杂散光分析，消除光学“噪音”，还原最真实的世界

你有没有体验过吃饭十分钟，拍照半小时？拍出一张美美的照片似乎已经成为生活必备。

下图是一张许愿时拍下的生日蛋糕的照片，如此重要的时刻，怎么少得了拍几张美美的照片发票圈，照片怎么能有瑕疵呢。但是很明显，我们可以看到蛋糕上出现了三个类似烛光的亮点，而且中间的火焰还存在散开的光晕，在专业上，这叫鬼像。

这种出现不明原因的亮点和光线的照片，从拍照角度，不能忍。从专业的光学角度，更不能忍。为什么拍出来的照片会这样？这些不明原因的光究竟是什么？怎么造成的？又该如何改善？
这一切都要从光学噪声“杂散光”讲起。

什么是杂散光

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”。

杂散光会导致图像中存在多余的光，从而降低成像的品质。对于探测系统来说，杂散光会降低系统的灵敏度。对于成像系统，可能会降低照片质量。对于投影系统，杂散光会在光束中产生不必要的亮斑。这些都会影响光学系统的性能。

杂散光可能由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

鬼像和眩光

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：

• 通常是由成像表面之间的意外反射引起的
• 光栅的二阶或更高阶次的衍射
• 明亮散射表面造成的二次成像

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：

• 光学系统视场之外的光线入射到像面上
• 视场内的明亮光源，温度较高表面的热辐射
• 光学系统内部的光线散射

寻找杂散光不可或缺的光学软件

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。

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。

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。

新思科技光学解决方案改善杂散光问题必用

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之间提升了互操作性的功能，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的模型能够在LightTools中导入并随时更新与修改，用于光学产品仿真。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。新思科技REFLET/MiniDiff系列的表面散射仪器的BSDF测量数据提供了一种快速、准确的方法来模拟光散射量，从而在制造之前评估材料对光学产品性能的影响。

您可以通过以下流程了解我们的杂散光分析过程：

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。