1 引言

雜光，是指光學(xué)系統(tǒng)中除了正常光路以外的所有非成像光能。鬼像是雜光的一種，是指由于物方存在小面積高亮度的目標(biāo)經(jīng)由非正常光路而在光學(xué)系統(tǒng)中或像面上形成的本來(lái)不存在的像。產(chǎn)生雜光的原因很多，主要是光學(xué)系統(tǒng)各元件表面，邊緣面，光攔面，鏡筒和檢測(cè)面的反射與散射造成；對(duì)于大功率激光系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，透鏡表面的多重反射最為重要，它是產(chǎn)生鬼像的主要原因。

雜散光的危害性在于降低像面的對(duì)比度和調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個(gè)像面的層次減少，清晰度變壞，甚至形成雜光斑點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)使目標(biāo)信號(hào)完全被雜散輻射噪聲所淹沒(méi)。對(duì)于大功率激光系統(tǒng)，由雜散光高度集中形成的鬼點(diǎn)，往往會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)元件形成永久性的破壞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量細(xì)致的研究工作，并逐步形成了一套完整的關(guān)于激光損傷的理論體系。

關(guān)于激光的損傷機(jī)理，曾先后提出過(guò)電子雪崩，受激布里淵散射和吸收等模式。而紅外光學(xué)材料的物理性質(zhì)與溫度有著密切的關(guān)系，這就導(dǎo)致其材料的光吸收系數(shù)十分敏感于溫度，結(jié)合紅外光學(xué)系統(tǒng)材料的非均勻物理變化等特點(diǎn)，造成大功率紅外光學(xué)系統(tǒng)在這些模式下更容易受到損傷[2]；即使是非預(yù)想的弱激光干擾信號(hào)，也會(huì)造成探測(cè)器靈敏度降低，甚至使探測(cè)器無(wú)輸出信號(hào)[3]。因而，在大功率紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到各種雜散光的影響，盡量避免這些易損透鏡附近產(chǎn)生高能量密度的鬼像。

2 雜散光及鬼像分析模型

通常計(jì)算一個(gè)鬼像系統(tǒng)的雜光有近軸近似法[4]和有限光線追跡法[5]。近軸近似法使用近軸近似公式并認(rèn)為物面上的照度是均勻的，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，但對(duì)于存在偏心，傾斜這樣的系統(tǒng)就無(wú)能為力了，只適合用于定性分析。有限光線追跡法是將光束用有限根光線表示，通過(guò)實(shí)際追跡這些光線的成像情況，來(lái)模擬鬼像的形成，追跡的光線越多，結(jié)果越逼近實(shí)際，但計(jì)算量也越大。 基于上述方法的憂缺點(diǎn)，我們采用了一種混合式的計(jì)算方法，即先用近軸近似法作定性分析，找出能量最大的幾個(gè)鬼像，再用有限光線追跡法進(jìn)行仔細(xì)的分析。

圖1.透鏡的第二面反射，形成一階鬼像

鬼像階數(shù)的定義為：光線從透鏡左邊入射，經(jīng)過(guò)一次反射，光線出射后與主光軸的焦點(diǎn)即為一階鬼像（如圖 1），依此類推，兩次反射為二階鬼點(diǎn)，三次反射為三階鬼點(diǎn)，等等。目前的研究，大多數(shù)是采用矩陣光學(xué)的方法，將透射面視為反射面，逐次計(jì)算光線在這些非正常光路下與光軸的交點(diǎn)，從而確定各階鬼像位置。這種方法，雖然精確，但當(dāng)反射面增多時(shí)，不僅公式的推理相當(dāng)困難，得出相應(yīng)公式后，計(jì)算量也是無(wú)法忽視的問(wèn)題。在我們編寫的軟件里，應(yīng)用了光線追跡的方法，提出了將二叉樹(shù)作為中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新方式，實(shí)際應(yīng)用中能有效的找出多階鬼像位置，為實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的理論支持。

當(dāng)一束光入射于某光學(xué)表面，如果正常光路為透射，則不可避免的將產(chǎn)生殘余反射；這樣，經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)表面的光束將變?yōu)閮墒?，然后再?duì)這兩束光分別進(jìn)行光線追跡。因此，為全面描述系統(tǒng)中雜散光束的傳播情況，并捕捉鬼像點(diǎn)，可以采用二叉樹(shù)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它具有在內(nèi)存中隨機(jī)開(kāi)辟空間，可按照雜散光傳播路徑動(dòng)態(tài)建立、動(dòng)態(tài)刪除的特點(diǎn)。

大功率紅外光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析軟件的創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)例計(jì)算

3.1大功率紅外光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析軟件中的創(chuàng)新點(diǎn)

在大功率紅外光學(xué)系統(tǒng)中，激光光線多次反射形成的高階鬼像其能量仍可能對(duì)系統(tǒng)器件造成威脅，因而對(duì)這樣的系統(tǒng)進(jìn)行高階的鬼像分析是非常必要的。然而，現(xiàn)今流行的商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，都沒(méi)有關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的分析模塊。我們針對(duì)這種現(xiàn)狀，提出了應(yīng)用二叉樹(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，大大節(jié)省了存貯空間，提高了運(yùn)算速度，使鬼像的高階分析成為可能。

系統(tǒng)中產(chǎn)生的鬼像將是數(shù)以千計(jì)的，如果沒(méi)有一個(gè)合理的統(tǒng)計(jì)功能，即使得出結(jié)果，也是無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際分析的。我們的軟件中，添加了強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)功能，可以按照能量密度大小，距離某一光學(xué)表面位置，發(fā)散角等多個(gè)參數(shù)對(duì)形成的鬼光束進(jìn)行排序?？梢苑浅Ｖ庇^的先運(yùn)用近軸分析的方法，找到對(duì)系統(tǒng)影響比較大的幾個(gè)鬼像點(diǎn)，再針對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致的實(shí)際光線追跡運(yùn)算，既對(duì)系統(tǒng)有個(gè)全面的把握，又能精確的分析某個(gè)光學(xué)表面附近的鬼像情況，為設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)調(diào)整提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)例計(jì)算

基于以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，作者編制了紅外激光光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析軟件，以下用一個(gè)焦距為 114 mm 的紅外光學(xué)系統(tǒng)為例，對(duì)其鬼像進(jìn)行一個(gè)全面的分析。

圖2.一個(gè)較復(fù)雜紅外光學(xué)系統(tǒng)：f’=114.704, D/f’=1/1.5

對(duì)于如圖 2 所示的紅外系統(tǒng)，面數(shù)較多，且為大功率光學(xué)系統(tǒng)，因而多次反射形成的鬼像對(duì)系統(tǒng)的影響仍可能很大。進(jìn)行分析時(shí)，首先輸入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并假設(shè)各透射光學(xué)表面透射率與反射率分別為 0.95 和 0.05；然后進(jìn)行近軸分析，結(jié)果如圖 3 所示。

在這里，我們假設(shè)入射光強(qiáng)為2000，追跡終止的能流密度邊界值為 1E-5, 按產(chǎn)生的鬼像能量大小排序，列出了能量最大的前 10 個(gè)鬼像，其位置，發(fā)散角，能流密度等數(shù)值都可從相應(yīng)的列顯示出來(lái)。例如，第一行，表示能量最大的一個(gè)鬼像點(diǎn)，其值（Ghostillum）為 4.247108e+02，該鬼像位于第六面與第七面之間，距第七面距離（Distance）為 9.365138e+01，發(fā)散角(u)為：-2.654831e-01，等等。

圖3.對(duì)紅外系統(tǒng)鬼像的近軸分析結(jié)果

由上述近軸分析結(jié)果，我們可以得知，該紅外系統(tǒng)影響最大的幾個(gè)鬼像大小及位置；接著，我們可以對(duì)最大的幾個(gè)鬼像分別進(jìn)行實(shí)際光線追跡，列出這些面上的鬼像分布情況。如圖4，為第7面上產(chǎn)生的鬼像情況，顏色越深表示能量越大。然后就可以采取相應(yīng)的措施，如增加傾斜板等方法，使這些鬼像的位置遠(yuǎn)離易損光學(xué)元件或大幅度減小其能量值，從而達(dá)到最終消除鬼像對(duì)系統(tǒng)造成的破壞性影響。



圖4.考察的紅外系統(tǒng)第七面上鬼像分布情況

4 結(jié)論

將常用的商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的近軸分析結(jié)果與本軟件的近軸分析結(jié)果作了比較，結(jié)果完全一致。并采用將系統(tǒng)展開(kāi)的方式，即將反射面視為透射面的方法，來(lái)檢驗(yàn)實(shí)際光線追跡得出的高階鬼像數(shù)據(jù)，其結(jié)果也是一致的。因而，運(yùn)用我們編寫的紅外光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析軟件來(lái)進(jìn)行鬼像分析是可靠而且實(shí)用的，可以為實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

審核編輯：劉清