大視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析

大視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析

0雜光成像的影響紅外光學(xué)系統(tǒng)接收到的目的和背景是固有的紅色輻射，通常是光源。一般來說，它是隱蔽的，具有很強(qiáng)的抗旱性，并且可以隨時(shí)工作。因此，近年來紅外光學(xué)系統(tǒng)得到了充分發(fā)展。例如紅外相機(jī)可以拍攝設(shè)備的過熱點(diǎn)或者建筑物熱量流失的位置,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以測量人體的局部溫度差異等。雜散光是指到達(dá)像面的非成像光束,對光學(xué)系統(tǒng)而言雜散光就相當(dāng)于系統(tǒng)的噪聲,直接影響著光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量,導(dǎo)致像面對比度的下降和調(diào)制傳遞函數(shù)的下降。嚴(yán)重時(shí)目標(biāo)像會被雜光淹沒,導(dǎo)致系統(tǒng)失效。例如,我國發(fā)射的某衛(wèi)星,其星載相機(jī)的設(shè)計(jì)達(dá)到了性能指標(biāo),但是由于在研制階段未對雜光進(jìn)行很好的理論分析,沒有考慮消雜光的措施,使得背景雜光量級比要求拍攝的5等星的曝光量還高幾百倍,系統(tǒng)嚴(yán)重失效。因此對光學(xué)系統(tǒng)雜光的分析不僅直接影響該系統(tǒng)的性能,而且可以節(jié)約成本。對光學(xué)系統(tǒng)消雜光的評價(jià)一般有兩種方法,一種是雜散光測量法,另一種為雜散光分析法。目前常用TracePro軟件仿真評價(jià)消雜光效果,得到該光學(xué)系統(tǒng)加上消雜光結(jié)構(gòu)以后的點(diǎn)源透射比曲線(PST),根據(jù)得到的PST曲線,進(jìn)行消雜光結(jié)構(gòu)的修改,從而節(jié)約了成本。1構(gòu)圖和圖圖大視場紅外折返光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)紅外折反光學(xué)系統(tǒng)視場小的局限性,視場可以達(dá)到50,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將主次鏡做成曼金鏡,成功地將視場擴(kuò)大,而且避免了非球面的使用。2減少到達(dá)像面的雜光雜散光就是入射到系統(tǒng)內(nèi)或在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的非成像光束,嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,甚至?xí)瓜到y(tǒng)失效,消雜光的目的就是減少到達(dá)像面的雜光。紅外系統(tǒng)的雜光分析與可見光系統(tǒng)有很多相似之處,例如雜光傳輸?shù)幕纠碚?消雜光結(jié)構(gòu)等。但是由于紅外系統(tǒng)自身的特點(diǎn),與可見光系統(tǒng)之間又有顯著的差異:可見光系統(tǒng)不需要考慮系統(tǒng)自身的熱輻射,而紅外波段則必須考慮。2.1雜光分析過程紅外光學(xué)系統(tǒng)的雜散光主要有以下兩類:第一,外部雜光;第二,內(nèi)部輻射。其中外部雜光主要來自太陽以及其他星體,在分析過程中由于太陽的雜散輻射比較強(qiáng),故此系統(tǒng)外部雜光分析過程中只分析太陽雜散光,可以當(dāng)成固定點(diǎn)源的雜光進(jìn)行分析。當(dāng)太陽光進(jìn)入系統(tǒng)后雜光路徑主要有以下3種:(1)不經(jīng)主次鏡由物空間直接照射到像面或者經(jīng)后校正組照射到像面的雜光。(2)視場內(nèi)的成像光束不按正常光路傳輸?shù)碾s光。(3)進(jìn)入系統(tǒng)的非成像光束經(jīng)鏡筒漫反射后射到像面的雜光。該系統(tǒng)所消除的雜光主要為第一種和第三種。內(nèi)部輻射雜光主要是指鏡筒內(nèi)部的自身輻射。2.2雜散輻射的抑制紅外系統(tǒng)消雜光與可見系統(tǒng)消雜光有著相似之處,但也有自己獨(dú)特的消雜光方法。目前國內(nèi)外常用的方法主要有以下幾種:(1)用光闌的組合抑制雜散光。即通過孔徑光闌、視場光闌以及里奧光闌的組合抑制系統(tǒng)中的雜散輻射。(2)遮光罩以及擋光環(huán)消雜光結(jié)構(gòu)。紅外系統(tǒng)中,太陽和光軸必成一定夾角,故采用擋光環(huán)可以很好的抑制雜光。(3)消雜光涂層的使用。(4)對結(jié)構(gòu)中的零部件進(jìn)行冷卻。(5)溫欄-冷闌匹配方法消除部分背景輻射。(6)溫控法。即對輻射率高的部件進(jìn)行溫度控制,使控制后的部件在成像光譜范圍內(nèi)輻射率降低。上述方法中后3種是紅外消雜光獨(dú)特的方法。2.3視野中的紅外回到光系統(tǒng)的消除雜光措施2.3.1外鏡筒內(nèi)雜光抑制角和水平軸(1)加內(nèi)遮光筒。一般內(nèi)遮光筒尺寸采用作圖方法求出,如圖2所示,光線1、2分別是經(jīng)孔徑外邊緣和孔徑內(nèi)邊緣的光線,經(jīng)主鏡反射后交與B點(diǎn),其關(guān)于中心軸線對稱的點(diǎn)為B′,光線3是經(jīng)邊緣視場內(nèi)孔徑光線交主鏡與點(diǎn)C,則B′、C決定了內(nèi)遮光筒的口徑。該系統(tǒng)內(nèi)遮光罩前口徑為20mm,后口徑為28mm。在光學(xué)軟件中,通過光線追跡法可以看出邊緣視場光線到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)入瞳的數(shù)量與最終達(dá)到像面的數(shù)量相等,故所設(shè)計(jì)的內(nèi)遮光罩合理,不會阻擋視場內(nèi)的光線,如圖3所示。(2)加外遮光罩。外遮光罩加在系統(tǒng)的前方,用來防止來自視場外的雜光。該系統(tǒng)中外界雜光主要是太陽光,雜光抑制角為45°,此角度決定了外鏡筒的長度。傳統(tǒng)做法是將外遮光罩內(nèi)壁涂黑,黑層吸收確實(shí)可以直接阻止外界雜光進(jìn)入像面,但是由于該系統(tǒng)是紅外光學(xué)系統(tǒng),黑層不再適用,因?yàn)楦鶕?jù)基爾霍夫定律表明好的吸收體必是好的輻射體,黑層吸收是造成系統(tǒng)內(nèi)部自身輻射的主要原因,故在此系統(tǒng)中將外遮光罩內(nèi)表面設(shè)置為互相垂直的反射面,其原理圖如圖4所示,雜散光源和水平軸夾角為δ,光學(xué)系統(tǒng)半視場角為ω,反射面和水平面的夾角為θ,當(dāng)δ+θ>>90°時(shí),大于系統(tǒng)抑制角的雜散光源在鏡筒內(nèi)部的傳布情況如圖所示,有4種情況分別可用光線1、2、3、4表示。光線1經(jīng)過一反射鏡反射光線直接反射出系統(tǒng),光線2經(jīng)過互相垂直的兩反射面沿原路返回也反射出系統(tǒng),光線3經(jīng)過兩個(gè)互相垂直的反射面后的反射光線仍然是沿原路返回,但是卻反射到遮光罩的上部,需要在經(jīng)過系統(tǒng)的多次反射以后才可以進(jìn)入系統(tǒng),根據(jù)二次反射原理可知這部分雜散光能量很小。光線4反射光線理論上是可以進(jìn)入系統(tǒng)的,但是這部分光線是由離軸角較大的雜散光源發(fā)出的,而且這部分光線的范圍很小。另外光線4的反射光線與光軸的夾角大于視場角,所以這部分光線可以不考慮。系統(tǒng)中每個(gè)反射面的尺寸大小可以在作圖軟件solidworks中通過精確建模的方法得到,避免了繁瑣的公式的計(jì)算。該系統(tǒng)中共有16組反射鏡。通過TracePro軟件進(jìn)行光線追跡最終得出,就該系統(tǒng)而言,當(dāng)雜散光源離軸角δ≥85°時(shí)才會出現(xiàn)光線4。圖5為離軸角為85°時(shí)雜散光仿真圖,此時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的光線為85°雜散光源總光線的2%。而且這部分光線與光軸的夾角已經(jīng)大于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的視場角,故不考慮這部分光線是合理的。2.3.2擋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)雜光射到鏡筒內(nèi)壁時(shí)有可能經(jīng)過散射最終到達(dá)像面,因此對主次鏡之間的遮光筒還需要設(shè)計(jì)擋光環(huán)。擋光環(huán)將阻止所有經(jīng)過次鏡邊緣散射到鏡筒的雜光照射到主鏡上。擋光設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示,虛線m與實(shí)線n的距離是h,即擋光環(huán)的高度為h,在外鏡筒上選取靠近A的一點(diǎn)L,連接BL,AL,此路徑作為鏡筒接收雜光的最小角度路徑。BL,AL與虛線m交于K′,M′,在此處設(shè)置兩個(gè)擋光環(huán),再連接AK′交直線n于J,連接BJ交虛線m于I′,在此處設(shè)置第三個(gè)擋光環(huán),以此類推。該系統(tǒng)中擋光環(huán)的設(shè)計(jì)也是通過solidworks軟件精確建模得到。擋光環(huán)的高度為4,共有5個(gè)。2.4大視場紅外折返光學(xué)系統(tǒng)的雜光分析近年來,軟件仿真分析雜散光成為人們研究雜光的重點(diǎn)。在雜散光分析軟件方面主要有APARJ、GUERAP、ASAP、LightTools、TracePro軟件。其中TracePro軟件分析紅外雜光時(shí)可以直接仿真內(nèi)部系統(tǒng)的輻射,故大視場紅外折返光學(xué)系統(tǒng)采用TracePro軟件進(jìn)行雜光分析。在分析過程中一般以點(diǎn)源透射比(PST)作為評價(jià)系統(tǒng)消雜光能力。2.4.1散射面入射的單位矢量在用TracePro軟件分析雜散光時(shí),各光學(xué)表面采用ABg散射模型,如圖7所示。某方向入射到散射面入射光線的單位矢量用表示,分別為散射面反射方向和任意散射方向的單位矢量,在散射面上的投影向量為。ABg散射模型是用冪數(shù)倒數(shù)來表達(dá)BSDF,用表達(dá)式中的3個(gè)參數(shù)A,B,g命名的,如下式:目前許多雜散光分析軟件中BRDF數(shù)據(jù)庫都是采用這種散射模型。2.4.2tracepro仿真分析由于TracePro軟件提供了ACIS機(jī)械轉(zhuǎn)接口,故建模工作可以在三維建模軟件中完成,并且在建模時(shí)已經(jīng)預(yù)留了2mm的壓邊余量,最后導(dǎo)入TracePro軟件。光學(xué)系統(tǒng)在TracePro中狀態(tài)如圖8所示,其中包括光學(xué)系統(tǒng)和消雜光結(jié)構(gòu)。在仿真分析過程中,每個(gè)表面的散射特性如下,設(shè)透鏡BRDF參數(shù)為A=0.007,B=0.1,g=0;主次鏡以及遮光罩中的反射鏡組BRDF參數(shù)為A=6.385e-6,B=0.0001,g=2.172,其余鏡筒壁涂AeroglazeeZ-306。分析過程中追跡一定數(shù)量的光線,即可以得出像面雜光大小。2.4.3輻射到達(dá)像面假設(shè)系統(tǒng)工作溫度為300K,主鏡筒內(nèi)壁輻射率設(shè)為0.9,遮光罩內(nèi)壁輻射效率為0.001,在這種假設(shè)下用TracePro軟件進(jìn)行光線追跡得到像面雜散光量級為10-10,并且擋光環(huán)在此系統(tǒng)中可以阻止鏡筒內(nèi)壁的內(nèi)部輻射到達(dá)像面,如圖9所示。通過此仿真結(jié)果可以得出的結(jié)論為:此消雜光結(jié)構(gòu)很好地抑制了系統(tǒng)內(nèi)部輻射,大大減少了到達(dá)像面的內(nèi)部輻射能量。PST定義為離軸角為θ的點(diǎn)源引起探測器上的輻照度與在垂直該點(diǎn)源的輸入孔徑上的輻照度之比。在軟件仿真過程中采用10621根、29701根、67051根入射光線在0方位角以不同離軸視場進(jìn)行光線追跡,由仿真結(jié)果可知,當(dāng)入射光線29701根以上時(shí)PST值趨近穩(wěn)定,所以TracePro軟件仿真過程中入射光線采用29701根,得到像面雜散光大小,并計(jì)算出每個(gè)離軸角度時(shí)系統(tǒng)的PST,圖10為所繪制的PST曲線。分析點(diǎn)源透射比曲線可知,視場