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《雜散光抑制與評估技術(shù)》

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國內(nèi)首部系統(tǒng)化雜散光題材學(xué)術(shù)專著

王虎 馬占鵬 陳欽芳 林上民 編著

內(nèi)容提要

《雜散光抑制與評估技術(shù)》從“機理一模型一設(shè)計一仿真一測試一評估”全鏈路，介紹了雜散光的概念、抑制方法以及測試評估技術(shù)。

首先介紹了雜散光的概念及其表現(xiàn)形式，分析了雜散光的來源；其次介紹了雜散輻射傳輸基本概念及輻射傳輸理論；再次闡述了雜散光抑制模型表面散射特性及抑制方法，并通過實際案例對雜散光仿真分析過程進行了介紹；最后就抑制效果的評估方法及測試技術(shù)進行了介紹。

PART 01

為何研究雜散光

對雜散光的關(guān)注源于作者長期從事的空間敏感器（如星敏感器、月球敏感器、地球敏感器等）光學(xué)設(shè)計工作，特別是對弱暗天體的探測需求。

在為嫦娥三號月面巡視器“玉兔號”月球車研制170°近半球視場避障相機光學(xué)系統(tǒng)時，太陽不可避免地闖入視場，為了在攝取月面昏暗地形的同時屏蔽強烈陽光的干擾，必須盡可能抑制雜散光的不利影響。

近半球視場拖影實拍圖與雜光路徑仿真圖

在引力波探測、系外行星成像、極紫外光刻等更前沿的任務(wù)中，超低閾值(點源透過率(PST)為10??及以上)雜散光的抑制與評估又一再成為“臨門一腳”的關(guān)鍵難題。雜散光不僅是光學(xué)設(shè)計中的“最后一公里”，更是決定科學(xué)目標(biāo)成敗的“第一公里”。

人類從外界獲取的信息83%來自視覺。《說文解字》將篆文“看”解釋為“以手加于目上遮光遠望”，美猴王反手遮陽的標(biāo)志性動作，無非是用最樸素的方式拒絕雜散光。古人言“有的放矢”，今人講“方向大于努力”，所指的是目標(biāo)和方向，也就是降低環(huán)境噪聲、提高目標(biāo)信噪比。當(dāng)探測器試圖捕捉比背景暗百萬倍的系外行星，或當(dāng)引力波望遠鏡要在十億千米臂長內(nèi)分辨皮米級位移時，任何“不該來的光子”都會讓科學(xué)信號的獲得前功盡棄。由此可見，雜散光抑制既關(guān)乎工程成敗，也關(guān)乎人類認知邊界能否再向前一步。

圖 孔徑鬼像在光軸粗對準(zhǔn)中的應(yīng)用

圖 視場外可見光波段雜散光來源及傳播路徑

圖 冷反射及雜光形成示意圖

PART 02

雜散光抑制

隨著人類對事物認知需求的不斷提升，對弱暗目標(biāo)的探索不斷深入，雜散光的影響、抑制及評估技術(shù)的需求愈發(fā)凸顯，其理論研究和工程應(yīng)用日益受到廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外有《Stray light: analysis and control》(Eric C.Fest著，2013年)及其中譯版《雜散光抑制設(shè)計與分析》(于清華等譯，2019年)著作，學(xué)者對雜散光抑制及抑制效果評估技術(shù)的相關(guān)理論及工程應(yīng)用的結(jié)合更加關(guān)注，科技工作者在實踐過程中，往往也會遇到雜散光的干擾困惑，甚至生活中的一些雜散光現(xiàn)象如鬼像等也讓人疑惑不解。

雜散光的抑制難在其在不同條件下呈現(xiàn)出的現(xiàn)象形式不盡相同，分析起來比較困難且充滿未知，往往有時也不能徹底消除，這也是本書強調(diào)雜散光抑制的根本原因。

圖 “中國科學(xué)院大學(xué)”燈牌鬼像

圖 手機花瓣狀鬼像形成三維示意圖

雜散光抑制技術(shù)是一門涉及多個學(xué)科的綜合技術(shù)，其關(guān)鍵理論和技術(shù)有：輻射傳輸理論，光學(xué)散射理論，雙向散射分布函數(shù)(BSDF)模型與測量，雜散光抑制設(shè)計與優(yōu)化，污染效應(yīng)及防護，雜散光仿真分析軟件以及抑制效果測試評估技術(shù)等。

圖 BSDF、BRDF和BTDF示意圖

對于雜散光抑制技術(shù)，傳統(tǒng)的觀念還僅僅圍繞著各種光闌和遮光罩設(shè)計，包括消光涂層的利用等狹義方面，新型的雜散光抑制技術(shù)應(yīng)在建立的各種物理與經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，利用實測樣品表面的雙向散射分布函數(shù)(BSDF)數(shù)據(jù)庫，通過雜散光分析軟件進行仿真評估，并根據(jù)評估結(jié)果修改完善局部不合理設(shè)計，最終對實物進行測試，驗證雜散光抑制效果。

圖 BSDF測試原理圖

雜散光問題本質(zhì)上是“能量管理”問題——把不該到達像面的能量減少到最低，把必須保留的能量用到極致；雜散光抑制必須“從物理模型走到工程圖紙”，再“從測試數(shù)據(jù)回到設(shè)計閉環(huán)”。

作者結(jié)合自身工程及教學(xué)實踐編寫了這本書，嘗試打通“機理—模型—設(shè)計—仿真—測試—評估”的閉環(huán)技術(shù)鏈，通過理論與案例的剖析，幫助大家初步掌握分析雜散光問題的方法思路及雜散光的抑制方法和評估技術(shù)。

PART 03

本書特點

本書首次將雜散光分析、抑制設(shè)計、測試評估等全鏈條技術(shù)整合成體系，填補了國內(nèi)光學(xué)工程領(lǐng)域在該方向的專著空白。

全書力圖使您在三個維度上

有所收獲：

概念維度：快速識別炫光、鬼像、熱輻射、散射光暈等不同形態(tài)的雜散光，洞悉其“能量管理”本質(zhì)——把不該到達像面的能量減到最低，把必須保留的能量用到極致。

方法維度：從輻射傳輸方程、BSDF/ ARS/TIS等表面散射模型，到雜散光分析軟件、逆向優(yōu)化，提供“從物理模型走到工程圖紙”，再 “讓測試數(shù)據(jù)回到設(shè)計閉環(huán)”的完整工具箱。

工程維度：遮光罩、擋光環(huán)、消光涂層、冷光闌、多級隨動遮光罩、微結(jié)構(gòu)擋光板、低污染裝配工藝等硬件細節(jié)，以及VGI、PST、時間分辨測試系統(tǒng)等評估手段，均給出可落地的設(shè)計范式與實測案例。

全書共八章，結(jié)構(gòu)如下：

第1章 雜散光的“面孔”與“血統(tǒng)”——定義、分類、典型危害案例。

第2章 輻射傳輸?shù)耐ㄓ谜Z言——基本物理量、傳輸方程與能量守恒。

第3章 表面散射與衍射的微觀機制——BSDF、BDDF、ARS、TIS模型與測試流程。

第4章 雜散光分析數(shù)理模型——散射路徑分析、PST計算。

第5章 雜散光抑制“兵器庫”——視場外、視場內(nèi)、熱輻射三大場景的系統(tǒng)解決方案。

第6章 全流程仿真范例——TracePro平臺下的透射式、R-C反射式、中波紅外三套系統(tǒng)實戰(zhàn)。

第7章 測試與評估技術(shù)——VGI與PST適用邊界、高潔凈雙柱罐、真空低氣壓測試、時間分辨系統(tǒng)等。

第8章 總結(jié)與展望——“高抑制、可測試、能閉環(huán)”的設(shè)計范式，展望基于模型的深度強化學(xué)習(xí)、超表面、AI逆向設(shè)計、數(shù)字孿生等新方向。

附錄給出常用參數(shù)、縮略語、SNR公式及關(guān)鍵詞索引，方便不同背景讀者快速查閱。正文中堅持“案例+要點+注意事項”體例，力求減少“一看就懂、一用就忘”的空泛描述。

全文全彩色，文中很多配圖由作者親自繪制，一些引用的圖例在原圖基礎(chǔ)上又從雜散光抑制的角度補添了一些細節(jié)及遺漏的部分。

雜散光研究的終點也許不是“零雜光”，而是可控、可預(yù)測、可接受的剩余能量。愿本書成為讀者攀登這一臺階的墊腳石，也成為我們共同邁向更高性能光學(xué)系統(tǒng)的新起點。

研究團隊

本書延續(xù)了王虎研究員一貫的寫作風(fēng)格，在正文外增加了拓展知識與應(yīng)用案例，并以仿宋字體區(qū)別標(biāo)注，對于易于混淆內(nèi)容和核心重點進行了強調(diào)并以黑體或加粗字體著重凸顯，全書彩印利于精準(zhǔn)呈現(xiàn)圖文細節(jié)信息。

本書團隊是一群專業(yè)的“打雜”人，本書部分素材也取自團隊科研工作。團隊長期深耕于空間敏感器光學(xué)技術(shù)、雜散光抑制與評估技術(shù)、空間目標(biāo)模擬及評估技術(shù)等領(lǐng)域。團隊始終將基礎(chǔ)理論與工程實踐緊密結(jié)合，研發(fā)的高精度天體敏感器光學(xué)產(chǎn)品裝備了包括嫦娥系列、神舟系列以及火星探測等國家重大專項。圍繞雜散光抑制及評估技術(shù)，團隊牽頭制訂并發(fā)布了《點源透過率雜（散）光測試規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)（T/CI 1167-2025）、國產(chǎn)首套雜散輻射分析軟件表面散射模塊及光源模塊的研制開發(fā)工作，并承擔(dān)了國內(nèi)八家科研院所和高校10余套雜散光測試整實驗室設(shè)計及建造任務(wù)。已出版了《空間光學(xué)理論與應(yīng)用》（科學(xué)出版社,2024.9）。

圖 王虎研究員正在指導(dǎo)青年人開展工作

圖 王虎團隊成員(部分)

圖 作者團隊承研的整實驗室雜散光測試與評估系統(tǒng)

《雜散光抑制與評估技術(shù)》已獲2024年度國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助。國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金是由國務(wù)院批準(zhǔn)、國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金委員會管理的專項基金，主要資助自然科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域具有基礎(chǔ)性、前瞻性和戰(zhàn)略性的優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作出版，此次入選進一步彰顯了該研究團隊在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力。

DeepSeek基于海量學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)與多維度權(quán)威知識庫的智能檢索認為：《雜散光抑制與評估技術(shù)》是國內(nèi)首部系統(tǒng)化雜散光題材學(xué)術(shù)專著。

參考文獻：

1、《雜散光抑制與評估技術(shù)》前言；

2、西安光機所王虎團隊《雜散光抑制與評估技術(shù)》獲國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助.

https://mp.weixin.qq.com/s/GxweB-GRh3MH_OC9PNqXXg.

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《雜散光抑制與評估技術(shù)》

王虎 馬占鵬 陳欽芳 林上民 編著

ISBN：9787030844408

出版社：科學(xué)出版社

出版時間：2026-03-01

（本文編輯：劉四旦）

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