宋延嵩，安 巖，李欣航，董科研，姜會林

(長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，吉林 長春 130022)

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激光準(zhǔn)直系統(tǒng)中的雜散光分析與抑制

宋延嵩，安 巖*，李欣航，董科研，姜會林

(長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，吉林 長春 130022)

針對不同光學(xué)系統(tǒng)中存在的雜散光所造成的假信號或信號飽和影響，本文結(jié)合像面照度分析和消光環(huán)抑制的方法，對準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行分析，找到產(chǎn)生雜散光的主要原因，設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的消光環(huán)以消除雜散光。仿真實驗結(jié)果確定了最優(yōu)形式的消光環(huán)結(jié)構(gòu)，邊緣雜散光抑制最大下限值為0.38%，平均抑制值5.68×10-4%；以此模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行了雜散光抑制實驗。實驗結(jié)果表明，帶有消光環(huán)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直系統(tǒng)可以有效抑制雜散光，保證了后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，對其他雜散光抑制系統(tǒng)具有借鑒作用。

雜散光抑制；像面照度分析；消光環(huán)；準(zhǔn)直系統(tǒng)

1 引 言

雜散光是未按光學(xué)設(shè)計到達(dá)探測器上的光線，主要包括鬼像、一次散射光、直接照射光、多次散射光和邊緣衍射光等。在各類光學(xué)系統(tǒng)中，關(guān)于雜散光的分析和抑制，一直是光學(xué)設(shè)計之后需要考慮的一項關(guān)鍵技術(shù)。

2006年，付躍剛等人分析了機(jī)載激光通信系統(tǒng)中的雜散光情況，包括內(nèi)部收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光情況，并給出了相應(yīng)的抑制措施[1]；2010年，李海燕等人討論了激光探潛系統(tǒng)中的雜散光情況，并考慮了紅外光學(xué)系統(tǒng)中鏡筒和鏡組的溫度變化導(dǎo)致的雜散輻射能量影響[2]；2014年，胥全春等人分析了星地激光通信終端的雜散光情況，包括太陽背景輻射和地球背景輻射等，提出了消光環(huán)的具體設(shè)計方法，并進(jìn)行了理論仿真與分析[3]；2015年，張歡等人分析了星敏光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光情況，主要包括太陽直射光、月亮直射光和地氣反射光等，并對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，其抑制效果可以降低外界空間環(huán)境雜散光對星敏感器的影響[4]；2016年，豆修潯等人設(shè)計了手機(jī)鏡頭，利用光學(xué)LightTools軟件和機(jī)械SolidWorks軟件建立了完整的模型并進(jìn)行了雜散光仿真與模擬，開展了實際的檢測實驗工作[5]。

綜上，不同光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域均需要考慮雜散光的影響，其主要產(chǎn)生原因包括視場不匹配、孔徑不匹配、機(jī)械外殼的表面散射、鏡面產(chǎn)生的二次或多次反射等。常用的抑制方法有增加光闌、遮光罩、濾光片、消光環(huán)、消光漆和鍍減反膜等。常用的雜散光評價函數(shù)包括點源透過率、雜散光系數(shù)、遮擋衰減、消光比和照度分析圖等。不同抑制手段和評價函數(shù)的配合使用，不同設(shè)計背景下的搭配使用方式均不盡相同，雜散光的抑制手段和評價方式需要具體問題具體分析。結(jié)合上述方法，本文針對一種激光準(zhǔn)直系統(tǒng)模型的雜散光進(jìn)行分析，指出其產(chǎn)生原因，采用消光環(huán)方法并結(jié)合像面照度分析來抑制雜散光，實現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)中雜散光仿真與抑制[6-19]。

2 雜散光建模與仿真

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是一種常見的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它具有可靠性高、準(zhǔn)直性高、體積小和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。在光纖作為光源的準(zhǔn)直系統(tǒng)中，雜散光的影響是不容忽視的，與信號光能量同等量級的雜散光會造成虛假信號，混淆有用信號，致使系統(tǒng)分辨不清所需要的光信號，甚至造成信號飽和。由雜散光引入的虛假信號會導(dǎo)致激光模擬仿真失效。因此，在準(zhǔn)直系統(tǒng)中對雜散光的分析與消除是必不可少的環(huán)節(jié)。準(zhǔn)直光路系統(tǒng)是將光纖光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，采用兩片雙凸透鏡式設(shè)計，具體準(zhǔn)直系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)如表1所示，對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

表1 準(zhǔn)直系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)

圖1 準(zhǔn)直系統(tǒng)光路仿真圖 Fig.1 Light path simulation diagram of the collimating system

通過該系統(tǒng)產(chǎn)生雜散光主要有兩種情況，一是光纖與準(zhǔn)直系統(tǒng)光軸的失對稱，當(dāng)光纖端面與準(zhǔn)直系統(tǒng)光軸產(chǎn)生垂直光軸方向的偏移，系統(tǒng)物方視場會變成失對稱情況，一端視場的物高變大，另一端視場的物高變??；二是光線與準(zhǔn)直鏡筒的

口徑不匹配，邊緣視場光線發(fā)散角變大造成光束口徑增加，大于該鏡筒內(nèi)壁口徑的邊緣光線會照射到鏡筒內(nèi)壁，產(chǎn)生反射或散射，進(jìn)入到后續(xù)系統(tǒng)則會不可避免的成為雜散光，具體仿真分析情況如下。

(1)光纖與準(zhǔn)直鏡筒的光軸失對準(zhǔn)

在實際對準(zhǔn)過程中，由于系統(tǒng)固有誤差或器件之間的螺紋鎖定結(jié)構(gòu)未正確安裝，會導(dǎo)致光纖端面與準(zhǔn)直鏡筒的偏心，進(jìn)而造成兩部件光軸失對準(zhǔn)。此類失對準(zhǔn)問題在偏差較小的情況下，會導(dǎo)致出射平面上所形成的光斑出現(xiàn)缺口并帶有散射的小光斑，如圖2所示。在偏差較大的情況下，像面光斑會出現(xiàn)大范圍的缺口，如圖3所示。

圖2 小范圍失對準(zhǔn)像面仿真圖 Fig.2 Simulation image of small misalignments

圖3 大范圍失對準(zhǔn)像面仿真圖 Fig.3 Simulation image of large misalignments

(2)光線與準(zhǔn)直鏡筒的口徑不匹配

不同視場下的光束口徑與鏡筒內(nèi)壁口徑的不匹配會產(chǎn)生雜散光，若由物方視場光纖發(fā)出的光線經(jīng)過準(zhǔn)直鏡1之后的光束高度大于鏡筒內(nèi)壁口徑，便會帶來光線被反射或散射的問題，產(chǎn)生雜散光的主要位置集中在準(zhǔn)直鏡1和準(zhǔn)直鏡2之間的筒壁。如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)直鏡光路圖 Fig.4 Light path diagram of collimating system

圖4中，光線與準(zhǔn)直鏡1第二個面交點為O1、O1的垂軸高度為h1，光線與準(zhǔn)直鏡2第一面交點為O2、O2的垂軸高度為h2，鏡筒內(nèi)壁與透鏡2的交點為E2、E2的垂軸高度為h3，即為鏡筒內(nèi)壁半徑，其值為h3=3 mm，兩準(zhǔn)直鏡之間的間隔為L=59.27 mm，θ1是不同物方視場下的光線出射角度，θ1≈(h2-h1)/L，θ2是不同視場下的最大光線出射角度極限值，θ2≈(h3-h1)/L。不同視場下，光線出射角度θ1和出射角度極限值θ2不同，當(dāng)θ1<θ2時，光線全部進(jìn)入準(zhǔn)直鏡2，當(dāng)θ1>θ2時，一部分光線會被鏡筒壁遮擋，產(chǎn)生雜散光。為了得到不同視場下的雜散光情況，對歸一化視場后的光線出射角度θ1和出射角度極限值θ2進(jìn)行采樣計算，具體情況如表2所示。

表2 不同視場下的光束出射角度與極限角度

通過上表可知，歸一化視場在0～0.53之間，光線出射角度θ1小于極限角度θ2，光線不受鏡筒壁影響，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡1的光線可以直接進(jìn)入到準(zhǔn)直鏡2中；歸一化視場在0.54～1之間，會有一部分光線照射到鏡筒內(nèi)壁，經(jīng)過反射或散射后，進(jìn)入到準(zhǔn)直鏡2中，形成雜散光。圖5給出了最大視場下的光線光路示意圖，水平虛線部分為未被遮擋時的光線走向，傾斜實線為由鏡筒內(nèi)壁、遮擋反射后進(jìn)入到準(zhǔn)直鏡2的光線，即為口徑不匹配導(dǎo)致的雜散光。

圖5 最大視場下的光線光路示意圖 Fig.5 Light path diagram at the maximum aperture

以此模型為基礎(chǔ)，利用Tracepro軟件進(jìn)行仿真，得到像面處的照度仿真情況如圖6所示，其中心光斑附近的外圓環(huán)即為由準(zhǔn)直鏡筒內(nèi)壁反射后所形成的雜光光環(huán)。

圖6 口徑不匹配的雜散光像面仿真圖 Fig.6 Image plane simulation diagram of stray light caused by mismatching aperture

3 雜散光抑制仿真與實驗驗證

為了消除雜散光，避免因雜散光造成的假信號出現(xiàn)，準(zhǔn)直鏡筒結(jié)構(gòu)的雜散光建模和消雜散光設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在消除雜散光設(shè)計中，通過引入消光環(huán)，使光線在環(huán)帶之間的多次反射和散射，改變光線行進(jìn)方向，避免其進(jìn)入到后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。消光環(huán)結(jié)構(gòu)形式不同，雜散光消除的效果不同。為實現(xiàn)良好的消除雜散光效果，本文設(shè)計了3種不同的消光環(huán)結(jié)構(gòu)，在SolidWorks軟件中進(jìn)行建模，導(dǎo)入到TracePro軟件中進(jìn)行仿真模擬。以照度分析圖作為雜散光的評價方式，進(jìn)行理論分析并指導(dǎo)后續(xù)抑制實驗。

3.1 消雜光仿真

在消除雜散光設(shè)計中，主要提出了3種消除雜散光結(jié)構(gòu)方案：第一種消光環(huán)的局部形狀為第一傾角為30°的直角三角形，簡稱30°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)；第二種消光環(huán)的局部形狀為60°角的全等三角形，簡稱60°全等消光環(huán)結(jié)構(gòu)；第三種消光環(huán)的局部形狀為第一傾角為60°的直角三角形，簡稱60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)，三者的深度均為0.3 mm。如圖7所示。

圖7 3種消光環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.7 Schematic diagram of three kinds of right-angle extinction rings

圖8 30°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu) Fig.8 Extinction ring structure of right-angle with 30°

圖9 60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu) Fig.9 Extinction ring structure of right-angle with 60°

根據(jù)以上3種具體結(jié)構(gòu)，利用Tracepro軟件進(jìn)行模擬，采用照度分析圖的方法，進(jìn)行雜散光抑制分析，即根據(jù)像面接收能量(像面所接收到的能量，扣除有效口徑內(nèi)能量后的剩余能量)情況進(jìn)行分析，所接收到的能量越少，雜散光抑制效果越好。設(shè)定3種結(jié)構(gòu)光源參數(shù)均相同，仿真結(jié)果如圖8～圖10所示，包括像面照度圖和邊緣位置光線抑制圖。

圖10 60°全等消光環(huán)結(jié)構(gòu) Fig.10 Extinction ring of congruent angle with 60°

邊緣光線抑制圖中給出了邊緣光線抑制情況，從上述仿真結(jié)果可以看出，3種情況下的雜光抑制均能夠?qū)崿F(xiàn)出射光束口徑6 mm，但對于邊緣光線的抑制能力， 3種結(jié)構(gòu)不盡相同。用光線抑制值(像面接收的剩余能量值)衡量雜散光抑制情況。通過計算，3種結(jié)構(gòu)的光線抑制最大下限值(剩余能量最小值)與光線抑制平均值如表3所示。

表3 3種消光環(huán)結(jié)構(gòu)抑制效果表

可以看出，相比于另外兩種結(jié)構(gòu)，60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)抑制效果最好，可以實現(xiàn)光線抑制最大下限值0.38%，光線平均抑制值5.68×10-4%。對于系統(tǒng)中雜散光線的抑制能力，第一次反射光線的接觸面積越大，消雜光效果越好。60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)中，第一次光線反射接觸面最大，60°全等消光環(huán)結(jié)構(gòu)反射接觸面最小。因此，60°全等消光環(huán)結(jié)構(gòu)的抑制效果最差，60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)的邊緣雜散光線抑制水平最好。

3.2 雜散光抑制實驗

實驗中采用光纖芯徑為400 μm、NA為0.22，在光纖與準(zhǔn)直系統(tǒng)光軸失對準(zhǔn)的情況下，像面光斑邊緣出現(xiàn)雜散光，如圖11所示。

圖11 失對準(zhǔn)下的雜散光像面圖 Fig.11 Stray light image plane diagram at the condition of misalignments

一般情況下，可以通過精密調(diào)整與修正，實現(xiàn)光纖端面與準(zhǔn)直鏡筒的準(zhǔn)確對準(zhǔn)，避免兩者非同軸引起的攔光。經(jīng)過精密調(diào)整之后，在像面處所接收到的光斑情況如圖12所示，除中心光斑外，在其外部部分會產(chǎn)生一個相對亮度較暗的光環(huán)，與前文分析中的情況一致。

圖12 口徑不匹配下的雜散光像面圖 Fig.12 Stray light image plane diagram at the condition of mismatching aperture

根據(jù)仿真中最優(yōu)的雜散光抑制情況，即60°直角消光環(huán)結(jié)構(gòu)，對準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。同時，在準(zhǔn)直鏡筒內(nèi)壁噴涂消光漆，做進(jìn)一步消光處理，處理之后的抑制結(jié)果如圖13所示。像面光斑邊緣外的雜散光線消失，準(zhǔn)直系統(tǒng)的雜散光得到了有效的抑制。

圖13 雜散光抑制后像面圖 Fig.13 Image plane diagram after the stray light suppression

4 結(jié) 論

雜散光分析和抑制是光學(xué)設(shè)計過程重要的研究內(nèi)容。本文在分析現(xiàn)有雜散光研究方法和抑制手段的基礎(chǔ)上，以準(zhǔn)直系統(tǒng)為研究對象，對其產(chǎn)生的雜散光問題，通過理論分析、軟件仿真和實驗抑制工作等方面進(jìn)行驗證。提出了3種消除雜散光的消光環(huán)方案，利用Tracepro軟件，以像面照度圖為分析依據(jù)，通過對比給出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，60°直角的消光環(huán)方案，其光斑口徑可以控制在6 mm，邊緣雜散光線抑制下限值0.38%，平均抑制值5.68×10-4%；并按照此模型進(jìn)行了實際的消光環(huán)加工實驗，結(jié)果表明，準(zhǔn)直系統(tǒng)的雜散光得到了有效地抑制，實現(xiàn)了良好的雜散光消除效果，該準(zhǔn)直系統(tǒng)的雜散光處理方法對于其他光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析與抑制具有一定的參考價值。

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Analyzing and suppressing of stray light in laser collimating system

SONG Yan-song, AN Yan*, LI Xin-hang, DONG Ke-yan, JIANG Hui-lin

(InstituteofSpacePhotoelectricTechnology,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

*Correspondingauthor,E-mail:anyan_7@126.com

As for the negative influence of false signals and signal saturations caused by stray light in different optical systems, collimating system as an important subsystem is analyzed by combining the imaging illumination analysis and the extinction rings method, and the main causes of stray light are found out. Furthermore, three different structures of extinction rings are designed to eliminate the stray light. The optimal extinction rings structure is selected by a simulation experiment. Simulation results show that the largest degree of inhibition in the edge reaches 0.38% and the average degree of inhibition is 5.68×10-4%. The structure is actually manufactured and is tested by designed experiments. The result shows that stray light inhibition can be effectively realized in collimating system with optimal structure of the extinction ring. Therefore, this method has a reference value in other stray light suppression system.

stray light suppression;imaging illumination analysis;extinction ring;collimating system

2016-05-11；

2016-07-13

長春理工大學(xué)青年科學(xué)基金項目(No.XQNJJ-2013-12)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教科合字[2016]第368號) Supported by Young Science Foundation of CUST(No.XQNJJ-2013-12)；The 13th Five-Year Plan Project of Jilin provincial Science and Technology Research(No.2016368)

2095-1531(2016)06-0663-08

O439

A

10.3788/CO.20160906.0663

宋延嵩(1983—)，男，吉林長春人，博士，研究員，主要從事光電成像跟蹤與空間激光通信方面的研究。E-mail:songyansong2006@126.com

安 巖(1986—)，男，吉林長春人，博士，助理研究員，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、雜散光抑制與分析、光譜儀系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究。E-mail:anyan_7@126.com