冷屏黑層抑制雜散輻射分析研究

林國畫，東海杰，孟令超，孟令偉

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

冷屏黑層抑制雜散輻射分析研究

林國畫，東海杰，孟令超，孟令偉

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

通過對冷屏抑制雜散輻射原理的分析，得出測量冷屏內(nèi)表面的反射是研究工作的切入點(diǎn)，從而從基本能量傳遞方程中確定表征冷屏內(nèi)表面黑層特性的BRDF。通過對2.5～14μm冷屏黑層BRDF的測試，發(fā)現(xiàn)在接收角度變小的情況下，黑層BRDF出現(xiàn)較大的變化，確定了下一步改進(jìn)的方向。

冷屏；雙向反射分布函數(shù)；黑層；雜散輻射

1 引 言

紅外焦平面探測器組件由探測器芯片、杜瓦、制冷機(jī)組成，如圖1所示，探測器芯片安裝在杜瓦芯柱的冷頭上，制冷機(jī)對冷頭進(jìn)行冷卻，保證探測器芯片工作所需要的溫度，杜瓦提供一個真空環(huán)境和探測器芯片信號引出所需要的電學(xué)連接，因此，組件的性能由探測器芯片的性能、杜瓦結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計、制冷溫度的控制來決定。

探測器芯片的制作工藝復(fù)雜，二代紅外焦平面探測器組件隨著關(guān)鍵工藝的解決，芯片自身性能的提高越來越有限，需要挖掘組件各方面的潛力，包括杜瓦結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計。

杜瓦由窗口、外殼、引線環(huán)、芯柱、冷屏等組成，冷屏安裝在杜瓦冷頭之上，由金屬材料電鑄而成，它一方面為探測器芯片提供一個穩(wěn)定的冷環(huán)境，另一方面是組件內(nèi)消除雜散輻射的重要元件，同時它也是光學(xué)系統(tǒng)的出瞳。

圖1 紅外探測器－杜瓦組件示意圖

探測器芯片的性能受雜散輻射的影響，為了很好地抑制雜散輻射，我們將冷屏的內(nèi)表面發(fā)黑，希望黑層能盡可能多地吸收雜散輻射，為此，做了許多分析、研究工作。

2 冷屏抑制雜散輻射的原理

輻射能量從窗口入射到探測器表面，探測器將其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時也會反射一些輻射能量，反射的能量會入射到冷屏發(fā)黑的內(nèi)表面，其中一部分被吸收，一部分被反射，反射后形成對探測器信號有影響的雜散輻射。

對冷屏內(nèi)表面，根據(jù)能量守恒，有：

式中，α為吸收系數(shù)；ρ為反射系數(shù)。

對于黑體來說，α＝1，即入射能量全部被黑體吸收，而對于內(nèi)表面發(fā)黑的冷屏來說，我們希望黑層的吸收系數(shù)越接近1越好，這樣影響探測器性能的雜散輻射可以被很好地抑制。

通?？吹降谋碚鞣呛隗w輻射源的參數(shù)是發(fā)射率ε，它度量了輻射源接近黑體的程度。材料的發(fā)射率等于同溫度時的吸收系數(shù)，因此，有：

由式（1）和式（2）可以看出，如果知道了冷屏內(nèi)表面黑層的吸收系數(shù)或發(fā)射率，就可以知道選用的黑層材料吸收輻射的能力。前期，我們將關(guān)注點(diǎn)放在測試?yán)淦羶?nèi)表面黑層的發(fā)射率上，但是直接測量發(fā)射率或吸收系數(shù)是非常困難的，無法得到具體的數(shù)據(jù)，對黑層抑制雜散輻射的能力就沒有一個直觀的判斷，相應(yīng)的改進(jìn)、提升性能的工作受到阻礙。

我們轉(zhuǎn)換思路，同樣從式（1）和式（2）還可以看出，如果將關(guān)注點(diǎn)放在對反射系數(shù)的研究上，也能知道選用的黑層材料吸收雜散輻射的能力，相對來說，測量反射系數(shù)更容易實(shí)現(xiàn)，基本能量傳遞方程描述了與表面反射有關(guān)的狀態(tài)，利用它對構(gòu)成雜散輻射的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，確定關(guān)注雙向反射分布函數(shù)BRDF。

3 基本能量傳遞方程

從冷屏內(nèi)表面的狀態(tài)分析，可以認(rèn)為冷屏內(nèi)表面對輻射的反射是漫反射，輻射在冷屏內(nèi)表面發(fā)生散射。

冷屏內(nèi)表面與探測器芯片之間的能量傳遞可以用基本能量傳遞方程來描述。設(shè)空間有兩微面元d S1、d S2，中心相距r，與界面法線的夾角分別為θ1、θ2角，如圖2所示，面元d S1的輻亮度為L1（φ1，θ1），則面元d S2所接收的由面元d S1發(fā)出的輻通量為：這是應(yīng)用光學(xué)中傳統(tǒng)的能量傳遞方程，它只關(guān)注了兩個面元間發(fā)出能量和接收能量的關(guān)系，對于表面輻射及傳遞的狀況描述的并不完整，后來的學(xué)者對式（3）進(jìn)行了變形，如下：式（4）中，增加了面元d S1的入射輻照度E1（φ1，θ1）就能了解到面元d S1吸收和反射的情況，表面反射輻亮度和入射輻照度的比值BRDF是反映表面漫反射特性的雙向反射分布函數(shù)。

圖2 面元間輻射能量示意圖

GCF（θ1，θ2）是面元d S1對面元d S2的投影立體角，也稱作幾何構(gòu)成因子：

基本能量傳遞方程中的BRDF對表面入射能量和反射能量進(jìn)行了描述，正是我們所要關(guān)心的狀態(tài)，由方程可以看出，接受表面所接收到的輻射通量是入射表面的BRDF、入射表面接收的輻通量和幾何構(gòu)成因子這三項(xiàng)因素的乘積。

具體到探測器芯片所接收的雜散輻射的多少，與冷屏內(nèi)表面黑層的BRDF值的大小，冷屏內(nèi)表面接收的輻通量的多少，探測器芯片表面所接收冷屏表面輻射的立體角大小有關(guān)。減小探測器芯片的反射率，可以降低反射到冷屏內(nèi)表面的輻通量，即可以降低冷屏內(nèi)表面接收的輻通量，減少總的雜散輻射，這項(xiàng)工作可以通過芯片表面背減薄工藝來實(shí)現(xiàn)，這里不進(jìn)行祥述；探測器芯片表面所接收冷屏表面輻射的立體角的狀況可以通過相關(guān)軟件進(jìn)行模擬，而減少冷屏內(nèi)表面黑層的BRDF值，正是我們要關(guān)注的。

BRDF值可以表征黑層材料的優(yōu)劣，它可以通過測量得到，從式（5）可以看出，BRDF值越小越好。

4 冷屏內(nèi)表面黑層BRDF的測量與分析

我們制作了發(fā)黑樣品，對黑層的BRDF值進(jìn)行了測量，測量波長從2.5～14μm，測量方式如圖3所示，測量裝置由黑體、傅立葉光譜儀、探測器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。經(jīng)測量，發(fā)黑樣品BRDF譜圖如圖4所示。

圖3 平面發(fā)黑樣品BRDF測試方式

圖4 發(fā)黑樣品BRDF譜圖

從圖中可以看出，在測量反射角為70°、55°、40°、26°時，譜圖的形狀在測量波段范圍內(nèi)擬合的較好，說明黑層材料的波長響應(yīng)是較穩(wěn)定的。

在測量反射角為70°、55°、40°時，發(fā)黑樣品的BRDF值很小，70°時趨近于零；當(dāng)測量反射角度為26°時，BRDF值整體明顯增大，波峰、波谷的幅度放大了很多，由此可以看出隨著測量反射角變小，BRDF值變大。

測量反射角從70°到40°，每間隔15°測量一組BRDF值，從40°到26°間隔14°測量一組BRDF值，隨著角度變小，在2.5～14μm波段范圍內(nèi)，BRDF值的變化幅度呈不均勻增長趨勢，從70°到55°，由于本身BRDF值很小，它的變化幅值幾乎可以忽略，55°到40°變化幅值最大也在0.008 sr－1以內(nèi)。當(dāng)測量反射角從40°到26°，5.5～9.5μm波段范圍，BRDF變化幅值在0.01 sr－1以內(nèi)，在這之外的測量波段范圍內(nèi)，BRDF變化幅值最大達(dá)到了0.025 sr－1，也就是說在不同的波段范圍內(nèi)，冷屏黑層材料吸收雜散輻射的能力不同，尤其是在紅外中波波段BRDF值及其幅值的增長量都較大，對冷屏抑制雜散輻射是不利的。

5 總 結(jié)

通過上述分析研究，冷屏抑制雜散輻射從理論上更加清晰，冷屏內(nèi)表面黑層抑制雜散輻射能力的評價工作有了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，從數(shù)據(jù)、圖形上直觀地看到了黑層材料存在的問題，是否有利于實(shí)際使用，大大縮短了試驗(yàn)周期，節(jié)省了很多人力、物力。

下一步我們會根據(jù)測試數(shù)據(jù)，做黑層材料的改進(jìn)試驗(yàn)，使其BRDF的譜圖盡量平緩，BRDF值在不同反射角下變化的幅度趨近均勻增加，整體的BRDF值較小。

冷屏抑制雜散輻射不僅與內(nèi)表面黑層有關(guān)，也與表面粗糙度有關(guān)，為了得到更好的效果還需要設(shè)計多層消雜散輻射結(jié)構(gòu)，前述工作取得的進(jìn)展，會帶動后續(xù)工作更好、更快地進(jìn)展，為二代紅外焦平面探測器組件性能的提高提供保證。

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Analysis and study of suppressing stray radiation using black coating of cold shield

LIN Guo-hua，DONG Hai-jie，MENG Ling-chao，MENG Ling-wei
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

The principle of suppressing stray radiation with cold shield is analyzed，it is found that the internal surface reflection measurement of cold shield is the key point.BRDF can be obtained from the energy transfer equation，it can characterize the physical property of cold shield black coating.Through BRDFmeasurement of2.5～14μm cold shield black coating，it is found that the variation of BRDF is bigger when reflection angle gets smaller.

coldshield；BRDF；black coating； stray radiation

TN214

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.014

1001-5078（2013）08-913-03

林國畫（1968－），女，本科，高級工程師，從事光學(xué)設(shè)計工作。E-mail：11hwcq＿g＠sina.com

2012-12-18