为了使光阑位于玻璃平板前,在玻璃平板之前添加光阑,使得它的位置和大小与镜头的入瞳位置一致。用镜头数据编辑器在空间中将光阑后退到玻璃平板的位置,然后系统的其余部分就会自动归位。

我们需要知道入瞳的位置和大小,所以进入评价函数编辑器并插入两个新的操作数:ENPP 和 EPDI。更新评价函数,您将看到自动计算的结果值。

merit function editor

在镜头数据编辑器中点击表面 1,点击插入键。为这个新表面设置以下值:

表面1

  • 表面:表面类型 = 标准面
  • 标注 = 光阑 (Aperture Stop)
  • 曲率 = 无限
  • 厚度 =  -86.063994 mm

现在打开表面 1 (Surface 1) ... 属性 (Properties) ...类型 (Type),勾选 使此表面为光阑 (Make Surface Stop)。需要注意的是,由于本系统的孔径类型是入瞳直径,所以我们不需要再设置这个表面的半直径,此时半直径已经自动设置为 12.5mm。

我们还差最后一步就能将镜头转换为一个非序列系统。在镜头数据编辑器中找到最后一个镜头表面(表面 14),并在其上添加注释“最后一个表面”。这是一个非必要步骤,但它可以在本系统转换到非序列后帮助我们找到最终面。

现在单击 文件 (File) ... 转换为NSC (Convert to NSC Group)。首先取消选中 把文件转换到NSC模式 (Convert file to Non-Sequential Mode)。接下来,设置 起始面 (First Surface) 为 “2 - 平板外侧”,设置 终止面 (Last Surface) 为 “14 - 最后一个表面”,然后点击确定。

系统的 MTF 与转换到 NSC 之前是相同的,可以用此检验 NSC 转换是否正确。

打开一个 3D 布局窗口,并将 起始面 (First Surface) 设置为 2,系统看起来与最初的序列模式布局图几乎相同。

3D layout

注意,唯一的区别是第一组镜片的边缘是斜切的。如果不需要斜切边缘,只需在转换之前在这些表面添加孔径,或在转换后手动编辑文件。

增加散射并进行分析

下一步是模拟经受了恶劣的环境影响的玻璃平板外表面。我们通过在玻璃平板的正面添加一个适当的散射模型来实现这一点。

打开物体 1 的 非序列元件编辑器 (Non-Sequential Component Editor) ... 物体属性(Object Properties)(该物体为BK7材质的玻璃平板)。点击 “膜层/散射 (Coat/Scatter)” 选项卡,将 面元 (Face) 设置为“1,第一面”。接下来改变 散射模型 (Scatter Model) 为“ABg”,然后 透射 (Transmit) 选择“LAMB-SPEC”。完成后,所有选项应该如下所示:

non seq component editor

系统现在将模拟一个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)理想透镜表面。

注意,我们在本文中选择了一个内置的 ABg 散射模型 (LAMB-SPEC),但是如果希望建模一个真实的系统,您需要仔细选择能够精确模拟您所期望散射效应的散射模型。

转到已经打开的 几何MTF (Geometric MTF) 窗口并点击 设置 (Settings)。增加采样到 512 × 512,勾选 散射光线 (Scatter Rays),点击确定。结果图显示了眩光对系统 MTF 曲线的影响:

geometric MTF

这里值得注意的结果是轴上视场受眩光影响最大。为了分析这个现象的原因,我们将查看如下所示的点列图。

打开点列图,点击 分析 (Analyze) ... 光线迹点 (Rays & Spots) ... 标准点列图 (Standard Spot Diagram),然后进行如下设置:

spot diagram

注意,我们暂时没有勾选散射光线。这里是当散射光线被忽略时产生的点列图:

spot diagram

这些光斑非常小,测量得到只有几十微米的宽度(注意图底部的 RMS 半径值,单位是微米)。每个点列图中心的黑色圆环显示了计算出的衍射艾里斑尺寸,直径为 5.5 微米。

现在点击 点列图 (Spot Diagram) ... 设置 (Settings) 勾选 散射光线 (Scatter Rays),然后点击确定。这是包括散射光线影响在内的点列图:

spot diagram

现在的光斑大小在几十毫米左右(RMS 尺寸将显示在图的底部),您可以进一步看到轴上视场(图左上角)大部分光线紧密地落在中心附近,而离轴视场的光斑不是那么集中。放大下面所示的两个位置,看看轴上和轴外视场点列图的光线密度差异。

spot diagram

下面是轴上视场点列图的放大图像:

spot diagram

这是离轴视场点列图的放大图像:

spot diagram

通常我们认为一个成像系统如果能将更多的光线聚焦到中心像斑上,其成像性能就越好,因此我们可认为轴上视场像斑的点列图会比离轴视场像斑的点列图更好。让我们进一步放大轴上视场的点列图,看看发生了什么。我已经将点列图的设置更改为如下:

spot diagram

接下来我放大到轴上视场光斑的中心:

spot diagram

点列图中心的小黑环代表了计算出的艾里斑尺寸,和考虑散射之前的点列图中看到的一样。我们可以看到现在的高光线密度区域的尺寸和形状还与原始点列图完全相同(我们在原始点列图内忽略了散射效应),但散射效应仍将一些光照射在这个小点上,从而使理想的纯黑背景(无光线到达)变为具有光线分布的背景。这反过来降低了系统的对比度,从而降低了MTF。

注意:在我们的模型中添加散射对中心点列图的形状或大小没有任何影响,散射效应只将一些光线从光斑中心位置移开。

因为离轴视场光束散射的光线离中心光斑更远,所以在中心点列图附近的背景强度比轴上视场光束弱。因此,我们可以期望离轴视场比轴上视场有更好的对比度和更高的MTF。这符合OpticStudio在包含散射时的MTF曲线所示。

请注意,还有两个其他的分析特性允许您“散射光线”:几何图像分析和几何圈入能量,这两个功能也可以检查散射的效果。

KA-01385

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