王虎，陳欽芳，馬占鵬，2，閆昊昱，2，林上民，2，薛要克，4，5

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（3 中國(guó)科學(xué)院空間精密測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

（4 中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)，北京 100037）

（5 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

雜散光是指由進(jìn)入光學(xué)或電子光學(xué)系統(tǒng)的部分輻射所引起的在該系統(tǒng)像面上的有害光照度［1］，包括來(lái)自該系統(tǒng)內(nèi)部或外部的輻射。雜散光的存在會(huì)降低像面的對(duì)比度和信噪比，嚴(yán)重時(shí)目標(biāo)信號(hào)可能會(huì)被雜散光完全湮沒(méi)，造成光學(xué)成像或者探測(cè)的失效［2-6］。實(shí)際光機(jī)系統(tǒng)的雜散光是由多種因素共同造成的，分析過(guò)程比較復(fù)雜，故針對(duì)不同探測(cè)要求和使用環(huán)境，需要考慮不同種類(lèi)的雜散光。

雜散光按照來(lái)源不同可分為三類(lèi)：視場(chǎng)外雜散光、視場(chǎng)內(nèi)雜散光和內(nèi)部熱輻射雜散光［7-10］。

1）視場(chǎng)外雜散光是指雜散光光源來(lái)自光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外部，如太陽(yáng)、地氣光（地球大氣散射的太陽(yáng)光）等進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件（光學(xué)表面和機(jī)械表面）的多次反射、折射、散射以及衍射到達(dá)探測(cè)器的非成像光線。此類(lèi)雜散光廣泛存在于各類(lèi)光學(xué)儀器中，目前相關(guān)研究較多。對(duì)于諸如星敏感器等對(duì)暗弱恒星目標(biāo)探測(cè)的光學(xué)載荷則主要分析視場(chǎng)外雜光。

2）視場(chǎng)內(nèi)雜散光一方面是由于光學(xué)元件表面的粗糙度、表面疵病、表面污染等帶來(lái)的殘余反射、散射、衍射及結(jié)構(gòu)件表面散射導(dǎo)致部分參與成像的光線在整機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部以非正常路徑到達(dá)系統(tǒng)像面，形成光噪聲的非成像光線。另一方面是由成像光束形成鬼像，即二次反射像，是光學(xué)系統(tǒng)中任意兩個(gè)表面反射所產(chǎn)生的位于焦面附近的附加像。理論上光線經(jīng)過(guò)系統(tǒng)任意折射面后，均會(huì)產(chǎn)生多次折射與反射，而只要滿足兩表面出現(xiàn)往返性反射，則會(huì)產(chǎn)生鬼像。鬼像也是一種雜光，對(duì)鬼像的產(chǎn)生表面、鬼像的能量大小以及鬼像的位置分布的分析和抑制，可以適當(dāng)減小其對(duì)成像的影響，進(jìn)而達(dá)到更全面地抑制雜散光傳輸?shù)哪康摹?/p>

3）內(nèi)部熱輻射雜散光一般出現(xiàn)在紅外系統(tǒng)，在一定溫度下此類(lèi)系統(tǒng)內(nèi)部元件會(huì)產(chǎn)生熱輻射，可能形成熱噪聲雜光，從而引起探測(cè)器響應(yīng)。此外，紅外光學(xué)系統(tǒng)多使用制冷型探測(cè)器，則有可能出現(xiàn)冷反射現(xiàn)象，即探測(cè)器自身像經(jīng)反射后到達(dá)像面，形成新的背景噪聲。隨著紅外探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，以及人們對(duì)熱輻射雜光研究的深入，內(nèi)部雜光的研究將不再局限于長(zhǎng)波紅外波段。

近年來(lái)，隨著光電探測(cè)器件靈敏度和探測(cè)閾值的不斷提升，相應(yīng)地對(duì)空間光學(xué)相機(jī)雜散光的抑制與評(píng)估提出了更高要求，因此雜散光技術(shù)的研究成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)。國(guó)外經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，關(guān)于雜散光輻射研究已形成綜合性學(xué)科，交叉并行發(fā)展。國(guó)內(nèi)雖然起步晚，部分雜光研究?jī)?nèi)容滯后于國(guó)外，但是發(fā)展迅速，在仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量上取得了一定成果，目前已形成初步的雜散光仿真與測(cè)試體系，雜散光的抑制與評(píng)估已成為光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的重要組成部分。目前主要存在以下問(wèn)題：

1）國(guó)內(nèi)多家高校和科研院所以各自需求為導(dǎo)向，對(duì)雜散光進(jìn)行了分散化研究，側(cè)重點(diǎn)各不相同，還未形成系統(tǒng)性的雜散光分析流程。

2）未對(duì)早期的部分算法和初級(jí)分析軟件進(jìn)行持續(xù)性深入研究和創(chuàng)新升級(jí)，導(dǎo)致國(guó)外雜光分析軟件占據(jù)整個(gè)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還未出現(xiàn)一套國(guó)產(chǎn)通用的雜散光分析軟件。

3）國(guó)內(nèi)缺少統(tǒng)一、完整、全面的用于雜散光仿真分析的材料表面屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)致部分材料屬性只能按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置，分析結(jié)果只能作為參考，不具備較強(qiáng)的可信度。

以推動(dòng)我國(guó)高精度雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)持續(xù)、系統(tǒng)發(fā)展以及相關(guān)雜散光理論的快速應(yīng)用實(shí)踐為導(dǎo)向，本文按照雜散光的分析流程，歸納了雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)的研究體系，對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與對(duì)比，匯總了各關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)發(fā)展所面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，為相關(guān)科研人員提供一套系統(tǒng)性的雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)研究路線，有助于雜散光分析研究的高效開(kāi)展，推動(dòng)雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)的總體發(fā)展。

1 雜散光關(guān)鍵技術(shù)與分析流程

目前雜散光問(wèn)題的研究已經(jīng)發(fā)展成為分支繁多、涉及學(xué)科很廣的一門(mén)綜合技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)可歸納為：雜散光抑制方案制訂、抑制模型表面特性測(cè)量與建模（包含散射理論、涂層材料散射特性研究、表面質(zhì)量（表面粗糙度、表面疵?。┘氨砻媲鍧嵍取⑸⑸錅y(cè)量設(shè)備、雜散光抑制效果仿真、雜散光測(cè)試及評(píng)估［11］。這四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)可作為獨(dú)立課題分別進(jìn)行研究，同時(shí)各技術(shù)之間相互聯(lián)系，不可分割。雜散光分析流程如圖1 所示。具體步驟為：

圖1 雜散光分析流程Fig.1 Stray light engineering process flowchart

1）根據(jù)系統(tǒng)噪聲抑制指標(biāo)分配及雜光源和目標(biāo)特性，確定雜散光的抑制要求，制定雜散光抑制總體方案，并在光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行相應(yīng)雜散光抑制設(shè)計(jì)，包含遮光罩、擋光環(huán)的型式及消雜光光闌設(shè)計(jì)等。

2）抑制模型表面特性測(cè)量與建模是雜散光仿真分析的基礎(chǔ)。依據(jù)散射相關(guān)理論，對(duì)不同涂層材料、基底及表面處理方式、不同清潔度的表面進(jìn)行雙向散射分布函數(shù)（Bidirectional Scattering Distribution Function，BSDF）測(cè)量，建立散射數(shù)據(jù)庫(kù)。構(gòu)建準(zhǔn)確的雜散光分析模型，是雜散光分析的必要前提和基礎(chǔ)。

3）雜散光抑制效果仿真是進(jìn)行雜散光抑制的必要環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段仿真系統(tǒng)雜散光抑制水平，可對(duì)下一步的雜散光抑制方案優(yōu)化迭代提供數(shù)據(jù)支撐，并對(duì)系統(tǒng)遮光罩、擋光環(huán)、表面消光涂層等雜光抑制手段給出優(yōu)化改進(jìn)措施［12］，避免在實(shí)物應(yīng)用階段才暴露出不可彌補(bǔ)的顛覆性錯(cuò)誤，既減少研制時(shí)間又節(jié)約經(jīng)費(fèi)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段以及實(shí)際工程研制中發(fā)揮著重要作用。

4）雜散光的測(cè)試可作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)的消雜光抑制效果，可反映系統(tǒng)的雜散光實(shí)際抑制水平。此外，依據(jù)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與雜散光抑制效果仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可進(jìn)一步修正仿真模型。

2 雜散光抑制方案制訂

2.1 雜散光輻射傳輸理論

雜散光通常以散射、反射等方式到達(dá)系統(tǒng)像面，其能量的傳輸過(guò)程符合基本輻射傳輸理論［13］，可以描述為光線到達(dá)一個(gè)物體表面后將部分能量傳遞到另一個(gè)物體表面的過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都存在發(fā)射面和接收面，雜散光能量在這兩個(gè)表面進(jìn)行傳輸。因此，可把雜散光源分成多個(gè)微面元，到達(dá)像面微面元的積分總和即為到達(dá)像面的雜散光。雜散光基本輻射傳輸如圖2 所示，dAs為光源微面元，Ls為其輻射亮度，dAc為接收微面元，θs、θc分別為光源微面元和接收微面元各自法線與中心連線的夾角，Rsc為兩微面元中心連線的長(zhǎng)度，dΩs為光源微面元對(duì)于接收面元的立體角。

圖2 基本輻射傳輸示意圖［13］Fig.2 Basic radiative transfer［13］

經(jīng)過(guò)輻射傳輸，微面元dAc接收的由光源微面元dAs發(fā)出的輻射通量dΦc為

對(duì)式（1）進(jìn)行整理轉(zhuǎn)化，可得

式中，GCF 是幾何因子，定義為輻射源面元對(duì)于接收面元的投影立體角；BSDF 是表面雙向散射分布函數(shù)，dΦs為光源面的輻射通量，Es是輻射源面元的輻照度。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散光的抑制，即減小微面元dAc接收輻通量dΦc，可以通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)：

1）減小GCF：減小每一級(jí)雜散光傳遞的GCF，通過(guò)設(shè)置遮光罩、擋光環(huán)、消雜光光闌等雜散光抑制結(jié)構(gòu)阻攔雜光在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸路徑。

2）降低BSDF：對(duì)處在光路中的光機(jī)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行特殊處理，如對(duì)非光學(xué)面的黑化處理，提高材料表面的吸收率，降低發(fā)射率；對(duì)光學(xué)表面鍍膜，提高透射材料表面的透射率（或反射系統(tǒng)的反射率），降低散射率等。

3）減小dΦs：本質(zhì)上是對(duì)上級(jí)雜散輻射源的出射能量的衰減。在減小GCF 和BSDF 的同時(shí)，輻射能量dΦs也同時(shí)在減小。此外，還可以通過(guò)采用帶通濾光片、設(shè)置光闌低溫工作等措施降低雜散光產(chǎn)生表面的溫度，達(dá)到抑制探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部雜光的目的；對(duì)于紅外系統(tǒng)，除了降低自身輻射外，也可以采用遮光罩外表面鍍金等措施，達(dá)到對(duì)內(nèi)部表面雜散輻射的抑制。此外，光學(xué)系統(tǒng)入口要避免雜光光源直射，遠(yuǎn)離視場(chǎng)外部雜散光源［14］。

2.2 雜散光抑制方法

圖3 為典型雜散光對(duì)圖像的影響。雜散光抑制的目的是保證具有一定信噪比的成像質(zhì)量，避免和減少非成像光線到達(dá)像面。在雜散光抑制方案制定時(shí)要考慮：1）目標(biāo)、背景、光源等外部環(huán)境情況；2）系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射及整體溫度分布情況；3）系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。綜合考慮系統(tǒng)外部雜散光、內(nèi)部鬼像以及對(duì)于紅外系統(tǒng)有可能存在的冷反射、熱輻射雜散光進(jìn)行有效的抑制［7］。按照雜散光的來(lái)源，給出了常規(guī)抑制方法以及相關(guān)抑制思路，如圖4 所示。

圖3 典型雜散光現(xiàn)象［7，9-10］Fig.3 Typical stray light phenomenon［7，9-10］

圖4 雜散光抑制方法分類(lèi)Fig.4 Classification of stray light suppression methods

此外，在某些特定情況下，還可以采用濾波法、相鄰幀相減法、偏振法、數(shù)值孔徑法及圖像校正法等對(duì)雜散光進(jìn)行抑制。

2.3 視場(chǎng)外雜散光抑制方法

2.3.1 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型

在整機(jī)系統(tǒng)中雜散光主要通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，即以鏡面反射及散射的方式到達(dá)像面形成雜散光。因此，系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)與雜散光的傳播緊密相關(guān)，選擇合理的光學(xué)設(shè)計(jì)能夠使雜散光的抑制事半功倍。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于雜散光的抑制應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：1）在不影響正常成像情況下，減少光學(xué)元件表面數(shù)，以減少表面產(chǎn)生反射及散射的機(jī)會(huì)；2）為避免出瞳雜散光到達(dá)像面，可適當(dāng)增大光學(xué)系統(tǒng)的工作距離；3）在保證像質(zhì)的基礎(chǔ)上，使光學(xué)系統(tǒng)的入瞳位置盡量前移，在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)光最小口徑處限制雜光傳輸能量。在滿足像質(zhì)要求的同等條件下，離軸系統(tǒng)構(gòu)型一方面由于可使大入射角度的雜光光線以更大離軸角反射從而難以到達(dá)探測(cè)器，另一方面還能避免次鏡結(jié)構(gòu)支撐桿引起的“星芒”現(xiàn)象。

“星芒”是強(qiáng)點(diǎn)光源入射到包含線性遮攔（或者小光圈）的光學(xué)系統(tǒng)后所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，衍射發(fā)生在垂直線性遮攔處。圖5（a）、（b）為同一場(chǎng)景人為改變不同方向鏡頭擦拭痕跡（手指劃痕）引起的“星芒”現(xiàn)象，圖5（c）、（d）是哈勃望遠(yuǎn)鏡遇亮星“天狼星（Sirius）”引起的“星芒”現(xiàn)象［15-16］?！靶敲ⅰ钡拇嬖谌缤s光一樣會(huì)干擾其周邊暗星的探測(cè)，故而離軸系統(tǒng)在雜光抑制上比同軸系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 衍射“星芒”現(xiàn)象分布圖［15-16］Fig.5 Distribution map of diffraction spikes［15-16］

歐空局2015 年發(fā)射的空間激光干涉天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）引力波探測(cè)器［17-19］，在研制階段其光學(xué)系統(tǒng)最早采用了同軸卡塞格林式望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)型，但同軸結(jié)構(gòu)中次鏡表面會(huì)產(chǎn)生后向反射和散射，即使將次鏡中心部分開(kāi)孔或使用高吸收涂層來(lái)抑制后向反射光，中心遮攔部分的圓形邊界也會(huì)因?yàn)檠苌湫?yīng)產(chǎn)生一個(gè)泊松亮斑。而且同軸系統(tǒng)的次鏡支撐結(jié)構(gòu)位于光路中，次鏡結(jié)構(gòu)后向散射可直接到達(dá)探測(cè)器?？紤]到苛刻的雜散光抑制要求，引力波探測(cè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)選用了離軸四反結(jié)構(gòu)構(gòu)型以避免上述問(wèn)題。圖6（a）為“LISA”設(shè)計(jì)光路圖，主鏡M1、次鏡M2分別為離軸拋物面和離軸雙曲面，三鏡M3與四鏡M4均為球面。為有效抑制雜散光，可以在在M2和M3間加入一次像面并設(shè)置消雜光光闌。我國(guó)空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”［20-21］中，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案同樣是類(lèi)似離軸四反構(gòu)型。

2.3.2 遮光罩

遮光罩用來(lái)限制視場(chǎng)外光線，使任何直射到其內(nèi)表面的光線經(jīng)一次反射后不能進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)入瞳。遮光罩通常位于整個(gè)系統(tǒng)的最前端，用以封閉系統(tǒng)并阻斷雜散光路徑。遮光罩越長(zhǎng)，雜散光遮擋及吸收越多，進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)的背景光（輻射）就越少。但是遮光罩過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加系統(tǒng)的體積和重量，因此合理選擇遮光罩的尺寸尤為重要?？紤]體積以及不同遮光效果，根據(jù)反射、吸收等衰減雜光途徑設(shè)計(jì)反射式、遮擋式或者兩者相兼顧的遮光型式，對(duì)遮光罩內(nèi)部形狀依據(jù)光學(xué)視場(chǎng)及探測(cè)器外形設(shè)計(jì)成立方錐型、立方體型、圓柱或圓錐型等常見(jiàn)形狀以及為完成特定需求設(shè)計(jì)的不規(guī)則形狀［6，22-25］，如圖7 所示。

圖7 不同形狀遮光罩［6，22-25］Fig.7 Different shapes of baffle［6，22-25］

為進(jìn)一步防止一次雜光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，在遮光罩內(nèi)設(shè)置若干擋光環(huán)（光欄），擋光環(huán)的作用是使一次雜散光完全消除，進(jìn)入擋光環(huán)內(nèi)的雜光部分被擋掉而被內(nèi)壁吸收，其余雜光被反射進(jìn)入其他相鄰的擋光環(huán)擋掉。最終使一次雜散光在進(jìn)入光學(xué)鏡頭前被完全消除。擋光環(huán)［26］與遮光罩壁可構(gòu)成半封閉狀光陷阱，用以遮擋間接雜散光（反射光、散射光）傳輸路徑并多次消減傳輸能量，對(duì)軸外大角度雜光十分有效。通過(guò)光線逆追擊作圖法確定擋光環(huán)的數(shù)量、高度、間距、傾角及倒角等參數(shù)。圖8 為圓錐形遮光罩及其內(nèi)部擋光環(huán)分布示意圖。

圖8 外遮光罩內(nèi)部擋光環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖［26］Fig.8 Structure of the vanes in the outer baffle［26］

此外，還可以在一些機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵表面設(shè)計(jì)消光螺紋或者蜂窩狀吸光腔，用以增強(qiáng)散射和吸收面積，達(dá)到消減雜光能量的抑制效果。圖9（a）為吳玲林等［27］為瞄準(zhǔn)鏡設(shè)計(jì)的蜂窩狀遮光罩，遮光板上設(shè)有蜂窩狀遮光孔，如圖9（b）所示，在保證不遮擋瞄準(zhǔn)鏡視線的前提下達(dá)到遮光效果，當(dāng)光從瞄準(zhǔn)鏡側(cè)前方入射時(shí)，大角度入射雜光會(huì)進(jìn)入到蜂窩狀遮光孔的孔壁上被遮擋，可防止其干擾正常瞄準(zhǔn)；光入射瞄準(zhǔn)鏡后產(chǎn)生的部分反射光再次進(jìn)入蜂窩狀遮光孔的孔壁而被遮擋，使反射光減弱甚至消失，避免鏡面反射光暴露槍手位置。圖9（c）為何育林等［28］提出的蜂窩狀防眩光光學(xué)構(gòu)件及教室照明燈具，通過(guò)光學(xué)構(gòu)件本體側(cè)壁的遮擋，使得柔光板處發(fā)射出的光線被限制，只有在光學(xué)構(gòu)件正下方范圍內(nèi)才能看到柔光板，避免用戶(hù)無(wú)意目視柔光板時(shí)光線直接照射到人眼，達(dá)到防眩光的目的。

圖9 蜂窩狀擋光結(jié)構(gòu)［27-28］Fig.9 Honeycomb light blocking structure［27-28］

圖10（a）為林上民等研制的內(nèi)壁為蜂窩狀遮光罩實(shí)物圖，遮光罩內(nèi)部未設(shè)置擋光環(huán)，而是在內(nèi)壁采用蜂窩狀微結(jié)構(gòu)以增大內(nèi)壁吸收和散射面積。蜂窩結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上有助于減小雜散光，但眾多蜂窩的累積等效壁厚端面以及底部粘接膠面形成的類(lèi)鏡面使其綜合反射光影響比較明顯，其只適用于對(duì)雜光抑制比要求較低的系統(tǒng)中。而且蜂窩狀結(jié)構(gòu)以及其與遮光罩內(nèi)壁粘連的形式，增加了遮光罩內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不易進(jìn)行雜散光分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳學(xué)等［29］，利用蜂窩表面的反射，將單個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)等效為正六棱柱，如圖10（b）所示，以蒙特卡洛法為基礎(chǔ)，獲得蜂窩結(jié)構(gòu)等效面的反射概率模型，計(jì)算分析遮光罩的抑制特性，結(jié)果表明：一級(jí)和二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)遮光罩對(duì)水平入射雜光的抑制分別達(dá)到10-4和10-9水平；雜散光漫入射（各個(gè)方向無(wú)規(guī)律入射）時(shí)，其對(duì)應(yīng)消光抑制比分別為10-2和10-3水平。

圖10 蜂窩狀遮光罩散射分析［29］Fig.10 Scattering analysis of honeycomb baffle［29］

傳統(tǒng)型擋光環(huán)垂直于遮光罩內(nèi)壁或者按照最佳規(guī)避雜光傾斜某一角度，擋光環(huán)兩面往往涂覆高吸收涂層，對(duì)遮光罩內(nèi)壁面積的增加有明顯效果。遮光罩內(nèi)部表面及擋光環(huán)所吸收的外部熱量會(huì)導(dǎo)致整機(jī)系統(tǒng)溫度升高，給內(nèi)部熱輻射雜光的抑制帶來(lái)困難。對(duì)于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡及地球同步遙感相機(jī)，太陽(yáng)光直射入口，很可能會(huì)出現(xiàn)極端高溫現(xiàn)象［30］。因此在可見(jiàn)、紅外共孔徑多譜段探測(cè)系統(tǒng)或紅外探測(cè)系統(tǒng)中，采用反射式擋光環(huán)，可以有效減少擋光環(huán)對(duì)熱輻射的吸收，降低了系統(tǒng)的輻射雜光。圖11（a）是橢球面反射擋光環(huán)反射光線示意圖，橢圓焦點(diǎn)為P、S，經(jīng)過(guò)點(diǎn)P的任意光線，再經(jīng)過(guò)橢圓上任何一點(diǎn)Q、Q′或Q″后，入射角為θi，反射角為θr，反射光線則會(huì)過(guò)S點(diǎn)。若將焦點(diǎn)S設(shè)為入口位置，則經(jīng)表面反射返回S點(diǎn)的光線必然從入口出去。因此該類(lèi)型遮光方式可以控制遮光罩溫度的升高，減少了紅外雜散光。

圖11 反射式遮光罩及內(nèi)部擋光環(huán)設(shè)置［31-32］Fig.11 Reflective baffles with vanes［31-32］

遮光罩分為一級(jí)和多級(jí)，主要區(qū)別在于對(duì)大角度視場(chǎng)外雜光的抑制上［33］。大角度軸外雜光經(jīng)一級(jí)遮光罩內(nèi)表面反射，有可能進(jìn)入遮光罩及系統(tǒng)內(nèi)部；多級(jí)遮光罩主要針對(duì)在抑制角外有不同位置的雜光源，如同時(shí)有月亮和地氣光，可用一個(gè)二級(jí)遮光罩分別抑制這兩種不同的雜光源，如圖12（a）所示。從雜光抑制的方式考慮，第一級(jí)遮光罩內(nèi)壁可設(shè)置成鏡面，反射軸外大角度光線；也可將其設(shè)置為第一級(jí)只針對(duì)大角度雜光，第二級(jí)針對(duì)小角度及剩余抑制角度的雜光?？偟膩?lái)講，當(dāng)存在多個(gè)雜光光源時(shí)，多級(jí)遮光罩更具優(yōu)勢(shì)。單獨(dú)的外遮光罩適用于透射式系統(tǒng)，而折反式系統(tǒng)為提高雜光抑制效果，則要設(shè)計(jì)內(nèi)、外遮光罩［34］，如圖12（b）所示。

圖12 透射式二級(jí)三段式遮光罩與折反式內(nèi)外遮光罩［33-34］Fig.12 Transmissive two-class three-stage baffle and catadioptric system with inner and outer baffle［33-34］

在傳統(tǒng)遮光罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，中科院西安光機(jī)所林上民等［35-37］對(duì)超輕型光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雜光抑制技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)擋光環(huán)及刃口的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將黑色涂層處理后的擋光環(huán)刃口寬度由原來(lái)一體化加工時(shí)的0.2 mm 減小到0.03 mm，降低了所有擋光環(huán)刃口的累積反射面積，測(cè)試結(jié)果如圖13（b）、（c）所示，該型遮光罩針對(duì)恒星等弱暗目標(biāo)可大幅提升雜光抑制效率。同時(shí)，對(duì)于近軸小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)而言，如圖13（d）所示的百葉窗式遮光罩，不僅能夠自動(dòng)消除鏡間熱影響，還具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的雜散光抑制效果。

圖13 超輕型遮光罩［35-37］Fig.13 Ultra-light baffle［35-37］

2003 年，日本發(fā)射的“SERVIS-1”衛(wèi)星星敏感器［38］如圖14 所示，將光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)鏡片設(shè)計(jì)成近半球形，利用大角度入射光線在半球透鏡內(nèi)會(huì)發(fā)生全反射的原理，把半球透鏡作為“角度濾波器”使用，只有小于臨界角的視場(chǎng)內(nèi)光線可以通過(guò)，可有效縮減兩級(jí)遮光罩的長(zhǎng)度，使其僅為傳統(tǒng)遮光罩長(zhǎng)度的3/4?！癝ERVIS-2”衛(wèi)星［39］于2010 年成功發(fā)射，在軌驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期對(duì)雜光的抑制效果。但該方案在系統(tǒng)前額外增加了球透鏡，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度，同時(shí)球透鏡也增加了系統(tǒng)重量。該雜光抑制方法并不適合所有的光學(xué)系統(tǒng)，后續(xù)未見(jiàn)類(lèi)似應(yīng)用報(bào)道。

圖14 全反射技術(shù)與兩級(jí)遮光罩的聯(lián)合應(yīng)用［38-39］Fig.14 Combined application of total reflection technology and two-stage hood baffle［38-39］

隨著大口徑高分辨光學(xué)遙感器的發(fā)展，傳統(tǒng)的固定式遮光罩尺寸和重量也相應(yīng)變大，隨動(dòng)可展開(kāi)遮光罩技術(shù)應(yīng)運(yùn)而出。該技術(shù)以收縮發(fā)射、在軌彈出的方式，同時(shí)滿足了系統(tǒng)大口徑尺寸和發(fā)射過(guò)程中火箭整流罩對(duì)遮光罩的空間約束。在軌后有序展開(kāi)多層大面積薄膜遮光罩，實(shí)現(xiàn)雜光抑制效果控制及熱控制性能。美國(guó)Foster-Miller［40］開(kāi)發(fā)的一款可展開(kāi)遮光罩，核心展開(kāi)單元由卷尺彈簧組件構(gòu)成，軸向、徑向均可展開(kāi)，有效隔絕了空間望遠(yuǎn)鏡的環(huán)境熱輻射，提高了對(duì)雜光的抑制效果。圖15（a）、（b）為展開(kāi)前、后的照片。2021 年12 月發(fā)射的James Webb 太空望遠(yuǎn)鏡［41-42］，同樣采用了多層可展開(kāi)遮陽(yáng)罩的方式，有效隔絕來(lái)自太陽(yáng)、地球的雜散光和熱輻射。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）下一代先進(jìn)技術(shù)大孔徑空間望遠(yuǎn)鏡（Advanced Technology Large Aperture Space Telescope，ATLAST）［43］仍將采用可展開(kāi)遮光罩技術(shù)，以保證對(duì)強(qiáng)光源的有效隔絕。

圖15 可展開(kāi)型遮光罩［40-42］Fig.15 Expandable sunshields［40-42］

我國(guó)2019 年發(fā)射的“高分七號(hào)”（GF-7）衛(wèi)星［44-46］前視相機(jī)也采用了可展開(kāi)遮光罩結(jié)構(gòu)，如圖16 所示，入軌前遮光罩折疊收攏，入軌后根據(jù)指令成功展開(kāi)，標(biāo)志著我國(guó)遙感相機(jī)可展開(kāi)遮光罩技術(shù)取得了在軌零的突破。中科院西安光機(jī)所李創(chuàng)等［47-51］對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡精密展開(kāi)機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)性研究，如圖17 所示，研制的碳纖維桿盤(pán)繞式張拉整體展開(kāi)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了可展開(kāi)機(jī)構(gòu)能壓縮可展開(kāi)功能；研制的六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，不僅可解決由于制造公差和外部干擾所導(dǎo)致的可展開(kāi)望遠(yuǎn)鏡展開(kāi)后，次鏡無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)設(shè)計(jì)位置的問(wèn)題，也能用于可展開(kāi)遮光罩，可提高展開(kāi)精度；研制的基于帶狀彈簧精密展開(kāi)結(jié)構(gòu)，如圖18 所示，具有展開(kāi)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，折疊時(shí)儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能，為后續(xù)展開(kāi)提供動(dòng)力，并通過(guò)形狀記憶合金的鎖緊釋放裝置進(jìn)行鎖緊，釋放后能夠自行展開(kāi)到工作位置并完成自鎖。

圖16 “高分七號(hào)”衛(wèi)星遙感相機(jī)可展開(kāi)遮光罩［44-46］Fig.16 Deployable sunshield on GF-7 satellite remote sensing camera［44-46］

圖17 可展開(kāi)機(jī)構(gòu)及自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)［47］Fig.17 Adjustment system with hexapod structure［47］

圖18 基于帶狀彈簧的可展開(kāi)望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)［51］Fig.18 Prototype of a deployable telescope based on a ribbon spring［51］

我國(guó)2019 年提出的太陽(yáng)系近鄰宜居行星的太空探索計(jì)劃-“覓音計(jì)劃”［52-53］光學(xué)系統(tǒng)將仿生技術(shù)和折紙方法相結(jié)合，依據(jù)自然界中花從花蕾至花朵的形狀變化等同為遮光罩遮光面積的逐步增大，采用類(lèi)似花萼和花瓣的配合結(jié)構(gòu)，可提高對(duì)雜光的抑制效果，如圖19。采用正六邊形底面、折展比為8 的拓?fù)錁?gòu)型遮光罩方案，折疊后的包絡(luò)空間和衛(wèi)星星體空間保持一致，能夠更好地利用空間。遮光結(jié)構(gòu)選用兩層薄膜，既可遮光又可隔熱。

圖19 “覓音計(jì)劃”空間可展開(kāi)薄膜遮光罩［52-53］Fig.19 Deployable membrane sunshield of“MEAYIN Project”［52-53］

為了滿足對(duì)太陽(yáng)系外行星較大范圍的探測(cè)需求，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）［54］提出了一種外形為太陽(yáng)花狀的天基可展開(kāi)星體雜光遮星傘，其展開(kāi)直徑為34 m，收攏直徑小于5 m，對(duì)非目標(biāo)星體雜光的抑制能力可達(dá)10-10。圖20 為遮星傘在軌工作原理圖，從遠(yuǎn)處觀察行星時(shí)，遮星傘遮擋中央恒星的光線，花瓣結(jié)構(gòu)會(huì)構(gòu)成一個(gè)較為平緩的邊緣透過(guò)行星光線，避免光線的過(guò)度彎折（或偏折），遮星傘可以形成黑色錐形“陰影區(qū)域”，空間望遠(yuǎn)鏡得以拍攝到被淹沒(méi)在恒星光芒之中的行星體。為了測(cè)試與驗(yàn)證遮星傘雜光抑制能力及像面對(duì)比度，普林斯頓大學(xué)［55-57］研究人員在地面搭建了如圖21 所示的測(cè)試系統(tǒng)，像面對(duì)比結(jié)果如圖22 所示。測(cè)試結(jié)果表明：在工作波段內(nèi)，該遮光罩對(duì)雜光的抑制能力可達(dá)10-9，像面對(duì)比度可達(dá)10-11。

圖20 太陽(yáng)花狀行星遮陽(yáng)傘在軌示意圖［55-57］Fig.20 Schematic of sunflower-shaped planet starshade instrument on orbit［55-57］

圖21 太陽(yáng)花狀遮星傘地面測(cè)試［54］Fig.21 Ground test of the sunflower-shaped starshade［54］

圖22 太陽(yáng)花狀遮星傘對(duì)比度仿真［55-57］Fig.22 Contrast simulation of the sunflower starshade［55-57］

2.3.3 光闌

當(dāng)雜光通過(guò)遮光罩內(nèi)部進(jìn)入成像系統(tǒng)后，可在系統(tǒng)內(nèi)部合理設(shè)置光闌結(jié)構(gòu)對(duì)雜光進(jìn)行抑制，達(dá)到有效阻斷或衰減雜光的目的。常用的有消雜光光闌、視場(chǎng)光闌、Lyot 光闌等［58］。Lyot 光闌可以有效抑制光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌受到強(qiáng)光照射后引起的衍射雜散光，光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌邊緣產(chǎn)生的衍射雜散光經(jīng)后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)后將重新會(huì)聚，并在光闌的一次像面處形成一亮環(huán)，如圖23 所示。因此，將Lyot 光闌放置在孔徑光闌的一次像面位置可以大大降低衍射光斑的能量。整個(gè)抑制過(guò)程中發(fā)生兩次衍射衰減，充分抑制了衍射雜散光。與視場(chǎng)光闌一樣，當(dāng)系統(tǒng)尺寸體積受限或者不存在中間像面時(shí)，Lyot 光闌可能無(wú)法添加到系統(tǒng)中。

圖23 Lyot 光闌在消雜光系統(tǒng)中的應(yīng)用［58］Fig.23 Application of Lyot stop in stray light elimination system［58］

在實(shí)際工程雜散光的抑制中，往往是將多種抑制手段綜合使用以達(dá)到最佳的抑制效果。圖24 為美國(guó)NASA 發(fā)射的SABER 望遠(yuǎn)鏡［59］，外部前遮光罩和鏡筒主遮光罩的應(yīng)用限制視場(chǎng)外大角度一次雜光，使得雜光在遮光罩內(nèi)壁經(jīng)過(guò)兩次及兩次以上反射后才有可能到達(dá)主鏡。主鏡內(nèi)遮光罩、次鏡遮光罩則避免主鏡一次散射光直接到達(dá)次鏡，且避免大部分大視場(chǎng)光直接入射至次鏡，加入了光陷阱對(duì)外部漏光進(jìn)行吸收。此外，在光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了視場(chǎng)光闌、Lyot 光闌對(duì)雜光進(jìn)行了抑制。

圖24 多種雜光抑制方法在SABER 望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用［59］Fig.24 Application of various means of suppression for stray light in SABER telescope［59］

日冕儀是對(duì)太陽(yáng)日冕活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)可能影響地球的災(zāi)害性天氣預(yù)測(cè)的空間設(shè)備［60-61］。圖25（a）為日冕儀光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)的雜光源為太陽(yáng)直射光。在系統(tǒng)前方放置三個(gè)齒狀遮光盤(pán)，主體部分用以遮擋太陽(yáng)中心部分的直射光，外掩體齒狀遮光盤(pán)如圖25（b）所示，可以使垂直入射到遮光盤(pán)邊緣光束的衍射光線方向平行于遮光盤(pán)平面，有效減少進(jìn)入到系統(tǒng)中的光能，使雜光消除率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。其次針對(duì)太陽(yáng)直射光在外掩體D1和入射孔徑A1附近產(chǎn)生的邊緣衍射光，可分別在外掩體D1關(guān)于物鏡組O1的共軛位置D2、入射孔徑A1關(guān)于物鏡組O2的共軛位置A3處設(shè)置Lyot 光闌進(jìn)行抑制。距離太陽(yáng)最近的物鏡組O1各表面多次反射形成的雜散光在中繼鏡組O3的中部被聚焦，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的雜光遮攔。

圖25 大視場(chǎng)日冕儀光學(xué)系統(tǒng)［60-61］Fig.25 Large field of view coronagraph optical system［60-61］

2.3.4 表面屬性

雜散光的強(qiáng)弱與表面雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflective Distribution Function，BRDF）直接相關(guān)，表面BRDF 的降低，同樣可以實(shí)現(xiàn)很好的抑制和雜光消除。因此，需要對(duì)處于光路中的機(jī)械結(jié)構(gòu)表面、光學(xué)表面進(jìn)行消光處理。消光處理的思路為改變光在不同介質(zhì)表面的傳輸路徑并進(jìn)一步降低傳播能量。故而在加工后的機(jī)械結(jié)構(gòu)通光內(nèi)表面通過(guò)改變其表面微形貌（如結(jié)構(gòu)零件表面噴砂、增大局部表面粗糙度以及微納結(jié)構(gòu)等處理）、改善表面吸收光線能力（如表面黑化處理、噴涂消光漆、焦平面非工作區(qū)粘貼黑色吸光布）等方式降低表面BRDF。

要降低光學(xué)表面的BRDF，一方面要提高其表面光潔度，減小表面疵病、劃痕等引起散射的誘因；另一方面通過(guò)膜系設(shè)計(jì)及鍍膜提高透過(guò)率或者反射率。對(duì)處于光路中的非工作光學(xué)表面采用消光處理能進(jìn)一步減少表面的散射，對(duì)于透鏡元件需要注意的是，除了關(guān)注玻璃條紋度、氣泡、均勻度以及內(nèi)透過(guò)率等材料本身屬性引起的BRDF 變化外，在非工作端面涂覆吸光涂料時(shí)，涂料的折射率不得小于玻璃材料的折射率，否則在玻璃材料與涂料之間易形成全反射條件，在臨界角以外入射的所有光線不能進(jìn)入涂料介質(zhì)被吸收，而是直接反射到后續(xù)光路進(jìn)而形成雜散光。

光學(xué)表面和機(jī)械表面的表面清潔度都會(huì)影響到散射強(qiáng)度，表面污染會(huì)引起B(yǎng)RDF 相應(yīng)增大，嚴(yán)重時(shí)影響探測(cè)信號(hào)接收，因此，控制表面污染也是雜光抑制的重要內(nèi)容。目前常采用的表面處理方式有：消光涂層、碳納米管技術(shù)、微納表面結(jié)構(gòu)、光學(xué)鍍膜、以及表面粗糙度與表面潔凈度等。

2.3.4.1 消光涂層

消光涂層是一種在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)強(qiáng)烈吸收光線，以達(dá)到消除或降低光線散射現(xiàn)象的油漆或涂料［62］。消光圖層常用來(lái)對(duì)光學(xué)非工作面和機(jī)械結(jié)構(gòu)面進(jìn)行處理，通過(guò)降低表面的散射或反射特性直接影響雜散光的傳輸路徑，達(dá)到對(duì)雜光的抑制。未消光處理的結(jié)構(gòu)表面具有較高的反射率或散射率，導(dǎo)致非目標(biāo)光線通過(guò)多次散射或反射產(chǎn)生雜光。表1 為常用的黑漆［9］。

表1 主要黑化表面處理［9］Table 1 Widely used black surface treatments［9］

美國(guó)Aeroglaze?Z306［63］是一種主要服務(wù)于航天器結(jié)構(gòu)件表面的聚氨酯黑漆，其特點(diǎn)是太陽(yáng)吸收率高、出氣率低及耐輻射性能好。Z306 黑漆的太陽(yáng)吸收率αs為0.95±0.01，其法向發(fā)射率ε(0)為0.90±0.05。有機(jī)涂層在高真空狀態(tài)下釋放小分子顆粒物，可能會(huì)影響探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)工作性能，而Z306 黑漆的整體質(zhì)量損失（Total Mass Loss，TML）為1%，其可凝物揮發(fā)（Collected Volatile Condensable Materia，CVCM）為0.02%。

英國(guó)NPL 實(shí)驗(yàn)室［62，64］基于鎳磷材料研制了一種低反射率超級(jí)黑漆，如圖26 所示，使用硫酸鎳和次磷酸納溶液對(duì)待處理樣件發(fā)黑處理，生成一種以化學(xué)方式沉積的鎳磷涂層，最后使用硝酸腐蝕處理樣件表面，即可生成超黑涂層。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該涂層在可見(jiàn)光和紫外波段具有較低反射率，如在633 nm 波長(zhǎng)處的反射率僅為0.4%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)黑漆的反射率。

圖26 不同含磷量下的鎳磷黑漆電鏡圖像［62，64］Fig.26 SEM images of different phosphorus compositions in nickel-phosphorus black paint［62，64］

法國(guó)MAP 公司［65］研制的啞光黑色涂層MAP?PNC，其主要成分是硅酮樹(shù)脂，通過(guò)添加一些添加劑實(shí)現(xiàn)白色和黑色的顏色控制。太陽(yáng)吸收率αs可達(dá)到0.98±0.02，可凝物揮發(fā)物（Collected Volatile Condensable Materials，CVCM）為0.09%，其恢復(fù)后的質(zhì)量損失（Recovered Mass Loss，RML）為0.56%［66］。其中RML 定義為真空測(cè)試后樣品的整體質(zhì)量損失值（Total Mass Loss，TML）與隨后放置室溫吸收水蒸氣恢復(fù)后質(zhì)量損失值（Water Vapor Regained，WVR）的差值。MAP?PNC 在-170℃都有很好的熱穩(wěn)定性。此外，該公司還研發(fā)了PU1、AQ PU1、PUK、AQ PUK、HT1607 等消光黑漆，太陽(yáng)吸收率αs均保持在0.95～0.96 之間。

俄羅斯研制的［62，67］黑漆主要有AK-512、AK-243、KO818、1-416 等，其黏結(jié)劑主要成分是有機(jī)硅樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂，其太陽(yáng)吸收率αs在0.90～0.95 之間。其中，AK-512 黑漆以最佳的空間穩(wěn)定性，服務(wù)了多款俄羅斯航天器。

用于我國(guó)航天器上的消光涂層多具有高吸收率和低反射率的特點(diǎn)。其中，中科院上海有機(jī)化學(xué)所研制的SB-3 黑漆因具有較高的太陽(yáng)吸收率而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)光學(xué)遙感器上。常用的黑色有機(jī)熱控涂層還有ERB-2B、SH-96 黑漆、Es951 黑漆等［62］，相關(guān)材料參數(shù)及應(yīng)用情況見(jiàn)表2。此外，中科院上海硅酸鹽研究所對(duì)鋁合金進(jìn)行鍍黑鎳處理，吸收率αs能夠達(dá)到0.92～0.95，結(jié)構(gòu)件處理厚度變化在0.01 mm 內(nèi)。中科院西安光機(jī)所基于實(shí)際測(cè)量，已建立適用于航空航天的黑漆數(shù)據(jù)庫(kù)，包括SB-3/A、Z306、PNC、黑鎳、碳納米管涂層等［68］，以及適用于地面測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)壁材料數(shù)據(jù)庫(kù)，如消光黑布、黑色消光玻璃和黑色亞克力板等。

表2 我國(guó)的熱控黑漆性能及應(yīng)用［62］Table 2 Performance of black thermal control coating and its appliances in China［62］

中科院寧波材料所先進(jìn)涂層與增材制造研究團(tuán)隊(duì)［69-73］基于5～30 nm 納米碳球，研制出了超黑吸光涂層HD-CB99A、HD-CB98B 以及特種吸光涂層HD-CB97H，采用機(jī)器人在線編程輔助熱噴涂技術(shù)進(jìn)行超黑涂層噴涂成型，如圖27 所示，保證了超黑涂層的成分/組織均勻性和整體性能穩(wěn)定性。所研制的吸光涂層HDCB99A，如圖28 所示，在0.2～25 μm 波段吸光率高達(dá)99%，使用溫度范圍為-196～800 ℃，具有低的可凝揮發(fā)物污染。吸光涂層HD-CB98B 在0.2～2.5 μm 波段吸光率優(yōu)于98%，2.5～18 μm 波段輻射率超過(guò)0.96，具有優(yōu)異的輻射散熱功能，使用溫度范圍為-196～250 ℃。特種吸光涂層HD-CB97H 在0.2～2.5 μm 的吸光率平均值在97.5%～98.0%之間，2.5～18 μm 的輻射率可達(dá)0.96，彌補(bǔ)了涂層HD-CB99A、HD-CB98B 無(wú)法清潔、刮擦、觸摸的缺陷，具有一定的耐磨性能以及可觸可摸可洗的特點(diǎn)。

圖27 自動(dòng)機(jī)器人輔助熱噴涂技術(shù)［71］Fig.27 Automated robot-assisted thermal spray technology［71］

圖28 新型超黑涂層HD-CB99A［72］Fig.28 New super black coating HD-CB99A［72］

2020 年北京衛(wèi)星制造廠有限公司［74-75］研制了一種適用于空間環(huán)境的高吸收率消雜光熱控涂層SCB-1，如圖29 所示，在200～2 500 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)太陽(yáng)吸收比αs優(yōu)于0.98。經(jīng)過(guò)了真空-紫外、真空-電子及真空-質(zhì)子的連續(xù)輻照實(shí)驗(yàn)后太陽(yáng)吸收比降低最大值為0.012，半球發(fā)射率εh（同溫度下的輻射體和黑體的輻射出射度之比）變化量在0.01 以?xún)?nèi)，涂層太陽(yáng)吸收比與半球發(fā)射率變化較小。

圖29 真空-紫外、真空-電子及真空-質(zhì)子串聯(lián)輻照前后SCB-1 和PNC 涂層太陽(yáng)光譜吸收曲線［74-75］Fig.29 Test spectral curve before and after vacuum-UV，vacuum-electron and vacuum-proton irradia of SCB-1 and PNC［74-75］

2.3.4.2 碳納米管技術(shù)

碳納米管［76-78］作為國(guó)際新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，憑借其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)及超導(dǎo)性能等，引領(lǐng)新型消光材料的發(fā)展。理想碳納米管是無(wú)縫、中空的片層石墨烯管體，按照石墨烯的片層數(shù)可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。自2007 年起，NASA 科學(xué)家團(tuán)隊(duì)［79］研究了一種適用于空間飛行器的多壁碳納米管（Multiwalled Carbon Nanotube，MWCNT）涂層，稱(chēng)其“Blacker than black”，該涂層的吸收率在0.9～24 μm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)為0.99～0.91，且呈單調(diào)降低。已公開(kāi)報(bào)道的美國(guó)KH-12 衛(wèi)星［80-81］，除了使用錐形充氣罩用以折射地面雷達(dá)探測(cè)電磁波外，還使用了在可見(jiàn)光波段吸收率高達(dá)99.965%的碳納米管材料，因此，除了太陽(yáng)能電池板和工作鏡頭外，整個(gè)衛(wèi)星幾乎呈絕對(duì)黑色，地面觀測(cè)裝置很難探測(cè)到該衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了隱身效果。

英國(guó)Surrey Nano Systems 公司［82］基于碳納米管材料研制的Vantablack 也是反射率最低的超黑材料，如圖30 所示，光線無(wú)法直接進(jìn)入只能穿過(guò)其間的縫隙。這種超黑物質(zhì)傳導(dǎo)熱的效率為銅的7 倍，堅(jiān)固程度為鋼的10 倍，測(cè)試633 nm 波長(zhǎng)可見(jiàn)光的吸收率達(dá)到了99.965%。任何被它覆蓋的物體在人眼看來(lái)都會(huì)是一個(gè)平坦且無(wú)底的空洞。Vantablack S-VIS 適用于光譜范圍為紫外-太赫茲（UV-THz）的空間設(shè)備，Vantablack S-IR 適用于光譜范圍為5～14 μm 的空間設(shè)備，Vantablack VB×2 適用于光譜范圍為UV-THz的地面設(shè)備。涂有Vantablack S-VIS 的樣品在-196 ℃液氮浸泡后，放置于200 ℃熱板上后，其性能仍然保持不變。2015 年12 月，該材料首次應(yīng)用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的雙星跟蹤器上，性能穩(wěn)定，隨后也應(yīng)用于Antares NG10 設(shè)備上。

圖30 Vantablack 黑漆的應(yīng)用［82］Fig.30 Application of Vantablack paint［82］

意大利DE NICOLA F 團(tuán)隊(duì)［83］在2016 年曾以硅為基底材料，沉積單壁碳納米管（Single Walled Carbon Nanotube，SWCNT）涂層進(jìn)行吸收率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，通過(guò)引入蛾眼效應(yīng)（梯度折射率），實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的高吸收，如圖31 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳納米管涂層的厚度可直接影響其抗反射性能。在45°入射光下，該材料的最高吸收率可達(dá)99.9%，發(fā)射率高達(dá)99.3%。

圖31 單壁碳納米管涂層［83］Fig.31 Single-walled carbon nanotube coatings［83］

2016 年，北京控制工程研究所的郝云彩、余成武等［84］仿真分析在雜光抑制角和點(diǎn)源透過(guò)率（Point Source Transmittance，PST）指標(biāo)一致的情況下，如圖32 所示，所設(shè)計(jì)的碳納米管遮光罩結(jié)構(gòu)構(gòu)型較噴涂PNC 黑漆的遮光罩長(zhǎng)度縮短了30 mm，外口徑縮小了45 mm。此外，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了以鈦合金材料為基底進(jìn)行碳納米管涂層生長(zhǎng)的新技術(shù)，涂層吸光率達(dá)到99%以上，所制作的碳納米管遮光罩可等效替代傳統(tǒng)飛行產(chǎn)品遮光罩，通過(guò)真空原子氧、熱真空、力學(xué)環(huán)境等各項(xiàng)空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有較好的空間環(huán)境適用性。

圖32 碳納米管遮光罩［84］Fig.32 Carbon nanotube（CNT）baffle［84］

2.3.4.3 微納表面結(jié)構(gòu)

2020 年，中科院西安光機(jī)所李明團(tuán)隊(duì)［85-86］通過(guò)調(diào)整飛秒激光在金屬表面的能量密度、掃描間隔和光束偏振態(tài)，獲得不同特性的表面微納混合結(jié)構(gòu)如圖33 所示，可作為光腔捕獲光線進(jìn)入其內(nèi)部經(jīng)多次反射最終達(dá)到衰減消光的目的，分析結(jié)果如圖34 所示。與其他典型周期性吸光結(jié)構(gòu)相比，該類(lèi)型的微納混合結(jié)構(gòu)在250～2 300 nm 光譜波段具有2%的超低平均反射率，在紫外波段最低反射率可降低至1.5%。高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證其性能具有較高的穩(wěn)定性，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)黑漆、電鍍、噴砂等方法壽命短、高低溫脫落、易污染、不穩(wěn)定等問(wèn)題，為雜散光的抑制手段提供新的思路。

圖33 飛秒激光加工設(shè)備及圓偏振激光下的微納結(jié)構(gòu)［85-86］Fig.33 Fs laser processing system and morphology of micro/nano structures in circularly polarized laser［85-86］

圖34 不同實(shí)驗(yàn)條件下微納結(jié)構(gòu)的光譜反射率［85-86］Fig.34 Reflection spectra of micro/nano structures at different experimental conditions［85-86］

2.3.4.4 光學(xué)鍍膜

提高透射光學(xué)元件表面的透過(guò)率（或者反射鏡的反射率），不僅能大幅提升系統(tǒng)獲得的有效總能量，還能減小雜光，尤其是可減少鬼像發(fā)生的概率。如圖35 所示，在透鏡表面鍍制高增透膜系或者通過(guò)鍍膜控制特定工作波段光線透過(guò)，抑制其他非工作譜段光線通過(guò)；反射鏡表面可以通過(guò)鍍高反射率膜系，如詹姆斯·韋伯（James Webb）望遠(yuǎn)鏡［87］以極高剛性和輕質(zhì)特性的鈹材料作為主鏡襯底，反射面的表面粗糙度小于20 nm，鍍上金膜后，有效提高了其反射紅外光線的能力。

圖35 鍍金膜的James Webb 太空望遠(yuǎn)鏡［87］Fig.35 James Webb Space Telescope coated with golden thin［87］

光學(xué)薄膜中的散射損耗直接影響著薄膜性能［88］，隨著表面均方根粗糙度的增大，鏡面反射率明顯下降。光學(xué)薄膜粗糙面的散射，除了要考慮單個(gè)界面粗糙度以外，還要考慮這些界面粗糙度之間的互相關(guān)特性。西安工業(yè)大學(xué)潘永強(qiáng)等［88］通過(guò)對(duì)K9 玻璃基底上TiO2薄膜的研究表明，當(dāng)基底粗糙度較小時(shí)，隨膜層厚度增加，薄膜表面的粗糙度不僅包括基底本身粗糙度復(fù)現(xiàn)在薄膜外表面，薄膜生長(zhǎng)所帶來(lái)的固有粗糙度也逐步體現(xiàn)，會(huì)逐漸減弱薄膜界面粗糙度的互相關(guān)性，其總后向散射仍?xún)?yōu)于粗糙度較高的基底上沉積的薄膜。因此，降低基底表面粗糙度可直接減小薄膜的散射損耗。

隨著鍍膜技術(shù)的不斷進(jìn)步，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、低溫化學(xué)氣相沉積（Low Temperature Chemical Vapor Deposition，LPCVD）、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）等新型化學(xué)氣相沉積鍍膜方式［89-92］出現(xiàn)，與經(jīng)典的物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）技術(shù)相比，所制備的薄膜以較大的折射率變化范圍，拓展了膜系設(shè)計(jì)的空間，可用于低散射漸變折射率光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)與制備，為改善現(xiàn)有光學(xué)薄膜器件性能及獲取特定功能光學(xué)薄膜提供新路徑。圖36 為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積實(shí)驗(yàn)裝置。

圖36 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積實(shí)驗(yàn)裝置［90-91］Fig.36 Setup of plasma-enhanced chemical vapor deposition（PECVD）［90-91］

具體來(lái)說(shuō)，與電子束熱蒸發(fā)技術(shù)比較，PECVD 技術(shù)制備的薄膜具有更為致密的薄膜結(jié)構(gòu)、更加靈活的折射率變化范圍和更少的表面缺陷（如物理氣相沉積技術(shù)不可控的制備缺陷，膜料噴濺和麻點(diǎn)等）；與離子束熱蒸發(fā)技術(shù)制備的薄膜相比，兩者致密度接近，但PECVD 薄膜的折射率可調(diào)范圍更加靈活，更適合制備折射率連續(xù)的漸變層。此外，PECVD 技術(shù)制備的薄膜具有良好的覆型性，適合異形曲面上的制備，非常適合在微結(jié)構(gòu)表面上制備光學(xué)薄膜。

漸變折射率薄膜，又稱(chēng)為非均勻薄膜［92-94］，即沿薄膜厚度方向膜層的折射率呈遞增或遞減變化，改善了傳統(tǒng)多層光學(xué)薄膜膜層間的不穩(wěn)定性和躍變特性，圖37 為漸變折射率涂層反射率分布圖。漸變膜層的層間緊密堆積，因此具有更優(yōu)良的增透特性和更高的激光損傷閾值（定義為單位面積上的激光能量，單位為J/cm2）。

圖37 漸變折射率涂層反射率分布［94］Fig.37 Reflectivity distribution of graded-index coating［94］

PECVD 技術(shù)在制備減反膜時(shí)［93］，可以在膜系結(jié)構(gòu)中引入漸變折射率層，平滑通帶的透過(guò)率、降低薄膜內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶減反、抗強(qiáng)場(chǎng)損傷等傳統(tǒng)薄膜制備技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；PECVD 技術(shù)所制備的高損傷閾值高反膜，薄膜表面更加均勻，且制備多層膜時(shí)，中間部分存在漸變層，使得界面破損效應(yīng)變小，從而使損傷閾值大幅提高。此外，PECVD 技術(shù)制備的薄膜的粗糙度優(yōu)于熱蒸發(fā)技術(shù)制備薄膜，且接近于離子束濺射技術(shù)制備的薄膜。

2.3.4.5 表面粗糙度與表面清潔度

圖38 給出了表面形貌和顆粒污染的分布圖。散射是輻射在傳播過(guò)程中遇到小微粒使傳播方向改變并向各個(gè)方向散開(kāi)。按照粒子尺寸與光波波長(zhǎng)的大小關(guān)系，引起散射的主要有瑞利散射和Mie 散射。瑞利散射是當(dāng)粒子尺寸小于1/10 波長(zhǎng)或更小時(shí)太陽(yáng)輻射光譜波長(zhǎng)的散射，強(qiáng)度正比于（1∕λ4）；Mie 散射是粒子尺寸大于1/10 波長(zhǎng)到接近太陽(yáng)輻射光譜波長(zhǎng)時(shí)所發(fā)生的散射，強(qiáng)度正比于（1∕λ2），且散射光的前向比后向的散射強(qiáng)度更強(qiáng)，方向性較明顯。故而光學(xué)表面的粗糙度會(huì)直接影響表面的散射特性。通常使用總積分散射（Total Integrated Scatter，TIS）表示散射或透射光總能量與入射光總能量的比值，其與均方根粗糙度σ 的關(guān)系為［95-96］

圖38 表面形貌和顆粒污染的影響［9，102-103］Fig.38 Influence of the surface topography and particulate contaminants［9，102-103］

式中，Δn是光束入射、散射空間的折射率差，對(duì)于鏡面而言，通常取Δn=2；λ為入射光波長(zhǎng)，θi為光束入射角。從式（3）可以看出，在其它條件保持不變的情況下，表面粗糙度與總積分散射成正比，隨著表面粗糙度增大，其像面接收到的雜散輻射必然增大，因此在光機(jī)元件加工時(shí)，要盡量控制表面粗糙度。

由散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系可以看出，波長(zhǎng)越短，散射強(qiáng)度越強(qiáng)。對(duì)于強(qiáng)光強(qiáng)目標(biāo)散射效應(yīng)尤其明顯。如lyα 日冕儀［97］主反射鏡采用超光滑表面（RMS 粗糙度優(yōu)于1 nm）來(lái)降低表面粗糙度引起光的散射。另一方面表面灰塵等微粒污染物的存在改變了光與介質(zhì)表面的散射特性，使其超出了表面粗糙度所造成的影響。大顆粒Mie 散射可以通過(guò)提高潔凈室內(nèi)空氣潔凈度實(shí)現(xiàn)消除，而瑞利散射可將光學(xué)設(shè)備放置真空密封腔，通過(guò)減少大氣中的微粒數(shù)量來(lái)減弱或建立相應(yīng)模型計(jì)算剔除。目前潔凈室等級(jí)［98-100］有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14644-1：2015 和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T16292-1996。美國(guó)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所［101］提出的清潔度標(biāo)準(zhǔn)IESTCC1246D 提供了表面清潔度（Cleanliness Level，CL）這一單一參數(shù)來(lái)量化描述表面微粒數(shù)量，TRIBBLE A及BUCH J 等［9］研究了表面清潔度與組裝環(huán)境的潔凈室級(jí)別、暴露于該環(huán)境中的時(shí)間和暴露于環(huán)境中的空間方向的關(guān)系，結(jié)果表明，在同等條件下，組裝環(huán)境潔凈水平越高、暴露時(shí)間越短、工作表面水平向下放置，其表面清潔度越好。這些參數(shù)與表面清潔度CL 值的關(guān)系為

式中，F(xiàn)orient為方向因子，當(dāng)工作面水平朝上時(shí)取1，垂直放置取0.1，水平面朝下取0.01；ρ為由潔凈室每小時(shí)換氣次數(shù)決定的常數(shù)；NISOCLASS為潔凈室的ISO 14644-1 級(jí)別；A為擬合常數(shù)。

2020 年，LINTZ M 等［104］通過(guò)分析引力波LISA 望遠(yuǎn)鏡光學(xué)表面因微流星體沖擊產(chǎn)生的碰撞坑與污染物，建立了一種估算光學(xué)表面微流星體損傷引起的雜散光的計(jì)算模型。2021 年，西安工業(yè)大學(xué)潘永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)［105-106］通過(guò)在K9 玻璃表面沉積單層SiO2或TiO2光學(xué)薄膜，如圖39 所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)元件表面上方半徑為100 nm 粒子污染物球心處電場(chǎng)強(qiáng)度的有效調(diào)控，并根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度最小值確定了所對(duì)應(yīng)的光學(xué)薄膜厚度，不僅降低了光學(xué)元件表面污染物球心處的電場(chǎng)強(qiáng)度，也進(jìn)一步降低了光學(xué)元件表面粒子污染物引起的雙向反射分布函數(shù)（BRDF）以及污染物引起的總散射損耗。計(jì)算結(jié)果表明，波長(zhǎng)為632.8 nm 的光垂直入射時(shí)，單層SiO2薄膜和單層TiO2 薄膜可將K9 玻璃表面的總散射分別降低12.40%和25.04%，通過(guò)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了單層SiO2薄膜對(duì)于表面粒子污染物散射降低的有效性。但該方法的應(yīng)用需要預(yù)估表面粒子污染物的粒徑分布，對(duì)基底材料、光學(xué)薄膜的種類(lèi)和厚度都有特定要求。

圖39 單層光學(xué)薄膜對(duì)表面顆粒污染的散射抑制［105-106］Fig.39 Suppression of surface particle pollutant scattering by single-layer film［105-106］

此外，還可以利用一些清除表面污染的方法［107-111］，如釋氣處理、二氧化碳噴雪花效應(yīng)、離子去除法、紫外線輻射清潔以及靜電除塵技術(shù)等，清潔光學(xué)表面以降低其表面散射。二氧化碳噴雪清潔是利用處于高壓狀態(tài)下的液態(tài)或氣態(tài)二氧化碳在減壓噴霧過(guò)程中形成含有固體二氧化碳雪花晶體（0.3～1 μm）的高速運(yùn)動(dòng)氣流和污染物間的能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移（表面污垢受冷微變形，雪花升華產(chǎn)生體積膨脹，爆開(kāi)污垢）以及高速氣流的清洗作用來(lái)清除光路內(nèi)的污染物，已經(jīng)在很多航空航天項(xiàng)目中得以應(yīng)用。圖40 是二氧化碳雪清潔現(xiàn)場(chǎng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）清潔對(duì)象廣：可去除油脂（如指紋）、分子污染物及亞微米顆粒污染物；2）清洗速度快：能完成大面積、大尺寸光學(xué)元件清洗；3）效率高：光學(xué)元件表面清潔水平可優(yōu)于IEST-CC1246D 標(biāo)準(zhǔn)250級(jí)；4）對(duì)基底材料基本不限制：清潔材料包括金屬、陶瓷、塑料和玻璃表面、半導(dǎo)體晶片、真空元器件、各種鍍膜（金膜、銀膜等）后的光學(xué)元件等。

圖40 二氧化碳雪清潔現(xiàn)場(chǎng)［87］Fig.40 CO2 snow cleaning［87］

除此以外，還可以利用靜電防塵和除塵。當(dāng)不帶靜電微粒與另一個(gè)帶靜電物體靠近時(shí)，基于靜電感應(yīng)，微粒會(huì)感應(yīng)出與帶靜電物體相反的電性，互相吸引，從而出現(xiàn)靜電吸附現(xiàn)象。王虎等［112］設(shè)計(jì)了一種光學(xué)系統(tǒng)防塵裝置，如圖41（a）所示，通過(guò)將特定的導(dǎo)電膜鍍制在光學(xué)系統(tǒng)的第一鏡面上，依靠鍍膜后鏡面與特殊導(dǎo)電壓圈的可靠接觸，靜電經(jīng)由導(dǎo)電膜傳遞后由接地導(dǎo)出，最終灰塵因無(wú)靜電吸附而無(wú)法粘附在鏡面上，實(shí)現(xiàn)防塵目的。該方法尤其適合于月球車(chē)、火星車(chē)等對(duì)光學(xué)載荷具有較高防塵需求的任務(wù)中。除了消除靜電實(shí)現(xiàn)除塵外，也可以利用靜電場(chǎng)電暈放電，釋放離子與自由電子，則灰塵粒子將帶有相應(yīng)電子，經(jīng)集塵板收集清除。KANAZAWA S 等［113］研究的雙極荷電技術(shù)，如圖41（b）所示，可使帶相反電荷的細(xì)顆粒在電荷間庫(kù)侖力的作用下發(fā)生靜電凝聚，產(chǎn)生更大的顆粒，從而提高了靜電除塵（ESP）對(duì)細(xì)（亞微米）顆粒的收集效率，如圖41（c）所示，通過(guò)使用雙極荷電技術(shù)，粒徑為0.3～1 μm 的顆粒物的分布比例由原來(lái)的75%減少到18%，粒徑為1～5 μm 的顆粒物分布比例由25%增大到82%，微納米量級(jí)顆粒污染物的去除效率達(dá)到了80%。2016 年馮壯波等［114］曾通過(guò)在靜電除塵器上加入纖維過(guò)濾器，混合除塵，提高了對(duì)粉塵微粒的收集效率。

圖41 靜電除塵技術(shù)與應(yīng)用［112，114］Fig.41 Electrostatic dust removal technology and application［112，114］

2.4 視場(chǎng)內(nèi)雜散光抑制方法

視場(chǎng)內(nèi)雜散光主要是由非成像光束通過(guò)儀器內(nèi)壁及元件折、反射后進(jìn)入像面產(chǎn)生的，具體受光學(xué)元件、結(jié)構(gòu)件表面粗糙度、表面疵病以及表面污染所帶來(lái)的殘余反射、散射以及衍射的影響，以及光學(xué)元件、結(jié)構(gòu)件等各折射面的反射光、儀器內(nèi)壁的反射光，鏡片本身的漫反射或者鏡筒的反射等。因此，在雜散光的抑制上，要對(duì)光學(xué)元件的加工、使用、搬運(yùn)、清洗、保存過(guò)程嚴(yán)格控制，保證所需表面質(zhì)量和表面清潔度，避免因?yàn)楸砻娲植诙?、表面疵?。辄c(diǎn)、劃痕、破點(diǎn)等）及表面污染對(duì)成像造成影響，還要根據(jù)光學(xué)元件類(lèi)型使用高反射膜系或高透過(guò)率膜系，對(duì)光路附近的非工作面使用高吸收率涂層，這與視場(chǎng)外雜散光部分抑制方法一致。

鬼像即二次反射像，是視場(chǎng)內(nèi)雜散光的另外一種表現(xiàn)形式，為光學(xué)系統(tǒng)中任意兩個(gè)表面的殘余反射導(dǎo)致部分非成像光線在光學(xué)系統(tǒng)焦面附近匯聚形成的附加像。由于光學(xué)系統(tǒng)都鍍高反/高透膜，經(jīng)兩次反射后能量更加微弱，故一般只考慮二次反射引起的鬼像影響。對(duì)于有k個(gè)折射面的光學(xué)系統(tǒng)，其任意兩面間各一次反射造成的鬼像數(shù)目為k×()k-1 2。鬼像包括鬼像焦點(diǎn)像和鬼像光瞳像。鬼像焦點(diǎn)像由物面形成，鬼像光瞳像由光瞳形成。由于光瞳是系統(tǒng)全視場(chǎng)能量積分處，所以鬼像光瞳像的影響可能較大。對(duì)于高功率激光系統(tǒng)而言，為了防止激光擊穿空氣，形成氣爆，除了要避免成像光路形成的內(nèi)焦點(diǎn)，還要避免鬼像光路形成的鬼像內(nèi)焦點(diǎn)。

在鬼像的抑制方面，除了控制表面質(zhì)量、表面清潔度，使用特定膜系、涂層以外，可以在初始光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)鬼像進(jìn)行快速初步分析，通過(guò)不斷調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型及內(nèi)部光學(xué)元件參數(shù)，盡可能在保證系統(tǒng)成像質(zhì)量前提下，對(duì)鬼像進(jìn)行消除。另外，減小曝光時(shí)間以及圖像處理也是常用的鬼像消除方法，圖42 是圖像法消鬼像流程，圖43 是圖像法消除鬼像實(shí)例。

圖42 圖像法消鬼像流程Fig.42 Image method to eliminate ghost image

圖43 圖像法消鬼像實(shí)例［7］Fig.43 An example of image method to eliminate ghost image［7］

2.5 內(nèi)部熱輻射抑制方法

紅外成像系統(tǒng)中，在一定溫度下內(nèi)部元件會(huì)產(chǎn)生熱輻射，使紅外探測(cè)器響應(yīng)從而影響目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)。在使用遮光罩以及光闌組合進(jìn)行抑制外部雜散光時(shí)，雖然也會(huì)減弱外部環(huán)境帶來(lái)的溫度變化對(duì)內(nèi)部元件的影響，但是在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，仍然需要獨(dú)特的內(nèi)部熱輻射抑制方法，包括溫度控制法和溫闌抑制法，在設(shè)計(jì)時(shí)往往根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，使用多種方法共同抑制。

2.5.1 溫度控制法

溫度控制法是對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部降溫，短波波段逐步成為輻射能量中心，因此長(zhǎng)波紅外熱輻射能量得到降低。溫度控制法作為最有效的內(nèi)部熱輻射抑制方法之一，曾被多個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)所使用。歐洲宇航局于2009 年發(fā)射的空間望遠(yuǎn)鏡Herschel［115］如圖44 所示，通過(guò)將望遠(yuǎn)系統(tǒng)浸泡在液氮中，保持恒溫85 K 左右，可以在長(zhǎng)波紅外甚至55～671 μm 波段進(jìn)行有效探測(cè)。此外，南極多波段紅外相機(jī)（Antarctic Multiband Infrared Camera，AMICA）［116］也采用了該方法，將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、濾光輪和紅外探測(cè)器放置于特制的35 K 低溫杜瓦瓶?jī)?nèi)，中波紅外陣列相機(jī)直接與二級(jí)制冷機(jī)相連，并與光路進(jìn)行隔熱處理，制冷溫度可達(dá)7 K。

圖44 溫度控制法實(shí)例［115］Fig.44 An example of temperature control method［115］

圖45 是中科院云南天文臺(tái)研制的1 m 新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）［117］，主要用于太陽(yáng)觀測(cè)。太陽(yáng)照射會(huì)讓地面溫度劇烈升高，不同地物的反射率不同，地面和大氣的感熱交換引起近地大氣溫度梯度，嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量。水的比熱非常大，且有很高的傳導(dǎo)能力，獲得的太陽(yáng)輻射能很快地向下層傳導(dǎo)。另外水的蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸發(fā)過(guò)程中消耗了很多熱量使水溫升不高，也減少了空氣的感熱交換，使得相同熱量照射到水面與照射到地面的情況下水面的升溫會(huì)慢很多。因此在有大面積水的區(qū)域，白天的氣流一般都很穩(wěn)定，望遠(yuǎn)鏡受到的干擾就小。另外撫仙湖觀測(cè)站為了降低望遠(yuǎn)鏡及建筑物本身吸收太陽(yáng)熱量引起對(duì)大氣的輻射影響，將觀測(cè)站附近所有暴露物品都涂成對(duì)太陽(yáng)反射率較高的白色，樓頂平臺(tái)也最大限度灌滿了水，與湖水形成循環(huán)，時(shí)刻帶走太陽(yáng)照在建筑物上的熱量，從而把太陽(yáng)對(duì)大氣的熱輻射影響降到最小。

圖45 1 m 新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡NVST［117］Fig.45 One-meter vacuum solar telescope NVST［117］

此外，黃善杰等［115］通過(guò)對(duì)1 m 口徑紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)光闌、密封窗口和CCD 探測(cè)器等關(guān)鍵部位進(jìn)行局部制冷，在保證望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀測(cè)精度的同時(shí)有效抑制了系統(tǒng)內(nèi)部輻射，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行溫度調(diào)整，減小對(duì)杜瓦體積、成本、探測(cè)器工作溫度的限制與約束。

2.5.2 溫闌控制法

溫闌控制法即采用溫闌和冷光闌相匹配的方法抑制紅外系統(tǒng)內(nèi)部雜光。冷光闌可以抑制背景輻射，并且冷光闌通常與前面光學(xué)系統(tǒng)出瞳及大小相重合，即冷光闌效率為100%，此時(shí)進(jìn)入主光路的雜散光將被冷光闌遮攔，從而有效抑制了系統(tǒng)的雜散輻射。成像光束通過(guò)溫闌反射凹面中心孔，聚焦到像面上。凹面把冷光闌的孔徑成像于冷光闌的孔徑平面上，即溫闌-冷光闌匹配。這種匹配可以顯著減少背景噪聲，改善像面的均勻性。

2.5.3 雜光綜合抑制

在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)結(jié)合多種抑制方法以達(dá)到最佳雜光抑制效果。英國(guó)宇航技術(shù)中心（UK Astronomy Technology Centre，UKATC）所設(shè)計(jì)的可見(jiàn)光和近紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy，VISTA）［22］所搭載的紅外相機(jī)（VISTA IR Camera，VIRCAM）如圖46 所示，采用Ritchey-Chretien 結(jié)構(gòu)，由于視場(chǎng)范圍較大，取消了傳統(tǒng)的冷光闌結(jié)構(gòu)，對(duì)擋光環(huán)結(jié)構(gòu)及特殊光學(xué)元件（成像透鏡）進(jìn)行降溫處理，很好地抑制了系統(tǒng)中的內(nèi)部雜散輻射。擋光環(huán)為橢圓反射式結(jié)構(gòu)，表面鍍有特殊消雜光膜層，可有效吸收近紅外波段輻射并反射中波以上的熱輻射。此外，在系統(tǒng)次鏡附近添加的環(huán)狀反射光闌有效抑制了大氣輝光傳遞到系統(tǒng)像面，減弱雜散光對(duì)系統(tǒng)的作用。

圖46 VIRCAM 紅外相機(jī)綜合抑制熱輻射［22］Fig.46 Comprehensive thermal suppression in VIRCAM［22］

涂層法作為抑制雜散光的基礎(chǔ)，對(duì)于內(nèi)部熱輻射同樣有效。根據(jù)紅外系統(tǒng)的工作波段進(jìn)行涂層選擇，如鍍金會(huì)增加紅外鏡面的反射率、降低其表面吸收率和紅外波段發(fā)射率。圖47 是美國(guó)在2010 年研制的長(zhǎng)波紅外光譜儀MAKO［115］，采用內(nèi)部鍍金的方法，減弱了系統(tǒng)內(nèi)部散射。

圖47 MAKO 光譜儀鍍金實(shí)物圖［115］Fig.47 Gold plating of MAKO spectrometer［115］

對(duì)于紅外光學(xué)設(shè)備，必須考慮冷反射（Narcissus）。紅外探測(cè)器比它周?chē)沫h(huán)境溫度低，它的輻射有可能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)中的某些面反射回來(lái)又落在探測(cè)器上，從而形成探測(cè)器自身的冷像，在像面的中心出現(xiàn)冷反射的黑斑鬼像。

冷反射也有兩種抑制方法，一種為結(jié)構(gòu)法，另一種是補(bǔ)償法，即非均勻性校正法。與結(jié)構(gòu)法消除鬼像類(lèi)似，結(jié)構(gòu)法抑制冷反射，同樣需要先分析出產(chǎn)生嚴(yán)重冷反射的光學(xué)表面，調(diào)整該表面的曲率半徑直至冷反射像無(wú)法會(huì)聚于像面，如把光學(xué)系統(tǒng)前面的平板窗口傾斜放置。鬼像與冷反射的區(qū)別在于來(lái)源不同，前者來(lái)源為強(qiáng)光源，后者來(lái)源為冷屏。強(qiáng)光源（或者目標(biāo)）隨光學(xué)系統(tǒng)拍攝時(shí)，逐漸發(fā)生變化，冷屏則保持不變，因此可使用變密度盤(pán)法補(bǔ)償［7］。此外，變密度盤(pán)可校正因漸暈或者鍍膜不均勻造成的像面照度不均勻現(xiàn)象。

2.6 其他雜散光抑制方法

2.6.1 濾波法

濾波法分為空域?yàn)V波法和帶通濾波法?？沼?yàn)V波法是利用探測(cè)器靈敏度相對(duì)較強(qiáng)的譜段，規(guī)避雜光譜段。帶通濾波法是在系統(tǒng)前加一個(gè)窄帶濾光片，濾除工作譜段外其余雜光。美國(guó)NASA 于1998 年發(fā)射的太陽(yáng)探測(cè)器（Transition Region and Coronal Explorer，TRACE）單載荷衛(wèi)星［118-119］，采用了帶通濾波法抑制雜散光，如圖48 所示，系統(tǒng)前端安裝四象限濾光片以阻止非成像波長(zhǎng)的輻射進(jìn)入系統(tǒng)，其中三個(gè)扇形濾光片透過(guò)17.1 nm、19.5 nm、28.4 nm 太陽(yáng)特征譜段波長(zhǎng)，一個(gè)圓形濾光片是針對(duì)121.6 nm、150 nm 特征波長(zhǎng)，一對(duì)濾光輪安裝在主鏡后面，以進(jìn)一步濾光并在紫外通道中提供波長(zhǎng)選擇。每個(gè)濾光輪位置處各自配備了一個(gè)鋁薄膜濾光片，以防入口濾光片出現(xiàn)針孔或在其他形式的故障時(shí)提供進(jìn)一步的雜散光的衰減。此外，NASA 在2010 年發(fā)射的太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)衛(wèi)星（Solar Dynamics Observatory，SDO）攜帶的大氣成像裝置（Atmospheric Imaging Assembly，AIA）光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組前方同樣采用窗口濾光片［120］，如圖49 所示，能夠阻止來(lái)自太陽(yáng)的絕大部分熱輻射進(jìn)入鏡筒內(nèi)。前端窗口濾波片、反射鏡涂層以及像面濾波片的共同作用，可滿足對(duì)其他譜段雜散光的抑制要求。

圖48 帶通濾波法在TRACE 望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用［118-119］Fig.48 Application of bandpass filtering to suppress stray light in TRACE［118-119］

圖49 帶通濾波法在SDO-AIA 望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用［120］Fig.49 Application of bandpass filtering to suppress stray light in SDO-AIA［120］

2.6.2 相鄰幀相減法

相鄰幀相減法也稱(chēng)為背景提取法，其原理是控制照明的開(kāi)和關(guān)，同時(shí)采集圖像，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）（或激光）不開(kāi)啟時(shí)采集的圖像只有背景光，開(kāi)啟時(shí)采集的圖像包括目標(biāo)和背景光，兩幅圖像相減即可把干擾背景消除掉。2011 年，張維安等［121-122］為解決全向激光探測(cè)中太陽(yáng)光閃爍產(chǎn)生虛假信號(hào)，干擾實(shí)際探測(cè)的問(wèn)題，按照?qǐng)D像的特征對(duì)經(jīng)過(guò)相鄰幀相減后的光斑圖像進(jìn)行了判斷和識(shí)別。該方法不依賴(lài)于探測(cè)器和圖像采集設(shè)備，可以在后期處理中完成。圖50 為太陽(yáng)光虛假信號(hào)的識(shí)別與排除分析圖，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法對(duì)虛假信號(hào)具有較好的識(shí)別和抑制效果。

圖50 太陽(yáng)光虛假信號(hào)的識(shí)別與排除［121］Fig.50 Judgment and exclusion of false signal generated by sunlight［121］

2.6.3 偏振法

傳統(tǒng)強(qiáng)度成像只能記錄目標(biāo)的振幅信息，難以記錄目標(biāo)特有的其它維度信息［123］。偏振圖像以像素點(diǎn)灰度值對(duì)應(yīng)不同偏振信息，可以獲取強(qiáng)度圖像不具備的特有信息，可對(duì)強(qiáng)度成像技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，應(yīng)用廣泛。圖51（a）為常規(guī)的強(qiáng)度圖像，玻璃表面和水面的反射導(dǎo)致難以觀察玻璃后和水下場(chǎng)景，圖像模糊，而葉片反射光甚至造成了圖像發(fā)白，顏色失真。在圖51（b）的偏振圖像中，對(duì)表面強(qiáng)度炫光進(jìn)行了消除，圖像清晰度更佳。

圖51 偏振光學(xué)成像消除炫光［123］Fig.51 Polarized optical imaging eliminates glare［123］

偏振成像憑借在散射介質(zhì)中清晰成像的優(yōu)勢(shì)，在霧霾成像和不透明水體成像中應(yīng)用廣泛。在2001 年，哥倫比亞大學(xué)的SCHECHNER Y Y 等［123］基于對(duì)霧霾大氣下目標(biāo)成像研究，提出了以偏振技術(shù)為核心的去霧算法模型。通過(guò)旋轉(zhuǎn)相機(jī)前方的線偏振片，獲得偏振方向互為正交的兩幅圖像，由圖像的偏振信息計(jì)算空氣光強(qiáng)，并在原始拍攝對(duì)象中對(duì)空氣光強(qiáng)進(jìn)行剔除，在一定程度上，可以對(duì)觀測(cè)目標(biāo)背景雜光進(jìn)行衰減和消除。后續(xù)還可以通過(guò)補(bǔ)償目標(biāo)反射光強(qiáng)，達(dá)到偏振清晰成像的目的。該理論的提出和應(yīng)用，奠定了偏振法在背景去噪技術(shù)中的重要地位，推動(dòng)了偏振成像技術(shù)的快速發(fā)展。圖52 是偏振成像技術(shù)在圖像去霧中的應(yīng)用，其中圖52（a）、（b）為偏振方向互為正交的原始拍攝圖像，圖52（c）為后期經(jīng)偏振去霧算法處理后的清晰圖像。

圖52 偏振光學(xué)即時(shí)去霧效果［123］Fig.52 Instant dehazing of images using polarization［123］

渾濁水體成像的物理模型，與大氣霧霾下的光學(xué)成像很相似，均為介質(zhì)中的顆粒物對(duì)成像光線的吸收和散射造成了觀測(cè)圖像的模糊和退化［124］。但由于渾濁水體對(duì)光線的衰減作用更強(qiáng)，導(dǎo)致環(huán)境光照度變?nèi)?，所以一般需要采用主?dòng)成像。以主動(dòng)光照明作為水下成像的探測(cè)方式，水中顆粒物會(huì)與光源相互作用，造成較強(qiáng)的后向散射光，直接影響到圖像的觀測(cè)。天津大學(xué)胡浩豐課題組［125］為了抑制后向散射光對(duì)圖像的干擾，以偏振為基礎(chǔ)，采用圓偏振光主動(dòng)照明，提升了觀測(cè)圖像的清晰度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖53 所示。

圖53 圓偏振光在渾濁介質(zhì)偏振成像恢復(fù)中的應(yīng)用［125］Fig.53 Application of circularly polarized light in the restoration of polarized imaging in turbid media［125］

此外，劉飛等［124，126］也曾對(duì)自然光照明下的圖像進(jìn)行了偏振復(fù)原研究，充分考慮了水體的吸收和散射效應(yīng)。該模型不僅解決了后向散射導(dǎo)致的圖像對(duì)比度降低問(wèn)題，在一定程度上減弱了水體吸收所引起的圖像色彩畸變。圖54 為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖。

圖54 自然光照下的清晰介質(zhì)偏振成像［126］Fig.54 Polarization-based imaging for clear underwater vision in natural illumination［126］

隨著對(duì)水下成像研究的深入，前向散射對(duì)圖像的影響同樣不可忽略。西安電子科技大學(xué)邵曉鵬團(tuán)隊(duì)［124，127］以刃邊法為基礎(chǔ)，對(duì)前向散射造成的圖像退化函數(shù)進(jìn)行了合理估計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，如圖55 所示。該模型一般用于低濃度渾濁水體中，提升了圖像對(duì)比度，圖像細(xì)節(jié)較為清晰，實(shí)現(xiàn)了水下“看得清”的目的。

圖55 刃邊法使用前后圖像對(duì)比［127］Fig.55 Image comparison before and after using the edge method［127］

2.6.4 數(shù)值孔徑法

當(dāng)光線從折射率較高的光纖纖芯進(jìn)入較低折射率光纖包層時(shí)，若入射角超過(guò)某一臨界角（光線遠(yuǎn)離法線）時(shí)，折射光線將會(huì)消失不見(jiàn)，所有的入射光線將沿光纖纖芯反射而不會(huì)進(jìn)入光纖包層，如圖56（a）、（b），這是由于入射光線在光纖纖芯和包層的交界面產(chǎn)生全反射。

基于光纖全反射對(duì)光線選擇的原理，王虎等［128］提出了針對(duì)不同視場(chǎng)設(shè)置不同數(shù)值孔徑的光纖組合，如圖56（c）所示，只允許特定視場(chǎng)成像光線通過(guò)，達(dá)到對(duì)視場(chǎng)外雜散光的抑制作用。為實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)上均勻有效的耦合，可以采用多模光纖彎曲，最終在傳統(tǒng)焦平面獲得相應(yīng)圖像。由于光導(dǎo)纖維反射時(shí)沒(méi)有光線的損失，因此該方法能夠提高探測(cè)系統(tǒng)的信噪比，為雜散光的抑制開(kāi)辟了新方向。

圖56 數(shù)值孔徑法抑制雜散光Fig.56 Numerical aperture method to suppress stray light

2.6.5 圖像校正法

光機(jī)系統(tǒng)在完成優(yōu)化設(shè)計(jì)、加入雜散光抑制措施后，若雜散光的作用仍然明顯或需進(jìn)一步提升探測(cè)信噪比，還可以通過(guò)后期圖像處理校正雜光。雜散光的圖像校正主要分為圖像復(fù)原法和矩陣法［129］。

圖像復(fù)原法是以反卷積的方式，將質(zhì)量較低的缺陷圖像進(jìn)行復(fù)原和恢復(fù)［11］。該方法主要依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)和雜散光的成因分析圖像退化過(guò)程，建立相應(yīng)的圖像降質(zhì)類(lèi)型，從而估算系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，最后采用相應(yīng)算法對(duì)圖像復(fù)原。IWASAKI A 等［129］建立了包含特征參量的雜散光分布函數(shù)，并利用Van-Cittert迭代算法對(duì)雜光進(jìn)行了校正。BITLIS B 等［130］提出了移變分析參數(shù)模型，通過(guò)實(shí)測(cè)隨空間變化的不同視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，使用非線性?xún)?yōu)化計(jì)算了模型中的未知參數(shù)，如圖57 所示。隨空間變化的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)增大了圖像復(fù)原的計(jì)算量，但是校正后圖像飽滿，細(xì)節(jié)清晰，對(duì)比度更高。KOVACS G 等［131］通過(guò)在軌測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，運(yùn)用反卷積的方法對(duì)小行星Vesta 圖像進(jìn)行了校正，如圖58 所示。原育凱等［129］在光機(jī)建模的基礎(chǔ)上，獲得FY-2 氣象衛(wèi)星掃描輻射計(jì)圖像退化模型，采用逆濾波算法實(shí)現(xiàn)校正。嚴(yán)明等［132-134］使用分塊自適應(yīng)算法對(duì)雜散光進(jìn)行處理，前提是要測(cè)量雜光在圖像上的空間分布，建立特征模型函數(shù)。圖59 為采用分塊算法的SJ-9A 遙感圖像。

圖57 非線性?xún)?yōu)化算法在圖像上的應(yīng)用［130］Fig.57 Application of nonlinear optimization algorithm in image correction［130］

圖58 反卷積法在小行星Vesta 圖像上的應(yīng)用［131］Fig.58 Application of deconvolution algorithm in image correction of asteroid Vesta［131］

圖59 分塊自適應(yīng)算法在“實(shí)踐九號(hào)”衛(wèi)星多光譜圖像上應(yīng)用［132-134］Fig.59 Application of sub-image adaptive algorithms in multispectral image correction of SJ-9A［132-134］

矩陣法以?xún)x器在不同像元下的雜散光分布矩陣為基礎(chǔ)，通過(guò)矩陣運(yùn)算完成對(duì)雜散光的校正。該方法最早由ZONG Yuqin［135］提出，如圖60 所示。國(guó)外多數(shù)的成像儀器都采用該方法來(lái)抑制儀器內(nèi)部雜散光。張軍強(qiáng)等［129］使用單色儀測(cè)量了不同波長(zhǎng)位置處的雜散光影響矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜散光的校正。尚楊等［129］對(duì)成像光譜儀的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，將光譜儀假設(shè)為線性波長(zhǎng)不變系統(tǒng)，即單色光形狀與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只在位置進(jìn)行平移的前提下，構(gòu)建光譜函數(shù)矩陣，確定波長(zhǎng)權(quán)重影響因子，使用帶寬矩陣校正帶寬，從而減弱和消除儀器測(cè)量中存在的雜散光誤差。

圖60 矩陣法對(duì)雜散光的校正［135］Fig.60 Correction of stray light by matrix method［135］

3 抑制模型表面特性測(cè)量與建模

雜散光分析的準(zhǔn)確性與幾何結(jié)構(gòu)模型以及表面散射模型的準(zhǔn)確性緊密相關(guān)。幾何模型的建立可以在軟件SolidWorks、AutoCAD、ProE 的輔助下準(zhǔn)確完成；雜散光在光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行散射和傳播，因此，對(duì)相關(guān)表面的散射特性研究是雜光仿真中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 雙向反射分布函數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)一般由不同材料和屬性的各種表面構(gòu)成，不同材料和不同屬性的表面，其反射、散射、吸收等特性不同，因此對(duì)系統(tǒng)表面特性進(jìn)行研究，是進(jìn)行雜散光分析的基礎(chǔ)。雙向反射分布函數(shù)（BRDF）是研究物體表面散射屬性的主要工具，由NICODEMUS F E［26，136-137］在1970 年首次提出，使用幾何方法表征表面的散射特性，定義為反射（散射）輻亮度與入射輻照度的比值，即

式中，θi和?i分別是入射光線在球坐標(biāo)系中的天頂角和方位角，θs和?s分別是散射光線在球坐標(biāo)系中的天頂角和方位角，dL是散射表面微分輻亮度，dE是微分入射輻照度，dPs是散射在立體角dΩs內(nèi)的輻射功率，Pi是入射輻射功率，如圖61 所示。

圖61 BSDF、BRDF 和BTDF 的定義［26，136-137］Fig.61 Geometry for the definition of BRDF，BTDF and BSDF［26，136-137］

BRDF 除了與入射角、散射角有關(guān)外，也是入射波長(zhǎng)、入射光、散射光偏振態(tài)的函數(shù)。BRDF 的定義可以擴(kuò)展到透射元件的雙向透射分布函數(shù)BTDF，且BRDF 和BTDF 之和構(gòu)成一般雙向散射分布函數(shù)BSDF。

3.2 BRDF 設(shè)備與測(cè)量

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀準(zhǔn)確，可以對(duì)一些復(fù)雜或未知材料的表面散射情況進(jìn)行測(cè)量，然后在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行建模與解析計(jì)算。鑒于表面散射在雜散光分析中的關(guān)鍵作用，國(guó)外對(duì)BRDF 的測(cè)量研究起步很早，很多研究機(jī)構(gòu)都竭盡全力來(lái)研究自己特有的測(cè)量?jī)x器。

1977 年，美國(guó)Hughes Aircraft 公司［138］就已自主研發(fā)并制造出了透明材料的BRDF 散射測(cè)量?jī)x。它采用四種波長(zhǎng)的激光（0.6328、1.06、3.29、10.6 μm）作為光源，測(cè)量了20 種紅外材料前向和后向0.5°～70°范圍的散射情況。1993 年，美國(guó)TMA Technologies Inc［139-140］為NASA 研制了高精度真角散射坐標(biāo)系（True Angle Scatter Coordinate system，TASC）全自動(dòng)散射儀，放置于萬(wàn)級(jí)層流潔凈室中使用，以防空氣微粒和灰塵污染對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。其測(cè)試光源為高強(qiáng)度氙燈，測(cè)試波長(zhǎng)為0.23～0.9 μm，覆蓋近紫外到近紅外，光源可更換，測(cè)量范圍覆蓋幾乎整個(gè)半球，曾用于NASA 對(duì)約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）Mars-1的測(cè)試。德國(guó)Fraunhofer 研究所［141-142］設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)角度分辨光散射儀（Angle Resolved Light Scatter，ARS），可用于任意電介質(zhì)、金屬或半導(dǎo)體材料，測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍從10-6～105sr-1，對(duì)均方根粗糙度優(yōu)于1 nm 的表面很靈敏。目前，國(guó)外已開(kāi)發(fā)多種商用BRDF 測(cè)量設(shè)備［139-144］，并提供測(cè)試服務(wù)，設(shè)備參數(shù)如表3、實(shí)物裝置如圖62 所示。

圖62 散射儀實(shí)物圖［139-140］Fig.62 Picture of the scatterometer［139-140］

表3 主要商用BRDF 測(cè)試設(shè)備［139，143］Table 3 The main commercial BRDF measurement devices［139，143］

國(guó)內(nèi)對(duì)BRDF 的測(cè)量研究雖然始于20 世紀(jì)末，但是發(fā)展迅速。中科院光電所、長(zhǎng)春光機(jī)所、上海光機(jī)所、安徽光機(jī)所、西安電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位［145-148］都搭建了BRDF 測(cè)量裝置，測(cè)量波長(zhǎng)范圍涵蓋紫外到紅外，可以測(cè)量樣片的標(biāo)量和極化BRDF，由于只能獲得有限條件下的BRDF，因此有必要結(jié)合（半）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用有限條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)算法優(yōu)化模型參數(shù)，完成樣片統(tǒng)計(jì)建模。由于大部分裝置為實(shí)驗(yàn)室搭建，所以未見(jiàn)后續(xù)應(yīng)用與報(bào)道。此外，測(cè)試數(shù)據(jù)比較分散，沒(méi)有形成統(tǒng)一的材料散射數(shù)據(jù)庫(kù)，且難以從他方得到特定材料BRDF 數(shù)據(jù)。

綜合分析國(guó)內(nèi)外BRDF 測(cè)量裝置，其主要組成部分如圖63 所示。目前，BRDF 的測(cè)量分為絕對(duì)測(cè)量法和相對(duì)測(cè)量法［149-150］。絕對(duì)測(cè)量法是直接按照BRDF 的定義，分別測(cè)量入射光和反射光對(duì)應(yīng)的電壓值，不使用任何參考標(biāo)準(zhǔn)直接將電壓值轉(zhuǎn)換，得到的測(cè)量結(jié)果。但是BRDF 測(cè)量裝置一般轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)本身誤差和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。相對(duì)測(cè)量法通常使用標(biāo)準(zhǔn)件（如聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)白板等）的測(cè)量值來(lái)對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校正，然后進(jìn)行目標(biāo)樣品的測(cè)量，最后使用標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量值修正樣品測(cè)量值。

圖63 BRDF 散射儀組成結(jié)構(gòu)Fig.63 Structure of the BRDF Scatterometer

雖然目前國(guó)內(nèi)外的BRDF 測(cè)試系統(tǒng)種類(lèi)繁多，功能強(qiáng)大，但仍存在以下問(wèn)題：

1）抗干擾能力弱，測(cè)試易受光源和探測(cè)器的不穩(wěn)定性、溫度變化等因素影響。

2）迄今為止，測(cè)試裝置均為單波長(zhǎng)測(cè)試或者離散多波長(zhǎng)疊加的多光譜測(cè)試，尚未見(jiàn)到有連續(xù)光譜的測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)有測(cè)試裝備可能會(huì)丟失很多光譜信息。

3）自動(dòng)化程度低，測(cè)試效率較低，測(cè)試過(guò)程繁瑣。入射方向與出射方向組合工況較多，如果提高測(cè)試精度，必然帶來(lái)極大的測(cè)試工作量。

4）測(cè)試精度問(wèn)題。在近鏡面反射角附近，由于探測(cè)器的遮攔，導(dǎo)致該部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失；大角度測(cè)試受環(huán)境污染影響較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

因此，未來(lái)BRDF 的測(cè)試會(huì)向高精度、多光譜、高效自動(dòng)化、抗干擾的方向發(fā)展，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建將成為必然。

3.3 BRDF 模型分析

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，光源和探測(cè)器的不穩(wěn)定會(huì)影響測(cè)量精度，而目標(biāo)表面的變化對(duì)測(cè)量也有一定的干擾。此外，BRDF 是入射光、反射光方向以及入射波長(zhǎng)的強(qiáng)函數(shù)。即使獲取同一波長(zhǎng)下的全部BRDF 信息，在精度要求不高時(shí)，入射和出射方向也有上萬(wàn)種線性組合，數(shù)據(jù)量龐大，要耗費(fèi)很多時(shí)間和存儲(chǔ)空間。所以實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以作為一種初步獲得材料表面信息的手段，不適合后續(xù)工程上大規(guī)模推廣及應(yīng)用。雜散光相關(guān)領(lǐng)域目前多在有限的特征BRDF 測(cè)量數(shù)據(jù)上建模計(jì)算，用以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不能得到任意入射和觀測(cè)方向上的不足。

根據(jù)基礎(chǔ)理論的不同，將散射模型分理論模型［151］和工程統(tǒng)計(jì)模型兩類(lèi)，其中工程統(tǒng)計(jì)模型又分為幾何光學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)／半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。理論模型以電磁?chǎng)散射理論為基礎(chǔ)，利用邊界條件限制，通過(guò)解方程獲得解析模型［152-155］，如Harvey-Shack 散射模型、Rayleigh-Rice 矢量微擾模型、Beckmann-Kirchhoff 理論模型。HARVEY J E［156］在進(jìn)行大量散射實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，散射光強(qiáng)隨散射角的變化曲線并不規(guī)律和對(duì)稱(chēng)。而將散射光強(qiáng)除以散射角余弦，并繪制隨散射角正弦與鏡面反射方向正弦的差的變化曲線后發(fā)現(xiàn)，這些曲線又可以相互重合?；趯?duì)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，得出“在方向余弦空間，散射輻照度是位移不變的”結(jié)論。HARVEY J E 和SHACK R V 后續(xù)又推導(dǎo)了表面散射現(xiàn)象的線性系統(tǒng)理論。Harvey-Shack 散射模型表達(dá)式為

式中，參數(shù)b0、l及s可由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算獲取。該模型經(jīng)過(guò)參數(shù)變換，可以轉(zhuǎn)化為雜散光分析軟件自帶的ABg 模型［9］，表達(dá)式為

Rayleigh-Rice 矢量微擾模型［157］表達(dá)式為

式中，Q是表面偏振因子，與入射角、散射角、入射光束、散射光束的偏振態(tài)有關(guān)，功率譜密度函數(shù)（Power Spectral Density，PSD）與x、y方向的頻率fx、fy有關(guān)。理論模型的堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)使其在適用范圍內(nèi)一般與實(shí)際測(cè)量保持一致，但在應(yīng)用方面存在制約條件：1）散射特性相關(guān)參數(shù)（如表面相關(guān)長(zhǎng)度、均方高度、介電常數(shù)等）不易獲得，并且各參數(shù)只有在相關(guān)頻段范圍內(nèi)有效；2）具有涂層的粗糙表面受到體散射和多重散射影響，求解過(guò)程復(fù)雜，難以得到簡(jiǎn)單、實(shí)用結(jié)論。中科院西安光機(jī)所王虎團(tuán)隊(duì)基于表面散射理論，推導(dǎo)了光滑條件下的廣義Harvey-Shack 近似解析式，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用增加了與散射角相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)校正因子。通過(guò)逆向散射的方法，從有限表面測(cè)量數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)其他角度的散射情況。結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)修正型廣義Harvey-Shack 散射模型能夠有效提高散射測(cè)驗(yàn)的精度，更符合光學(xué)表面的散射實(shí)際情況，可以應(yīng)用在后向散射抑制要求較高的超光滑表面儀器模型上［158］。

幾何光學(xué)模型是通過(guò)對(duì)實(shí)際粗糙表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)而推出的理論公式。模型假設(shè)表面是由無(wú)數(shù)微面元組成，每個(gè)微面元都遵循菲涅爾反射定律，所以，隨機(jī)粗糙表面的光散射特性是所有微面元共同光散射的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。幾何光學(xué)模型通常表示為鏡面反射與漫反射兩項(xiàng)的線性組合。其中，鏡反射項(xiàng)主要受到表面的菲涅爾反射函數(shù)、遮蔽函數(shù)以及小面元的分布函數(shù)影響，漫反射項(xiàng)則一般認(rèn)為滿足朗伯散射定律。由于幾何模型基于一系列假設(shè)，易受到材質(zhì)物理參數(shù)測(cè)量的限制，因此僅適用于具有某種特性表面的反射情況。典型模型如Torrance-Sparrow 模型［159-160］，可以預(yù)測(cè)非鏡向峰值現(xiàn)象。COOK R L 對(duì)Torrance-Sparrow 模型中面元分布函數(shù)進(jìn)行了修改，得到Cook-Torrance 模型［161］。幾何光學(xué)模型都適用于粗糙表面，即表面均方根（RMS）粗糙度遠(yuǎn)大于入射波長(zhǎng)。

（半）經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型以目標(biāo)表面的物理特性為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，利用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)函數(shù)的組合擬合表面散射特性，具有直觀、簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于該模型不以物理原理為基礎(chǔ)，所以模型一般沒(méi)有實(shí)際物理含義，通常不符合互易性、能量守恒等物理特性，典型（半）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蠰ambert 模型、Minnaert 模型、Phong 模型、Ward 模型等［143］。吳振森等［162］在Torrance-Sparrow 模型基礎(chǔ)上，提出了五參數(shù)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將微面元分布函?shù)表示為非高斯函數(shù)形式并使用相對(duì)菲涅爾函數(shù)，可以模擬金屬合金或帶有涂層的樣片，但形式復(fù)雜，計(jì)算量大。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又陸續(xù)提出了六參數(shù)、七參數(shù)模型［163］。無(wú)一例外，這些模型均是在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于各類(lèi)算法如遺傳算法、模擬退火算法等完成BRDF 的建模，建模結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)匹配良好。王虎團(tuán)隊(duì)基于實(shí)際表面散射情況，建立了適用于顆粒污染的Mie 散射模型和適用于表面疵病的朗伯散射模型。N種不同粒徑污染物［9］所導(dǎo)致的Mie 散射模型，表達(dá)式為

式中，λ為入射光線波長(zhǎng)；θs為相對(duì)于表面法線的散射角；f（Di）為第i個(gè)直徑的微粒密度；Is（Di，θ）和Ip（Di，θ）分別為直徑Di的微粒在S 偏振和P 偏振強(qiáng)度下關(guān)于散射角的函數(shù)；R為表面反射率。

如果散射表面的BSDF 不隨入射角或散射角的變化而變化，則該表面稱(chēng)為朗伯型。朗伯散射體的總積分散射TIS 與其BSDF 關(guān)系為

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的拓展，出現(xiàn)了以機(jī)器學(xué)習(xí)等方法為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型［164-168］。該方法不僅需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練建模，給實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)過(guò)大也會(huì)造成計(jì)算速度過(guò)于緩慢，因此，該方法并未在雜散光分析上進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用。

上述提到的模型都有著明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，散射模型都有著明確的適用范圍，僅針對(duì)某一類(lèi)或某幾類(lèi)目標(biāo)表面。對(duì)于未知及不同表面散射，可以在已有模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理選擇與改進(jìn)，獲得符合需要的實(shí)用模型。目前，適用范圍廣、模擬精度高的“萬(wàn)能模型”并未出現(xiàn)，這也是眾多科研人員的研究目標(biāo)。

4 雜散光抑制效果仿真

計(jì)算機(jī)仿真擬合是雜散光分析的重要方法，可以解決高抑制比光學(xué)系統(tǒng)雜散光測(cè)試費(fèi)用高昂、實(shí)驗(yàn)繁瑣的缺陷，能夠提高雜散光的分析效率。仿真模擬的結(jié)果具有重要參考意義，可指導(dǎo)實(shí)際光機(jī)系統(tǒng)的研制與生產(chǎn)。此外，隨著技術(shù)發(fā)展，軟件仿真分析的功能越來(lái)越全面，建立模型的精度也越來(lái)越高，現(xiàn)已成為研究雜散輻射的常用方法［59，169-170］。

4.1 雜散光分析軟件發(fā)展歷程

早在20 世紀(jì)70 年代初，NASA 及美國(guó)軍方就開(kāi)始委托科研機(jī)構(gòu)對(duì)雜散光分析軟件進(jìn)行了研究。隨后，出現(xiàn)了Honeywell Avionics Division 研制的GUERAP III，亞利桑那州立大學(xué)大學(xué)研制的Arizona’s Paraxial Analysis of Radiation Transfer/Program for the Analysis of Diffracted Energy（APART/PADE）以及Hughes Aircraft Company 研制的Off-Axis Rejection Design Analysis Software（OARDAS）等代表性的早期雜光仿真軟件［7］。這些軟件為美國(guó)和歐洲太空計(jì)劃做出了巨大貢獻(xiàn)，如APART 軟件曾對(duì)著名的Hubble 望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了詳細(xì)的雜散光分析，在滿足雜光抑制要求后，才進(jìn)行發(fā)射。在20 世紀(jì)80 年代中期，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)發(fā)了初步鬼像計(jì)算程序GHOST-V1.0，航天508 所編寫(xiě)了星載相機(jī)遮光罩雜光分析有限元法專(zhuān)用程序，中科院西安光機(jī)所李英才團(tuán)隊(duì)曾提出一種簡(jiǎn)化雜光分析方法的數(shù)理模型［7］。此外，北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校［171］也提出了雜散光的相關(guān)計(jì)算方法，但均未進(jìn)行大范圍推廣。雖然如此，這些工作也為雜散光分析軟件的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，計(jì)算機(jī)可以建立更為復(fù)雜、精確的光機(jī)系統(tǒng)模型，同時(shí)光線追跡的數(shù)量、速度、精確度也有了顯著提升。表4 為目前國(guó)內(nèi)外常用的雜散光分析軟件［169］。這些軟件都有非連續(xù)追跡的功能，可以兼容復(fù)雜的CAD、SolidWorks 結(jié)構(gòu)。ASAP 軟件是對(duì)APART 軟件的升級(jí)和發(fā)展，是一套綜合雜散光分析軟件，具有最好的光線追跡效率。Lambda Research 公司研發(fā)的TracePro，圖形界面友好和3 維圖形功能強(qiáng)大。此外，Zemax、CODE V 等知名商業(yè)化光學(xué)綜合設(shè)計(jì)軟件，也有很強(qiáng)的雜散光分析功能。

表4 各類(lèi)雜散光分析軟件對(duì)比［169］Table 4 Comparison of various stray light analysis softwares［169］

4.2 仿真分析的計(jì)算方法

從20 世紀(jì)20 年代到現(xiàn)在，出現(xiàn)了多種雜散光的計(jì)算方法，主要有蒙特卡洛法、光線追跡法、區(qū)域法、近軸近似法等［169］。

4.2.1 蒙特卡洛法

蒙特卡洛法是一種以隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，模擬計(jì)算工程問(wèn)題近似解的數(shù)值方法。雜散光在光機(jī)系統(tǒng)中的產(chǎn)生和傳播具有一定的隨機(jī)性，因此采用概率分布函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，適合采用蒙特卡洛法求解。該方法首先隨機(jī)引入大量的單獨(dú)光線，所有光線均通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行追跡，光線與各種表面相交或在內(nèi)部傳播時(shí)，根據(jù)表面散射特性（BRDF），隨機(jī)地散射光線，然后再繼續(xù)追跡每一方向上的光線，直至滿足條件，停止追跡。若要獲取可靠的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，需要大量的光線進(jìn)行追跡。此外，使用蒙特卡洛法需要在計(jì)算前對(duì)光的入射、反射、透射、衍射、散射、吸收等現(xiàn)象建立模型，模型與實(shí)際的接近程度直接影響最終追跡結(jié)果。因此，該方法也對(duì)表面特性的準(zhǔn)確模擬提出了較高要求。迄今為止，蒙特卡洛法是計(jì)算無(wú)規(guī)則雜散光唯一成熟的方法，國(guó)內(nèi)外常用雜光軟件ASAP、LightTools、TracePro 及早期的GUERAP III 都是基于蒙特卡洛法來(lái)開(kāi)發(fā)的。

4.2.2 光線追跡法

與蒙特卡洛法不同，光線追跡法通常利用確定的公式計(jì)算雜散光。實(shí)現(xiàn)前提如下：1）多種光線追跡程序的出現(xiàn)，易于計(jì)算加權(quán)后光線通過(guò)系統(tǒng)的路徑。2）隨著標(biāo)量衍射理論的發(fā)展，可以用孔徑邊緣光線來(lái)描述衍射現(xiàn)象。漫反射一般是通過(guò)臨界表面面積的逐級(jí)確定來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在光機(jī)系統(tǒng)中，直接被探測(cè)器看到的表面稱(chēng)為一級(jí)臨界表面，其余間接看到的表面為二級(jí)或二級(jí)以上臨界表面。按照逐級(jí)計(jì)算臨界面積、漫射系數(shù)和照度，就可以計(jì)算由漫反射產(chǎn)生的雜散光。使用點(diǎn)列圖來(lái)表示經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的光線與接收面的交點(diǎn)，點(diǎn)列圖上每一點(diǎn)都代表著一份輻射能量。成像與非成像光束所產(chǎn)生的照度可以由單位接收面積加權(quán)數(shù)目點(diǎn)來(lái)確定，在此基礎(chǔ)上計(jì)算雜光比。一般情況下，參與計(jì)算的點(diǎn)數(shù)越多，計(jì)算精度就越高。

4.2.3 區(qū)域法

區(qū)域法，也稱(chēng)為有限元法，是計(jì)算雜散輻射的確定性方法。該方法在輻射傳熱的基礎(chǔ)上，將光機(jī)結(jié)構(gòu)表面以及它們被前面或后面光學(xué)元件所成的像分解為眾多面元區(qū)域。對(duì)雜散光貢獻(xiàn)量較大面積劃分得越細(xì)，計(jì)算精度則越高。輻射傳熱適用于計(jì)算兩個(gè)面元區(qū)域間的能量傳輸，然后計(jì)算雜散輻射在整個(gè)系統(tǒng)中的能量傳遞。為提高計(jì)算效率，需要確定雜散輻射在系統(tǒng)中的傳輸路徑，按路徑計(jì)算不同離軸角的雜散光大小。早期雜光軟件APART/PADE 曾用該方法對(duì)多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光的分析。

4.2.4 近軸近似法

近軸近似法可以計(jì)算雜散光的近似解，在光度學(xué)范圍內(nèi)對(duì)雜散光作定性分析。該方法盡管精度較低，但遠(yuǎn)沒(méi)有其他幾種方法復(fù)雜，可以對(duì)系統(tǒng)雜光進(jìn)行粗略仿真分析指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)和加工仍有一定的實(shí)用指導(dǎo)意義。

5 雜散光測(cè)試及評(píng)估

經(jīng)過(guò)對(duì)光機(jī)系統(tǒng)雜散光抑制能力的準(zhǔn)確仿真分析后，建立雜散光地面測(cè)量系統(tǒng)對(duì)裝配完成后的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，獲得系統(tǒng)實(shí)際的雜光量級(jí)非常重要，是最終確定和驗(yàn)證系統(tǒng)真實(shí)雜散光抑制能力的關(guān)鍵。一般用來(lái)評(píng)價(jià)雜散光大小的指標(biāo)為雜光系數(shù)和點(diǎn)源透過(guò)率。這兩個(gè)指標(biāo)采用了不同形式描述光學(xué)系統(tǒng)像面上的雜散光量級(jí)，在定義、測(cè)量方法、測(cè)試能力及應(yīng)用范圍上各有不同。

一般地，雜光系數(shù)通過(guò)傳統(tǒng)的面源法（黑斑法）來(lái)測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)雜散光水平，點(diǎn)源透過(guò)率則通過(guò)點(diǎn)源法來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的軸外視場(chǎng)雜散光的抑制能力。

5.1 雜光系數(shù)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9358：1994（E）［172］和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10988-2009［1］對(duì)雜光系數(shù)（Veiling Glare Index，VGI）定義為：在均勻亮度的擴(kuò)展視場(chǎng)中放置一個(gè)黑斑，經(jīng)被測(cè)樣品成像后，其中心區(qū)域上的光照度與移去黑斑放上白斑后在像面上同一處的光照度之比。VGI 以百分比表示，即式中，VGI 是雜光系數(shù)，EB為有黑斑時(shí)的像面照度，E為無(wú)黑斑時(shí)的像面照度。

圖64（a）為雜光系數(shù)典型裝置示意圖，圖64（b）和（c）為西安光機(jī)所研發(fā)的雜光系數(shù)測(cè)試儀［173］。擴(kuò)展的2π 立體角亮視場(chǎng)是由設(shè)計(jì)布局的若干燈泡照明積分球內(nèi)壁所構(gòu)成的。黑斑目標(biāo)是積分球內(nèi)壁上的一個(gè)吸收腔，可以用與積分球內(nèi)表面有同樣反射特性的白斑置換。被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)放置在和黑斑相對(duì)方向的出口處。黑斑像的光照度用光電檢測(cè)器（附有小孔光闌和散射器）來(lái)測(cè)量。上述檢測(cè)信號(hào)與用白斑取代黑斑時(shí)所測(cè)到的檢測(cè)信號(hào)之比即為雜光系數(shù)。

圖64 雜光系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)［1，173］Fig.64 Facility of the veiling glare index［1，173］

對(duì)于物距、口徑較小的系統(tǒng)，擴(kuò)展光源可以選擇積分球。對(duì)于長(zhǎng)焦距或望遠(yuǎn)系統(tǒng)，可以采用兩個(gè)半球法、積分球加準(zhǔn)直儀法［1］及西安光機(jī)所高萬(wàn)榮等提出的分區(qū)擴(kuò)展源法［11］來(lái)實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)焦距、大口徑系統(tǒng)，雖然也可以用積分球法測(cè)量，但是由于所需積分球直徑較大，測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)比較困難［174］。1998 年中科院長(zhǎng)春光機(jī)所馬冬梅等［11］提出箱體擴(kuò)展光源，實(shí)現(xiàn)雜光系數(shù)的測(cè)量，如圖65（a）所示。其積分腔由前屏箱和4 個(gè)帶有方孔的方箱體組成，測(cè)試時(shí)可按需要位置擺放箱體，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整各屏之間距離，即可達(dá)到在2π 立體角范圍內(nèi)獲得均勻亮場(chǎng)的要求。這5 個(gè)箱體內(nèi)部由多個(gè)并排的燈和漫射屏構(gòu)成。測(cè)試時(shí)燈照亮漫射屏，獲得整個(gè)測(cè)試場(chǎng)內(nèi)均勻的亮度。在前屏箱的亮平面上安裝一圓形的黑體目標(biāo)，可在屏前上、下、左、右移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)軸上、軸外視場(chǎng)的測(cè)試。該裝置占地面積較大（30 m×2.5 m×2.5 m）。2006 年西安光機(jī)所馬臻等［175］提出以計(jì)算機(jī)全息光學(xué)元件為基礎(chǔ)的大口徑雜光系數(shù)測(cè)試方法，通過(guò)將大口徑平行光入射至計(jì)算機(jī)全息光學(xué)元件上，獲得空心光束，使用空心光束在待測(cè)系統(tǒng)后焦面形成被亮光區(qū)圍繞的黑斑區(qū)域圖像，分別測(cè)量暗斑區(qū)和亮光區(qū)的光照度計(jì)算出雜光系數(shù)。整套系統(tǒng)重量輕、體積小。2013 年趙建科等［176］利用經(jīng)典黑斑法測(cè)量原理，提出了一種全視場(chǎng)雜散光測(cè)試方法，其測(cè)試精度從原來(lái)的1%提高至0.5%，可對(duì)Φ300 mm 以上口徑的光學(xué)系統(tǒng)雜散光系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

圖65 擴(kuò)展光源為箱體式的測(cè)量系統(tǒng)［11，175-176］Fig.65 The measurement which uses box type as exposure source［11，175-176］

5.2 點(diǎn)源透過(guò)率

隨著探測(cè)器性能的提升，空間光學(xué)系統(tǒng)雜光抑制水平和評(píng)價(jià)指標(biāo)也逐步提高。研究人員提出了一個(gè)可測(cè)量的、可表示光機(jī)系統(tǒng)自身對(duì)雜光抑制水平的指標(biāo)—點(diǎn)源透過(guò)率（PST）。PST 是指視場(chǎng)外離軸角θ的點(diǎn)源目標(biāo)輻射，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在像面產(chǎn)生的輻射照度Ed（θ）與入口處輻照度Ei的比值［9］

點(diǎn)源透過(guò)率PST 作為評(píng)價(jià)光機(jī)系統(tǒng)抑制雜光能力的重要指標(biāo)，代表著系統(tǒng)本身對(duì)雜光的衰減能力，與光線的入射角θ、系統(tǒng)的工作波段λ有關(guān)，而與入射光的輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)［12］。

點(diǎn)源透過(guò)率雜散光測(cè)試系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能分為四個(gè)模塊：雜光光源模擬系統(tǒng)、環(huán)境保障系統(tǒng)、待測(cè)光機(jī)系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)。測(cè)試環(huán)境雜散光，如空氣散射和氣溶膠散射等，是影響測(cè)試精度的主要因素。根據(jù)對(duì)環(huán)境光污染控制方案的不同，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)報(bào)道并且已在工程上應(yīng)用的高精度點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)主要分為雙柱罐和真空測(cè)試腔雜光測(cè)試系統(tǒng)兩大類(lèi)。

5.2.1 高潔凈度雙柱罐測(cè)試系統(tǒng)

第一類(lèi)是高潔凈度雙柱罐測(cè)試系統(tǒng)。以大尺寸的雙柱罐測(cè)試腔為基礎(chǔ)，內(nèi)壁采用黑色有機(jī)玻璃有效抑制內(nèi)壁散射。測(cè)試腔內(nèi)部潔凈度達(dá)到百級(jí)水平（ISO5 級(jí)），降低Mie 散射影響，使得空氣散射以Rayleigh 散射占主導(dǎo)。如美國(guó)猶他州立大學(xué)的空間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立的Black Hole［68］，該系統(tǒng)最早建于20 世紀(jì)70 年代，其最初測(cè)試口徑為203 mm，后經(jīng)改造最終測(cè)試口徑接近1 000 mm，工作波長(zhǎng)覆蓋紫外、可見(jiàn)和紅外，點(diǎn)源透過(guò)率測(cè)試閾值≤10-9量級(jí)，該系統(tǒng)曾用于美國(guó)絕大部分航天相機(jī)的雜散光測(cè)試，包括Cassini Narrow Field 相機(jī)、Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry（SABER）望遠(yuǎn)鏡、Surface Stereo Imager（SSI）相機(jī)和Optical Navigation Camera（ONC）相機(jī)等設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖66 所示。

圖66 Utah State University 點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)［68］Fig.66 Point source transmittance stray light test facility of the Utah State University［68］

美國(guó)Ball Aerospace & Technologies Corp 公司［177］在2008 年也采用了Black Hole 的設(shè)計(jì)方案建成的雜光測(cè)試裝置，為降低光源散射引起的雜散光，在平行光管與消光腔體之間增加兩級(jí)擋光屏，其測(cè)試口徑為450 mm，測(cè)試波長(zhǎng)為608 nm。根據(jù)公開(kāi)報(bào)道［178］，2010 年該測(cè)試設(shè)備對(duì)Operation Land Image（OLI）望遠(yuǎn)鏡的雜光水平進(jìn)行測(cè)試，其PST 測(cè)試閾值達(dá)到10-9，與Black Hole 的測(cè)試精度相當(dāng)。圖67 為點(diǎn)源透過(guò)率裝置的三維圖和實(shí)驗(yàn)室裝置圖，使用準(zhǔn)直系統(tǒng)產(chǎn)生的平行光模擬雜散光的光源。

圖67 BATC 公司點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試裝置［177-178］Fig.67 Point source transmittance stray light test facility of the BATC［177-178］

中科院西安光機(jī)所于2008 年提出了標(biāo)準(zhǔn)星光模擬器雜散光PST 光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，并在2014 年建成了標(biāo)準(zhǔn)星等模擬器和雜散光測(cè)試系統(tǒng)，以氙燈作為照明光源，模擬太陽(yáng)光譜，測(cè)試口徑為550 mm，PST 測(cè)試閾值達(dá)到10-6。2015 年西安光機(jī)所為上海技物所研制的三波段點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)，如圖68 所示，測(cè)試口徑達(dá)到1 m，光源采用激光光源，波段覆蓋可見(jiàn)光、短波紅外、長(zhǎng)波紅外，可見(jiàn)光波段PST 測(cè)試閾值≤10-8量級(jí)，紅外波段達(dá)到10-6量級(jí)，整套系統(tǒng)規(guī)模30 m×8 m×9 m，是國(guó)內(nèi)目前首臺(tái)規(guī)模最大、功能最全、測(cè)試精度最高的點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)［179］，已成功應(yīng)用于我國(guó)風(fēng)云四號(hào)、高分等型號(hào)項(xiàng)目的雜光測(cè)試中。

圖68 西安光機(jī)所研制的點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)［179］Fig.68 Point source transmittance stray light test station developed by XIOPM［179］

西安光機(jī)所陳欽芳團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年雜散光抑制技術(shù)研究，已建立一體化的雜散光仿真分析與測(cè)量研究體系，先后研制完成近十套雜散光測(cè)量設(shè)備，測(cè)試波長(zhǎng)范圍從單波段擴(kuò)展至連續(xù)光譜，PST 測(cè)試精度優(yōu)于10-9，已經(jīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)精度的提高和誤差溯源進(jìn)行了持續(xù)性升級(jí)與創(chuàng)新［180-184］：

1）自主設(shè)計(jì)了一種低散射高吸收黑玻璃［181］，如圖69（a）所示，可用于雜光測(cè)試系統(tǒng)圖69（b）擋光屏及圖69（c）內(nèi)部測(cè)試腔中，解決了國(guó)外測(cè)試腔亞克力板材料帶來(lái)的占用空間大、不耐磨、易沾灰等問(wèn)題。該玻璃以黑色浮法玻璃為基底，表面則使用了電子玻璃，形狀相同且平行設(shè)置，二者外邊緣采用膠密封，間距不超過(guò)0.1 mm，過(guò)渡層的折射率匹配液對(duì)空隙進(jìn)行填充。浮法玻璃雖然具有較高吸收率，但表面粗糙度較差，一般高于4 nm，且表面疵?。▌澓?、麻點(diǎn)等）較多。電子玻璃的表面粗糙度低于2 nm，在400～2 500 nm 波段的透過(guò)率為91%～92%，黑色浮法玻璃表面的劃痕、麻點(diǎn)等疵病可以被過(guò)渡層的折射率匹配液較好地填充。整個(gè)測(cè)試腔用玻璃的表面散射在10-5～10-6量級(jí)，至少低于亞克力板一個(gè)數(shù)量級(jí)，散射特性特別好，不需要依靠增大測(cè)試腔體積來(lái)減少返回待測(cè)光機(jī)系統(tǒng)入瞳處的內(nèi)壁雜光，有效減小了測(cè)試腔體積。

圖69 自主研發(fā)的黑玻璃及其在PST 測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用［180-181］Fig.69 Self-developed of black glass and its application in PST test system［180-181］

2）自主設(shè)計(jì)了一款等腰直角三角形高抑制比黑玻璃光陷阱［180］，如圖69（d）所示，解決了常規(guī)光陷阱不區(qū)分入射光線是否為平行，難以控制光線散射路徑，無(wú)法滿足高精度雜光測(cè)試需求的問(wèn)題。當(dāng)準(zhǔn)平行光或平行光到達(dá)光陷阱表面時(shí)，經(jīng)第一面反射，在可見(jiàn)光波段有＜10-4的能量返回入射傳輸空間，黑色玻璃吸收接近96%的光能量，剩余4%左右的能量經(jīng)黑玻璃表面反射5 次后，再返回入射光傳輸空間，可使能量衰減到可以忽略的10-7量級(jí)，因此該光陷阱的衰減能力優(yōu)于10-4，較傳統(tǒng)光陷阱其衰減能力提高至少2 個(gè)量級(jí)。

3）針對(duì)光機(jī)儀器設(shè)備實(shí)際裝調(diào)需求，提出新的雜光測(cè)試平行光管光軸與光機(jī)系統(tǒng)光軸對(duì)準(zhǔn)方法［182］，如圖70 所示，平行光管由平面折軸鏡和拋物面鏡共同組成，放置于結(jié)構(gòu)框內(nèi)；結(jié)構(gòu)框上分別安裝了水平線激光器和豎直線激光器，出射光經(jīng)待測(cè)光機(jī)系統(tǒng)的X軸、Y軸基準(zhǔn)平面鏡依次反射，水平和豎直激光線與各自反射激光線的公共區(qū)域中放置了可透過(guò)性接收屏。該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中自準(zhǔn)直瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，基準(zhǔn)鏡間接引光軸操作難度大、效率低，待測(cè)系統(tǒng)聚焦判斷法存在無(wú)法定量判斷且只能用于單純光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題。

圖70 雜光測(cè)試中平行光管光軸與光機(jī)系統(tǒng)光軸對(duì)準(zhǔn)裝置［182］Fig.70 Optical axis alignment device of collimator and optomechanical system in stray light test［182］

4）因系統(tǒng)測(cè)試閾值主要受測(cè)試腔空氣散射和內(nèi)壁散射的影響，針對(duì)地面實(shí)驗(yàn)室中存在的大量空氣分子及氣溶膠粒子限制測(cè)試閾值的問(wèn)題，提出了一種定量計(jì)算大氣散射對(duì)PST 測(cè)試準(zhǔn)確度影響的全波段散射仿真模型［183］，已通過(guò)實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試設(shè)備試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，如圖71（a）、（b）所示。設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了現(xiàn)有雙柱罐內(nèi)壁散射的測(cè)量方案并計(jì)算了內(nèi)壁散射的影響，如圖71（c）所示，可在實(shí)際雜光測(cè)試結(jié)果中對(duì)內(nèi)壁散射所占比例進(jìn)行相應(yīng)消除計(jì)算。此外，還可以對(duì)具備高吸收率、低散射率特性的內(nèi)部材料，如黑色亞克力板、黑色光學(xué)玻璃等進(jìn)行更換，對(duì)如橢球柱、圓柱等測(cè)試腔形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，使雜散光能夠在測(cè)試腔內(nèi)部完成多次吸收和反射，對(duì)內(nèi)壁散射進(jìn)行最佳抑制。雜光測(cè)試精度的分析研究有助于后續(xù)研究中將大氣散射、內(nèi)壁散射的影響從測(cè)試結(jié)果中剔除，以提高雜散光的測(cè)試精度，這對(duì)于大視場(chǎng)雜光抑制比要求更高的系統(tǒng)測(cè)試具有重要意義。

圖71 點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)精度分析［183］Fig.71 Accuracy analysis of the point source transmittance test system［183］

5）為了解決現(xiàn)有雜散光測(cè)試提供的信息量太少不足以準(zhǔn)確分析及定位系統(tǒng)的雜散光問(wèn)題，利用因環(huán)境光污染導(dǎo)致雜光在時(shí)間上滯后于信號(hào)光的原理，提出了以時(shí)間分辨為基礎(chǔ)的點(diǎn)源透過(guò)率雜散光測(cè)試系統(tǒng)［184］，如圖72 所示。光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)雜散光通過(guò)不同的雜散光路徑，經(jīng)歷的光程不同，因此，在雜散光測(cè)試中增加時(shí)間維度信息，使其到達(dá)系統(tǒng)焦面的輻射能量隨時(shí)間變化，通過(guò)分析計(jì)算系統(tǒng)雜光傳輸時(shí)間分布與散射路徑的關(guān)系，可以揭示系統(tǒng)內(nèi)雜散光傳輸?shù)囊蚬P(guān)系，對(duì)系統(tǒng)雜光問(wèn)題的分析和控制具有重要意義，同時(shí)從時(shí)域角度分析了系統(tǒng)雜光特性，能有效提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。此研究為深入了解系統(tǒng)雜光特性提供了重要的探索工具，對(duì)雜散光測(cè)試儀向分析儀的轉(zhuǎn)變起到了積極推動(dòng)作用。

圖72 基于時(shí)間分辨點(diǎn)源透過(guò)率雜散光分析系統(tǒng)原理圖及結(jié)果分析［184］Fig.72 Structure and result analysis based on time-resolved PST test system［184］

5.2.2 真空測(cè)試腔雜光測(cè)試系統(tǒng)

第二類(lèi)是采用對(duì)測(cè)試腔抽真空的方式來(lái)控制雜散光的影響，如比利時(shí)Centre Spatial of Liege［8，185］和美國(guó)Breault Research Organization 研究中心［186］建設(shè)的雜光測(cè)試系統(tǒng)，如圖73 所示。對(duì)于小尺寸待測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，降低測(cè)試腔內(nèi)氣壓可減小塵埃微粒的數(shù)量，有效抑制微粒的瑞利散射。當(dāng)待測(cè)系統(tǒng)尺寸增大，如果不增大測(cè)試腔尺寸，內(nèi)壁散射帶來(lái)的影響則不可忽略，同時(shí)大尺寸真空罐造價(jià)昂貴，而且較難實(shí)現(xiàn)。因此測(cè)試腔尺寸限制了PST 測(cè)試閾值，在可見(jiàn)光波段PST 測(cè)試閾值通常在10-5～10-6水平。

圖73 真空罐式點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試系統(tǒng)［8，185-186］Fig.73 Point source transmittance test station in the form of vacuum chamber［8，185-186］

除了以上兩類(lèi)裝置以外，美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）［174］曾采用單獨(dú)測(cè)試誤差，并從實(shí)際測(cè)試結(jié)果中剔除誤差的方式進(jìn)行PST 的測(cè)試。該方法雖然成本不高，但是易受測(cè)試環(huán)境影響，很難對(duì)實(shí)驗(yàn)精度進(jìn)行控制，且難以進(jìn)行后續(xù)修正。此外，中科院光電所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［12，68］都搭建過(guò)點(diǎn)源測(cè)量系統(tǒng)，但都屬于實(shí)驗(yàn)裝置，入射光束的平行度較低，對(duì)于真實(shí)空間點(diǎn)源雜光對(duì)光機(jī)系統(tǒng)的影響模擬并不準(zhǔn)確，測(cè)量精度較低，也未能進(jìn)行后續(xù)工程化的應(yīng)用和推廣。

5.3 雜光系數(shù)與點(diǎn)源透過(guò)率的區(qū)別與聯(lián)系

中科院西安光機(jī)所的李暉［187］推導(dǎo)了雜光系數(shù)（VGI）與點(diǎn)源透過(guò)率（PST）之間的關(guān)系，VGI 是對(duì)PST 在ω0至π/2 范圍內(nèi)的積分之和，即

式中，ω0是光屏上黑斑對(duì)光學(xué)系統(tǒng)入瞳中心的角半徑。所以雜散光系數(shù)和點(diǎn)源透過(guò)率互相對(duì)應(yīng)，均可以表示光機(jī)系統(tǒng)自身對(duì)雜散光的抑制。

雜光系數(shù)法適用于面源型的背景輻射雜光［174］。由于擴(kuò)展光源無(wú)法做大，雜光系數(shù)法不適合測(cè)量大口徑的光學(xué)系統(tǒng)，多用于測(cè)量照相鏡頭等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小口徑系統(tǒng)。此外，雜光系數(shù)法容易引入測(cè)量誤差，所以測(cè)量精度比較低，一般低于10-3，難以達(dá)到更高精度。但該方法成本低，占用空間小，比較容易實(shí)現(xiàn)。

點(diǎn)源透過(guò)率法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的口徑?jīng)]有要求，目前最好的測(cè)量系統(tǒng)如Black Hole［68］、BATC 公司點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試裝置［178］閾值優(yōu)于10-9。雖然高精度點(diǎn)源透過(guò)率法對(duì)測(cè)試系統(tǒng)空間大小和潔凈度要求較高，但它是大口徑高精度雜散光測(cè)量技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

6 總結(jié)與展望

對(duì)雜光問(wèn)題的研究已經(jīng)開(kāi)展了五十余年，并且隨著空間光學(xué)載荷探測(cè)精度的逐步提高，雜光分析與抑制研究已成為空間光學(xué)遙感成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，雜光問(wèn)題仍將作為光機(jī)系統(tǒng)性能提升的難點(diǎn)而存在。目前，雜散光問(wèn)題的研究已經(jīng)發(fā)展成為分支繁多、涉及學(xué)科很廣的一門(mén)綜合技術(shù)，完整分析體系的建立是雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)面臨的首要問(wèn)題。應(yīng)用于空間天文探測(cè)（如星冕儀、空間引力波探測(cè)等）相關(guān)的雜散光抑制和評(píng)估技術(shù)，正不斷突破傳統(tǒng)技術(shù)局限，在雜光來(lái)源、雜光抑制及其測(cè)試評(píng)估技術(shù)上都需要進(jìn)行持續(xù)性創(chuàng)新。星冕儀的雜光更關(guān)注視場(chǎng)內(nèi)雜光和衍射雜光，而空間引力波探測(cè)雜光主要來(lái)自鏡面的后向散射。雜光的來(lái)源不同，相應(yīng)的抑制和評(píng)估技術(shù)也隨之改變，如空間引力波雜散光探測(cè)要依賴(lài)干涉的方法實(shí)現(xiàn)高精度后向散射光測(cè)量。因此，高效的雜光抑制與高精度的評(píng)估技術(shù)是空間光學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文以雜散光的分析流程為基礎(chǔ)，對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行整理、分類(lèi)，進(jìn)一步補(bǔ)充了雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)的連貫性和完整性，建立了雜散光分析的初步研究體系，包括雜散光抑制方案制訂、抑制模型表面特性測(cè)量與建模、雜散光抑制效果仿真、雜散光測(cè)試及評(píng)估四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)模塊。

1）雜散光抑制方案制訂：在目前遮光罩、遮光板、擋光環(huán)和光闌的研究基礎(chǔ)上，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)形式靈活的雜光抑制機(jī)構(gòu)，未來(lái)遮光機(jī)構(gòu)向著小型化、靈活化、可展開(kāi)、可隨動(dòng)發(fā)展，降低尺寸與質(zhì)量、提高消雜光能力是其追求目標(biāo)，甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)遮光罩和太陽(yáng)免疫設(shè)計(jì)等概念［188］。冷反射和鬼像的消除更加傾向于設(shè)計(jì)初期軟件分析與后期圖像算法處理相結(jié)合的解決方法。紅外波段內(nèi)部熱輻射仍將是雜散光抑制的一個(gè)難題。但隨著新工藝和新材料的出現(xiàn)，能夠選擇性能更好的消光材料，如納米材料有望將表面反射率降低到1%以下，單次反射就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)多次反射的抑制效果，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和表面改善具有促進(jìn)作用。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為雜光抑制的最后一道防線，在逐步完善和發(fā)展過(guò)程中，必將發(fā)揮重要作用。

2）抑制模型表面特性測(cè)量與建模：表面散射模型是進(jìn)行精確雜散光仿真分析的基礎(chǔ)。目前國(guó)外已擁有多種商業(yè)化BRDF 測(cè)試設(shè)備，如SOC-200 BDR、REFLET 180S、TSW CASI、TMA TASC、ALBATROSS等，對(duì)BRDF 的測(cè)試波段從紫外到紅外，幾乎涵蓋整個(gè)空間半球區(qū)域，對(duì)表面污染清潔研究頗多。各類(lèi)散射理論和多種散射模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相輔相成，已形成較為完備的材料BRDF 數(shù)據(jù)庫(kù)，且不對(duì)外公布和使用。目前我國(guó)對(duì)表面BRDF 的測(cè)量和建模多處于實(shí)驗(yàn)室階段，研究分散化嚴(yán)重，沒(méi)有形成統(tǒng)一的材料散射數(shù)據(jù)庫(kù)，且難以從他方得到特定材料的BRDF 數(shù)據(jù)，表面污染問(wèn)題也未得到重視和研究。應(yīng)在國(guó)外測(cè)試設(shè)備基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)BRDF 的測(cè)試設(shè)備，整合國(guó)內(nèi)材料散射數(shù)據(jù)，形成完備的BRDF 數(shù)據(jù)庫(kù)。未來(lái)BRDF 的測(cè)試會(huì)向高精度、多光譜、高效自動(dòng)化、抗干擾的方向發(fā)展，譜段會(huì)從紫外拓展到微波，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的引入，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建將成為必然。

3）雜散光抑制效果仿真：計(jì)算機(jī)仿真模擬是雜散光分析的重要手段，可以解決高抑制比光學(xué)系統(tǒng)雜散光實(shí)驗(yàn)過(guò)于繁瑣、測(cè)試費(fèi)用較高的問(wèn)題，提高了雜散光的分析效率。國(guó)外對(duì)雜散光分析軟件的研究較早，從早期的GUERAP III、APART/PADE、OARDAS 到目前多種商用軟件ASAP、TracePro、FRED、LightTools等，提出了多種雜光計(jì)算方法。蒙特卡洛法憑借高準(zhǔn)確性和計(jì)算簡(jiǎn)潔性，已廣泛應(yīng)用于多種商用軟件中，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及新算法的出現(xiàn)，光線追跡的數(shù)量、速度、精確度都將得到巨大提升，分析的功能越來(lái)越全面，更能準(zhǔn)確模擬雜散光對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的影響，軟件的仿真分析方法是雜散光研究的重點(diǎn)。

4）雜散光測(cè)試及評(píng)估：雜散光的測(cè)量是最終確定和驗(yàn)證系統(tǒng)真實(shí)雜散光抑制能力的關(guān)鍵。雜散光不同的測(cè)量方式形成了兩種評(píng)估方法，雜光系數(shù)法適用于低精度小口徑的一般光學(xué)系統(tǒng)，點(diǎn)源透過(guò)率法則適合大口徑、高雜散光抑制比要求的光學(xué)系統(tǒng)。國(guó)外多家科研機(jī)構(gòu)研制的點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試設(shè)備已在工程上應(yīng)用多年，服務(wù)過(guò)多種空間儀器設(shè)備。國(guó)內(nèi)雖然起步晚，但是發(fā)展較快，中科院西安光機(jī)所曾研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)，也是測(cè)試能力最強(qiáng)的點(diǎn)源透過(guò)率雜光測(cè)試裝置，已成功應(yīng)用在空間設(shè)備的雜光測(cè)量上，精度較高，目前已實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的量產(chǎn)化，服務(wù)于多家科研院所和高校。

未來(lái)雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)將向著系統(tǒng)化、一體化解決空間探測(cè)需求方向發(fā)展，匯集光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、輻射傳熱、表面材料、軌道仿真等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、裝調(diào)、集成以及在軌測(cè)試的全過(guò)程，支撐未來(lái)空間遙感遠(yuǎn)距離、暗弱目標(biāo)、超大視場(chǎng)、多光譜等眾多空間應(yīng)用需求。我們相信，隨著雜散光抑制與評(píng)估技術(shù)的不斷發(fā)展和理論的不斷完善，雜散光抑制與評(píng)估體系也將更加豐富、立體、有效，真正成為面向未來(lái)的空間光學(xué)技術(shù)，以支撐空間天文光學(xué)觀測(cè)等前瞻性、戰(zhàn)略性的科技研究領(lǐng)域。