ZEMAX | 量化眩光效应 (Veiling Glare)
眩光是成像系统设计领域的一个术语。从技术上讲，眩光是照射在成像系统传感器平面上的杂散光，导致系统性能下降。虽然需要完整的非序列分析来准确地解释这一现象，但许多光学成像系统只需要初步观察前散射效应。本文展示了如何使用OpticStudio初步测量中内置工具的眩光。这种分析需要几分钟才能实施，并且可以在没有完整非序列分析的情况下得到有意义的结果。
简介
光学系统中有许多潜在的杂散光源，精确建模这些杂散光源是一项复杂的任务。
对于高灵敏度的光学系统，尽可能多地建模这些杂散光现象将有助于准确地分析系统的性能。杂散光可以通过OpticStudio在另一篇知识库文章中介绍了杂散光分析的详细步骤，但需要提前设置眩光分析。
相反，普通光学成像系统只需要通过前向散射效应来分析眩光，如本文后半部分所示。
镜头准备分析
我们需要建立一个保护平板电脑的成像系统。保护平板电脑的目的是保护不受环境影响的敏感镜头元件。然而，保护平板电脑本身是杂散光的重要来源。
我们将应用大角度散射效应模型(部分朗伯 (Lambertian) 散射模型)，所以我们需要将镜头转换为非序列组件。OpticStudio在纯序列模式下，只允许小角度散射。如果我们不镜头转换成非序列组件，我们会错过一些非常有趣的效果。
注：如果我们只对小角度散射模型感兴趣，我们可以跳过转换为非序列模型的步骤，点击表面属性 散射 (Scattering) 简单添加散射属性的选项。
我们将从OpticStudio提供的镜头开始模拟。镜头文件的标题是 “Double Gauss 28 degree field.zmx”，它位于 {Zemax}\Samples\Sequential\Objectives 文件夹中。加载镜头OpticStudio中后，我们要做的第一件事就是调整镜头。下图显示了系统的第一次加载OpticStudio时间布局图：
在分析(Analyze) ... MTF曲线 (MTF) ... 几何MTF (Geometric MTF) 查看系统的几何传输函数。单击设置，最大频率设置为 50.玻璃平板设置如下图所示:
如下图所示：
请注意，我们正在分析焦平面上的光瞳近似圆形成像系统。因此，与 FFT 衍射 MTF 相比，几何MTF给出了更准确的结果，但更重要的是几何 MTF 使我们能够包括散射效应。
为了调整镜头，我们将首先增加系统 F 数字。进入系统选项，点击孔径下拉菜单。将光圈值设置为 25，然后 Enter键。
点击优化 (Optimize) ... 优化向导 (Optimization Wizard)，点击 重置 (Reset)，然后点击 确定 (OK)(默认序列优化函数- RMS波前/质心/高斯求积/ 3环6臂)。现在点击 优化! (Optimize!) ... 开始 (Start)。传递函数现在有了显着的提升。
为了做一个简单的演示，我们将建模一个透镜，用于通过飞机的舷窗成像——飞机的外窗将随着时间的推移风化，并进行类似的磨损喷砂处理，这将成为散射的重要来源。接下来我们要做的是在模型前面添加一个玻璃板。
点击表面进入镜头数据编辑器 1(这是最外层的镜头表面)。在表面前插入两个新表面，为这两个新表面设置以下参数值:
·表面：表面类型 = 标准面
· 标注 = 平板外侧 (Window-outer)
· 曲率 = 无限
· 厚度 = 10 mm
· 材料 = BK7
· 表面：表面类型 = 标准面
· 标注 = 平板内侧 (Window-inner)
· 曲率 = 无限
· 厚度 = 20 mm
接下来，我们想稍微增加每个镜头，使它们略大于通过的光束。进入 系统选项 (System Explorer) … 孔径 (Aperture) 并设置 净口径余量mm (Clear Semi-Diameter Margin Millimeters) 为3mm。进入 布局图 (Layout window) … 设置 (Settings)，并将 起始面 (First Surface) 设置为1。
布局图如下：
将镜头转换为非序列模式
为了分析这个镜头的杂散光，我们需要将其转换为非序列组件。 OpticStudio这个过程非常简单和快速，但我们首先要做的是理解 OpticStudio 要求系统光阑位于镜头数据编辑器中任何非序列组件之前。
注：我们计划使玻璃板的外表面成为散射表面，因此玻璃板必须是非序列组件的一部分。现在我们镜头的光线实际上位于镜头的深处。
为了使光阑位于玻璃平板电脑前，在玻璃平板电脑前添加光阑，使其位置和尺寸与镜头的瞳孔位置一致。使用镜头数据编辑器将光阑返回到空间中的玻璃平板电脑，然后系统的其他部分将自动返回到位置。
我们需要知道瞳孔的位置和大小，所以进入评估函数编辑器并插入两个新的操作数：ENPP 和 EPDI。更新评估函数，您将看到自动计算的结果值。
点击镜头数据编辑器中的表面 1.单击插入键。为新表面设置以下值：
· 表面：表面类型 = 标准面
标注 = 光阑 (Aperture Stop)
· 曲率 = 无限
· 厚度 = -86.063994 mm
现在打开表面 1 (Surface 1) ... 属性 (Properties) ...类型 (Type)，勾选 表面为光阑 (Make Surface Stop)。需要注意的是，由于系统的孔径类型是瞳孔直径，我们不需要在此表面设置半直径。此时，半直径已自动设置为 12.5mm。
将镜头转换为非序列系统还有最后一步。在镜头数据编辑器中找到最后一个镜头表面(表面) 14)并在其上添加注释最后一个表面。这是一个不必要的步骤，但它可以帮助我们在系统转换为非序列后找到最终面。
现在单击 文件 (File) ... 转换为 NSC 组 (Convert to NSC Group)。首先取消选择 将文件转换为 NSC 模式 (Convert file to Non-Sequential Mode)。接下来，设置 起始面 (First Surface) 为 “2 - 设置平板外侧 终止面 (Last Surface) 为 “14 - 点击确定最后一个表面。
系统的 MTF 与转换到 NSC 以前是一样的，可以用来检查 NSC 转换是否正确。
打开一个 3D 并将布局窗口 起始面 (First Surface) 设置为 2.系统看起来几乎与原始序列模式布局图相同。
注意，唯一的区别是第一组镜头的边缘是斜切的。如果不需要斜切边缘，只需在转换前在这些表面添加孔径，或在转换后手动编辑文件。
增加散射并进行分析
下一步是模拟受恶劣环境影响的玻璃平板外表面。我们通过在玻璃平板正面添加适当的散射模型来实现这一点。
打开物体 1 的 非序列元件编辑器 (Non-Sequential Component Editor) ... 物体属性(Object Properties)（该物体为BK7.玻璃平板)。点击 膜层/散射 (Coat/Scatter)” 选项卡，将 面元 (Face) 设置为1，第一面。接下来改变 散射模型 (Scatter Model) 为“ABg”，然后 透射 (Transmit) 选择“LAMB-SPEC”。所有选项完成后应如下：
目前，该系统将模拟玻璃平板前表面和玻璃平板后表面后的光滑（非散射）理想透镜表面。
请注意，我们在本文中选择了内置的 ABg 散射模型 (LAMB-SPEC)，但如果你想建模一个真实的系统，你需要仔细选择能够准确模拟你想要的散射效应的散射模型。
转向已打开的 几何MTF (Geometric MTF)窗口并点击 设置 (Settings)。增加采样到 512 × 512，勾选 散射光线 (Scatter Rays)，点击确定。结果图显示了眩光对系统 MTF 曲线的影响：
这里值得注意的结果是轴上视场受眩光影响最大。为了分析这个现象的原因，我们将查看如下所示的点列图。
打开点列图，点击 分析 (Analyze) ... 光线迹点 (Rays & Spots) ... 标准点列图 (Standard Spot Diagram)，然后进行如下设置：
注意，我们暂时没有勾选散射光线。这里是当散射光线被忽略时产生的点列图：
这些光斑非常小，测量得到只有几十微米的宽度（注意图底部的 RMS 半径值，单位是微米）。每个点列图中心的黑色圆环显示了计算出的衍射艾里斑尺寸，直径为 5.5 微米。
现在点击 点列图 (Spot Diagram) ... 设置 (Settings) 勾选 散射光线 (Scatter Rays)，然后点击确定。这是包括散射光线影响在内的点列图：
现在的光斑大小在几十毫米左右（RMS 尺寸将显示在图的底部），您可以进一步看到轴上视场（图左上角）大部分光线紧密地落在中心附近，而离轴视场的光斑不是那么集中。放大下面所示的两个位置，看看轴上和轴外视场点列图的光线密度差异。
下面是轴上视场点列图的放大图像：
这是离轴视场点列图的放大图像：
通常我们认为一个成像系统如果能将更多的光线聚焦到中心像斑上，其成像性能就越好，因此我们可认为轴上视场像斑的点列图会比离轴视场像斑的点列图更好。让我们进一步放大轴上视场的点列图，看看发生了什么。我已经将点列图的设置更改为如下：
接下来我放大到轴上视场光斑的中心：
点列图中心的小黑环代表了计算出的艾里斑尺寸，和考虑散射之前的点列图中看到的一样。我们可以看到现在的高光线密度区域的尺寸和形状还与原始点列图完全相同（我们在原始点列图内忽略了散射效应），但散射效应仍将一些光照射在这个小点上，从而使理想的纯黑背景（无光线到达）变为具有光线分布的背景。这反过来降低了系统的对比度，从而降低了 MTF。
注意：在我们的模型中添加散射对中心点列图的形状或大小没有任何影响，散射效应只将一些光线从光斑中心位置移开。
因为离轴视场光束散射的光线离中心光斑更远，所以在中心点列图附近的背景强度比轴上视场光束弱。因此，我们可以期望离轴视场比轴上视场有更好的对比度和更高的MTF。这符合 OpticStudio 在包含散射时的 MTF 曲线所示。
请注意，还有两个其他的分析特性允许您“散射光线”：几何图像分析和几何圈入能量，这两个功能也可以检查散射的效果。