紅外焦平面杜瓦冷屏擋光環(huán)雜散輻射的抑制

尹 爽，朱穎峰，黃一彬，張嫻靜，趙維艷，徐思軼

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紅外焦平面杜瓦冷屏擋光環(huán)雜散輻射的抑制

尹 爽1，朱穎峰1，黃一彬1，張嫻靜2，趙維艷1，徐思軼1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 浙江大學(xué)光電工程學(xué)院，浙江 杭州 310013）

從光學(xué)設(shè)計的角度出發(fā)，介紹了冷屏雜散輻射抑制的基本原理?；趲缀喂鈱W(xué)的基本原理，應(yīng)用ASAP軟件的計算機仿真模擬手段進行實際的光學(xué)系統(tǒng)建模，在現(xiàn)有冷屏設(shè)計的基礎(chǔ)上，仿真具有不同擋光環(huán)個數(shù)和不同開孔形狀的擋光環(huán)的冷屏，分析篩選雜散輻射抑制效果最好的冷屏，在盡量減輕重量、減小體積的前提下，獲得盡可能好的消雜散輻射效果。

紅外焦平面；杜瓦冷屏；雜散輻射抑制；擋光環(huán)；ASAP

0 引言

冷屏也稱為冷光闌，是杜瓦的一個十分重要的配件，起到限制視場角、提高探測器芯片信噪比、降低背景噪聲和減少背景光通量的作用。紅外焦平面中的雜散輻射會降低像面的對比度和調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個像面的清晰度變差，能量分布混亂，甚至可能會在像面上產(chǎn)生光斑，直接導(dǎo)致像質(zhì)下降。某些情況下甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失效，嚴重時更會使目標信號完全被雜散輻射所淹沒[1]。通過對冷屏結(jié)構(gòu)的適當設(shè)計[2]，可以對進入冷屏內(nèi)部的雜散輻射進行抑制，提高探測器的成像質(zhì)量。本文主要以圓形開口的圓錐狀冷屏為基礎(chǔ)[3-4]，應(yīng)用ASAP仿真模擬分析方孔圓角擋板和圓孔擋板的雜散輻射抑制能力，分析篩選出雜散輻射抑制效果較好的一種冷屏結(jié)構(gòu)。

1 基本思路

1.1 冷屏擋光環(huán)位置的選擇

選擇均勻放置3個擋光環(huán)和非均勻放置6個擋光環(huán)。

非均勻放置的6個擋光環(huán)位置的判定基于以下原理，如圖1[5]。

在冷屏內(nèi)壁是漫反射的情況下，首先連接￠，使￠與￠￠交于點。過點做￠￠的垂直線￠。那么，￠所在的位置就是冷屏第一個擋光環(huán)所在的位置，并且￠的高度就是第一個擋光環(huán)的截面高度。然后連接使其相交￠￠于點，連接點是與￠￠交于點。過點做￠￠的垂直線￠。那么，￠所在的位置就是冷屏第二個擋光環(huán)所在的位置，并且￠的高度就是第二個擋光環(huán)的截面高度。以此類推，直到由點發(fā)出的雜散輻射出射到冷屏外面。

應(yīng)用以上原理方法，實際應(yīng)用CAD畫出本文冷屏模型的擋光環(huán)數(shù)量為6個。具體如圖2。

圖1 圓柱狀冷屏等高布置的擋光環(huán)的設(shè)計原理圖

Fig. 1 Design principle of the cylindrical cold field with baffles

圖2 非均勻擋光環(huán)位置的確定

Fig.2 The determination of non-uniform placed baffles

1.2 冷屏擋光環(huán)開孔尺寸和形狀的選擇

冷屏視場角FOV的示意圖，如圖3，從圖中可以看出視場角的最大邊界。把這個最大邊界作為圓孔擋光環(huán)的直徑。

圖3 冷屏視場角

由于在ASAP的仿真模擬[6]中，方孔外接于圓視場角無法模擬，不滿足要求。所以選擇方孔內(nèi)接于圓視場角，方孔的對角線長度剛好等于圓孔擋光環(huán)直徑的大小。

方孔圓角的圓角尺寸判斷如圖4所示。圖4所示方孔圓角擋光環(huán)開孔的數(shù)學(xué)計算模型。

圖4 方孔圓角擋光環(huán)開孔判斷原理圖

假設(shè)光源面為0處的出瞳面，并且探測器上任意一點都是從光源任意一點發(fā)出光線的疊加。取光源最外圈任意一點(0,0,0)，0＋0＝r探測器面上的任意一點是(,,)，這兩點的連點的方向向量是(0,0,)。在中間任意取一截面，其與直線相交于(,,)，推導(dǎo)出：

＝0＋(0)＝0＋(0)

＝×0＜＜1

即：(1)0＝－(1－)0＝＝/

由02＋02＝2，得：

()2＋()2＝(1)22＝(1)22

所以，任意一截面的形狀為圓，半徑為(1)/×。

圓心的軌跡為縮小后探測面的軌跡(，)，其中分別表示探測器接收面長和寬的尺寸大小，當探測器接收面上每一點產(chǎn)生的截面都疊加以后形成的包絡(luò)線才是實際上在位置的實際截面形狀。方孔圓角擋光環(huán)的冷屏是由包絡(luò)線的形狀決定的。

仿真模型如圖5。

2 散射模型的選擇

對于入射角不大的情況下，該模型可以達到一個大范圍的散射表面的合理的近似描述。在ASAP的仿真中采用的是SCATTER RANDOM表面散射。

在ASAP中，SCATTER RANDOM指令是用來仿真朗伯（Lambertian）表面。朗伯散射表面的散射亮度為常數(shù)與光線的入射角度無關(guān)，其散射光強度則根據(jù)散射光線與該表面法線方向夾角的余弦而改變。這方法常用來模擬簡單的擴散片（diffuser）。當一條入射光線打在這個指令定義的散射面上時，ASAP將產(chǎn)生多條的額外光線以模擬朗伯散射表面，換句話說，這方法對應(yīng)的是“一條光線進，多條光線出”的散射模擬方法。這些光線是被散射到一個半球形的區(qū)域內(nèi)，每一根光線攜帶相同的光通量（flux）。ASAP采用一個名為光線密度（ray-density method）的算法來產(chǎn)生著朗伯散射光線的空間分布模式：當入射光線是在散射表面的法線方向附近，ASAP在單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的光線數(shù)目比較多；當光線是掠入射（grazing incident）時，將產(chǎn)生較少的散射光線。

根據(jù)模型給定的基本參數(shù)條件，本論文中均采用表面散射來進行仿真計算。

3 ASAP仿真基本參數(shù)的設(shè)定

在ASAP軟件中設(shè)置初始條件，設(shè)置冷屏開口形狀參數(shù)（統(tǒng)一設(shè)置為如圖6的圓形開口尺寸）,雜散輻射率設(shè)置為0.93[7]，設(shè)置探測器接收面為全吸收模型。設(shè)置光源為發(fā)射平行光的面光源，入射角從0°視場起到70°視場，每隔2°仿真計算。各視場下，有效光束總能量為10000，雜散光束為500，均無量綱。

光學(xué)模型[8]的建立：

首先建立冷屏外型尺寸的三維模型如圖6所示，然后在已建立冷屏外形三維模型的前提下，分別添加均分排列的圓孔3擋光環(huán)（圖7）和方孔圓角3擋光環(huán)（圖8）。以及非均勻排列的圓孔6擋光環(huán)（圖9）和方孔圓角6擋光環(huán)（圖10），進行仿真模擬分析。

圖7 圓孔擋光環(huán)均勻排列3擋光環(huán)的冷屏模型

圖8 方孔圓角擋光環(huán)均勻排列3擋光環(huán)的冷屏模型

圖9 圓角擋光環(huán)非均勻排列6擋光環(huán)的冷屏模型

圖10 方孔圓角擋光環(huán)非均勻排列6擋光環(huán)的冷屏模型圖

然后仿真對比均勻排列的圓孔3擋光環(huán)和非均勻排列的圓孔6擋光環(huán)。分析均勻3擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為103801和1063.94。非均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為103810和129.974。從總的能量效果分析，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射的能量比較小。所以，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射抑制能力會更好。具體每個角度的能量分布如圖11(a)和(b)、圖12(a)和(b)所示。

前面分析完成以后再仿真對比均勻排列的方孔圓角3擋光環(huán)和非均勻排列的方孔圓角6擋光環(huán)。分析均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射光的總能量分別為91240和64.759。非均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為91470和64.4189。從總的能量效果分析，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射的能量比較小。所以，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射抑制能力會更好。具體每個角度的能量分布如圖12所示。

(a) 均勻圓孔3擋板雜散光能量圖

(b) 非均勻圓孔6擋板雜散光能量圖

圖11 圓孔擋光環(huán)雜散光能量對比圖

Fig.11 The stray energy comparison of the rounded holes

(a) 均勻方孔圓角3擋板雜散光能量圖

(b) 非均勻方孔圓角6擋板雜散光能量圖

圖12 方孔圓角擋光環(huán)雜散輻射能量對比圖

Fig.12 The stray energy comparison of the square hole with rounded corners

4 總結(jié)

通過上述對比可以分析出雜散輻射抑制效果最好的是非均勻方孔圓角6擋光環(huán)。其中方孔圓角均勻3擋光環(huán)和方孔圓角非均勻6擋光環(huán)的雜散輻射抑制相差不大。所以結(jié)合實際冷屏的制作加工難度和重量要求，綜合考慮，方孔圓角均勻3擋光環(huán)更好。

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The Stray Radiation Suppression of the Baffles of Infrared Focal Plane Dewar

YIN Shuang1，ZHU Ying-feng1，HUANG Yi-bin1，ZHANG Xian-jing2，ZHAO Wei-yan1，XU Si-yi1

(1.,650223,; 2.,310013,)

From the perspective of optical design, the basic principle of cold field stray radiation suppression was introduced. Based on the basic principle of geometrical optics, the simulation function of ASAP was used for the actual optical system modeling. Based on the existing cold field design, simulation of different number and different hole shape of baffles of the cold field was done. Analysis and selection of the cold field which is the best of the stray radiation suppression was made. On the premise that reducing the weight and volume as much as possible, good stray radiation suppression has been achieved.

IRFPA，cold field of dewar，stray radiation suppression，baffle，ASAP

TN215

A

1001-8891(2015)11-0916-05

2015-08-03；

2015-09-09.

尹爽（1988-），女，吉林長春人，碩士研究生，現(xiàn)從事紅外探測器杜瓦冷屏雜散輻射抑制的研究。E-mail：767839878@qq.com。