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    • 什么是雜散光
    • 鬼像和眩光
    • 尋找雜散光不可或缺的光學(xué)軟件
    • 新思科技光學(xué)解決方案改善雜散光問(wèn)題必用
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雜散光分析,消除光學(xué)“噪音”,還原最真實(shí)的世界

2022/08/03
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你有沒(méi)有體驗(yàn)過(guò)吃飯十分鐘,拍照半小時(shí)?拍出一張美美的照片似乎已經(jīng)成為生活必備。

下圖是一張?jiān)S愿時(shí)拍下的生日蛋糕的照片,如此重要的時(shí)刻,怎么少得了拍幾張美美的照片發(fā)票圈,照片怎么能有瑕疵呢。但是很明顯,我們可以看到蛋糕上出現(xiàn)了三個(gè)類似燭光的亮點(diǎn),而且中間的火焰還存在散開(kāi)的光暈,在專業(yè)上,這叫鬼像。

這種出現(xiàn)不明原因的亮點(diǎn)和光線的照片,從拍照角度,不能忍。從專業(yè)的光學(xué)角度,更不能忍。為什么拍出來(lái)的照片會(huì)這樣?這些不明原因的光究竟是什么?怎么造成的?又該如何改善?

這一切都要從光學(xué)噪聲“雜散光”講起。

什么是雜散光

雜散光是一種有害的光,是光學(xué)系統(tǒng)中非預(yù)期的光線,也稱作光學(xué)“噪聲”。

雜散光會(huì)導(dǎo)致圖像中存在多余的光,從而降低成像的品質(zhì)。對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),雜散光會(huì)降低系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于成像系統(tǒng),可能會(huì)降低照片質(zhì)量。對(duì)于投影系統(tǒng),雜散光會(huì)在光束中產(chǎn)生不必要的亮斑。這些都會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的性能。

雜散光可能由透鏡表面間的多次反射、機(jī)構(gòu)反射、CIS(CMOS圖像傳感器)造成,也可能是由于紅外光學(xué)系統(tǒng)自身熱輻射所產(chǎn)生。這些雜散光都有可能對(duì)正常的成像造成影響。隨著光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)要求越來(lái)越高,雜散光會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的性能,降低成像對(duì)比度和畫(huà)面質(zhì)量,甚至影響信號(hào),因此對(duì)雜散光進(jìn)行分析和抑制的要求也逐步受到關(guān)注,也成為是光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢測(cè)的必要環(huán)節(jié)之一。雜散光的示例包括:

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)件表面的反射光

穿過(guò)封閉系統(tǒng)間隙的漏光

從系統(tǒng)光學(xué)表面的灰塵或其他缺陷處反射出來(lái)的散射光

對(duì)于地面天文學(xué)來(lái)說(shuō),由城市上空大氣的光反射引起的天空輝光是雜散光的主要來(lái)源

太陽(yáng)、地球和月球是軌道望遠(yuǎn)鏡常見(jiàn)的不需要的外部光源

鬼像和眩光

雜散光主要表現(xiàn)形式有兩種:鬼像和眩光

在成像系統(tǒng)中,光線經(jīng)過(guò)二次或多次不必要的反射,再次聚集到成像傳感器上,就會(huì)形成鬼像。對(duì)于數(shù)碼相機(jī)來(lái)說(shuō),最常見(jiàn)的鬼像形成原因是光線從鏡頭或傳感器表面反射回光學(xué)系統(tǒng),然后再?gòu)溺R頭表面反射回來(lái),形成二次圖像。主要成因還包括:

通常是由成像表面之間的意外反射引起的

光柵的二階或更高階次的衍射

明亮散射表面造成的二次成像

眩光,通常是由于光在鏡頭內(nèi)部反射和擴(kuò)散造成的。這種雜光也可能由大氣散射光引起,如霧霾或天空輝光。主要成因還包括:

光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)之外的光線入射到像面上

視場(chǎng)內(nèi)的明亮光源,溫度較高表面的熱輻射

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光線散射

 

尋找雜散光不可或缺的光學(xué)軟件

得益于現(xiàn)代科技的發(fā)展,光線追跡軟件已經(jīng)可以對(duì)鬼像進(jìn)行分析。光線追跡可以清晰地追蹤系統(tǒng)中光線的所有路徑,并且能夠?qū)γ總€(gè)可能的鬼像光路單獨(dú)檢查及評(píng)估潛在的影響。

鬼像示例: 對(duì)單個(gè)鬼像路徑進(jìn)行光線追跡。從視場(chǎng)中的物體發(fā)出的光通過(guò)透鏡并在右邊的探測(cè)器上成像。其中,一些光線被探測(cè)器反射回鏡頭。而其中一個(gè)透鏡表面又將光線反射到探測(cè)器的其他位置。這個(gè)鬼像反射的光幾乎都集中在探測(cè)器的同一個(gè)位置上,如果它所反射的光覆蓋更大的面積,那么這個(gè)鬼像會(huì)形成一個(gè)更亮的光斑。

眩光會(huì)通過(guò)許多意想不到的光路進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。利用基于蒙特卡羅算法的光學(xué)模擬軟件能找到這些光。蒙特卡羅方法將隨機(jī)產(chǎn)生許多光線,并通過(guò)模型分析能量如何分布。采用方差約減方法來(lái)提高發(fā)現(xiàn)這類小概率事件光路的效率,如大角度散射等。

非預(yù)期光線示例:來(lái)自視場(chǎng)中物體的光被透鏡支架散射,然后又被透鏡表面反射回到探測(cè)器。

新思科技光學(xué)解決方案改善雜散光問(wèn)題必用

雜散光的分析與抑制是成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而復(fù)雜的課題。新思科技光學(xué)軟件能對(duì)雜散光的問(wèn)題進(jìn)行建模和分析,起到抑制/消除雜散光并改善成像質(zhì)量的作用。在最新發(fā)布的2022.03版本中,CODE V和LightTools之間提升了互操作性的功能,可以使設(shè)計(jì)者易于模 擬包含成像和非成像元件的光學(xué)系統(tǒng),并節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。CODE V的模型能夠在LightTools中導(dǎo)入并隨時(shí)更新與修改,用于光學(xué)產(chǎn)品仿真。這一點(diǎn)使您在使用新思光學(xué)軟件的雜散光分析時(shí)變得更為得心應(yīng)手。

除了軟件分析,光散射測(cè)量的方法也是減少雜散光對(duì)設(shè)計(jì)性能的一種方式。新思科技REFLET/MiniDiff系列的表面散射儀器的BSDF測(cè)量數(shù)據(jù)提供了一種快速、準(zhǔn)確的方法來(lái)模擬光散射量,從而在制造之前評(píng)估材料對(duì)光學(xué)產(chǎn)品性能的影響。

您可以通過(guò)以下流程了解我們的雜散光分析過(guò)程:

總的來(lái)說(shuō),雜散光是無(wú)法完全消除,但能在一定程度上進(jìn)行抑制,只要不影響成像質(zhì)量或在可接受范圍內(nèi),雜散光是允許存在的。因此,選擇正確的雜散光分析軟件,能有效提升您的光學(xué)設(shè)計(jì)品質(zhì)與效率。

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