空間紅外探測系統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.試驗物理與計算數學國家級重點實驗室，北京 100076;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085)

·光電技術與系統·

空間紅外探測系統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.試驗物理與計算數學國家級重點實驗室，北京 100076;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085)

為降低視場外太陽輻射對空間紅外探測系統的影響，對系統的遮光罩和擋光環進行了設計與優化。在ZEMAX軟件下，建立了光機結構分析模型，采用非序列模式下的光線追跡方法，計算了視場外太陽輻射經鏡筒表面及透鏡表面的多次散射或反射到達探測器表面的雜散光輻照度。根據計算結果對遮光罩和擋光環的參數進行了優化，使得雜散光抑制水平滿足系統要求。 關鍵詞：紅外探測系統；雜散光分析；遮光罩設計；光線追跡

1 引 言

對紅外探測系統進行雜散光的仿真計算，分析太陽輻射對紅外探測系統的干擾特性[1]，并進行相應的雜散光抑制設計，是空間紅外探測系統設計中必不可少的步驟。目前國內關于紅外光學系統雜光抑制的文章大多針對反射式或者折反式光學系統[2]，對于純透射式報道較少，而且雜光抑制的步驟及參數的選定對設計者的經驗要求較高。針對太陽輻射引起的雜散光問題，本文對中波透射式紅外探測系統，采用視場光闌、遮光罩以及擋光環組合方式對雜散光進行抑制并給出了詳細的抑制步驟。

2 光學系統參數及設計結果

光學系統的設計參數如表1所示，系統結構如圖1所示。紅外探測器像素大小為30 μm，光敏面尺寸為7.68 mm×7.68 mm。設計中，采用了無熱化設計，可適應-40 ℃到60 ℃的工作環境[3-4]。光學系統的孔徑光闌置于探測器的冷屏位置，系統采用二次成像方式，可達100%冷光闌效率。二次成像中的前組透鏡將無窮遠的目標成像到中間像面，后組透鏡將中間像再次成像到探測器的光敏面上。采用兩次成像可以使探測器中的冷光闌成像到光學系統的第一面上，從而減小了光學系統的通光口徑[5]。此外，光學系統中的中間像面，可以設置視場光闌，有利于雜散光的抑制。

在20 lp/mm以內的傳遞函數曲線如圖2所示，從圖中可以看出，所有視場傳遞函數值均大于0.7，接近衍射極限。

表1 紅外探測系統光學設計參數

圖1 紅外光學系統結構圖

圖2 傳遞函數曲線

3 雜散光分析與抑制

3.1 探測器自身噪聲分析與雜光抑制要求

系統雜光抑制要求太陽輻射在工作波段內到達探測器表面的輻照度不高于探測器噪聲等效輻照度。探測器噪聲等效輻照度可表示為[6]：

(1)

式中,D*為探測器的歸一化探測率;Ad為探測器光敏面面積;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。

定義紅外探測系統太陽輻射雜光抑制比：

(2)

式中,Ed(θ)為太陽輻射與光軸夾角為θ時入射到探測器表面的輻照度;E0為太陽輻射在工作波段的輻照度。對于3～5μm的工作波段，E0=1.96×10-3W/cm2。選取30°作為太陽規避角，則當θ≥30°時，系統的雜光抑制比R(θ)必須小于1.1×10-8，即系統要求的雜光抑制比為10-8量級。

3.2 光機模型建立及相關參數設定

本文采用ZEMAX軟件非序列模式下的光線追跡法進行雜光分析。先將ZEMAX序列模式下的光學設計結果導入到非序列模式下，并在非序列模式下根據實際的光機結構進行機械結構建模。考慮遮光罩及擋光環情況的光機結構模型如圖3所示。

圖3 光機結構模型

在進行光線追跡前，需要定義機械結構表面的散射特性。表面散射特性一般用雙向散射分布函數(BSDF)來定量表征。如果將散射面的BSDF函數在相應的半空間內積分，則得到表面散射率(TIS)，該值表征了總散射(反射)光能量相對于入射光能量所占的比例。

表征材料表面BSDF函數有很多數學模型，如ABg模型、Gaussian模型、Lambertian模型。選用光學機械結構表面常用的數學模型ABg模型，該模型適合于大部分材料，并與工程結果符合較好，其雙向散射分布函數：

(3)

圖4 散射模型中的矢量定義示意圖

對于機械機構表面，取其表面吸收率90%，表面散射率TIS=10%。有文獻對粗糙表面散射情況進行分析發現，普通金屬表面散射能量主要集中在10° 散射角以內[7]，采用普通的朗伯特(Lambertian)散射體對機械結構表面建模(g=0)并不準確。考慮到這種情況，本文機械結構ABg模型參數取A=0.0003385，B=0.0001，g=3.5[8]，其TIS=0.1。

下面分析進行光線追跡計算所需要的光線條數。理論上，追跡的光線數越多，仿真精度越高，但仿真的時間也線性增加。對于光線追跡所需光線數量的選擇，采用如下方法：通過線性增加追跡的數量，比較計算結果，當計算結果的相對變化小于5%時，認為計算結果收斂，采用該光線數進行計算。對于建立的光機模型，經計算得到追跡光線數為14萬條時，結果收斂。由于每次追跡計算的時間較長，而且需要不斷變化參數以進行優化，故通過ZEMAX編程語言(ZEMAX Programming language，ZPL)，編寫了相應的宏命令，以實現整個計算過程的自動化。

3.3 遮光罩與擋光環的參數設計

仿真得到沒有遮光罩情況下系統雜光抑制比為10-5量級，比目標值10-8低3個量級，故必須使用遮光罩。遮光罩越長，越有利于雜散光的消除，但考慮到空間系統體積和重量的限制，遮光罩不能太長，需進行優化。

選定遮光罩的長度作為設計參數，通過計算分析不同遮光罩長度的雜光抑制比以選擇合適的遮光罩長度[9]。圖5表示了30°入射角的雜光抑制比與遮光罩長度的關系(遮光罩采用單節桶形結構)。可以看到，遮光罩越長，抑制比總的趨勢變小，當遮光罩長度L大于120 mm以后，增加長度抑制比沒有數量級的變化(L<200 mm)，此時，雜光入射到光學系統第一片透鏡至少需經過遮光罩一次反射。每經過一次反射，雜散光能量下降一個數量級。故選定遮光罩長度為120 mm，此時系統雜光抑制比的量級為10-6，比目標值大兩個量級，故采用擋光環進一步抑制。

圖5 雜光抑制比與遮光罩長度的關系

擋光環安裝在遮光罩內部，擋光環包絡形成的張角ω需略大于視場角，如圖6(a)所示。

擋光環選擇等間距布置結構，設定D0=51.2 mm，適當大于光學系統入瞳口徑44 mm，根據遮光罩長度及擋光環包絡的張角，可得D=64 mm。

圖6 遮光罩及擋光環原理示意圖

為了發揮擋光環的作用，擋光環的高度h與間距l應近似滿足：

hi+hi+1≥ltanθ

(4)

此時，入射光線以θ角入射時，光線要么經兩次反射后離開光學系統，要么經三次反射后朝光學系統方向入射，如圖6(b)所示。根據圖6(c)，經三次反射朝光學系統方向入射的光線占總入射光線數的比例隨著h值的增大而增加。因此擋光環的具體高度還需根據最后的仿真結果來確定。逐漸增加擋光環高度，直到滿足雜散光抑制要求。擋光環另外一個待定參數為環數，環數n及間距l滿足:

(n-1)l=L

(5)

如圖7為擋光環數n=9時對應的雜散光抑制比與入射光離軸角的關系曲線。此時，對30°入射角滿足式(4)的h1≥4.33mm，故h1選5mm。為了對比，同時計算了h1為3mm時的抑制比。可以看到，h1為3mm的不滿足要求，抑制比存在大于10-8的情況。而h1為5mm的擋光環設計，雜散光抑制比滿足要求，均小于設計閾值。

圖7 雜光抑制比與離軸角的關系

4 結 論

針對中波空間紅外探測系統，在ZEMAX軟件下建立了非序列分析模型，采用光線追跡的方法，對離軸太陽輻射的雜散光水平進行了計算分析。以太陽輻射在工作波段內到達探測器光敏面的輻照度不高于探測器等效噪聲輻照度作為雜散光抑制的目標，分析了遮光罩長度及擋光環高度等參數對雜散光抑制的影響，為參數的選擇提供了依據。分析表明，遮光罩越長，雜光抑制比總的趨勢變小，但在一定范圍內增加遮光罩長度，抑制比并沒有數量級的變化，故采用遮光罩加擋光環結構能夠在系統體積有要求的情況下得到最優結果。針對具體的系統，結合仿真結果確定了兩者的參數，使最終的設計結果滿足系統要求。

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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

重點實驗室基金項目(No.9140C580201140C58001)資助。

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

2014-07-18;

2014-08-13

TN214

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.015