1 引言

雜光，是指光學系統(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經(jīng)由非正常光路而在光學系統(tǒng)中或像面上形成的本來不存在的像。產(chǎn)生雜光的原因很多，主要是光學系統(tǒng)各元件表面，邊緣面，光攔面，鏡筒和檢測面的反射與散射造成；對于大功率激光系統(tǒng)來說，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比度和調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個像面的層次減少，清晰度變壞，甚至形成雜光斑點，嚴重時使目標信號完全被雜散輻射噪聲所淹沒。對于大功率激光系統(tǒng)，由雜散光高度集中形成的鬼點，往往會對光學系統(tǒng)元件形成永久性的破壞，國內(nèi)外學者在這方面進行了大量細致的研究工作，并逐步形成了一套完整的關于激光損傷的理論體系。

關于激光的損傷機理，曾先后提出過電子雪崩，受激布里淵散射和吸收等模式。而紅外光學材料的物理性質(zhì)與溫度有著密切的關系，這就導致其材料的光吸收系數(shù)十分敏感于溫度，結合紅外光學系統(tǒng)材料的非均勻物理變化等特點，造成大功率紅外光學系統(tǒng)在這些模式下更容易受到損傷[2]；即使是非預想的弱激光干擾信號，也會造成探測器靈敏度降低，甚至使探測器無輸出信號[3]。因而，在大功率紅外系統(tǒng)的設計過程中，應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

通常計算一個鬼像系統(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為物面上的照度是均勻的，其特點是簡單，計算量小，但對于存在偏心，傾斜這樣的系統(tǒng)就無能為力了，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，通過實際追跡這些光線的成像情況，來模擬鬼像的形成，追跡的光線越多，結果越逼近實際，但計算量也越大。 基于上述方法的憂缺點，我們采用了一種混合式的計算方法，即先用近軸近似法作定性分析，找出能量最大的幾個鬼像，再用有限光線追跡法進行仔細的分析。

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)過一次反射，光線出射后與主光軸的焦點即為一階鬼像（如圖 1），依此類推，兩次反射為二階鬼點，三次反射為三階鬼點，等等。目前的研究，大多數(shù)是采用矩陣光學的方法，將透射面視為反射面，逐次計算光線在這些非正常光路下與光軸的交點，從而確定各階鬼像位置。這種方法，雖然精確，但當反射面增多時，不僅公式的推理相當困難，得出相應公式后，計算量也是無法忽視的問題。在我們編寫的軟件里，應用了光線追跡的方法，提出了將二叉樹作為中間數(shù)據(jù)存儲的新方式，實際應用中能有效的找出多階鬼像位置，為實際的系統(tǒng)設計提供有力的理論支持。

當一束光入射于某光學表面，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)過一個光學表面的光束將變?yōu)閮墒猓缓笤賹@兩束光分別進行光線追跡。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，可以采用二叉樹這種數(shù)據(jù)結構，它具有在內(nèi)存中隨機開辟空間，可按照雜散光傳播路徑動態(tài)建立、動態(tài)刪除的特點。

大功率紅外光學系統(tǒng)雜散光分析軟件的創(chuàng)新點和實例計算

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

在大功率紅外光學系統(tǒng)中，激光光線多次反射形成的高階鬼像其能量仍可能對系統(tǒng)器件造成威脅，因而對這樣的系統(tǒng)進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)光學設計軟件，都沒有關于這個問題的分析模塊。我們針對這種現(xiàn)狀，提出了應用二叉樹的數(shù)據(jù)存儲方式，大大節(jié)省了存貯空間，提高了運算速度，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)以千計的，如果沒有一個合理的統(tǒng)計功能，即使得出結果，也是無法應用于實際分析的。我們的軟件中，添加了強大的統(tǒng)計功能，可以按照能量密度大小，距離某一光學表面位置，發(fā)散角等多個參數(shù)對形成的鬼光束進行排序。可以非常直觀的先運用近軸分析的方法，找到對系統(tǒng)影響比較大的幾個鬼像點，再針對這些點進行細致的實際光線追跡運算，既對系統(tǒng)有個全面的把握，又能精確的分析某個光學表面附近的鬼像情況，為設計階段的結構調(diào)整提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

3.2 實例計算

基于以上數(shù)據(jù)結構與算法，作者編制了紅外激光光學系統(tǒng)雜散光分析軟件，以下用一個焦距為 114 mm 的紅外光學系統(tǒng)為例，對其鬼像進行一個全面的分析。

圖2.一個較復雜紅外光學系統(tǒng)：f’=114.704, D/f’=1/1.5

對于如圖 2 所示的紅外系統(tǒng)，面數(shù)較多，且為大功率光學系統(tǒng)，因而多次反射形成的鬼像對系統(tǒng)的影響仍可能很大。進行分析時，首先輸入系統(tǒng)的結構參數(shù)，并假設各透射光學表面透射率與反射率分別為 0.95 和 0.05；然后進行近軸分析，結果如圖 3 所示。

在這里，我們假設入射光強為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 個鬼像，其位置，發(fā)散角，能流密度等數(shù)值都可從相應的列顯示出來。例如，第一行，表示能量最大的一個鬼像點，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.對紅外系統(tǒng)鬼像的近軸分析結果

由上述近軸分析結果，我們可以得知，該紅外系統(tǒng)影響最大的幾個鬼像大小及位置；接著，我們可以對最大的幾個鬼像分別進行實際光線追跡，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的措施，如增加傾斜板等方法，使這些鬼像的位置遠離易損光學元件或大幅度減小其能量值，從而達到最終消除鬼像對系統(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 結論

將常用的商業(yè)光學設計軟件的近軸分析結果與本軟件的近軸分析結果作了比較，結果完全一致。并采用將系統(tǒng)展開的方式，即將反射面視為透射面的方法，來檢驗實際光線追跡得出的高階鬼像數(shù)據(jù)，其結果也是一致的。因而，運用我們編寫的紅外光學系統(tǒng)雜散光分析軟件來進行鬼像分析是可靠而且實用的，可以為實際的系統(tǒng)設計提供了強有力的數(shù)據(jù)支持。

審核編輯：劉清