3. 光源建模
杂散光（Stray Light）是光学系统设计中决定成像质量与探测性能上限的关键因素，尤其在红外探测、空间遥感、激光雷达、天文观测及高精度工业检测等场景中，杂散光抑制能力往往直接决定系统能否满足指标要求。在Zemax非序列模式下进行杂散光仿真，首先必须建立对杂散光物理本质、来源分类及量化评价体系的系统认知。本节将围绕杂散光的定义、四大来源分类（散射、反射、衍射、鬼像）以及核心评价指标（PST、NSR）展开深入讲解，为后续建立非序列模型、设置光源与探测器、执行光线追迹及结果分析奠定理论基础。
上图展示了杂散光定义、四大来源分类与评价指标之间的逻辑关系。在实际工程中，杂散光分析的核心任务就是识别这些非预期光路、量化其贡献，并通过结构优化与表面处理将其抑制到可接受水平。下面逐一展开。
3.1 杂散光定义与物理本质
核心原理：杂散光是指光学系统中，除设计成像光路（即标称视场、标称路径）之外，任何到达探测器像面并产生非预期响应的辐射能量。从能量传输角度看，杂散光本质上是“不该到达的光到达了探测器”。它可能来自系统外部（如太阳、地球辐射、邻近热源）或系统内部（如镜筒内壁反射、透镜表面残余反射、结构件散射）。在Zemax非序列模式下，杂散光分析的核心思路是：建立包含所有机械结构、光学表面、膜层属性的三维模型，通过大量光线追迹统计到达探测器的能量分布，从而定位杂散光路径。
判断方法：判断一个光学系统是否存在杂散光风险，通常从以下三个维度入手：
- 几何路径分析：检查是否存在从光源经一次或多次反射/散射后到达探测器的几何可行路径。例如，镜筒内壁的镜面反射可能将视场外的强光源直接导向探测器。
- 能量量级评估：即使几何路径存在，若能量衰减超过6个数量级（即贡献小于信号的10⁻⁶），通常可忽略。但红外系统或弱信号探测场景需更严格。
- 时间/相位特性：对于相干光源（如激光），还需考虑衍射和干涉效应，杂散光可能与信号光发生相干叠加，产生散斑或干涉条纹。
3.2 杂散光来源分类详解
杂散光的来源可归纳为四大类：散射、反射、衍射和鬼像。理解每类来源的物理机制，是选择Zemax中相应仿真模型（如BSDF、镀膜、衍射光栅）的前提。
| 来源类型 | 物理机制 | 典型场景 | Zemax非序列建模要点 |
|---|---|---|---|
| 散射 | 表面微观粗糙度、颗粒污染、膜层体积散射引起的光线方向随机化 | 镜筒内壁发黑处理不彻底、透镜表面尘埃、反射镜表面粗糙度超标 | 使用BSDF（双向散射分布函数）模型，如Harvey、ABg、朗伯散射；设置表面粗糙度参数 |
| 反射 | 镜面或部分镜面表面产生的非设计路径反射，包括多次反射 | 透镜表面残余反射、机械结构高光面、探测器窗口片内反射 | 定义膜层（如增透膜、高反膜）的反射率/透射率；使用“镜面”或“部分反射”表面属性 |
| 衍射 | 光在孔径边缘、光阑、刀口或周期性结构处发生波前弯曲 | 冷光阑边缘衍射、遮光罩叶片边缘、光栅杂散级次 | 使用物理光学传播（POP）或衍射光栅模型；在非序列中可用“衍射光栅”表面或“边缘衍射”近似 |
| 鬼像 | 透镜或平面表面间多次反射后重新聚焦形成的虚假像 | 长焦镜头中透镜间反射形成的“鬼影”、红外光学系统中的冷反射 | 非序列追迹自动包含多次反射；需设置膜层反射率，并检查焦平面附近的能量汇聚 |
操作流程：在Zemax非序列模式下，针对不同来源的杂散光，建议按以下流程进行建模与排查：
- 散射分析：对关键表面（如镜筒内壁、遮光罩）应用ABg或Harvey BSDF模型，设置合理的总散射（TIS）值。使用“散射光线数”参数控制追迹精度，通常每个表面散射光线数设为10⁵~10⁶。
- 反射分析：检查所有光学表面的膜层属性，确保反射率/透射率与实际镀膜一致。对于机械结构，可先设为理想吸收体（反射率=0）进行基线分析，再逐步增加反射率观察影响。
- 衍射分析：若系统包含孔径光阑或冷光阑，需在非序列中启用“衍射”选项，或使用物理光学传播（POP）进行验证。注意衍射效应在长波红外（如10μm）下更显著。
- 鬼像分析：在非序列中，鬼像会自动被追迹。可通过“路径分析”工具（Path Analysis）筛选出经过特定表面两次以上的光线路径，定位鬼像来源。
3.3 评价指标：PST与NSR
核心原理：杂散光评价指标用于量化系统对非预期光的抑制能力。最常用的两个指标是PST（Point Source Transmittance，点源透过率）和NSR（Noise-to-Signal Ratio，噪声信号比）。
PST定义：PST(θ) = E_d(θ) / E_i(θ)，其中E_d(θ)是离轴角为θ的点源在探测器上产生的辐照度，E_i(θ)是该点源垂直入射到系统入瞳处的辐照度。PST是一个无量纲的衰减系数，反映了系统对离轴光源的抑制能力。PST值越小，说明系统对离轴杂散光的抑制越好。通常，PST曲线随离轴角增大而快速下降，但在某些角度可能出现“杂散光平台”或“峰值”，对应特定的反射或散射路径。
NSR定义：NSR = 杂散光在探测器上的辐照度 / 目标信号在探测器上的辐照度。NSR直接反映了杂散光对信噪比（SNR）的恶化程度。例如，NSR=0.1意味着杂散光贡献了约9%的噪声功率，SNR下降约0.4dB。在系统设计中，通常要求NSR小于某一阈值（如0.01或0.05），具体取决于探测器的动态范围和信号处理能力。
判断方法与操作流程：
- PST仿真流程：在Zemax非序列中，设置一个远场点光源（如“Source Ray”或“Source Ellipse”），将其置于不同离轴角θ（如0°, 5°, 10°, 20°, 30°...），分别追迹光线并记录探测器上的总功率。然后计算PST(θ) = P_detector(θ) / P_source(θ)。注意，P_source(θ)应使用同一光源在无系统遮挡时直接入射到探测器上的功率进行归一化。
- NSR仿真流程：首先建立包含目标信号光源（在视场内）和杂散光源（在视场外）的完整模型。分别追迹信号光和杂散光，记录探测器上的功率P_signal和P_stray，计算NSR = P_stray / P_signal。若杂散光来自扩展源（如地球辐射），需使用扩展光源模型并积分。
某红外扫描相机工作波段8-12μm，视场角±2°，需评估太阳在30°离轴角入射时的杂散光水平。初始设计采用两级遮光罩，内壁涂黑漆（吸收率0.9）。在Zemax非序列中建模：
- 光源：设置一个平行光光源（Source Plane），直径100mm，功率1W，离轴角30°。
- 探测器：在焦平面放置矩形探测器，尺寸与像元一致。
- 追迹：追迹10⁷条光线，散射光线数设为10⁵。
结果：探测器接收功率为2.3×10⁻⁸W，计算PST(30°) = 2.3×10⁻⁸ / 1 = 2.3×10⁻⁸。系统指标要求PST(30°) < 1×10⁻⁷，满足要求。但进一步分析发现，在18°离轴角处PST出现峰值1.2×10⁻⁶，原因是遮光罩第二级边缘的衍射效应。通过增加边缘刃口厚度（从0.5mm增至2mm），峰值降至3×10⁻⁸。复盘经验：PST曲线不能只看单一角度，需扫描0-90°全范围，并关注局部峰值。
常见误区与总结复盘：
- 误区一：只关注PST而忽略NSR。PST描述的是系统对点源的抑制能力，但实际杂散光可能来自扩展源（如云层、地面）。NSR更贴近实际工作场景，应作为最终验收指标。
- 误区二：散射模型参数随意设置。BSDF参数（如ABg的A、B、g值）对结果影响巨大。建议参考《SPIE手册》或实测数据，并进行参数敏感性分析。
- 误区三：忽略机械结构的反射属性。在非序列建模中，默认机械件为理想吸收体，但实际铝合金表面反射率可达0.3-0.5。必须为关键机械件赋予真实反射率。
- 误区四：光线数量不足导致统计噪声。杂散光能量通常极弱（10⁻⁶~10⁻¹⁰量级），若光线总数不足，探测器上的能量统计波动大，无法获得稳定PST值。建议使用“重要性采样”或“分裂光线”功能提高效率。