王 勇 馮屹朝 劉永鴻

（防空兵指揮學(xué)院，河南 鄭州 450052）

“貓眼”效應(yīng)的反射率測(cè)試研究

王 勇 馮屹朝 劉永鴻

（防空兵指揮學(xué)院，河南 鄭州 450052）

分析了“貓眼”目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征及其反射面材料的光學(xué)性質(zhì)，總結(jié)“貓眼”目標(biāo)反射率測(cè)試時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，探討出一種行之有效的對(duì)稱(chēng)雙光路的方法，使反射率測(cè)量達(dá)到精度高、重復(fù)性好和環(huán)境要求低的設(shè)計(jì)要求。

反射率；“貓眼”效應(yīng)；對(duì)稱(chēng)雙光路；“貓眼”目標(biāo)；合作目標(biāo)

反射率的測(cè)量是光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，它不僅與反射表面的狀態(tài)有關(guān)，而且與入射光通量的幾何參數(shù)、光譜參數(shù)有關(guān)。一般反射率測(cè)量系統(tǒng)都由四部分組成：光源，測(cè)量原理，測(cè)量主體，探測(cè)器。測(cè)量主體指實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理的光路裝置，由待測(cè)對(duì)象和其他輔助鏡片組成。

（一）“貓眼”目標(biāo)的結(jié)構(gòu)及反射面材料特性

1.“貓眼”目標(biāo)結(jié)構(gòu)

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

圖1 “貓眼”結(jié)構(gòu)及反射上視圖

此“貓眼”的基體為強(qiáng)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(dǎo)體反射層，即反射面。入射光線進(jìn)入玻璃基體后，頸上截頂半球體折射后到達(dá)下截頂半球體的反射層，再經(jīng)反射和上截頂半球體的折射，產(chǎn)生平行于入射光線的反射光線。

光學(xué)研究中泛指的“貓眼”目標(biāo)一般指光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭，它一般是由多個(gè)透鏡和光學(xué)探測(cè)器或分化板組成，一般可以將其近似簡(jiǎn)化成一個(gè)透鏡和一個(gè)反射面的組合。如圖2所示。

圖2 “貓眼”目標(biāo)反射簡(jiǎn)化示意圖

它們的共同特點(diǎn)是有集光本領(lǐng)，即將入射的平行光成像到焦平面上或匯聚到位于焦點(diǎn)的探測(cè)器平面處，并且經(jīng)其反射后原路返回。由于激光照射“貓眼”目標(biāo)鏡頭產(chǎn)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(xué)“貓眼”目標(biāo)的反射面一般為光電探測(cè)器。從理論上講，光電探測(cè)器表面材料很多，但由于光學(xué)偵察衛(wèi)星等光學(xué)鏡頭要達(dá)到它的測(cè)量目的和測(cè)量用途，一般會(huì)考慮選用高反射率或是高熔點(diǎn)等特性的材料，另外會(huì)考慮其耐腐蝕性等等。因此光電探測(cè)器中，最具有代表性的是由半導(dǎo)體硅制成的，各種探測(cè)器由于表面結(jié)構(gòu)多層化，也使得對(duì)反射情況進(jìn)行分析時(shí)變得比較復(fù)雜。下面對(duì)典型的硅光電二極管進(jìn)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(jié)構(gòu)

硅光電二極管，除內(nèi)部p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)以外，表面還有一層介質(zhì)保護(hù)膜(一般是SiO2保護(hù)膜)，起著保護(hù)硅的活性表面和減少應(yīng)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(duì)穿透硅層的光有很強(qiáng)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(duì)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(gè)表面的分離，會(huì)出現(xiàn)輻射通量不同的多個(gè)反射光斑。確切地說(shuō)，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(diǎn)不可忽略。有時(shí)，下表面的損失還大于上表面的損失。在測(cè)量時(shí)，必須選用性能良好的大面積探測(cè)器，并且要細(xì)心地調(diào)整，把所有的反射光斑都收人輻射測(cè)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(xué)表面性質(zhì)，可以近似地看作鏡面反射，即可簡(jiǎn)化問(wèn)題。

（二）測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)“貓眼”目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和反射原理，以及光電探測(cè)器表面材料的特性分析，探討測(cè)量反射率時(shí)應(yīng)該注意和解決的問(wèn)題：

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

2.光電探測(cè)器等反射面有多層結(jié)構(gòu)，反射光斑不只一個(gè)，特別是有窗口玻璃的，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)輻射通量不同的反射光斑，在測(cè)量時(shí)必須仔細(xì)地調(diào)整并選用接收面積大的探測(cè)器，才能把所有的反射光斑收入輻射測(cè)量計(jì)之中。

3.測(cè)量系統(tǒng)裝置盡量在封閉的暗室內(nèi)，避免雜散光的影響。

根據(jù)以上的分析，設(shè)計(jì)出的測(cè)試圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖中，1.06μm激光經(jīng)擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)后，入射到分束器1后一分為二。A光束進(jìn)入分束器2，一部分進(jìn)入光陷井2被吸收，一部分經(jīng)可移動(dòng)光闌入射到“貓眼”目標(biāo)后反射后沿原光路返回經(jīng)分束器2進(jìn)入光電接收器1。B光束經(jīng)全全反鏡進(jìn)入分束器3，一部分進(jìn)入光陷井3被吸收，一部分入射到標(biāo)準(zhǔn)反射鏡后，沿原光路返回分束器3，再進(jìn)入光電接收器2。

采用對(duì)稱(chēng)雙光路比較測(cè)量法，分束器的分光比為1∶l。標(biāo)準(zhǔn)全反鏡、活動(dòng)全反鏡是同樣的反射板、反射率為99%。開(kāi)始時(shí)，先將活動(dòng)全反鏡送入測(cè)試臺(tái)，這時(shí)A光束、B光束分別入射到活動(dòng)全反鏡和標(biāo)準(zhǔn)全反鏡上，被反射后分別進(jìn)入光電接收器1和2。經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大、比較、調(diào)整電參數(shù)，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(biāo)的入射光通量 ，然后將活動(dòng)全反鏡退出測(cè)試臺(tái)，裝入待測(cè)“貓眼”目標(biāo)。這時(shí)光電接收器1接收的光通量是“貓眼”目標(biāo)的反射光通量Qφ，則目標(biāo)的反射率Q=φQ/φ。

至此，解決了目標(biāo)入射光與反射光的光路干擾不易測(cè)量反射率的問(wèn)題。測(cè)試臺(tái)可作小角度范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，用以測(cè)量入射光在不同入射角度時(shí)反光板的反射率的情況。

（三）測(cè)量結(jié)果

1.按照試驗(yàn)裝置圖來(lái)組裝儀器，包括1.06μm YAG激光器、擴(kuò)束器、分束器、全反射鏡、光陷井、可移動(dòng)光闌、PIN光電二極管（光電接收器），300MHz7DS 3032B示波器（用于測(cè)量波形幅度），模擬“貓眼”目標(biāo)（伽利略式光學(xué)鏡頭）。分束器要求對(duì)波長(zhǎng)為1.06μm的激光在45度入射時(shí)反射、透射光通量相等(分光比為1∶1)。全反射鏡、固定和活動(dòng)全反鏡對(duì)波長(zhǎng)為1.06μm的光譜來(lái)說(shuō)，其反射率為99%。

2.用本裝置對(duì)模擬的“貓眼”目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，激光器與貓眼目標(biāo)相距20米，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 反射率與入射角度關(guān)系曲線圖

（四）結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，“貓眼”目標(biāo)對(duì)1.06μm激光的反射率最高能達(dá)到5%左右，說(shuō)明了“貓眼”效應(yīng)的存在，反射率與入射角度關(guān)系密切，基本上是垂直入射時(shí)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(xué)院講師，研究領(lǐng)域?yàn)橹笓]控制系統(tǒng)仿真與指揮系統(tǒng)決策。