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鬼像影响下的调制传递函数计算模型

肖鹏益 刘铭鑫 闫磊 胡铭钰 张新

肖鹏益, 刘铭鑫, 闫磊, 胡铭钰, 张新. 鬼像影响下的调制传递函数计算模型[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0121
引用本文: 肖鹏益, 刘铭鑫, 闫磊, 胡铭钰, 张新. 鬼像影响下的调制传递函数计算模型[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0121
XIAO Peng-yi, LIU Ming-xin, YAN Lei, HU Ming-yu, ZHANG Xin. An MTF calculation model under the influence of ghost images[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0121
Citation: XIAO Peng-yi, LIU Ming-xin, YAN Lei, HU Ming-yu, ZHANG Xin. An MTF calculation model under the influence of ghost images[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0121

鬼像影响下的调制传递函数计算模型

doi: 10.37188/CO.2023-0121
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 62005217)
详细信息
    作者简介:

    肖鹏益(1999—),男,辽宁抚顺人,硕士研究生,主要从事光学设计、杂散辐射分析方面的研究。E-mail:xiaopengyi21@mails.ucas.ac.cn

    刘铭鑫(1991—),男,吉林辽源人,博士,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员,主要从事光学设计分析软件研发、杂散辐射分析方面的研究工作。E-mail:liumingxin2021@163.com

  • 中图分类号: O439

An MTF calculation model under the influence of ghost images

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 62005217)
More Information
  • 摘要:

    鬼像是由于镜面间的残余反射所产生的一种杂散光。鬼像会降低光学系统的成像清晰度,湮灭目标,严重影响光学系统的性能。为了探究鬼像对成像系统性能的影响,构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着,从调制传递函数的定义出发,考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响,构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算,并与仿真结果进行比对得到均方误差最大不超过0.049373,进而验证了该模型的准确性。同时针对误差较大的结果进行了详细分析,明确了该计算方法的适用范围。研究结果表明,利用近轴近似的方法计算鬼像影响下的MTF在大多数情况下是真实准确的,该研究为光学系统的鬼像分析方面做出了有益探索。

     

  • 图 1  单透镜鬼像路径示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of ghost path of a single lens

    图 2  MTF计算流程图

    Figure 2.  MTF Calculation flowchart

    图 3  (a) 2_1与4_2鬼像路径下两种计算方法下的MTF示意图;(b) 5_4与6_5鬼像路径下两种计算方法下的MTF示意图

    Figure 3.  (a) Schematic diagram of MTF curve of ghost image path 2_1 and 4_2; (b) Schematic diagram of MTF curve of ghost image path 5_4 and 6_5

    图 4  3_2鬼像路径下的MTF曲线示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of MTF curve of ghost image path 3_2

    图 5  非序列光线追迹得到的鬼像光束在像面上的照度分布示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of ghost image distribution on image plane calculated by non-sequential ray tracing

    图 6  6_1鬼像路径下的MTF曲线示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of MTF curve of 6_1 ghost image path

    图 7  非序列光线追迹得到的鬼像光束在像面上的照度分布示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of ghost image distribution on image plane calculated by non-sequential ray tracing

    表  1  E0计算表达式,其中鬼像光束示意图中的蓝色光线代表鬼像光线,黑色代表成像光线

    Table  1.   Calculation expression for E0, where the blue lines in the ghost image beam schematic represent the ghost image rays and black ones represents the imaging rays.

    序号 鬼像光束示意图 E0表达式


    1

    $ {E_0} = \dfrac{{{n_k}[{h_k}{u_{kg}} - {h_{kg}}{u_k}]}}{H} $


    2

    $ {E_0} = \dfrac{{{n_k}[{h_k}{u_{kg}} + {h_{kg}}{u_k}]}}{H} $


    3

    $ {E_0} = \dfrac{{{n_k}[{h_{kg}}{u_k} - {h_k}{u_{kg}}]}}{H} $
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    表  2  所有表面的传输矩阵

    Table  2.   Transmission matrices for all surfaces

    透射矩阵 反射矩阵
    前表面 $ {{\rm{M}}_{{1}}}{{ = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{1}}&{{0}} \\ {{{ - }}\dfrac{{{{n' - 1}}}}{{{{n'}}{{{r}}_{{1}}}}}}&{\dfrac{{{1}}}{{{{n'}}}}} \end{array}} \right] $ $ {{\rm{M}}_{{{11}}}}{{ = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{1}}&{{0}} \\ {{{ - }}\dfrac{{{2}}}{{{{{r}}_{{1}}}}}}&{{{ - 1}}} \end{array}} \right] $
    后表面 $ {{\rm{M}}_{{2}}}{{ = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{1}}&{{0}} \\ {{{ - }}\dfrac{{{{1 - n'}}}}{{{{{r}}_{{2}}}}}}&{{{n'}}} \end{array}} \right] $ $ {{\rm{M}}_{{{22}}}}{{ = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{1}}&{{0}} \\ {{{ - }}\dfrac{{{2}}}{{{{{r}}_{{2}}}}}}&{{{ - 1}}} \end{array}} \right] $
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    表  3  三片式镜头参数数据(单位:mm)

    Table  3.   Triplet lens parameter data (in mm)

    表面 曲率半径 厚度 材料
    1 3.285 1 N-LASF31A
    2 −30.01 0.142
    3 −6.769 0.9 SF15
    4 2.489 0.673
    5 6.31 1 N-LAK21
    6 −4.889 10.6713
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    表  4  所有路径下的杂光率与鬼像影响下的MTF值

    Table  4.   The veiling glare index and MTF value under the influence of all ghost images paths

    路径 杂光率 $ \rm{M}\rm{T}\rm{F}' $与$ \rm{M}\rm{T}\rm{F} $之间的关系
    2_1 0.058858 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.944413\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    3_2 0.877073 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.532744\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    3_1 0.029316 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.971518\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    4_3 0.008263 $ \rm{M}\rm{T}\rm{F}'=0.991804\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    4_2 0.005352 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.994676\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    4_1 0.061024 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.942485\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    5_4 0.119049 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.893615\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    5_3 0.006792 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.993252\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    5_2 0.004984 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.995040\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    5_1 0.019154 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.98120\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    6_5 0.067233 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.937001\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    6_4 0.064353 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.939534\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    6_3 0.037417 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.963936\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    6_2 0.018945 $ \rm{M}\rm{T}{\rm{F}}'=0.981406\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
    6_1 0.044890 $ MT{F}'=0.957038\rm{M}\rm{T}\rm{F} $
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    表  5  所有鬼像路径下的MSE值

    Table  5.   MSE values of all ghost images paths

    路径MSE值
    2_11.253505*10^-4
    3_21.826590*10^-2
    3_13.627304*10^-5
    4_32.866007*10^-6
    4_22.798693*10^-5
    4_17.217275*10^-4
    5_41.933488*10^-4
    5_31.222153*10^-5
    5_29.061267*10^-6
    5_15.363379*10^-5
    6_54.459207*10^-4
    6_41.627363*10^-4
    6_34.774974*10^-5
    6_21.692015*10^-5
    6_14.937398*10^-2
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  • [1] 王虎, 陈钦芳, 马占鹏, 等. 杂散光抑制与评估技术发展与展望(特邀)[J]. 光子学报,2022,51(7):0751406. doi: 10.3788/gzxb20225107.0751406

    WANG H, CHEN Q F, MA ZH P, et al. Development and prospect of stray light suppression and evaluation technology (Invited)[J]. Acta Photonica Sinica, 2022, 51(7): 0751406. (in Chinese). doi: 10.3788/gzxb20225107.0751406
    [2] 陆强. 地球同步轨道空间相机杂散光分析与应用技术的研究[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所, 2016.

    LU Q. Study on stray light analysis and application technology of the earth synchronous orbit space camera[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese).
    [3] 梁斌, 朱海龙, 张涛, 等. 星敏感器技术研究现状及发展趋势[J]. 中国光学,2016,9(1):16-29. doi: 10.3788/CO.20160901.0016

    LIANG B, ZHU H L, ZHANG T, et al. Research status and development tendency of star tracker technique[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1): 16-29. doi: 10.3788/CO.20160901.0016
    [4] 吕博, 冯睿, 寇伟, 等. 折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制[J]. 中国光学,2020,13(4):822-831. doi: 10.37188/CO.2019-0036

    LÜ B, FENG R, KOU W, et al. Optical system design and stray light suppression of catadioptric space camera[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 822-831. doi: 10.37188/CO.2019-0036
    [5] 姚雪峰, 高毅, 龙兵, 等. 数字微镜器件(DMD)杂散光特性测试方法及装置[J]. 中国光学,2022,15(2):339-347. doi: 10.37188/CO.2021-0132

    YAO X F, GAO Y, LONG B, et al. Method and device for testing stray light characteristics of Digital Micro-mirror Device (DMD)[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 339-347. doi: 10.37188/CO.2021-0132
    [6] 冷荣宽, 王上, 王智, 等. 空间引力波探测前向杂散光测量和抑制[J]. 中国光学(中英文),2023,16(5):1081-1088. doi: 10.37188/CO.2022-0251

    LENG R K, WANG SH, WANG ZH, et al. Measurement and suppression of forward stray light for spaceborne gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1081-1088. doi: 10.37188/CO.2022-0251
    [7] 耿安兵. 光学系统的鬼像分析及快速计算方法[J]. 舰船光学,2004,40(4):34-36.

    GENG A B. Ghost image anlysis and rapid calculation for optical system[J]. Ship Optical, 2004, 40(4): 34-36. (in Chinese).
    [8] ABD EL-MAKSOUD R H, SASIAN J. Modeling and analyzing ghost images for incoherent optical systems[J]. Applied Optics, 2011, 50(15): 2305-2315. doi: 10.1364/AO.50.002305
    [9] 颜昌翔, 许杰, 彭岩. 离轴三反空间光学望远系统杂散光分析[J]. 光学 精密工程,2010,18(2):289-293.

    YAN CH X, XU J, PENG Y. Stray light suppression of three-mirror off-axis space optical telescope[J]. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(2): 289-293. (in Chinese).
    [10] NAYLOR A G. Veiling glare due to multiple reflections between surfaces[J]. Canadian Journal of Physics, 1970, 48(22): 2720-2724. doi: 10.1139/p70-337
    [11] ABD EL-MAKSOUD R H, SASIAN J M. Paraxial ghost image analysis[J]. Proceedings of SPIE, 2009, 7428: 742807. doi: 10.1117/12.828564
    [12] CLERMONT L, MICHEL C, STOCKMAN Y. Stray light correction algorithm for high performance optical instruments: the case of metop-3MI[J]. Remote Sensing, 2022, 14(6): 1354. doi: 10.3390/rs14061354
    [13] 陈志勇. 透镜系统的镜面反射杂光的计算——鬼像的模拟与分析[J]. 光学机械,1989(2):23-27.

    CHEN ZH Y. Calculation of veiling glare due to reflections between surfaces-ghost image simulation and analysis[J]. Optics and Precision Engineering, 1989(2): 23-27. (in Chinese).
    [14] 岑兆丰, 何志平, 李晓彤, 等. 一种基于光线光学的杂光分析模型[J]. 计算机工程与应用,2003,39(23):188-190.

    CEN ZH F, HE ZH P, LI X T, et al. A computer modeling for stray light analysis based on geometrical optics[J]. Computer Engineering and Applications, 2003, 39(23): 188-190. (in Chinese).
    [15] 胡福生, 金光, 张楠. 复杂光学系统鬼像分析的单向链表实现算法[J]. 红外与激光工程,2007,36(3):322-325.

    HU F SH, JIN G, ZHANG N. Algorithm of list structure of ghost images analyzing in complicated optical systems[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(3): 322-325. (in Chinese).
    [16] 李洋, 鲍书龙, 穆生博, 等. 透射式光学系统焦平面鬼像特性及验证[J]. 光学 精密工程,2021,29(11):2567-2573. doi: 10.37188/OPE.20212911.2567

    LI Y, BAO SH L, MU SH B, et al. Ghost image characteristic and experimental verification of focal plane in refractive optical systems[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(11): 2567-2573. doi: 10.37188/OPE.20212911.2567
    [17] GREIVENKAMP J E. Field Guide to Geometrical Optics[M]. Bellingham: SPIE, 2004.
    [18] 张国玉, 曹维国, 高玉军, 等. 光学系统杂散光的计算与分析方法[J]. 长春光学精密机械学院学报,1995,18(4):21-24.

    ZHANG G Y, CAO W G, GAO Y J, et al. The methods of analyses and calculation for stray light in optical system[J]. Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, 1995, 18(4): 21-24. (in Chinese).
    [19] 卜和阳, 卢振武, 张红鑫, 等. 内掩式透射地基日冕仪中杂光鬼像的消除[J]. 中国光学,2013,6(2):231-236.

    BU H Y, LU ZH W, ZHANG H X, et al. Suppresion of stray light ghost image in internally occulting refractive ground-based coronagraph[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2): 231-236. (in Chinese).
    [20] 王子余, 钟伯亮, 史云飞. 用近轴近似方法计算二次反射杂散光[J]. 光学仪器,1982,4(2):6-15.

    WANG Z Y, ZHONG B L, SHI Y F. Calculation of secondary reflection stray light by Paraxial approximation[J]. Optical Instruments, 1982, 4(2): 6-15. (in Chinese)(查阅网上资料, 未找到本条文献英文翻译, 请确认).
    [21] 石荣宝, 季轶群, 赵知诚, 等. 适于逆光条件的消鬼像镜头光学设计与实验验证[J]. 光学学报,2014,34(9):0922002. doi: 10.3788/AOS201434.0922002

    SHI R B, JI Y Q, ZHAO ZH CH, et al. Optical design and experimental verification of a reduced ghost image lens for backlight condition[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(9): 0922002. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS201434.0922002
    [22] 马卫红. 基于图像分析的光学传递函数测试技术研究[D]. 西安: 中国科学院西安光学精密机械研究所, 2005.

    MA W H. Study of MTF measurement technique based on image analysis[D]. Xi’an: Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2005. (in Chinese).
    [23] 郑克哲. 光学计量[M]. 北京: 原子能出版社, 2002.

    ZHENG K ZH. Optical Metrology[M]. Beijing: Atomic Energy Publishing House, 2002. (in Chinese) (查阅网上资料, 未找到本条文献英文翻译, 请确认) .
    [24] Photon Engineering. FRED Reference Manual[J/OL]. 2012. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认) .

    Photon Engineering. FRED Reference Manual[J/OL]. 2012. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认).
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