ASAP在杂散光中的应用
光学合成孔径成像系统的杂散光分析与抑制
ＤＯＩ：１０．１６１８５／ｊ．ｊｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．２０２１．０４．００８ｈｔｔｐ：／／ｘｂ．ｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ光学合成孔径成像系统的杂散光分析与抑制陈 靖，田爱玲（西安工业大学光电工程学院，西安７１００２１）摘 要： 为了提高光学合成孔径成像系统的成像质量，减小杂散光对成像系统的影响，文中结合杂散光辐照度计算结果和相机参数对光学合成孔径系统进行了杂散光分析。
在杂散光分析软件ＴｒａｃｅＰｒｏ中建立了系统的光机模型，对系统进行杂散光追迹，分析了杂散辐射主要来源。
仿真分析结果表明：设计的遮光罩，采用设置光阑、消杂光螺纹和发黑、涂消光漆等杂散光抑制措施，在光学系统太阳光与光学系统光轴夹角大于１°时，点源透过率均≤１０－４，达到了杂散光抑制的要求，验证了文中杂散光抑制方法的有效性。
关键词： 光学合成孔径；杂散光分析；光线追迹；点源透过率中图号： Ｏ４３９ 文献标志码： Ａ文章编号： １６７３ ９９６５（２０２１）０４ ０４３２ ０６犃狀犪犾狔狊犻狊犪狀犱犛狌狆狆狉犲狊狊犻狅狀狅犳犛狋狉犪狔犔犻犵犺狋犻狀犪狀犗狆狋犻犮犪犾犛狔狀狋犺犲狋犻犮犃狆犲狉狋狌狉犲犐犿犪犵犻狀犵犛狔狊狋犲犿犆犎犈犖犑犻狀犵，犜犐犃犖犃犻犾犻狀犵（ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋： Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆａｎｏｐｔｉｃａｌｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｐｅｒｔｕｒｅｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｔｒａｙｌｉｇｈｔｏｎｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｒａｙｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｐｅｒｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｍａｄｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔｒａｙｌｉｇｈｔｉｒｒａｄｉａｎｃｅａｎｄｔｈｅｃａｍｅｒａｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＡｎｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎＴｒａｃｅＰｒｏ，ａｓｔｒａｙｌｉｇｈｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｏｔｒａｃｅｓｔｒａｙｌｉｇｈｔａｎｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍａｉｎｓｏｕｒｃｅｓｏｆｓｔｒａｙｒａｄｉａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ，ａｓｈｉｅｌｄｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｏｔｈｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｓｕｃｈａｓｓｅｔｔｉｎｇａｐｅｒｔｕｒｅｓａｎｄｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｓｔｒａｙｌｉｇｈｔｓｃｒｅｗｓ，ｂｌａｃｋｅｎｉｎｇ，ａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｐａｉｎｔ，ｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓｓｔｒａｙｌｉｇｈｔ．Ｗｈｅｎｔｈｅａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｎｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｃａｌａｘｉｓｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１°，ｔｈｅｐｏｉｎｔｓｏｕｒｃｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎｏｒｅｑｕａｌｔｏ１０－４，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｓｔｒａｙ?ｌｉｇｈｔｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊： ｏｐｔｉｃａｌｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｐｅｒｔｕｒｅｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｔｒａｙｌｉｇｈｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｒａｙｔｒａｃｅ；ｐｏｉｎｔｓｏｕｒｃｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ（ＰＳＴ）第４１卷第４期２０２１年８月 西 安 工 业 大 学 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０２１ 收稿日期：２０２１ ０６ ２８基金资助：陆军装备预研项目（３０１１０２２２××××）；西安市智能探视感知重点实验室项目（２０１８０５０６１ＺＤ１２ＣＧ４５）。
ASAP 高级光学系统分析软件简介
欧美光学行业标准软件ASAP（Advanced Systems Analysis Program）软件是美国 Breault Research Organization(BRO) 公司研发的一款在 3D空间通过非序列光线追迹来模拟光学系统表现度的软件。
多年以来，广泛应用在照明设计，杂散光分析，背光板设计，偏振光分析等领域。
其中尤以出众精准的照明和杂散光分析能力而闻名，这是 LED照明设计和高精度系统中必不可少的功能。
BRO 公司位于美国亚利桑那州图森市（Tuscon），在 1979 年由 Dr. Robert P. Breault 创建。
BRO 公司有三大业务：ASAP 软件销售和技术支持、ASAP 教育培训和承接工程项目。
ASAP 软件以其强大的功能，为美国政府和全球光学行业做出了巨大的服务。
BRO 公司承接众多美国军方对战机、军舰、战车的 LED 照明设计和改造项目。
ASAP功能之强，可见一斑。
ASAP主要特点功能强大、运算速度快鬼影起源：追迹杂散光的进化史，高端镜头系统分析必经之路，各种照明系统高精度分析必备之器！ASAP 成功修复哈勃望远镜，杂散光分析非ASAP莫属！背光源：汽车仪表、手机光源、室内照明、显示屏幕无所不能！让您的客户不再抱怨眼睛疲劳，让每一个细节都一览无遗！选择ASAP，您的光源专家！LED照明：ASAP 提供精准的 LED 光源，结合为 Lens 添加菲涅耳运算、散射模型，保证模拟结果的准确度。
ASAP 在 LED 设计过程中为工程师提供的强大自由度，保记您的每一个想法都不再是纸上谈兵！生物医学：精确模拟光与组织结构交互结果。
特有 RSM 模型一真实皮肤模型，采用 Henyey-Greenstein 近似值，Mante CarLo 光线追迹助您分析器官病变!每一款车灯，每一份设计，每一条光线，尽在您的掌握！SAE ECE和 FMVSS 标准测试，助您顺利通过法规！采用 ASAP 缩短研发时间，节约开模费用！您的财富您驾驭！严谨精确、可靠精准的模拟结果ASAP模拟结果实验室实际结果ASAP 的灯源模型在几何形状和发光度上非常精准，并包括了完整的光谱数据，同时包含了从灯源所得的实际光学和机械的几何模型。
ASAP简介
ASAP 定义ASAP®(Advanced System Analysis Program)在光学设计软件界，是一个已经经过时间证实且成为工业界标准的光学设计软件。
ASAP提供给光学系统工程设计师无与匹敌的设计能力、广泛的应用性、快速的光追踪速度和准确度。
ASAP 精确地仿真在汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器设计上的真实世界实际表现预测。
设计能力ASAP经过了超过20年的持续发展，和其它光学设计软件相比，是一个可以仿真更多光学系统上更广泛的真实物理现象。
ASAP 是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D 光学及机械系统的模型建立软件。
ASAP 内建的绘图工具功能让所有的几何模型、光线追迹的细节和模拟结果的分析都充分可视化。
ASAP 几乎可以处理所有的光学仿真分析，包括了散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模拟分析。
广泛的应用性ASAP 现在可和很多的CAD 软件兼容操作应用。
现在有以API 为基础的插入接口可与SolidWorks® 兼容、有以 CAA V5 的插入接口可与CATIA® 兼容、有一个ASAP 特定的IGES轮廓接口和Rhinoceros® 兼容，也有能够输入其它CAD 软件的 IGES 的档案能力，这些功能对于准确和百分之百完整的几何模型转换进入ASAP系统，提供了大量的选择性。
ASAP 还可以从来自 Lumerical公司的有限差分时域语言FDTD Solutions™，输入 (和输出) 光量场分布。
由ASAP 和有限差分时域语言FDTD Solutions 结合一起，还可以用一种智能型的方式来处理宏光学系统和微量结构光学。
没有其它的软件组合可以跨越此一大光学上的鸿沟。
运算速度运算速度最佳化的ASAP 非续列光线追迹引擎是现有最快速的运算引擎，而且没有像其它的软件为了加快运算速度而用准确度折衷性的对象表面的近似值来作光线追迹运算。
星敏感器杂散光分析与抑制
摘要摘要在航空航天领域，用于确定飞行器姿态的星敏感器得到广泛的应用。
由于复杂的太空光环境导致进入星敏感器的杂散光较为复杂，杂散光的抑制水平决定了星敏感器的定姿精度。
杂散光对于暗弱目标的探测影响很大，到达探测器表面的杂散光会降低像面对比度，增加背景噪声，严重时使探测目标信号被湮没。
基于以上背景，在查阅大量文献的基础上，本文分析了复杂太空光环境的来源和路径，确定了杂散光分析的步骤，介绍了影响杂散光路径的散射模型并提出了杂散光抑制水平的评价函数。
在阅读大量文献后，开展了以下几个方面的研究工作：1）运用不同类型的遮光罩和挡光环设计原理，确定不同位置挡光环的分布。
利用MATLAB软件将遮光罩和挡光环设计程序化，根据设计要求快速得到相关参数并导入ASAP软件中建模。
利用消光比和点源透射率两种评价方式，对系统中三种不同类型的遮光罩进行分析，绘出消光比和点源透射率关于光线离轴角的变化曲线，为遮光罩的设计提供理论分析依据。
利用遮光罩程序设计一种新型遮光罩，设计参数与系统内的遮光罩参数相同，对比两种遮光罩的消光比和点源透射率，得出新型遮光罩优于原遮光罩的结论。
2）采用蒙特卡罗法和重点区域采样法仿真分析。
利用散射特性测量仪器对结构的散射特性进行实测并建立多项式散射模型，散射模型建立的准确与否严重影响杂散光仿真分析的准确性。
讨论了透镜散射模型的建立和结构件散射模型方程的选择。
利用ASAP软件对工作波段为可见光的简单星敏感器系统和复杂星敏感器系统进行杂散光分析，在验证建模准确、散射模型准确、重点区域选择准确等前提下仿真得到不同光线离轴角下点源透射率的数值，与设计要求进行对比。
3）利用基于双柱罐的点源透射率测试方法，这是一种国外测量点源透射率较为普遍的测试方法。
介绍了点源透射率测试的设备、方法和测试步骤。
对可见光简单星敏感器光学系统的点源透射率实测，得出点源透射率的实测数据并绘制曲线与仿真分析数值对比，分析误差。
通过对比后，利用验证分析的评价指标，仿真值与分析值相互验证，实测表明仿真分析的正确性。
物理实验技术中的杂散光抑制技巧
物理实验技术中的杂散光抑制技巧在物理实验中，杂散光是一个常见的干扰源，它会对实验结果的准确性产生不利影响。
为了保证实验结果的可靠性，科学家们发展了许多抑制杂散光的技巧。
本文将介绍一些常用的物理实验技术中的杂散光抑制技巧。
首先，我们先来了解一下杂散光的来源。
杂散光主要包括背景光、散射光和漏光。
背景光是由于实验环境的不完全屏蔽而引入的光线，它可能来自室外自然光、室内灯光等。
散射光是由于光在实验装置内的各种界面上发生反射、折射和散射而产生的干扰光，例如光束经过透镜、反射镜等光学元件时产生的散射。
漏光是指本不应出现在特定区域的光线，但由于装置本身不完美或者实验操作不当而产生的干扰光。
接下来，我们将介绍一些常用的抑制杂散光的技巧。
第一，使用光学滤波器。
光学滤波器是一种将特定波长或一定范围内的光线滤除的装置。
通过在光路中加入适当的滤光片，可以选择性地去除掉背景光中的特定波长成分。
例如，在荧光实验中，可以使用荧光滤波器屏蔽掉背景光，使得只有来自荧光物质本身的光被探测器接收到。
第二，优化实验装置。
一个好的实验装置应该具备良好的光学特性，同时合理设计光路，避免无谓的光路折射和散射。
例如，在干涉实验中，为了减小散射光的影响，可以采用非反射涂层的光学元件，减少光线在界面上的反射。
另外，合理的光路设计可以避免漏光现象的发生，例如在显微镜实验中，应尽量将光线集中到观察目标上，减少漏光到背景的可能性。
第三，使用干扰光检测器。
干扰光检测器是专门用来检测和分析杂散光的仪器。
它通过接收和记录杂散光的特性，如强度、波长等，以便分析和抑制杂散光的来源。
通过使用干扰光检测器，科学家们可以更好地了解杂散光的特性，并采取相应的抑制措施。
第四，进行信号处理。
对于某些实验中无法完全消除的杂散光，可以采用信号处理技术来抑制其干扰。
例如，在光学成像实验中，可以利用数字图像处理技术，通过滤波、背景减除等方法来消除背景噪声和散射光的影响，提高图像的质量和对比度。
FRED 在杂散光分析中的应用
FRED在雜散光分析中的應用雜散光問題出現在幾乎所有的光機系統或者照明系統中。
通過遮擋或者移除零件、表面塗漆以及在光學器件進行鍍膜都可以減少或者消除雜散光。
在本文中，我們會對雜散光做出定義並且說明怎樣利用FRED 來分析和減少雜散光問題。
1、什麼是雜散光？簡單來說，雜散光就是不需要的噪音(光)，它是由光機結構、視場外光源或者不完善的光學零件產生的，或者由光學或者照明系統自身的熱輻射引起的。
FRED 善於發現這些不需要的噪音，它將運用它的虛擬樣機研究分析能力來幫助我們消除它。
在成像系統中，雜散光的成因有很多，具體如下：鬼像它之所以叫鬼像正是因為像面離焦或者是由明亮的光源成鬼影一樣的像。
鬼像是由透鏡表面的反射引起的。
光必須從透鏡表面反射偶數次才會形成鬼像。
有兩次反射鬼像，四次反射鬼像等等。
僅一個鏡面（比如卡塞格林望遠鏡）構成的光學系統是不會形成鬼像的。
如果陽光在拍攝視場內或附近時，鬼像就會出現在影像中。
汽車的頭燈或者街燈也會在夜間攝影時造成雜散光。
如果光亮源很小，各個鬼像會形成光學系統的孔徑光闌的形態。
在下圖1中呈現的就是一個很好的鬼像例子，其中一個雙膠合透鏡有著完美鍍膜的透鏡而另外一個光學系統的透鏡則沒有鍍任何膜。
追跡由一點發出的21*21的柵格光線以覆蓋系統的第一片透鏡。
直接入射在諸如卡塞格林式系統中，當中心遮攔太大並且／或者望遠鏡鏡筒太短的時候，直接入射就會發生。
視場以外的光線能夠進入望遠鏡，直接越過次鏡，穿越主鏡的開孔，從而以雜散光的形式直接打到焦平面上。
如下圖2所示的那種望遠鏡系統，假如陽光可以直接進入的話，那這種雜散光危害是非常大的，對系統來說簡直就是一場災難。
圖1—兩個雙膠合透鏡，上面的雙膠合透鏡，在它的各個透鏡上都鍍有理想的增透膜。
下面的雙膠合透鏡由於其透鏡沒有鍍膜，各個光學表面有菲涅爾損耗從而產生鬼像。
我們已經改變了在各個表面的光線追跡控制，因此從這個表面反射的由於菲涅爾損耗而出現的光線變成了藍色。
ASAP杂散分析说明
格点光源在Z=-23.226平面上的位置
格点光源在空间内的矢量图
追迹光束
在这里我们主要探究的是ASAP在杂散光分析方面上的功能，因此，在光 线追迹之前，需要对系统的低通量阈值，以及光线的分裂代数提前进行 设定。
对于既有透射又有反射的光学系统ASAP不可能 对光线一直进行追迹，因此，我们需要对低光 通量进行设置。Halt命令控制相对光通量的最低 限值（系统内定为1X10^-6）。Split设置光线所 允许的分裂代数。 为了能够更加清楚的观察ASAP光线的追迹，我们这里设置光源为1X3 共3条。分裂代数为2。
图中第一行是几何物件的定义（位置，孔径，曲率，离轴，倾斜）。第 二行定义集合物件的光学性质，这里定义它的分界面为1%的反射99%透 射，分界面两侧介质为Air和PK2。 建立的几何模型如右图所示：
产生光源
光源的产生大致分三步： 1.光线的起始位置 2.光线的起始方向 3.光线的光通量
Grid定义光源为半径为2.5的圆形格子光源。 Source定义光线的方向为平行于X轴的平行光。 Flux定义了光线的光通量。
模型的建立
首先进入ASAP Builder界面。 如右图所示。
然后开始建模 1.定义系统设定值，如单位，波长等
2.定义光学材料及镀层。折射率，反射透射系数等。
PK2,SF2为两种玻璃材料， Pabsorb为完全吸收，所以设定 反射率投射率均为0, Ptransmit 为完全投射，Ttransmit为1%的 反射以及99%的投射，Tblack 为1%的反射99%的吸收。 3 为每一个物件定义几何形状 4 给定每个物件的光学性质
镜筒反射杂光分析
光线追迹操作界面
光 线 追 迹 二 维 图 示ห้องสมุดไป่ตู้
ASAP简介
ASAP简介一、光学系统分析软件ASAPASAP™全称为Advanced System Analysis Program，即高级系统分析程序。
ASAP是由美国Breault Research Organization. Inc (BRO)公司开发的高级光学系统分析模拟软件。
经过近三十年的发展，ASAP光学软件在照明系统、汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统及医学仪器设计等诸多领域都得到了行业的认可和信赖。
ASAP ™在光学设计软件界，是一个已经经过时间证实且成为工业界标准的光学设计软件。
ASAP提供给光学系统工程设计师无与匹敌的设计能力、广泛的应用性、快速的光追踪速度和准确度。
ASAP精确地预测在汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器设计中的全真表现。
ASAP是现有最精巧熟练的光学应用软件程序，有必须的功能可以解决最难办的光学设计和分析问题。
可模型化每一个从简单的反光镜、镜片到复杂的成像和聚光的仪器系统，并考虑了相干光学效应。
可利用灯源影像、点光源、平行光源和扇形光创造高准确的的光源模型，或是模型化完整的光源几何模型和其结合的光学特性来仿真白热灯炮、(LEDs) 、冷阴极荧光灯(CCFLs)，和高强度的放电弧形灯炮。
在ASAP 的核心是非续列光线追迹引擎，此非续列光线追迹引擎以它的效率和准确度闻名整个光学软件界。
它可以将光线以任何次序或是次数投射在表面，而且光分裂会自动发生。
ASAP的每一个功能可以在一般桌上型记算机上快速的最佳化运用。
你可以在几分锺内透过简单的系统追踪数百万的光线。
可以向前、向后、连续地或是阶段性地追踪光线。
ASAP 基本上是一种具有弹性及效率之光学系统模型化的工具，它可以利用蒙地卡罗光线追迹的技术做光-机结构间的仿真，它可以不必假设系统之对称性，做单轴、全域、三维坐标的模拟。
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Telescope System
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ASAP Scatter Modeling
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Telescope System
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ASAP在杂散光分析中的应用 高级光学分析软件ASAP 光学工业标准软件
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ASAP in Straylight Applications
• • Determine how, and how much, unwanted light gets to a detector 200+ projects including: Infra-Red Astronomy Satellite (IRAS), SIRTF, ISO, MERIS, Galileo, Cassini, ESA's X-Ray Mirror Module Telescope (XMM)
Add Fresnel reflections to the lens, SPLIT=2, and add a scattering function on the exit surface.
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Path Interrogator in ASAP
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ASAP Ray Trace Image with Ghost and Scatter light
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武汉墨光科技有限公司ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Zemax Lens System
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slide 17
Example – Target Illumination System
• Wouldn’t it be nice if we could isolate rays according to their unique history? • This feature will allow you access to the most comprehensive set of path analysis tools in the world
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The History of Path 6
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Second-Order Scatter in Micro-Lithography Optics
Scatter from edges of retainer rings
Multi-functional off-axis Telescope BRO took design from concept to hardware in 8 months Performed system engineering and prototype assembly
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The Sun comes out …
Sunshade Diffracted light enters the baffle
Direct sunlight cannot enter the baffle
2014/4/10 武汉墨光科技有限公司 slide 15
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Ghost Image and Stray Light Analysis
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The Perfect World
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The Real World
Sorting Out Complex Ray Traces
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Lens System with Ghost Image
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Digital Picture Object
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ASAP Ray Trace Image