LightTools杂散光分析实例

摘要：利用LightTools杂散光分析软件，建立一个空间光学系统光学机械结构模型。计算这个系统内部各机械表面辐射能量到达像面的辐射能量的大小，判断出关键表面；通过比较在四种不同的发射率情况下，像面接收到各个表面杂散辐射量的变化规律，得到有用的分析结果来对这个系统提出了初步 的措施抑制，并且可以指导其他类似系统的分析和设计。 

关键词：LightTools；光学系统；热辐射；杂散光抑制

引言  

空间光学系统的杂散光是指扩散于探测器表面 （成像表面）的来自非目标物体的辐射或光线。杂散 光的来源主要有以下几个方面：1）光学系统外部的 光线进入系统，比如太阳光、地表、云层的反射光线 进入系统，到达像面；2）光学系统内部具有一定温 度的构件的热辐射经过光学表面的反射、散射等进入光路，到达像面；3）光学系统成像光束通过非成像 光路到达像面。随着现代应用光学技术和微电子技术 的发展，在中高分辨率空间光学系统中，内部热辐射 已经成为影响系统成像质量的重要因素。杂光使像面 上的辐照度不均匀，像面上物体和背景的对比度和信 噪比降级，使探测距离下降。因此有必要采取适当的 研究手段研究像面接收内部热辐射的量级大小，保证 光学系统机械结构的合理性，以得到符合一定成像质

量的目标图像。 

文章采用的是LightTools分析软件进行空间光学 系统内部杂散辐射的分析。LightTools是基于蒙特卡 洛法的一种杂光追迹软件，它的杂散光计算的基本思 想是把杂散辐射能看作是由大量相互独立的能束光 线组成。光线的发射位置和方向，到达反射面的吸收或反射，进入半透明部件后的吸收、折射或透射，以及衍射等一系列传递过程均由相应的概率模型确定。 跟踪一束光线，直到它被吸收或逸出系统。然后再跟踪下一束光线；跟踪一定数量的光束后可得到较为稳 定的统计结果[1]。 

1.光学系统及机械模型 

折反射光学系统参数如下所示： 入瞳口径 D＝300 mm，焦距 f＝－500 mm，出瞳 距 EXPP＝－30 mm，后截距 BFL＝45 mm，使用波长 范围 8.5 µm～10.5 µm，入射角度为±1.1°。这是一个 二次成像的折反射系统，由 2 片反射镜和 4 片折射透 镜组成。入瞳在主反射镜上，出瞳在系统像前面，中间像面处加视场光阑，冷光阑位置与出瞳重合。反射 式两镜系统加一片透镜成像到中间像面处，然后经过 三片透镜组校正像差得到最终像面，在中间像面处加 视场光阑可以减小衍射杂散光到达像面的量级。 

1.光学系统结构图 

LightTools 中建立的光机结构图如下图 2 所示。 其中冷光阑后的光学机械部分都放在冷箱中，通过冷 却降温来减小热辐射的大小。

2.分析系统的光学机械结构简图 

2.分析原理和过程 

辐射出射度（简称辐出度）是指在单位时间内从 物体表面单位面积上发射出的各种波长的电磁波能 量的总和，表示为 M(T)。 由普朗克定律可知，在一定的温度与波长下，黑 体的辐出度与波长、温度的关系为[1]： 

 （1）

式中：c1、c2是常量，T是温度， λ是波长。 于是，某发射面在单位时间内，单位面积发射的 λ1－ λ2波段的辐射能为：

 (2)

式中： ε是指表面的发射率，发射率是指表面所辐射 的热量与黑体在同一温度下所辐射的热量之比。

在常温 T＝300K下，发射率ε设定为1，取波长范围8.5µm～10µm，通过分布计算累计求和的方法， 可以计算出各个辐射表面的辐射功率。计算的辐射功 率结果如下表1所示（表面编号如图 2 所示）。（其中 各个辐射表面的面积通过在LightTools中建立的机械 模型中的尺寸确定。）如公式 2所示，当发射率ε发生 变化时，则表中各个表面的辐射功率也要相应的乘以一个因子ε。

表1.光学系统内部各主要表面的辐射功率(T＝300K, ε＝1) 

在分析光学系统内部机械元件的热辐射的时候， 首先可以从像面向物面逆向追迹光线。一个关键物体 是从像面或者中间像面看到的任何的物体或者表面， 包括从反射镜和镜头中看到的表面。如果像面不能看 到一个物体或者表面，那么没有杂散光直接从这个物 体到达探测器。然后应该从物空间出发找出被其照射 的表面，称之为“被照射表面”。要尽量减小被照射 表面的面积，或者把照射表面从光路中移出。如果被 照射的表面同时也是关键表面，则存在一次杂散路 径，只要经过一次反射或者散射，杂散辐射就可以到 达像面。这些表面的杂散辐射是像面杂散辐射的主要 来源，应该尽量抑制这部分的辐射。如果从被照射的表面中的某个表面，可以看到某个关键表面，则存在 一个二级杂散路径。经过的反射或者散射次数越多， 即杂散路径越复杂，到达像面的杂散能量也越少[3,4]。

所以在这个折反射二次成像系统中，从像面向物 面追迹，可以看到主镜、次镜、折射镜头组都是关键 表面，主镜筒内表面1、支撑杆表面2、次镜筒端面5、 视场光阑前表面15、透镜筒左端面16发射的辐射能 通过光学系统的主镜或者次镜的反射和散射进入系 统，到达像面。次镜筒的内表面4、透镜组镜筒表面6这些表面发射辐射，通过透射镜头组到达像面。利用 LightTools的追迹过程图如图3所示。

图3.从像面逆向追迹光线图 

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