“貓眼”效應的反射率測試研究

王 勇 馮屹朝 劉永鴻

（防空兵指揮學院，河南 鄭州 450052）

“貓眼”效應的反射率測試研究

王 勇 馮屹朝 劉永鴻

（防空兵指揮學院，河南 鄭州 450052）

分析了“貓眼”目標的結構特征及其反射面材料的光學性質，總結“貓眼”目標反射率測試時應注意的問題，探討出一種行之有效的對稱雙光路的方法，使反射率測量達到精度高、重復性好和環境要求低的設計要求。

反射率；“貓眼”效應；對稱雙光路；“貓眼”目標；合作目標

反射率的測量是光學領域的一個重要研究方向，它不僅與反射表面的狀態有關，而且與入射光通量的幾何參數、光譜參數有關。一般反射率測量系統都由四部分組成：光源，測量原理，測量主體，探測器。測量主體指實現測量原理的光路裝置，由待測對象和其他輔助鏡片組成。

（一）“貓眼”目標的結構及反射面材料特性

1.“貓眼”目標結構

光射向物體表面時產生反射，除了發生鏡面反射和漫反射外，還有一種特殊的反射，即回歸反射。回歸反射是指一束光線射向回歸反射物體時，由于該物體的特殊結構，光線在其中發生一系列的折射和反射，最后光線平行地射回光源方向。嚴格意義上的“貓眼”反射體發生的反射即屬于這種反射。玻璃“貓眼”的結構及反射上視圖如圖1所示。

圖1 “貓眼”結構及反射上視圖

此“貓眼”的基體為強化玻璃，它由上下截頂半球體組成，下截頂半球體的外表面為一金屬或半導體反射層，即反射面。入射光線進入玻璃基體后，頸上截頂半球體折射后到達下截頂半球體的反射層，再經反射和上截頂半球體的折射，產生平行于入射光線的反射光線。

光學研究中泛指的“貓眼”目標一般指光學系統的鏡頭，它一般是由多個透鏡和光學探測器或分化板組成，一般可以將其近似簡化成一個透鏡和一個反射面的組合。如圖2所示。

圖2 “貓眼”目標反射簡化示意圖

它們的共同特點是有集光本領，即將入射的平行光成像到焦平面上或匯聚到位于焦點的探測器平面處，并且經其反射后原路返回。由于激光照射“貓眼”目標鏡頭產生的后向反射光方向性好，所以能量集中，亮度好，這種反射即近似為回歸反射，所以可以近似看成是“貓眼”反射體。

2.反射材料特性

光學“貓眼”目標的反射面一般為光電探測器。從理論上講，光電探測器表面材料很多，但由于光學偵察衛星等光學鏡頭要達到它的測量目的和測量用途，一般會考慮選用高反射率或是高熔點等特性的材料，另外會考慮其耐腐蝕性等等。因此光電探測器中，最具有代表性的是由半導體硅制成的，各種探測器由于表面結構多層化，也使得對反射情況進行分析時變得比較復雜。下面對典型的硅光電二極管進行分析，其剖面示意圖如圖3所示。

圖3 典型的硅光電二極管結構

硅光電二極管，除內部p-n結的結構以外，表面還有一層介質保護膜(一般是SiO2保護膜)，起著保護硅的活性表面和減少應用光輻射波段反射比的作用；硅片下面有一層蒸鍍的Au電極，對穿透硅層的光有很強的反射作用。因此，入射在硅光電二極管上的光輻射要受到上、下表面的反射，即SiO2表面、硅的上表面和下表面Au電極的反射。對帶有玻璃窗口的硅光電二極管，由于窗口的影響，反射光斑又要受到窗口玻璃(一般用K9玻璃)兩個表面的分離，會出現輻射通量不同的多個反射光斑。確切地說，光電二極管的表面反射損失，除窗口玻璃，SiO2鍍層、硅上表面的反射損失以外，還包括硅下表面鍍Au電極的反射損失，這一點不可忽略。有時，下表面的損失還大于上表面的損失。在測量時，必須選用性能良好的大面積探測器，并且要細心地調整，把所有的反射光斑都收人輻射測量之中。

由于硅光電二極管表面工藝好，平整而光滑，具有光學表面性質，可以近似地看作鏡面反射，即可簡化問題。

（二）測量裝置設計

根據“貓眼”目標的結構和反射原理，以及光電探測器表面材料的特性分析，探討測量反射率時應該注意和解決的問題：

1.由于“貓眼”目標反射光原路返回的特點，必須考慮解決入射光與反射光的光路相互干擾不易測量反射率的問題。

2.光電探測器等反射面有多層結構，反射光斑不只一個，特別是有窗口玻璃的，會出現多個輻射通量不同的反射光斑，在測量時必須仔細地調整并選用接收面積大的探測器，才能把所有的反射光斑收入輻射測量計之中。

3.測量系統裝置盡量在封閉的暗室內，避免雜散光的影響。

根據以上的分析，設計出的測試圖如圖4所示。

圖4 實驗裝置示意圖

圖中，1.06μm激光經擴束光學系統后，入射到分束器1后一分為二。A光束進入分束器2，一部分進入光陷井2被吸收，一部分經可移動光闌入射到“貓眼”目標后反射后沿原光路返回經分束器2進入光電接收器1。B光束經全全反鏡進入分束器3，一部分進入光陷井3被吸收，一部分入射到標準反射鏡后，沿原光路返回分束器3，再進入光電接收器2。

采用對稱雙光路比較測量法，分束器的分光比為1∶l。標準全反鏡、活動全反鏡是同樣的反射板、反射率為99%。開始時，先將活動全反鏡送入測試臺，這時A光束、B光束分別入射到活動全反鏡和標準全反鏡上，被反射后分別進入光電接收器1和2。經光電接收器轉換為電信號，再經放大、比較、調整電參數，使之輸出相等。這樣，光電接收器2接收的光通量可代表“貓眼”目標的入射光通量 ，然后將活動全反鏡退出測試臺，裝入待測“貓眼”目標。這時光電接收器1接收的光通量是“貓眼”目標的反射光通量Qφ，則目標的反射率Q=φQ/φ。

至此，解決了目標入射光與反射光的光路干擾不易測量反射率的問題。測試臺可作小角度范圍的轉動，用以測量入射光在不同入射角度時反光板的反射率的情況。

（三）測量結果

1.按照試驗裝置圖來組裝儀器，包括1.06μm YAG激光器、擴束器、分束器、全反射鏡、光陷井、可移動光闌、PIN光電二極管（光電接收器），300MHz7DS 3032B示波器（用于測量波形幅度），模擬“貓眼”目標（伽利略式光學鏡頭）。分束器要求對波長為1.06μm的激光在45度入射時反射、透射光通量相等(分光比為1∶1)。全反射鏡、固定和活動全反鏡對波長為1.06μm的光譜來說，其反射率為99%。

2.用本裝置對模擬的“貓眼”目標進行測試，激光器與貓眼目標相距20米，測試結果如圖5所示。

圖5 反射率與入射角度關系曲線圖

（四）結論

實驗中，“貓眼”目標對1.06μm激光的反射率最高能達到5%左右，說明了“貓眼”效應的存在，反射率與入射角度關系密切，基本上是垂直入射時反射率最高，角度越大反射率越小。

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TP391.9

A

1008-1151(2010)04-0057-02

2010-01-19

王勇（1982－），男，四川西昌人，防空兵指揮學院講師，研究領域為指揮控制系統仿真與指揮系統決策。