中波紅外成像系統冷反射抑制

卜和陽，虞林瑤，田浩南，王 健

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 航空成像與測量技術研究一部,吉林 長春 130033）

1 引言

制冷型中波紅外成像系統因具有全時域工作的特點，同時對隱藏目標的偵查能力更強，具有可見光不可比擬的優勢，在航空、航天領域得到越來越廣泛的應用。制冷型中波紅外成像系統雖然具有眾多優點，但也存在一些問題，尤其是制冷型紅外成像系統存在的冷反射現象，需要在設計時反復迭代加以抑制[1]。

冷反射是制冷型紅外成像系統中一種普遍的雜光效應，是紅外探測器看到的由杜瓦瓶發出后，經紅外光學系統的透鏡表面反射回來的自身冷像。紅外探測器只對溫度變化量有響應，也就是紅外熱像儀只探測和顯示目標與背景的溫差。探測器除了接收到正常成像的景物輻射外，還通過紅外系統中的光學鏡片表面的微弱反射，接收到本身及周圍低溫腔冷環境的影像，形成冷像。冷像會引起圖像的不均勻性，較強的冷反射信號將淹沒目標信號。設計者在追求衍射極限的設計目標時，要兼顧系統的冷反射抑制。在航空領域，大口徑多光譜折反系統正逐步占據越來越重要的地位，其具有更復雜的光學結構和更多的光學組件，且各成像通道都擁有調焦機構，在中波通道的調焦過程中冷反射會對像質產生怎樣的影響，需要細致分析。

光學系統的YNI 和I/IBAR 一直是衡量冷反射影響的兩個重要指標[2-3]。YNI 是近軸邊緣光線在反射面的入射高度Y，入射介質的折射率N和入射角I的乘積。其主要反映軸上冷反射大小。I/IBAR 表示近軸邊緣光線的入射角和主光線的入射角的比值，反映冷反射隨視場的變化。YNI 和I/IBAR 至少應有一個參數的絕對值大于1，才能證明冷反射不嚴重。但同時讓YNI和I/IBAR 兩個參數的絕對值都大于1 也是十分困難的，需要不斷迭代設計。

國內雖有很多這方面的研究，但大多停留在YNI 和I/IBAR 值的模擬優化上，真正有實物依據，從理論到實驗兩方面展開研究的文章不多。本文基于多光譜折反式成像系統，選擇其中波通道，結合Zemax設計軟件和Tracepro 建模分析軟件，定性定量地分析系統的冷反射效應，結合優化前后系統的實際成像結果，給出具體的Zemax 優化方案。

2 折反式制冷型中紅外系統設計

2.1 中波紅外系統設計

本文設計的一種折反式制冷型中波紅外系統，包括Cassegrain 反射結構，準直透射組和成像透射組，系統的相對孔徑為1/4，焦距為720 mm，口徑為180 mm，工作波段為3.7～4.8 μm，采用640 pixel×512 pixel、像元尺寸為15 μm 的紅外制冷探測器成像。圖1 為該中波紅外成像系統結構示意圖。其中，準直透鏡組由4 片鏡組成，5 片鏡做像差校正及成像。圖2 為該系統未考慮冷反射控制時的傳遞函數，全視場傳遞函數曲線和衍射極限曲線趨于一致，說明系統設計達到衍射極限。

圖1 冷反射抑制前折反式中波紅外成像系統結構圖Fig.1 Structural diagram of a catadioptric medium-wave infrared imaging system without narcissus suppression

圖2 冷反射抑制前折反式中波紅外成像系統的傳遞函數Fig.2 MTF of a catadioptric medium-wave infrared imaging system without narcissus suppression

2.2 中紅外系統冷反射影響評價

為了模擬系統的冷反射現象，可以將探測器像面作為朗伯體發光面，所以將圖1 的系統倒置，如圖3 所示。中紅外透鏡表面的反射率設置為1%，追跡紅外透鏡各個表面的反射光線在探測器像面上的分布。由于圖3 中Cassegrain 系統將探測器像面發射出的光線反射出了系統，不會再回到探測器中，所以只考慮圖4 中透射鏡片的冷反射即可[3-4]。

圖3 冷反射抑制前折反式中波紅外成像系統倒置結構圖Fig.3 Inverted structure diagram of a catadioptric medium-wave infrared imaging system without narcissus suppression

圖4 有冷反射影響的透鏡組Fig.4 Lens group with narcissus effect

制冷型紅外成像熱像儀是溫差型探測器，因此，用于評價冷像效應引起的像面照度不均勻性時，通常采用冷反射引入等效溫差(NITD) 的形式進行評價，即將這種像面照度不均勻量等效為引起相等量的像面照度的景物溫差。應用Zemax中NARCISSUS 宏命令進行分析，忽略系統衍射效應和吸收損失。設杜瓦瓶內溫度為77 K，鏡筒和環境溫度為300 K，各紅外透鏡表面反射回探測器像面的NITD 形成冷斑，圖5 是使用鏡頭拍攝的圖像中的NITD 的視覺表示[5-6]。

圖5 探測器像面冷斑在調焦前后的變化Fig.5 Changes of the narcissus spot in the detector image surface before and after focusing

圖5 中方形區域可視為像面，因為成像系統為軸向對稱結構，所以將像面顯示為對稱的正方形，理論上冷斑就在像面中心。調焦組由+2 mm位置向-2 mm 位置移動的過程中，冷斑尺寸一直縮小且變化幅度較大，NITD 值由0.863 4 K 增加到1.048 4 K，變化值為0.185 K。說明系統即使在+2 mm 的位置通過非均勻校正降低了像面的冷反射影響后，系統調焦組變化到-2 mm 位置時，冷反射能量也會變大，形成冷像殘余。具體表現為冷斑會以不同尺寸形式重新出現，并在像面中心區域疊加0.185 K 的冷反射能量，這部分能量可以淹沒部分目標信號，縮短成像系統的作用距離[7]。

系統對焦距為1 800 mm 的光管采用不同頻率靶標進行測試，實測最小可分辨溫差(MRTD)結果見表1。

表1 不同靶標對應的MRTD 值Tab.1 MRTD values for different targets

特征頻率下的目標，沒有合適的靶標，可以利用MRTD 計算公式獲得[13]：

式中：SNRDT為觀察者能分辨線條的閾值視覺信噪比，一般取2.5；te為人眼積分時間，約為0.2 s；f2D為角空間頻率；NETDsys是系統等效噪聲溫差，一般為40 mK；α 和 β為探測器瞬時視場，MTF(f2D) 是系統傳遞函數；fP是探測器幀頻；?f是等效噪聲帶寬，τe為探測器積分時間。計算出特征頻率下的MRTD 為0.218 K。可見NITD遠大于MRTD，會淹沒目標信號。盡管在準直光路中引入非均勻化校正可以降低其影響[8]，但調焦組移動，冷反射效應就會重新表現出來，所以該系統必須進行冷反射控制。

圖6（彩圖見期刊電子版）繪制了各透鏡表面上的NITD 貢獻。圖6 從下至上分別為S2～S23，圖6 和圖4 表示了表面和結構的對應關系。

圖6 中紅外成像系統各透鏡表面的NITD 貢獻Fig.6 NITD of each lens surface of the medium-wave infrared imaging system

圖6 中自下而上影響嚴重的面分別為S2，S3，S5，S14，S15 和S18，通過Zemax 軟件NARCISSUS 宏命令查詢這幾個面的YNI 和I/IBAR值[8-9]，如表2 所示。S2，S3 是制冷探測器窗口的固有冷反射，無法通過設計進行消除。S14 和S15 是分光鏡的兩個平面，在實際使用時分光鏡傾斜置于光路中，會將冷反射能量引導出光路，也可以不用考慮，所以只需要控制S5 和S18 的YNI 和I/IBAR 值即可。

表2 冷反射嚴重面的YNI 和I/IBAR 值Tab.2 YNI and I/IBAR values for the optical surfaces with serious narcissus

3 中波紅外系統冷反射抑制優化

3.1 YNI 和I/IBAR 的控制思路

當I/IBAR 的絕對值大于1 時，表明該面產生的冷像噪聲基本不隨視場掃描過程而變化，即使該面上的軸上點溫度下降很大(即YNI 很小)，產生較強的冷像噪聲，但由于大部分為可濾掉的直流噪聲信號，故它所產生的冷像影響也很小。若I/IBAR 的絕對值小于1，其值越小，就表明該面產生的冷像噪聲隨著視場掃描的變化而變化，冷像噪聲大都是不可濾掉的交流信號，在這種情形下，為了消除冷反射現象，就必須要求該面上的冷像引起的軸上點溫度下降值很小(即YNI 值很大)，以削弱此面的冷像強度，使其隨視場變化的缺點反映不出來。

通過Zemax 設計軟件進行改進設計時，YNI值可以通過Zemax 中的控制函數YNIP 直接讀出，之后用OPGT 函數設置目標值加以控制；I/IBAR 的絕對值不能直接讀出，但可以通過定義，使用RAED、DIVI、ABSO 三個操作數組合讀出，在優化設計時，以表2 中的S5 為例，具體優化函數的定義如表3 所示。波長2 是主波長。

表3 面S5 的I/IBAR 值的優化函數Tab.3 Merit function of I/IBAR values with surface S5

表3 中，RAED 指實際光線的出射角。這是指定表面的法線和折射光線之間的夾角，Hx和Hy是歸一化視場坐標，Px和Py是歸一化入瞳坐標。如圖7 所示，序號1 的操作數表示上邊緣光線，即通過物體中心到達入瞳頂點的光線在S5 面上的出射角 θ1，在冷反射反向追跡時，這就是S5 面上的冷光線入射角；序號2 的操作數表示從視場的上邊緣點到入瞳中心的主光線在S5 面上出射角 θ2，在冷反射反向追跡時，同樣是S5 面上的冷光線入射角。DIVI 表示相除，這里指操作數序號1 的值除以操作數序號2 的值。ABSO 表示取DIVI 計算值的絕對值。OPGT 指將ABSO 的數值控制在大于1 的范圍。

圖7 評價函數示意圖Fig.7 Schematic diagram of merit function

通過以上數據可看出，Zemax 操作數組合求出的I/IBAR 值（表3）和NARCISSUS 宏命令計算出的值（表2）一致。通過操作數的組合，在設計之初就可以對特定表面的I/IBAR 絕對值進行限定，使其盡量大于1。

經過前面的分析雖然已經找出對冷反射影響嚴重的表面，但在控制這幾個面的冷反射時，可能將其它面的冷反射貢獻加大，所以應該對所有透鏡表面的YNI 和I/IBAR 加以不同權重進行控制，同時兼顧系統傳遞函數的優化。

3.2 抑制冷反射中紅外系統的改進設計

準直組是將Cassegrain 系統的一次像點準直為平行光出射，這樣不僅使得調焦組處于準直光路中，有更優的調焦效果[6]；還可以在準直光路中加入擋板做非均勻化校正[10-12]。因S18 屬于準直組，考慮保持Cassegrain 結構不改動，對準直組和成像組焦距進行整體優化。優化后的結構經倒置后如圖8 所示。優化后的系統傳遞函數見圖9。

圖8 優化后的中波紅外系統光學透射結構圖Fig.8 Transmission structure diagram of the optimized medium-wave infrared imaging system

圖9 優化后的折反式中波紅外成像系統的傳遞函數Fig.9 MTF of the optimized catadioptric medium-wave infrared imaging system

中波紅外成像系統優化前后的主要差異在最后5 片透鏡，如圖10 所示。優化后的結構可在控制冷反射的同時使透鏡厚度變薄。

圖10 成像系統優化前后的主要差異Fig.10 Main differences of the imaging system before and after optimization

4 仿真分析

4.1 NARCISSUS 宏命令分析

圖11 給出了優化后的中波紅外成像系統各透鏡表面的NITD。通過NARCUSSUS 宏命令再次對冷反射嚴重面進行分析。可見，除了探測器窗口對探測器像面有較強的冷反射外，其余面的冷反射能量基本可以忽略[13-15]。

圖11 優化后的中波紅外成像系統各透鏡表面的NITDFig.11 NITD of each lens surface of the optimized medium-wave infrared imaging system

這時重新查看S5 和S18 的YNI 和I/IBAR值，如表4 所示。

表4 冷反射嚴重面在優化后系統中的YNI 和I/IBAR 值Tab.4 YNI and I/IBAR values of the surfaces with serious narcissus in optimized system

經冷反射抑制后的光學結構，各紅外透鏡表面反射回探測器像面的NITD 形成冷斑，如圖12所示。由圖12 可見，系統在調焦組移動過程中冷斑尺寸基本沒有變化，且各透鏡表面的反射對探測器像面的NITD 的最大貢獻值由1.048 4 K 降到0.157 6 K，系統優化前后，NITD 值的對比結果如表5 所示。可見，系統冷反射現象得到了明顯改善。

表5 優化前后的NITD 值Tab.5 NITD values before and after optimization (K)

圖12 冷反射抑制后探測器像面冷反射斑在調焦前后的變化Fig.12 Changes of the narcissus spot in the detector image surface of the optimized system before and after focusing

4.2 Tracepro 建模分析模擬

Tracepro 是可視化可量化的建模分析軟件，可用于分析每個面對冷光的反射量。根據閾值設定，可以擬定冷反射光在特定表面的一次反射或多次反射。將中紅外系統設計文件導入Tracepro軟件，設置透鏡表面的反射率為1%，透射率為99%，忽略系統衍射效應和吸收損失，模擬冷反射光返回到探測器像面的能量分布情況[16-18]，如圖13 所示。

圖13 Tracepro 仿真探測器靶面的冷反射能量模擬結果Fig.13 Simulation results of narcissus on the image surface through Tracepro modeling software

將圖13 中數據歸納如表6 所示。可見，在紅外系統的調焦過程中，冷反射在探測器像面上的光通量強度基本一致，不會因為調焦狀態的變化引入新的冷反射現象[19]。

表6 調焦過程中探測器像面冷反射仿真結果Tab.6 Simulation results of narcissus on the detector’s image surface during focusing

從以上結果可知，紅外成像系統調焦前后探測器接收到的冷反射能量無明顯變化，且冷反射能量在整個探測器像面呈均勻分布。此外，通過平行光路中的校正板進行非均勻校正，系統冷反射可得到很好抑制。

5 成像比對

冷反射控制前的系統對目標成像如圖14（a）所示，此時，室外溫度為6 °C，目標距離為5 km。由圖14（a）可知，圖像中心有一個較明顯的黑斑，說明該系統存在冷反射現象。經過冷反射控制后的成像系統，對同一目標進行成像，如圖14（b）所示。可見圖像清晰，已經沒有冷斑。以上結果表明優化后的中波紅外系統很好地控制了冷反射現象。

圖14 紅外系統優化前后成像圖Fig.14 Images of the infrared system before and after optimization

6 結論

本文設計了一款大口徑制冷型中波紅外成像 系統，通過在設計階段對函數進行優化，對冷反射嚴重面的YNI 和I/IBAR 兩個參數進行控制，可 在控制冷反射嚴重面的同時，兼顧其它透鏡表面 的冷反射效應，提高系統傳遞函數。利用Zemax設計軟件的NARCISSUS 宏命令和Tracepro 建模 分析軟件對成像系統冷反射抑制前后的冷發射效 應進行分析，并通過成像圖進行比對。

對冷反射進行抑制首先要尋找到對冷反射貢 獻較大的表面，通過軟件的優化函數控制冷反射嚴重面的YNI 和I/IBAR 兩個參數，使其中至少一個數的絕對值大于1。在系統優化過程中，采用YNIP、READ、DIVI 等優化函數組合進行優化。同時，要考慮調焦組在調整像面質量時，不會導致冷反射效應發生迅速變化，出現新的冷反射現象；其次，考慮添加非均勻化校正板，盡量在平形光路中加入，可以校正某一狀態下像面上的冷反射效應；最后，對于設計好的光學結構，結合實際的結構尺寸，利用建模軟件分析冷反射對探測器像面的綜合影響。結果顯示冷反射在像面呈均勻分布，且系統像面的NITD 在調焦過程中基本不變，可認為已經從設計角度降低了冷反射效應。

以上是從光學結構設計角度提出的冷反射抑制方案，暫不涉及目標和環境溫度的變化。當目標溫度變化時，系統的冷反射也不一樣，這時，可以通過在平行光路中設置擋板進行非均勻校正。當目標背景溫度或者光學系統溫度變化較大時，系統的冷反射會發生變化，導致校正效果變差，此時，需要重新進行非均勻化校正。考慮已有的技 術條件也可以提前對探測器進行兩點校正系數預 存，或者結合裝調好的系統進行系統級的黑體兩 點校正。