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Unter Streulicht versteht man unerwünschtes Licht, das in ein optisches System oder ein bildgebendes Gerät eindringt und zur allgemeinen Hintergrundbeleuchtung beiträgt. Dieses Licht kann aus verschiedenen Quellen und Reflexionen innerhalb des optischen Systems stammen und kann sich nachteilig auf die Bildqualität und die Systemleistung auswirken.
Abbildung 1 Beispiel für ein Geisterbild
Die Auswirkungen von Streulicht auf ein optisches System hängen von der jeweiligen Anwendung ab. Bei bildgebenden Systemen kann Streulicht den Bildkontrast verringern, Artefakte erzeugen und die Bildqualität insgesamt verschlechtern. Bei wissenschaftlichen Instrumenten kann es die Genauigkeit von Messungen und Beobachtungen beeinträchtigen. Aus diesem Grund achten die Entwickler von optischen Systemen bei der Entwicklung und Optimierung sehr darauf, die Auswirkungen von Streulicht zu analysieren und zu minimieren.
Streulicht trägt oft zur Entstehung von Geisterbildern bei. Wenn Licht innerhalb des optischen Systems gestreut oder reflektiert wird, kann dies zur Entstehung unerwünschter Geisterbilder führen. Abbildung 1 veranschaulicht die Auswirkungen von Geisterbildern in einer sonnigen Umgebung.
Streulicht kann durch sorgfältiges optisches Design abgeschwächt werden. Die Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen, Blenden und anderen Konstruktionsmerkmalen hilft, Reflexionen und Streuungen zu minimieren, die zu Streulicht und Geisterbildern beitragen.
Hier wird ein Fall zur Durchführung einer Streulichtanalyse im Zemax Nonsequential-Modus angeboten. Es handelt sich um ein Cooke-Objektiv mit 3 Gläsern. Die optische Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um eine Art fotografisches Objektiv, nämlich das Cooke-Triplet, das sich durch die Verwendung von drei Linsenelementen auszeichnet, die in einer bestimmten Konfiguration angeordnet sind, um optische Aberrationen zu reduzieren und qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen. Die Struktur besteht aus drei Linsenelementen: einer positiven (konvexen) Linse, einer negativen (konkaven) Linse und einer positiven Linse.
Abbildung 2 Cooke-Linsenstruktur mit 3 Glaselementen
Cooke-Objektive spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Kinematographie, und Variationen des Cooke-Triplet-Designs wurden in Kinoobjektiven verwendet. Die Fähigkeit des Designs, scharfe Bilder zu liefern, machte es für das Filmemachen geeignet. Das Gehäuse hier integriert drei Feldeinstellungen im Winkel, die 0, 14 und 20 Grad betragen.
Abbildung 3 Felder des Cooke-Objektivs
Die Streulichtanalyse basiert auf der Strahlenganganalyse, die im nichtsequenziellen (NSQ) Modus durchgeführt wird. Hier konvertieren wir die Struktur in den NSQ-Modus, indem wir die integrierte Funktion von Zemax mit Standardeinstellungen verwenden. Die konvertierte Struktur im NSQ-Modus ist in Abbildung 4 dargestellt. Die drei im sequentiellen Modus definierten Felder werden mit drei Quellobjekten und drei Detektorobjekten dargestellt.
Abbildung 4 NSQ-Modell der 3-teiligen Cooke-Linse
Zur Veranschaulichung der Streulichtenergieverteilung auf der Detektorebene wird dort ein rechteckiger Detektor mit einer Größe von 60 mm x 60 mm platziert, wie unten dargestellt. Die Pixelanzahl für diesen Detektor wurde auf 300 x 300 festgelegt, wie in Abbildung 5 gezeigt.
Abbildung 5 NSQ Komponenteneditor für die Streulichtanalyse
Abbildung 6 NSQ-Modell mit einem zusätzlichen rechteckigen Detektor
Jeder der drei Quellen werden 2000 Strahlen zugewiesen. Verfolgen Sie den Strahl mit streuenden und aufspaltenden NSQ-Strahlen und speichern Sie die Strahldatenbank als ZRD-Datei, wie unten dargestellt:
Abbildung 7 Einstellung der NSC-Strahlenverfolgung
Die inkohärente Bestrahlungsstärke am hinzugefügten Detektor aus der Verfolgung ist in Abbildung 7 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die Streulichtstrahlung in der Mitte der Ansicht befindet (kleine blaue Punkte). Dabei handelt es sich um die Streulichtenergie, die auf die Detektorebene projiziert wird. Es sind einige weitere Maßnahmen erforderlich, um sie zu identifizieren und zu reduzieren.
Abbildung 8 Inkohärente Strahlungsdichte am zusätzlichen Detektor
Wir können eine Filterkette anwenden: G0&H11, im 3D-Layout. G0 steht für ein Geisterlichtsegment von einem beliebigen Objekt der Objektivkombination. H11 deutet auf ein Lichtsegment hin, das auf das Objekt 11 trifft, das der hinzugefügte rechteckige Detektor ist. Die minimale relative Strahlenintensität ist auf 3E-3 festgelegt, was bedeutet, dass die niedrigste Schwelle der Segmentenergie im Layout angezeigt wird.
Abbildung 9 Typisches Streulicht-Layout
Um den Streulichtbeitrag der einzelnen Elemente zu ermitteln, benötigen wir die Funktion „Pfadanalyse“ von Zemax, die nur in der Premium- oder höheren Version verfügbar ist. Abbildung 10 zeigt die Pfadanalyse des obigen Raytracing-Ergebnisses. Es ist zu erkennen, dass das Licht bei Objekt 5 (Pfad Nr. 7, 8, 9) und 6 (Pfad Nr. 10, 11, 12) weitgehend zurückgeworfen wird. Daher werden beide Oberflächen der beiden Elemente mit einer Antireflexionsbeschichtung (AR) versehen, wie in Abbildung 11 dargestellt.
Abbildung 10 Strahlenganganalyse zur Identifizierung kritischer Streulichtpfade
Abb. 11 AR-Beschichtung auf beide Oberflächen der Objekte 5 und 6 auftragen
Wenn Sie mit der gleichen Einstellung wie in Abbildung 7 arbeiten, erhalten Sie ein viel saubereres Layout am Detektor, wie in Abbildung 12 zu sehen ist.
Abbildung 12 Inkohärente Strahlung auf der Detektorebene nach Hinzufügen einer AR-Beschichtung auf kritischen Elementen
Der gesamte Prozess der Streulichtanalyse kann sehr komplex sein. Jeder Beitrag des Streulichts kann erheblich reduziert werden, nachdem er identifiziert und beschichtet wurde. Nehmen Sie auf der Grundlage der Ergebnisse Anpassungen am optischen System, den Beschichtungen oder anderen Parametern vor und iterieren Sie, bis die gewünschte Leistung erreicht ist. Zemax bietet eine umfassende Plattform für optisches Design und Analyse. Die einzelnen Schritte und Optionen können je nach verwendeter Zemax-Version variieren.
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