多光譜制冷型紅外系統(tǒng)雜散輻射抑制技術(shù)研究

于海濱, 王曉鋒, 潘枝峰, 任偉鋒, 蔡 猛

(1.光電控制技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471000； 2.中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000； 3.中航技進出口有限責任公司，北京 100000)

0 引言

紅外成像系統(tǒng)是一種探測精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強的被動成像系統(tǒng)，在探測、遙感、通信、醫(yī)療等多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著紅外系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，對其成像系統(tǒng)的靈敏度和成像質(zhì)量提出了更高的要求。為了提高紅外光學系統(tǒng)的靈敏度，通常采用制冷型紅外探測器。制冷型紅外探測器的孔徑光闌及濾光片位于探測器內(nèi)部，要求光學系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍與探測器的光譜相匹配，也要求探測器的F數(shù)與光學系統(tǒng)的F數(shù)相匹配，滿足100%的冷光闌效率。但是，由于紅外探測器是對熱的探測，任何高于絕對零度的物體都會存在熱輻射[2]，這就導致了制冷型紅外探測器不可避免地受到熱噪聲的影響，易受雜散熱輻射影響成像質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外均有文獻對紅外成像系統(tǒng)的雜散光進行分析，文獻[3]通過對不同的外遮光罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計來分析雜散光對星敏感器的影響；文獻[4]對鬼像及視場外的太陽雜散光對其光學系統(tǒng)的影響進行了研究；文獻[5]設(shè)計了一種新的雜散輻射抑制方法；文獻[6-7]采用參數(shù)YNI與I/Ibar對冷反射進行研究。但是國內(nèi)外很少有學者對多光譜制冷型紅外系統(tǒng)中分色濾光片引入的雜散光進行研究。

多光譜紅外成像技術(shù)是目前紅外成像系統(tǒng)中的一個重要發(fā)展方向[8]。在多光譜紅外成像中，往往需要在光學系統(tǒng)和探測器光窗之間加入分色濾光片，分色濾光片的波段比紅外探測器冷光闌附近處的濾光片波段窄，導致系統(tǒng)外界其他波段的雜散輻射被分色濾光片反射進入制冷型紅外探測器中產(chǎn)生熱噪聲，嚴重影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因而在光學系統(tǒng)設(shè)計時必須嚴格控制。

本文設(shè)計了一個多光譜制冷型紅外系統(tǒng)，針對其分色濾光片引入外界雜散熱輻射的問題，設(shè)計了一個熱輻射抑制光闌，對其表面形狀及位置反復迭代優(yōu)化，使其能將從制冷型探測器內(nèi)發(fā)出的輻射經(jīng)過濾光片反射到熱輻射抑制光闌處再反射回探測器內(nèi)，利用TracePro進行仿真驗證，經(jīng)驗證可知對系統(tǒng)外界雜散輻射具有很大程度的抑制作用。并且，熱輻射抑制光闌工作在不需要制冷的情況下，極大程度地降低了成本，具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 理論分析

紅外系統(tǒng)的雜散輻射主要包括光學系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)件經(jīng)光學元件透射或反射到探測器的熱輻射、光學元件自身的輻射以及外界經(jīng)過分色濾光片反射進探測器的輻射[9]，如圖1所示。

圖1 雜散輻射來源Fig.1 Source of stray radiation

制冷型紅外探測器內(nèi)部是真空制冷的，其中的冷光闌和濾光片溫度都很低，并且由于冷光闌的存在，阻擋了機械結(jié)構(gòu)的自發(fā)熱輻射傳到探測器光敏面上[10]。

根據(jù)普朗克公式，黑體在λ1～λ2光譜波段輻射出射度為[11]

(1)

式中:C1=3.741 5×104W/(cm2·μm2)為第一輻射常數(shù);C2=1.438 8×104μm·K為第二輻射常數(shù);δ=5.67×10-12W/cm2·μm4為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù);z(x2)-z(x1)為λ1～λ2光譜波段輻射參數(shù)。

探測器工作溫度為77 K，由式(1)可知，探測器的輻射不足常溫外界熱輻射的萬分之一，因此，系統(tǒng)外界的輻射對制冷型紅外探測器的成像質(zhì)量有很大的影響。

為了抑制系統(tǒng)外界的雜散輻射，紅外光學系統(tǒng)有一些特殊的方法。如降低系統(tǒng)部件及附近的溫度，但是會使成本大幅提高[12];也可以降低系統(tǒng)部件表面的輻射率，但隨著輻射率的降低，其反射率會增大，繼而引入反射噪聲[13]。

由于分色濾光片的存在，探測器接收到了設(shè)計視場之外的熱輻射，如果采取合適的措施，使探測器像面仍然接收到自身內(nèi)部的熱輻射，也就是使探測器冷源的輻射均勻地返回到探測器像面處，就可以大幅度減弱系統(tǒng)外界的雜散輻射，達到均勻像面照度的目的。

本文為抑制外界雜散輻射設(shè)計了一個熱輻射抑制光闌，使探測器發(fā)出的經(jīng)過分色濾光片反射到外界的冷光線被熱輻射抑制光闌再反射回到探測器內(nèi)。其難點就是需要對熱輻射抑制光闌的形狀、位置進行優(yōu)化和相互迭代，設(shè)計難度較大。

(2)

(3)

(4)

(5)

合并式(2)～(5)得到

(6)

通過式(6)對熱輻射抑制光闌的表面形狀及位置不斷進行優(yōu)化，優(yōu)化使光線經(jīng)熱輻射抑制光闌反射后均勻分布在探測器像面上，雖然可以大幅度抑制進入探測器內(nèi)部的外界熱輻射，但也引進了熱輻射抑制光闌自身的熱輻射。

熱輻射抑制光闌可以作為一個發(fā)射率為εr的灰體輻射源，其輻射率為[11]

(7)

式中：εr表示熱輻射抑制光闌表面的光譜發(fā)射率；W(λ,Tr)為黑體在半球內(nèi)的輻射。

在熱輻射抑制光闌表面鍍高反射薄膜后，其發(fā)射率εr=0.01[15]。由探測器發(fā)出的冷光經(jīng)分色濾光片反射到外界后均被此熱輻射抑制光闌反射回探測器內(nèi)部，就可以認為外界輻射無法經(jīng)此熱輻射抑制光闌反射進入探測器內(nèi)，由此可得到雜散輻射只剩下發(fā)射率為εr=0.01的熱輻射抑制光闌輻射，極大程度地降低了外界的雜散輻射。

針對加入分色濾光片的多光譜制冷型光學中波紅外系統(tǒng)，由分色濾光片反射進入探測器的雜散輻射對系統(tǒng)成像質(zhì)量有較大的影響。

本文提出了一種抑制雜散輻射的方法，即設(shè)計了一個熱輻射抑制光闌，對其表面形狀及位置不斷迭代仿真優(yōu)化，使探測器冷屏發(fā)出的光線經(jīng)過熱輻射抑制光闌反射回探測器內(nèi)部，達到減小光學系統(tǒng)外界雜散輻射對像面影響的目的。

2 光學系統(tǒng)設(shè)計

使用CODE V軟件設(shè)計了一個制冷型中波紅外多光譜成像光學系統(tǒng)，光譜分為3.7～3.9 μm，3.9～4.1 μm，4.4～4.6 μm，4.6～4.8 μm，3.7～4.8 μm 5個波段[16]。分色濾光片采用圓盤形，均分為以上5個波段，采用旋轉(zhuǎn)的方式選擇不同工作波段，紅外探測器可以依次獲得以上5個波段的紅外圖像，分色濾光片形狀如圖2所示。

圖2 分色濾光片F(xiàn)ig.2 Color separation filter

所選的探測器的F數(shù)與光學系統(tǒng)的F數(shù)相匹配，滿足100%的冷光闌效率，孔徑光闌設(shè)置在冷光闌上。系統(tǒng)采用二次成像形式，共有7塊透鏡，采用了單晶硅、硫化鋅、單晶鍺材料來消除熱差[17]，采用了3塊非球面，分別為第2，5，6片透鏡的第一面，設(shè)計參數(shù)見表1，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計得到制冷型中波紅外系統(tǒng)在33 lp/mm處的MTF在0.5以上，滿足系統(tǒng)要求。光學系統(tǒng)二維圖和MTF如圖3所示。

表1 光學系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the optical system

圖3 光學系統(tǒng)圖和MTFFig.3 Optical system and MTF

對此紅外光學系統(tǒng)到達像面的熱輻射噪聲用TracePro進行建模仿真，圖4為系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System simulation structure diagram

對鏡筒內(nèi)壁的熱輻射進行建模分析，將鏡筒內(nèi)表面設(shè)置為朗伯黑體輻射全吸收模式，將探測器冷光闌設(shè)置為100%吸收，探測器內(nèi)溫度設(shè)置為77 K，探測器外溫度設(shè)置為300 K[18]，分色濾光片工作波段設(shè)置為4.6～4.8 μm，追跡5×106根光線，得到像面仿真結(jié)果如圖5(a)所示，光線追跡得到鏡筒熱輻射下探測器像面上的總光通量為6.023 1E-9W。

就目前鍍膜技術(shù)的發(fā)展情況而言，光學鏡片鍍膜后透過率最高能達到99%以上，其反射率和吸收率均為0.005。設(shè)置光學鏡片為300 K發(fā)射率為0.005的灰體輻射源，追跡5×106根光線得到像面仿真結(jié)果如圖5(b)所示，得到鏡片熱輻射下探測器像面上的總光通量為7.404 7E-10 W。

將探測器像面設(shè)置為77 K發(fā)射率為0.99的灰體輻射源，追跡5×106根光線得到像面輻照度如圖5(c)所示，由探測器像面發(fā)出的冷光線經(jīng)過光學系統(tǒng)透鏡的反射回到探測器像面上的總光通量為1.511 5E-21 W。

波段為3.7～4.6 μm的外界輻射會通過分色濾光片反射進入探測器內(nèi)，在探測器外界設(shè)置一個溫度為300 K輻射源，追跡5×106根光線，得到像面仿真結(jié)果如圖5(d)所示，可知由于外界熱輻射進入，探測器像面上會形成一個圓環(huán)像，其光通量為7.612 3E-8 W，遠大于上述雜散輻射。

圖5 像面輻照度圖Fig.5 Diagram of image surface irradiance

綜上所述，探測器內(nèi)部冷屏輻射和光學鏡片自身輻射遠遠小于其他雜散輻射，可以忽略不計。由分色濾光片引入的雜散輻射占總雜散輻射的92%，所以本文主要對濾光片引入熱輻射噪聲進行抑制，將極大提升探測性能。

3 熱輻射抑制光闌設(shè)計

探測器冷光闌處的濾光片為3.7～4.8 μm，選取分色濾光片中的工作波段為4.6～4.8 μm，探測器發(fā)出的波段為3.7～4.6 μm的一部分冷光線會被這個濾光片反射出去，由于光路是可逆的，這就導致了外界波段為3.7～4.6 μm的雜散輻射會通過此光路經(jīng)過濾光片反射進入探測器中干擾系統(tǒng)成像，影響系統(tǒng)成像質(zhì)量。

對此，在探測器外壁上設(shè)計了一個熱輻射抑制光闌，對其位置和形狀進行迭代優(yōu)化，使經(jīng)過濾光片反射到外界的冷光線經(jīng)過熱輻射抑制光闌反射回探測器內(nèi)。

首先在探測器上設(shè)置一個平面熱輻射抑制光闌，不斷更改其曲率半徑及位置，使熱輻射抑制光闌表面上入射光線和反射光線夾角盡量小，迭代到一定程度后采取非球面的形式繼續(xù)優(yōu)化，在入射光線和反射光線夾角較小時，繼續(xù)優(yōu)化使光線經(jīng)熱輻射抑制光闌反射后均勻分布在探測器像面上。

經(jīng)分色濾光片反射出探測器的光線都會經(jīng)過熱輻射抑制光闌反射回探測器內(nèi)，光路圖如圖6(a)所示。剩余部分光線經(jīng)分色濾光片直接反射回探測器內(nèi)，光路圖如圖6(b)所示。

圖6 光線追跡圖Fig.6 Light tracing

熱輻射抑制光闌套在探測器外壁上工作，結(jié)構(gòu)圖及工作位置如圖7所示。

圖7 熱輻射抑制光闌工作位置Fig.7 Working position of thermal radiation suppression stop

在實際產(chǎn)品中為補償光學系統(tǒng)的像差，探測器位置有可能會前后移動，若熱輻射抑制光闌與探測器之間相對距離不固定，有可能導致熱輻射抑制光闌位置與設(shè)計不符，因此最好能將熱輻射抑制光闌固定在紅外探測器上，并在實際裝調(diào)中對熱輻射抑制光闌與探測器之間的位置進行嚴格監(jiān)控。

熱輻射抑制光闌所用材料為鋁，其設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 熱輻射抑制光闌設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of the thermal radiationsuppression stop

4 仿真對比分析

在加入熱輻射抑制光闌前，系統(tǒng)的總雜散輻射包括鏡片自身熱輻射、鏡筒內(nèi)壁熱輻射、探測器像面自身輻射以及分色濾光片引入的外界雜散輻射?，F(xiàn)同時對各個雜散輻射源追跡5×106根光線，追跡總計2×107根光線得到像面仿真結(jié)果如圖8(a)所示，得知系統(tǒng)加入熱輻射抑制光闌前總雜散輻射到像面上的光通量為7.972 9E-8 W。

加入熱輻射抑制光闌后，設(shè)置熱輻射抑制光闌為1%的灰體輻射源，反射率為99%，對鏡面、鏡筒、冷屏、熱輻射抑制光闌等雜散輻射源分別追跡5×106根光線，追跡總計2×107根光線得到像面仿真結(jié)果如圖8(b)所示，總雜散輻射到像面上的光通量為7.026 6E-9 W。

圖8 像面總輻照度仿真圖Fig.8 Diagram of image surface total irradiance

對比圖8(a)和圖8(b)可知，加入熱輻射抑制光闌后，總的雜散輻射降為之前總雜散輻射的8.8%，對系統(tǒng)雜散輻射有很大程度的抑制，并且像面上輻照度分布更加均勻，對提升像質(zhì)有很大的作用。

5 結(jié)論

本文在用CODE V對制冷型多光譜紅外光學系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，針對分色濾光片引入大量外界雜散熱輻射的問題，開展了對系統(tǒng)雜散輻射來源及對成像質(zhì)量影響的研究，提出了一種熱輻射抑制光闌的設(shè)計方法，對多光譜紅外系統(tǒng)中主要雜散輻射進行抑制，并且用TracePro軟件對系統(tǒng)進行了建模仿真，達到了很大程度上抑制系統(tǒng)主要雜散輻射的目的，使總雜散輻射降為原先總雜散輻射的8.8%。表明設(shè)計熱輻射抑制光闌后，有效地降低了雜散熱輻射對系統(tǒng)的影響，改善了成像質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的工作效率，并且此熱輻射抑制光闌無需進行制冷，節(jié)約成本，在工程中具有較高的應(yīng)用價值。