3、基本光学原理回顾：反射、折射、散射、衍射、菲涅尔损耗
做杂散光抑制，说白了就是跟光“过不去”。你得先摸清光的脾气，才能设计出结构把它挡在门外。这一章我们快速过一遍五个核心光学现象——反射、折射、散射、衍射、菲涅尔损耗。别嫌基础，我敢说，很多杂散光问题翻来覆去就是这几个原理没吃透。
3.1 反射——最直接的“捣乱分子”
反射是杂散光最常见的来源。光线打到镜面或结构表面，直接弹走，进入不该进的光路。我遇到过最典型的案例：一个红外镜头，镜筒内壁没做螺纹，结果侧壁反射光直接打到探测器上，整个图像像蒙了一层雾。
反射分两种：
- 镜面反射：入射角等于反射角，方向明确。常见于抛光金属面、镜片边缘。
- 漫反射：光向各个方向散射，表面粗糙度大时发生。比如黑漆表面、喷砂处理面。
关键指标：反射率 R。对于金属表面，R 通常在 0.9 以上；好的消光黑漆可以做到 0.05 以下。设计时，我习惯把镜筒内壁反射率控制在 0.1 以内。
3.2 折射——光路拐弯的地方容易出问题
折射本身不是杂散光，但折射面（透镜表面）是产生二次反射和菲涅尔损耗的重灾区。光从空气进入玻璃，速度变慢，方向改变。斯涅尔定律大家都熟：n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂。
实际项目中，折射带来的麻烦往往是这样的：
- 透镜前后表面之间的多次反射，形成“鬼像”
- 棱镜内部全反射路径偏离，光漏到不该去的位置
- 胶合透镜的胶层折射率不匹配，产生额外散射
我的习惯：做光路追迹时，把每个折射面的透过率和反射率都标出来。别只看主光路，次光路往往才是杂散光的源头。
3.3 散射——无处不在的“背景噪声”
散射是杂散光里最让人头疼的。它不像反射那样有明确方向，而是向四面八方乱窜。散射的来源包括：
- 表面粗糙度：加工刀痕、抛光残留、镀膜颗粒
- 体散射：玻璃内部的杂质、气泡、应力不均
- 污染：灰尘、油污、指纹——这个我吃过亏，一次装配没戴手套，指纹印在透镜边缘，杂散光直接翻了一倍
描述散射常用的模型是 BRDF（双向反射分布函数）。它告诉你：给定入射方向，某个出射方向上的散射亮度是多少。设计软件里，我一般用 ABg 模型来拟合实测数据。
| 散射类型 | 典型来源 | 抑制手段 |
|---|---|---|
| 表面散射 | 粗糙加工面、镀膜缺陷 | 抛光、超光滑加工、镀增透膜 |
| 体散射 | 玻璃杂质、气泡 | 选用高纯度材料、退火处理 |
| 污染散射 | 灰尘、油污、指纹 | 洁净装配、定期清洁、防尘设计 |
3.4 衍射——小结构带来的大麻烦
衍射是光遇到障碍物或小孔时发生的“绕弯”现象。在杂散光抑制里，衍射主要出现在：
- 光阑边缘：刀刃衍射，产生环形条纹
- 遮光罩叶片：叶片边缘的衍射光进入视场
- 微结构表面：比如 V 型槽、金字塔阵列的尖角处
我记得有一次设计一个高精度星敏感器，遮光罩的叶片间距算得死死的，结果测试时发现边缘有微弱亮环。追查下来，是叶片厚度太薄，衍射效应被放大了。后来把叶片厚度从 0.3mm 加到 0.8mm，问题解决。
避坑指南：我曾经以为遮光罩叶片越薄越好，能多塞几片。但衍射效应告诉我，薄叶片边缘的衍射光强不可忽略。现在我做设计，叶片厚度至少取工作波长的 100 倍以上。
3.5 菲涅尔损耗——每个界面都在“偷”光
光从一种介质进入另一种介质，即使没有吸收，也会有一部分被反射回去。这就是菲涅尔损耗。对于垂直入射，反射率 R = ((n₁ - n₂)/(n₁ + n₂))²。空气到玻璃（n=1.5），单面反射约 4%。一个镜头十几片透镜，两面加起来，总透过率可能只有 70% 左右。
这些被反射的光不会消失，它们会在系统里来回弹，最终形成杂散光。所以：
- 每个透镜表面都要镀增透膜，把反射率从 4% 降到 0.5% 以下
- 胶合面尽量用折射率匹配的胶水
- 棱镜的入射/出射面要特别注意，角度大时菲涅尔损耗会急剧增加
实战数据：一个 10 片透镜的系统，不镀膜时总透过率约 (0.96)^20 ≈ 44%，镀膜后 (0.995)^20 ≈ 90%。杂散光水平也相应降低一个数量级以上。
3.6 知识结构总览
下面这张图把这五个现象串起来了。你设计杂散光抑制结构时，脑子里要有这张图——每个现象对应什么抑制手段，心里得清楚。
3.7 小结
这五个现象，每一个都能单独搞砸你的杂散光抑制设计。反射和散射是最常见的，衍射往往在小结构上阴你一把，菲涅尔损耗则是每个界面都在“偷”光。做设计时，我习惯先列一张表，把系统里每个光学面、每个机械结构对应的现象标出来，再逐个想对策。别嫌麻烦，前期想得越细，后期返工越少。