一文读懂：什么是杂散光？

杂散光（stray light）指远离吸收光的其他波长的入射光，由光源经色器时反射、散射或外界干扰产生，常见成因包括光学元件污染、光栅结构缺陷及系统设计不足，其中光栅贡献占比约80%。其本质为光学系统的非预期噪声，分为外部光源反射、内部热辐射和成像光线异常传播三类。

一、杂散光的主要产生原因

杂散光并非单一来源，它主要由以下几个原因造成：

散射

表面散射：

□ 光学元件（如透镜、反射镜）表面因灰尘、划痕、瑕疵或制造缺陷，导致光线发生漫反射，而不是按设计路径传播。

体内散射：

□ 光学材料（如玻璃）内部存在气泡、杂质或不均匀，使光线在材料内部发生散射。

非预期反射

机械结构反射：

□ 镜头筒内壁、光圈叶片、传感器基底等非光学表面发生的反射。即使这些内壁被涂黑，也无法100%吸收所有光线。

光学表面多次反射：

□ 光线在多个透镜表面之间来回反射后，最终意外地到达像面。

衍射

光线通过光圈边缘时会发生衍射，产生微弱的、非成像的光线分布。

光学像差

透镜设计本身不完美，导致光线无法完美汇聚到一点，部分光线会“溢出”到不该去的地方，形成杂散光。例如彗差、像散等。

二、杂散光的表现形式（负面影响）

杂散光在最终图像或数据中通常表现为：

鬼影：

□ 当画面内有强光源（如太阳、灯光）时，在图像的对称位置出现的光斑，通常是光圈形状的倒像。这是由于光线在透镜组之间多次反射形成的。

光晕：

□ 在强光源周围出现的模糊、发亮的区域，降低了画面的对比度。

雾霾/灰雾：

□ 整个画面像蒙上了一层薄纱，导致图像整体对比度和色彩饱和度下降，黑色不够纯正。

杂散像：

□ 在图像中出现与实物不符的、意外的亮斑或图案。

三、实际应用中的例子

摄影：

逆光拍摄：

□ 当太阳在画面中或边缘时，很容易出现鬼影和光晕。

夜间摄影：

□ 拍摄街灯、月亮时，画面中可能出现不需要的光斑。

天文望远镜：

观测较暗的星体时，如果附近有明亮的行星或恒星，杂散光会淹没微弱的星光，使观测失败。

显微镜：

观察透明或低对比度样本时，杂散光会降低图像的清晰度和细节分辨率。

光谱仪：

杂散光会使测量到的光谱数据出现背景噪声，甚至产生“假峰”，导致分析结果严重错误。这是光谱分析中最致命的问题之一。

四、如何控制和减少杂散光？

光学工程师们会采用多种方法来抑制杂散光：

镀增透膜：

□ 在透镜表面镀上一层薄膜，减少每个表面的反射，这是最基础且有效的方法。

使用光阑：

□ 在光学路径中设置一系列光阑，只允许成像所需的光线通过，阻挡偏离路径的杂散光。

内壁处理：

□ 将镜头筒、镜座等机械结构内壁做成螺纹状或阶梯状，并涂上特殊的黑色消光漆，以最大限度地吸收杂散光。

精心设计挡光板：

□ 在系统内部关键位置设置经过精确计算的挡光板，直接遮挡掉来自强光源的直射杂散光。

优化光学设计：

□ 通过计算机软件进行“杂散光分析”，在设计阶段就预测并消除潜在的杂散光路径。

五、总结

杂散光是光学系统中一种有害的、非预期的光辐射，它会降低图像对比度、产生鬼影和光晕、并导致测量数据失真。控制和消除杂散光是设计任何高性能光学系统时必须解决的关键挑战。