中波紅外魚眼鏡頭雜散輻射仿真分析

張東閣，傅雨田

中波紅外魚眼鏡頭雜散輻射仿真分析

張東閣1, 2，傅雨田1, 2

（1.中國科學(xué)院紅外成像與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

分析了中波紅外鏡頭點(diǎn)源透過率與視場角之間的變化規(guī)律。在相同光學(xué)結(jié)構(gòu)下，以相同的通光口徑、焦距和光機(jī)結(jié)構(gòu)，建立視場角20°、40°、60°、80°和110°的中波紅外鏡頭雜散輻射模型，分析了模型的點(diǎn)源透過率曲線。隨著視場角增大，紅外鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線趨于平緩，對(duì)視場外雜散輻射的抑制能力下降。降溫能減少鏡頭自身的雜散輻射，在小視場角情況下可以改變點(diǎn)源透過率曲線的形狀，但隨著視場角增加，降溫對(duì)點(diǎn)源透過率曲線的影響逐漸減小。視場角增大是影響紅外鏡頭雜散輻射強(qiáng)度和分布的顯著因素，降溫對(duì)紅外魚眼鏡頭點(diǎn)源透過率曲線的影響不明顯。

雜散輻射；大視場；魚眼鏡頭；中波紅外

0 引言

紅外鏡頭的雜散輻射是到達(dá)探測器芯片的非成像輻射能量，它帶來了附加的噪聲，降低了圖像對(duì)比度，限制了探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，嚴(yán)重者產(chǎn)生鬼影和虛假目標(biāo)，是影響紅外鏡頭探測能力的重要因素。

為了定量化研究雜散輻射的分布規(guī)律，國內(nèi)外相關(guān)研究普遍采用光機(jī)模型仿真的方法，對(duì)紅外鏡頭的雜散輻射特性進(jìn)行分析[1-2]。綜合已有的研究成果，前人已經(jīng)掌握了紅外鏡頭的溫度和表面發(fā)射率與雜散輻射之間的變化規(guī)律[3-4]，也對(duì)遮光罩、擋光環(huán)、中間像面（視場光闌）和冷光闌等光機(jī)結(jié)構(gòu)與雜散輻射的作用關(guān)系進(jìn)行了研究和分析[5-9]。

前述文獻(xiàn)中研究的光學(xué)系統(tǒng)各不相同[3-9]，焦距和口徑參數(shù)各異，視場都比較小（全都小于10°），難以說明視場、焦距和通光口徑等光學(xué)參數(shù)對(duì)雜散輻射的影響規(guī)律。光學(xué)系統(tǒng)自身參數(shù)與雜散輻射之間變化規(guī)律尚未進(jìn)行深入研究，部分參數(shù)的作用規(guī)律尚停留在定義分析階段，還沒有明確的結(jié)論。

點(diǎn)源透過率定義了同一個(gè)目標(biāo)在不同視場角位置，像面上所接收的輻射能量()之間的比值，其中以目標(biāo)在入瞳位置，像面上所接收的輻射能量(0)作為基準(zhǔn)[10-12]，即PST()=()/(0)。

點(diǎn)源透過率排除了目標(biāo)特性對(duì)測試結(jié)果的影響，綜合反應(yīng)了光機(jī)系統(tǒng)對(duì)雜散輻射的抑制能力，點(diǎn)源透過率越小，對(duì)雜散輻射的抑制效果越好[13]。后續(xù)分析以點(diǎn)源透過率為標(biāo)準(zhǔn)，比較鏡頭的雜散輻射差異。

結(jié)合視場角110°紅外魚眼鏡頭的研制工作，定量化分析了視場角參數(shù)對(duì)雜散輻射的影響規(guī)律。首先以相同口徑和焦距的鏡頭為原型，建立了視場角20°～110°的雜散輻射仿真模型，分析了每個(gè)鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線，然后加入鏡頭溫度的變化，分析溫度和視場角參數(shù)共同作用下，每個(gè)鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線變化規(guī)律，為紅外魚眼鏡頭的設(shè)計(jì)提供參考。

1 雜散輻射仿真分析

1.1 雜散輻射仿真模型

中波紅外魚眼鏡頭的光路如圖1所示，視場角110°，最大光學(xué)口徑200mm，孔徑光闌設(shè)置在第3和第4片透鏡之間。光學(xué)系統(tǒng)是像方遠(yuǎn)心光路，有助于提高像面照度的均勻性。

魚眼鏡頭的工作視場比較大，外遮光罩的口徑也隨之增大，加上安裝平臺(tái)的限制，外遮光罩不能超過指定長度，只能設(shè)置短淺的外遮光罩。此時(shí)的外遮光罩作用有限，在模型中予以省略。

圖1 大視場中波紅外光學(xué)系統(tǒng)

在仿真模型中，鏡頭的光學(xué)特性主要體現(xiàn)在光學(xué)元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面屬性和光機(jī)結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置關(guān)系兩個(gè)方面。

在光機(jī)仿真軟件中，對(duì)鏡頭的光機(jī)結(jié)構(gòu)表面特性進(jìn)行設(shè)置，主要參數(shù)如下[6]：

1）透鏡的兩個(gè)工作表面有增透膜，設(shè)為3 layers AR。

2）透鏡的非工作面涂黑，設(shè)為Black painting。

3）鏡筒表面發(fā)黑處理，設(shè)為Z306表面。

4）透鏡和鏡筒都是均勻灰體，透鏡表面的發(fā)射率1＝0.05，鏡筒表面的發(fā)射率2＝0.9。

5）透鏡和鏡筒自身的溫度均勻相等，設(shè)置為環(huán)境溫度＝20℃（293K）。

6）分析波段3.7～4.8mm，分成4個(gè)子波段。每個(gè)子波段起始追跡光線數(shù)量大于106量級(jí)。

為了建立準(zhǔn)確的雜散輻射仿真模型，先對(duì)鏡頭的輻射仿真模型進(jìn)行了一次逆光線追跡，找出輻射源直接照射或只經(jīng)過少數(shù)次散射就能照射的表面，這些表面就是對(duì)雜散輻射特性有影響的關(guān)鍵表面。

按照關(guān)鍵表面和次要表面的分類，對(duì)雜散輻射仿真模型進(jìn)行修正，設(shè)置關(guān)鍵表面為重點(diǎn)采樣表面，并適當(dāng)增加關(guān)鍵表面的光線追跡數(shù)量。

1.2 視場角變化對(duì)點(diǎn)源透過率曲線的影響

以圖1的光學(xué)系統(tǒng)為原型，僅改變光學(xué)系統(tǒng)的視場角參數(shù)，設(shè)置了視場角20°、40°、60°、80°和110°共5個(gè)鏡頭的光機(jī)模型，通光口徑、焦距和機(jī)械結(jié)構(gòu)等參數(shù)保持不變。

根據(jù)1.1節(jié)輻射仿真模型的參數(shù)設(shè)置，建立5個(gè)不同視場角鏡頭的雜散輻射仿真模型，分析紅外鏡頭隨著視場增大點(diǎn)源透過率曲線的變化情況。

按照點(diǎn)源透過率曲線的定義，用5個(gè)鏡頭對(duì)不同視場目標(biāo)的仿真結(jié)果，計(jì)算得到圖2的點(diǎn)源透過率曲線。圖2曲線從上到下依次是視場角110°、80°、60°、40°和20°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線。

圖2 不同視場角鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線

在視場角20°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在視場角85°位置的輻照度是邊緣視場10°視場位置的0.01%。在視場角60°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在視場角85°位置的輻照度是邊緣視場30°視場位置的0.72%。

但在視場角110°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在視場角85°位置的輻照度是邊緣視場55°視場位置的1.91%。可見隨著視場角增加，對(duì)視場外雜散輻射的抑制比下降。

根據(jù)圖2中曲線的梯度，隨著視場角增加，紅外鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線逐漸趨于平緩，意味著隨視場角的增加，紅外鏡頭對(duì)內(nèi)外雜散輻射的抑制能力逐漸下降。

圖1所示的鏡頭沒有中心遮攔，而且光學(xué)系統(tǒng)是像方遠(yuǎn)心光路，像面的相對(duì)輻照度分布較為均勻。在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，計(jì)算邊緣視場和中心視場的理論輻照度偏差小于5%。但是根據(jù)圖2曲線的變化趨勢，隨著視場增加，邊緣視場的相對(duì)照度有明顯的下降。

在視場角20°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在邊緣視場10°位置的輻照度是中心視場位置的50.1%。在視場角60°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在邊緣視場30°位置的輻照度是中心視場位置的47.8%。在視場角110°鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線上，目標(biāo)在邊緣視場55°位置的輻照度是中心視場位置的22.16%，隨著視場角的增大，在工作視場內(nèi)的像面上的輻照度均勻性隨之降低。

1.3 溫度變化對(duì)點(diǎn)源透過率曲線的影響

除了典型的遮攔、吸收和多次散射等方法，紅外鏡頭還可以通過溫度控制對(duì)雜散輻射進(jìn)行抑制。雖然降低溫度能從根本上減少紅外鏡頭自身的雜散輻射，但對(duì)外部雜散輻射并無影響。

為了分析溫度和視場角共同影響的點(diǎn)源透過率曲線變化規(guī)律，對(duì)1.1節(jié)建立的雜散輻射仿真模型進(jìn)行完善，設(shè)置溫度參數(shù)，得到了視場角20°、40°、60°、80°和110°紅外鏡頭在高低溫環(huán)境下的雜散輻射仿真模型，研究鏡頭在243～293K（－30℃～30℃）的點(diǎn)源透過率變化情況。

圖3是視場角20°、60°和110°鏡頭在－30℃、＋20℃和＋30℃溫度下的點(diǎn)源透過率曲線。根據(jù)3條曲線的相對(duì)位置關(guān)系，分析溫度控制對(duì)點(diǎn)源透過率的影響。

以視場角20°鏡頭在20℃的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在＋30℃條件下，目標(biāo)在視場角85°位置的點(diǎn)源透過率是20℃時(shí)相同位置的6.6倍。在－30℃條件下，目標(biāo)在視場角85°位置的點(diǎn)源透過率僅是20℃時(shí)相同位置的3.57%。此時(shí)隨著鏡頭自身溫度的變化，點(diǎn)源透過率也隨之變化。

隨著視場增大，以20℃的點(diǎn)源透過率數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算視場角60°鏡頭點(diǎn)源透過率的差異分別是39.5%（＋30℃條件下，目標(biāo)在視場角85°位置）和71.9%（－30℃條件下，目標(biāo)在視場角85°位置）。此時(shí)溫度變化對(duì)點(diǎn)源透過率的影響減小。同樣的，視場角110°鏡頭在不同溫度下的點(diǎn)源透過率變化的最大值小于2.11%。

圖3 不同溫度下的點(diǎn)源透過率曲線

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)，在小視場條件下，通過溫度控制降低了自身的雜散輻射強(qiáng)度，改變了點(diǎn)源透過率曲線的形狀，等效提高了雜散輻射的抑制比。但是降低鏡頭自身的溫度對(duì)視場外部的雜散輻射沒有影響，當(dāng)視場增加到60°之后，鏡頭本身溫度的變化對(duì)點(diǎn)源透過率曲線已經(jīng)沒有影響。

針對(duì)紅外魚眼鏡頭雜散輻射抑制的特殊情況，可分成兩部分進(jìn)行處理。對(duì)于內(nèi)部雜散輻射的抑制，適當(dāng)降低溫度，減少自身的雜散輻射，同時(shí)對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)的表面處理提出要求，盡可能增大結(jié)構(gòu)表面的比輻射率，增加對(duì)雜散輻射的吸收和散射能力。

對(duì)于外部雜散輻射，在現(xiàn)有條件下不能延長外部遮光罩尺寸，而降溫也不能改善點(diǎn)源透過率的形狀，因此要對(duì)紅外魚眼鏡頭的工作場景提出要求，規(guī)避可能出現(xiàn)的外部輻射源，同時(shí)根據(jù)雜散輻射的分布情況，采用圖像處理的方式進(jìn)行部分校正。

2 結(jié)論

結(jié)合視場角110°中波紅外魚眼鏡頭的研制需求，對(duì)視場角與雜散輻射的變化規(guī)律進(jìn)行研究。以相同的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在相同的有效通光口徑和焦距條件下，分析了紅外鏡頭視場角與點(diǎn)源透過率曲線之間的變化規(guī)律，為紅外魚眼鏡頭的研制提出參考。

隨著視場角的增加，①鏡頭的點(diǎn)源透過率曲線趨于平緩，對(duì)視場外雜散輻射的抑制能力下降。同時(shí)邊緣視場和中心視場的輻照度差異變大，表現(xiàn)出明顯的視場效應(yīng)。②鏡頭的溫度變化對(duì)點(diǎn)源透過率曲線的影響逐漸減小，在視場角超過60°以后，鏡頭的溫度變化，對(duì)點(diǎn)源透過率曲線沒有影響。

[1] 牛金星, 周仁魁, 劉朝暉, 等. 紅外探測系統(tǒng)自身熱輻射雜散光的分析[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(8): 2267-2271.

NIU Jinxing, ZHOU Renkui, LIU Chaohui, et al. Analysis of stray light caused by thermal radiation of infrared detection system[J]., 2010, 30(8): 2267-2271.

[2] 牛金星, 張濤. 弱小目標(biāo)紅外探測系統(tǒng)的雜散輻射分析[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(7): 1665-1668.

NIU Jinxing, ZHANG Tao. Analysis of stray radiation of infrared system to detect dim and small target[J]., 2013, 42(7): 1665-1668.

[3] DU Baolin, LI Lin, HUANG Yifan, et al. Stray radiation research in CSRS-2010[C]//, 2010, 7655: 765527.

[4] LIU Feng, YAN Lei, YANG Zijan, et al. Stray light analysis and test of low light level panoramic imaging system[C]//, 2014, 9292: 92822T.

[5] 楊開宇, 王飛宇, 金寧, 等. 利用OptisWorks對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行內(nèi)部雜散光分析[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(8): 443-448.

YANG Kaiyu, WANG Feiyu, JIN Ning, et al. Analysis of interior stray light for infrared thermal imager by OptisWorks[J]., 2010, 32(8): 443-448.

[6] 李巖, 劉劍峰. 紅外光學(xué)遙感器內(nèi)雜散光和外雜散光的綜合抑制研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(9): 0928002.

LI Yan, LIU Jianfeng. Research on integrative suppression of internal and external stray light in infrared optical remote sensor[J]., 2013, 33(9): 0928002.

[7] 盧海平, 袁祥巖, 張凱元. 南極紅外巡天望遠(yuǎn)鏡紅外背景輻射抑制方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(11): 1122002.

LU Haiping, YUAN Xiangyan, ZHANG Kaiyuan. Infrared background radiation removing design and simulation of antarctic survey telescope [J]., 2014, 34(11): 1122002.

[8] 虞林瑤, 魏群, 張?zhí)煲? 等. 中波紅外長焦距折反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國光學(xué), 2015, 8(2): 234-240.

YU Linyao, WEI Qun, ZHANG Tianyi, et al. Design of long focal infrared catadioptric optical system for multi guided system[J]., 2015, 8(2): 234-240.

[9] 閆佩佩, 李剛, 劉凱, 等. 不同結(jié)構(gòu)地基光電探測系統(tǒng)的雜散光抑制[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44 (3): 917-922.

YAN Peipei, LI Gang, LIU Kai, et al. Stray light suppression of different ground based photoelectric detection system [J]., 2015, 44 (3): 917-922.

[10] 徐亮, 趙建科, 薛勛, 等. 月基望遠(yuǎn)鏡雜散光PST研究與測試[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(4): 1289-1295.

XU Liang, ZHAO Jianke, XUE Xun, et al. PST research and measurement of lunar based optical telescope stray light [J]., 2014, 43(4): 1289-1295.

[11] GARY L Peterson. Stray light test station for measuring point source transmission and thermal background of visible and infrared sensors [C]//, 7069: 70690M.

[12] 李曉平, 王鋼, 胡亭亮. 高精度雜散光測量系統(tǒng)分析[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(9): 520-524

LI Xiaoping, WANG Gang, HU Tingliang. High precision stray light measurement system analysis [J]., 2011, 33(9): 520-524.

[13] 張憲亮, 劉若凡, 蘇紅雨,等. 紅外系統(tǒng)雜散光測量裝置[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(12): 961-963.

ZHANG Xianliang, LIU Ruofan, SU Hongyu, et al. Stray light measurement equipment for infrared optical system[J]., 2014, 36(12): 961-963.

Stray Radiation Analysis For Mid-wave Fish Eye Infrared Lens

ZHANG Dongge1, 2，F(xiàn)U Yutian1, 2

(1,,200083,2.,200083,)

The relationship between the field of view and the point source transmittance was studied based on the development of the fish eye infrared lens. The stray radiation simulation models was built with various field of view, which vary from 20 to 110 degree, while the lens have the same optical layouts and mechanical structure, and then the point source transmittance of the different lens was determined. The PST becomes milder while the field of view changes from 20 to 110 degree, while it means the decrease of the suppression of the stray radiation from exterior. With the decrease of the temperature, the self-radiation of lens decreases at the same time, but it has less effects on the PST in larger field of view. The wider the field of view, the more stray radiation from exterior could hit the detector, but cooling has less impacts on the PST when the FOV increases continuously.

stray radiation simulation，wide field of view，fish eye lens，mid-wave infrared

TN216

A

1001-8891(2016)02-0117-04

2015-04-20；

2015-10-13.

張東閣（1986-），男，河南汝州人，博士，助理研究員，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。E-mail：zhangdongge@mail.sitp.ac.cn。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新基金（2014-CX25）。