空間紅外探測(cè)系統(tǒng)外部雜散光分析與抑制

李建華，李志峰，劉佳琪，張 力,劉雪梅,2

(1.試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085)

·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

空間紅外探測(cè)系統(tǒng)外部雜散光分析與抑制

李建華1，李志峰1，劉佳琪1，張 力1,劉雪梅1,2

(1.試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085)

為降低視場(chǎng)外太陽(yáng)輻射對(duì)空間紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響，對(duì)系統(tǒng)的遮光罩和擋光環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在ZEMAX軟件下，建立了光機(jī)結(jié)構(gòu)分析模型，采用非序列模式下的光線追跡方法，計(jì)算了視場(chǎng)外太陽(yáng)輻射經(jīng)鏡筒表面及透鏡表面的多次散射或反射到達(dá)探測(cè)器表面的雜散光輻照度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)遮光罩和擋光環(huán)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使得雜散光抑制水平滿足系統(tǒng)要求。 關(guān)鍵詞：紅外探測(cè)系統(tǒng)；雜散光分析；遮光罩設(shè)計(jì)；光線追跡

1 引 言

對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光的仿真計(jì)算，分析太陽(yáng)輻射對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的干擾特性[1]，并進(jìn)行相應(yīng)的雜散光抑制設(shè)計(jì)，是空間紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的步驟。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于紅外光學(xué)系統(tǒng)雜光抑制的文章大多針對(duì)反射式或者折反式光學(xué)系統(tǒng)[2]，對(duì)于純透射式報(bào)道較少，而且雜光抑制的步驟及參數(shù)的選定對(duì)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)要求較高。針對(duì)太陽(yáng)輻射引起的雜散光問題，本文對(duì)中波透射式紅外探測(cè)系統(tǒng)，采用視場(chǎng)光闌、遮光罩以及擋光環(huán)組合方式對(duì)雜散光進(jìn)行抑制并給出了詳細(xì)的抑制步驟。

2 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)計(jì)結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。紅外探測(cè)器像素大小為30 μm，光敏面尺寸為7.68 mm×7.68 mm。設(shè)計(jì)中，采用了無(wú)熱化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)-40 ℃到60 ℃的工作環(huán)境[3-4]。光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌置于探測(cè)器的冷屏位置，系統(tǒng)采用二次成像方式，可達(dá)100%冷光闌效率。二次成像中的前組透鏡將無(wú)窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像到中間像面，后組透鏡將中間像再次成像到探測(cè)器的光敏面上。采用兩次成像可以使探測(cè)器中的冷光闌成像到光學(xué)系統(tǒng)的第一面上，從而減小了光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑[5]。此外，光學(xué)系統(tǒng)中的中間像面，可以設(shè)置視場(chǎng)光闌，有利于雜散光的抑制。

在20 lp/mm以內(nèi)的傳遞函數(shù)曲線如圖2所示，從圖中可以看出，所有視場(chǎng)傳遞函數(shù)值均大于0.7，接近衍射極限。

表1 紅外探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳遞函數(shù)曲線

3 雜散光分析與抑制

3.1 探測(cè)器自身噪聲分析與雜光抑制要求

系統(tǒng)雜光抑制要求太陽(yáng)輻射在工作波段內(nèi)到達(dá)探測(cè)器表面的輻照度不高于探測(cè)器噪聲等效輻照度。探測(cè)器噪聲等效輻照度可表示為[6]：

(1)

式中,D*為探測(cè)器的歸一化探測(cè)率;Ad為探測(cè)器光敏面面積;Δf為噪聲等效帶寬。取=6×1011cm·Hz1/2W-1,Δf=100Hz,可以得到ENEI=2.17×10-11W/cm2。

定義紅外探測(cè)系統(tǒng)太陽(yáng)輻射雜光抑制比：

(2)

式中,Ed(θ)為太陽(yáng)輻射與光軸夾角為θ時(shí)入射到探測(cè)器表面的輻照度;E0為太陽(yáng)輻射在工作波段的輻照度。對(duì)于3～5μm的工作波段，E0=1.96×10-3W/cm2。選取30°作為太陽(yáng)規(guī)避角，則當(dāng)θ≥30°時(shí)，系統(tǒng)的雜光抑制比R(θ)必須小于1.1×10-8，即系統(tǒng)要求的雜光抑制比為10-8量級(jí)。

3.2 光機(jī)模型建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

本文采用ZEMAX軟件非序列模式下的光線追跡法進(jìn)行雜光分析。先將ZEMAX序列模式下的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)入到非序列模式下，并在非序列模式下根據(jù)實(shí)際的光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)建模?？紤]遮光罩及擋光環(huán)情況的光機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 光機(jī)結(jié)構(gòu)模型

在進(jìn)行光線追跡前，需要定義機(jī)械結(jié)構(gòu)表面的散射特性。表面散射特性一般用雙向散射分布函數(shù)(BSDF)來(lái)定量表征。如果將散射面的BSDF函數(shù)在相應(yīng)的半空間內(nèi)積分，則得到表面散射率(TIS)，該值表征了總散射(反射)光能量相對(duì)于入射光能量所占的比例。

表征材料表面BSDF函數(shù)有很多數(shù)學(xué)模型，如ABg模型、Gaussian模型、Lambertian模型。選用光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)表面常用的數(shù)學(xué)模型ABg模型，該模型適合于大部分材料，并與工程結(jié)果符合較好，其雙向散射分布函數(shù)：

(3)

圖4 散射模型中的矢量定義示意圖

對(duì)于機(jī)械機(jī)構(gòu)表面，取其表面吸收率90%，表面散射率TIS=10%。有文獻(xiàn)對(duì)粗糙表面散射情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，普通金屬表面散射能量主要集中在10° 散射角以內(nèi)[7]，采用普通的朗伯特(Lambertian)散射體對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)表面建模(g=0)并不準(zhǔn)確?？紤]到這種情況，本文機(jī)械結(jié)構(gòu)ABg模型參數(shù)取A=0.0003385，B=0.0001，g=3.5[8]，其TIS=0.1。

下面分析進(jìn)行光線追跡計(jì)算所需要的光線條數(shù)。理論上，追跡的光線數(shù)越多，仿真精度越高，但仿真的時(shí)間也線性增加。對(duì)于光線追跡所需光線數(shù)量的選擇，采用如下方法：通過(guò)線性增加追跡的數(shù)量，比較計(jì)算結(jié)果，當(dāng)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)變化小于5%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，采用該光線數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于建立的光機(jī)模型，經(jīng)計(jì)算得到追跡光線數(shù)為14萬(wàn)條時(shí)，結(jié)果收斂。由于每次追跡計(jì)算的時(shí)間較長(zhǎng)，而且需要不斷變化參數(shù)以進(jìn)行優(yōu)化，故通過(guò)ZEMAX編程語(yǔ)言(ZEMAX Programming language，ZPL)，編寫了相應(yīng)的宏命令，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算過(guò)程的自動(dòng)化。

3.3 遮光罩與擋光環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真得到?jīng)]有遮光罩情況下系統(tǒng)雜光抑制比為10-5量級(jí)，比目標(biāo)值10-8低3個(gè)量級(jí)，故必須使用遮光罩。遮光罩越長(zhǎng)，越有利于雜散光的消除，但考慮到空間系統(tǒng)體積和重量的限制，遮光罩不能太長(zhǎng)，需進(jìn)行優(yōu)化。

選定遮光罩的長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算分析不同遮光罩長(zhǎng)度的雜光抑制比以選擇合適的遮光罩長(zhǎng)度[9]。圖5表示了30°入射角的雜光抑制比與遮光罩長(zhǎng)度的關(guān)系(遮光罩采用單節(jié)桶形結(jié)構(gòu))。可以看到，遮光罩越長(zhǎng)，抑制比總的趨勢(shì)變小，當(dāng)遮光罩長(zhǎng)度L大于120 mm以后，增加長(zhǎng)度抑制比沒有數(shù)量級(jí)的變化(L<200 mm)，此時(shí)，雜光入射到光學(xué)系統(tǒng)第一片透鏡至少需經(jīng)過(guò)遮光罩一次反射。每經(jīng)過(guò)一次反射，雜散光能量下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。故選定遮光罩長(zhǎng)度為120 mm，此時(shí)系統(tǒng)雜光抑制比的量級(jí)為10-6，比目標(biāo)值大兩個(gè)量級(jí)，故采用擋光環(huán)進(jìn)一步抑制。

圖5 雜光抑制比與遮光罩長(zhǎng)度的關(guān)系

擋光環(huán)安裝在遮光罩內(nèi)部，擋光環(huán)包絡(luò)形成的張角ω需略大于視場(chǎng)角，如圖6(a)所示。

擋光環(huán)選擇等間距布置結(jié)構(gòu)，設(shè)定D0=51.2 mm，適當(dāng)大于光學(xué)系統(tǒng)入瞳口徑44 mm，根據(jù)遮光罩長(zhǎng)度及擋光環(huán)包絡(luò)的張角，可得D=64 mm。

圖6 遮光罩及擋光環(huán)原理示意圖

為了發(fā)揮擋光環(huán)的作用，擋光環(huán)的高度h與間距l(xiāng)應(yīng)近似滿足：

hi+hi+1≥ltanθ

(4)

此時(shí)，入射光線以θ角入射時(shí)，光線要么經(jīng)兩次反射后離開光學(xué)系統(tǒng)，要么經(jīng)三次反射后朝光學(xué)系統(tǒng)方向入射，如圖6(b)所示。根據(jù)圖6(c)，經(jīng)三次反射朝光學(xué)系統(tǒng)方向入射的光線占總?cè)肷涔饩€數(shù)的比例隨著h值的增大而增加。因此擋光環(huán)的具體高度還需根據(jù)最后的仿真結(jié)果來(lái)確定。逐漸增加擋光環(huán)高度，直到滿足雜散光抑制要求。擋光環(huán)另外一個(gè)待定參數(shù)為環(huán)數(shù)，環(huán)數(shù)n及間距l(xiāng)滿足:

(n-1)l=L

(5)

如圖7為擋光環(huán)數(shù)n=9時(shí)對(duì)應(yīng)的雜散光抑制比與入射光離軸角的關(guān)系曲線。此時(shí)，對(duì)30°入射角滿足式(4)的h1≥4.33mm，故h1選5mm。為了對(duì)比，同時(shí)計(jì)算了h1為3mm時(shí)的抑制比?？梢钥吹剑琱1為3mm的不滿足要求，抑制比存在大于10-8的情況。而h1為5mm的擋光環(huán)設(shè)計(jì)，雜散光抑制比滿足要求，均小于設(shè)計(jì)閾值。

圖7 雜光抑制比與離軸角的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)中波空間紅外探測(cè)系統(tǒng)，在ZEMAX軟件下建立了非序列分析模型，采用光線追跡的方法，對(duì)離軸太陽(yáng)輻射的雜散光水平進(jìn)行了計(jì)算分析。以太陽(yáng)輻射在工作波段內(nèi)到達(dá)探測(cè)器光敏面的輻照度不高于探測(cè)器等效噪聲輻照度作為雜散光抑制的目標(biāo)，分析了遮光罩長(zhǎng)度及擋光環(huán)高度等參數(shù)對(duì)雜散光抑制的影響，為參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。分析表明，遮光罩越長(zhǎng)，雜光抑制比總的趨勢(shì)變小，但在一定范圍內(nèi)增加遮光罩長(zhǎng)度，抑制比并沒有數(shù)量級(jí)的變化，故采用遮光罩加擋光環(huán)結(jié)構(gòu)能夠在系統(tǒng)體積有要求的情況下得到最優(yōu)結(jié)果。針對(duì)具體的系統(tǒng)，結(jié)合仿真結(jié)果確定了兩者的參數(shù)，使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。

[1] QI Meng.Detection probability of IR search and track system[J]. Laser & Infrared,2004,34(4)：269-271.(in Chinese) 祁蒙.紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)概率研究[J].激光與紅外,2004,34(4)：269-271.

[2] WANG Wenfang,YANG Xiaoxu,JIANG Kai,et al.Stray light analysis of catadioptric infrared optical system with large field[J].Infrared and Laser Engineering,2013,42(1):138-142.(in Chinese) 王文芳,楊曉許,姜?jiǎng)P,等.大視場(chǎng)紅外折反光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析[J].紅外與激光工程,2013,42(1):138-142.

[3] LI Hua,HAN Weiqiang,SHEN Mangzuo.Passive athermal design and measurement of MWIR optical system[J].Infrared and Laser Engineering,2009,38(4)：687-691.(in Chinese) 李華,韓維強(qiáng),沈忙作.中波紅外光學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)及測(cè)試[J].紅外與激光工程，2009,38(4)：687-691.

[4] LI Ronggang,LIU Lin,ZHANG Xingde,et al.Design and fabrication of mid-wave infrared lenses with athermalization[J]. Laser & Infrared,2010,40(6):653-655.(in Chinese) 李榮剛,劉琳,張興德,等.中波紅外無(wú)熱化鏡頭的設(shè)計(jì)與制造[J].激光與紅外,2010,40(6):653-655.

[5] FAN Zheyuan,YANG Hongtao,Qü Enshi,et al.Design of long-wave infrared scan system with large field and large aperture[J].Infrared and Laser Engineering,2012,41(10):2740-2744.(in Chinese) 范哲源,楊洪濤,屈恩世,等.大視場(chǎng)大相對(duì)孔徑長(zhǎng)波紅外掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2012,41(10):2740-2744.

[6] NIU Jinxing,ZHOU Renkui,LIU Zhaohui,et al.Analysis and calculation of space-based infrared detecting system[J].Acta Optica Sinica,2010,30(3):768-771.(in Chinese) 牛金星,周仁魁,劉朝暉,等.天基紅外探測(cè)系統(tǒng)的雜散光分析與計(jì)算[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(3):768-771.

[7] WANG Mingjun,DONG Yangbing,WU Zhen,et al. Research on light scattering characteristics of rough surface and optical constants deduction[J].Infrared and laser Engineering,2004.33(5):549-552.(in Chinese) 王明軍,董雁冰,吳振森,等.粗糙表面光散射特性研究與光學(xué)常數(shù)反演[J].紅外與激光工程,2004.33(5):549-552.

[8] MEI Chao,ZHOU Sizhong,YAN Peipei,et al.Design of an outer baffle based on scattering model[J].Acta Optica Sinica,2013,33(1):0122005.(in Chinese) 梅超,周泅忠,閏佩佩，等.基于散射模型設(shè)計(jì)外遮光罩[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1):0122005.

[9] DENG Chao.Analysis on stray light elimination for space solar telescope[J].Infrared and Laser Engineering,2010,39(4):710-715.(in Chinese) 鄧超.空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡消雜散光分析[J].紅外與激光工程,2010,39(4):710-715.

Stray light analysis and suppression for space infrared detecting system

LI Jian-hua1,LI Zhi-feng1,LIU Jia-qi1,ZHANG Li1, LIU Xue-mei1,2

(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics & Numerical Mathematics,Beijing 100076,China;2.The Seconal Artillery Equipment Research Institute,Beijing 100085,China)

Baffle and vanes are designed and optimized in order to reduce the influence of stray light on space infrared detecting system. Based on optical design and analysis software ZEMAX,analysis model of optical-mechanical structure was established,and the irradiance of stray light was calculated by using a non-sequential ray tracing method. This stray light was obtained as sun light reached the detector surface by multiple reflections from polished lens surfaces and diffused scattering from rough mechanical surfaces. The parameters of baffle and vanes are optimized based on calculation results,which meet the needs of the system.

infrared detecting system; stray light analysis; baffle design; ray tracing

1001-5078(2015)02-0185-04

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(No.9140C580201140C58001)資助。

李建華(1985-)，男，博士，主要研究紅外探測(cè)技術(shù)。E-mail：lijh14@163.com

2014-07-18;

2014-08-13

TN214

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.015