尹 爽，朱穎峰，黃一彬，張嫻靜，趙維艷，徐思軼

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紅外焦平面杜瓦冷屏擋光環(huán)雜散輻射的抑制

尹 爽1，朱穎峰1，黃一彬1，張嫻靜2，趙維艷1，徐思軼1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 浙江大學(xué)光電工程學(xué)院，浙江 杭州 310013）

從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹了冷屏雜散輻射抑制的基本原理?；趲缀喂鈱W(xué)的基本原理，應(yīng)用ASAP軟件的計(jì)算機(jī)仿真模擬手段進(jìn)行實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)建模，在現(xiàn)有冷屏設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，仿真具有不同擋光環(huán)個(gè)數(shù)和不同開孔形狀的擋光環(huán)的冷屏，分析篩選雜散輻射抑制效果最好的冷屏，在盡量減輕重量、減小體積的前提下，獲得盡可能好的消雜散輻射效果。

紅外焦平面；杜瓦冷屏；雜散輻射抑制；擋光環(huán)；ASAP

0 引言

冷屏也稱為冷光闌，是杜瓦的一個(gè)十分重要的配件，起到限制視場(chǎng)角、提高探測(cè)器芯片信噪比、降低背景噪聲和減少背景光通量的作用。紅外焦平面中的雜散輻射會(huì)降低像面的對(duì)比度和調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個(gè)像面的清晰度變差，能量分布混亂，甚至可能會(huì)在像面上產(chǎn)生光斑，直接導(dǎo)致像質(zhì)下降。某些情況下甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失效，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)使目標(biāo)信號(hào)完全被雜散輻射所淹沒[1]。通過對(duì)冷屏結(jié)構(gòu)的適當(dāng)設(shè)計(jì)[2]，可以對(duì)進(jìn)入冷屏內(nèi)部的雜散輻射進(jìn)行抑制，提高探測(cè)器的成像質(zhì)量。本文主要以圓形開口的圓錐狀冷屏為基礎(chǔ)[3-4]，應(yīng)用ASAP仿真模擬分析方孔圓角擋板和圓孔擋板的雜散輻射抑制能力，分析篩選出雜散輻射抑制效果較好的一種冷屏結(jié)構(gòu)。

1 基本思路

1.1 冷屏擋光環(huán)位置的選擇

選擇均勻放置3個(gè)擋光環(huán)和非均勻放置6個(gè)擋光環(huán)。

非均勻放置的6個(gè)擋光環(huán)位置的判定基于以下原理，如圖1[5]。

在冷屏內(nèi)壁是漫反射的情況下，首先連接￠，使￠與￠￠交于點(diǎn)。過點(diǎn)做￠￠的垂直線￠。那么，￠所在的位置就是冷屏第一個(gè)擋光環(huán)所在的位置，并且￠的高度就是第一個(gè)擋光環(huán)的截面高度。然后連接使其相交￠￠于點(diǎn)，連接點(diǎn)是與￠￠交于點(diǎn)。過點(diǎn)做￠￠的垂直線￠。那么，￠所在的位置就是冷屏第二個(gè)擋光環(huán)所在的位置，并且￠的高度就是第二個(gè)擋光環(huán)的截面高度。以此類推，直到由點(diǎn)發(fā)出的雜散輻射出射到冷屏外面。

應(yīng)用以上原理方法，實(shí)際應(yīng)用CAD畫出本文冷屏模型的擋光環(huán)數(shù)量為6個(gè)。具體如圖2。

圖1 圓柱狀冷屏等高布置的擋光環(huán)的設(shè)計(jì)原理圖

Fig. 1 Design principle of the cylindrical cold field with baffles

圖2 非均勻擋光環(huán)位置的確定

Fig.2 The determination of non-uniform placed baffles

1.2 冷屏擋光環(huán)開孔尺寸和形狀的選擇

冷屏視場(chǎng)角FOV的示意圖，如圖3，從圖中可以看出視場(chǎng)角的最大邊界。把這個(gè)最大邊界作為圓孔擋光環(huán)的直徑。

圖3 冷屏視場(chǎng)角

由于在ASAP的仿真模擬[6]中，方孔外接于圓視場(chǎng)角無(wú)法模擬，不滿足要求。所以選擇方孔內(nèi)接于圓視場(chǎng)角，方孔的對(duì)角線長(zhǎng)度剛好等于圓孔擋光環(huán)直徑的大小。

方孔圓角的圓角尺寸判斷如圖4所示。圖4所示方孔圓角擋光環(huán)開孔的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

圖4 方孔圓角擋光環(huán)開孔判斷原理圖

假設(shè)光源面為0處的出瞳面，并且探測(cè)器上任意一點(diǎn)都是從光源任意一點(diǎn)發(fā)出光線的疊加。取光源最外圈任意一點(diǎn)(0,0,0)，0＋0＝r探測(cè)器面上的任意一點(diǎn)是(,,)，這兩點(diǎn)的連點(diǎn)的方向向量是(0,0,)。在中間任意取一截面，其與直線相交于(,,)，推導(dǎo)出：

＝0＋(0)＝0＋(0)

＝×0＜＜1

即：(1)0＝－(1－)0＝＝/

由02＋02＝2，得：

()2＋()2＝(1)22＝(1)22

所以，任意一截面的形狀為圓，半徑為(1)/×。

圓心的軌跡為縮小后探測(cè)面的軌跡(，)，其中分別表示探測(cè)器接收面長(zhǎng)和寬的尺寸大小，當(dāng)探測(cè)器接收面上每一點(diǎn)產(chǎn)生的截面都疊加以后形成的包絡(luò)線才是實(shí)際上在位置的實(shí)際截面形狀。方孔圓角擋光環(huán)的冷屏是由包絡(luò)線的形狀決定的。

仿真模型如圖5。

2 散射模型的選擇

對(duì)于入射角不大的情況下，該模型可以達(dá)到一個(gè)大范圍的散射表面的合理的近似描述。在ASAP的仿真中采用的是SCATTER RANDOM表面散射。

在ASAP中，SCATTER RANDOM指令是用來(lái)仿真朗伯（Lambertian）表面。朗伯散射表面的散射亮度為常數(shù)與光線的入射角度無(wú)關(guān)，其散射光強(qiáng)度則根據(jù)散射光線與該表面法線方向夾角的余弦而改變。這方法常用來(lái)模擬簡(jiǎn)單的擴(kuò)散片（diffuser）。當(dāng)一條入射光線打在這個(gè)指令定義的散射面上時(shí)，ASAP將產(chǎn)生多條的額外光線以模擬朗伯散射表面，換句話說，這方法對(duì)應(yīng)的是“一條光線進(jìn)，多條光線出”的散射模擬方法。這些光線是被散射到一個(gè)半球形的區(qū)域內(nèi)，每一根光線攜帶相同的光通量（flux）。ASAP采用一個(gè)名為光線密度（ray-density method）的算法來(lái)產(chǎn)生著朗伯散射光線的空間分布模式：當(dāng)入射光線是在散射表面的法線方向附近，ASAP在單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的光線數(shù)目比較多；當(dāng)光線是掠入射（grazing incident）時(shí)，將產(chǎn)生較少的散射光線。

根據(jù)模型給定的基本參數(shù)條件，本論文中均采用表面散射來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 ASAP仿真基本參數(shù)的設(shè)定

在ASAP軟件中設(shè)置初始條件，設(shè)置冷屏開口形狀參數(shù)（統(tǒng)一設(shè)置為如圖6的圓形開口尺寸）,雜散輻射率設(shè)置為0.93[7]，設(shè)置探測(cè)器接收面為全吸收模型。設(shè)置光源為發(fā)射平行光的面光源，入射角從0°視場(chǎng)起到70°視場(chǎng)，每隔2°仿真計(jì)算。各視場(chǎng)下，有效光束總能量為10000，雜散光束為500，均無(wú)量綱。

光學(xué)模型[8]的建立：

首先建立冷屏外型尺寸的三維模型如圖6所示，然后在已建立冷屏外形三維模型的前提下，分別添加均分排列的圓孔3擋光環(huán)（圖7）和方孔圓角3擋光環(huán)（圖8）。以及非均勻排列的圓孔6擋光環(huán)（圖9）和方孔圓角6擋光環(huán)（圖10），進(jìn)行仿真模擬分析。

圖7 圓孔擋光環(huán)均勻排列3擋光環(huán)的冷屏模型

圖8 方孔圓角擋光環(huán)均勻排列3擋光環(huán)的冷屏模型

圖9 圓角擋光環(huán)非均勻排列6擋光環(huán)的冷屏模型

圖10 方孔圓角擋光環(huán)非均勻排列6擋光環(huán)的冷屏模型圖

然后仿真對(duì)比均勻排列的圓孔3擋光環(huán)和非均勻排列的圓孔6擋光環(huán)。分析均勻3擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為103801和1063.94。非均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為103810和129.974。從總的能量效果分析，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射的能量比較小。所以，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射抑制能力會(huì)更好。具體每個(gè)角度的能量分布如圖11(a)和(b)、圖12(a)和(b)所示。

前面分析完成以后再仿真對(duì)比均勻排列的方孔圓角3擋光環(huán)和非均勻排列的方孔圓角6擋光環(huán)。分析均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射光的總能量分別為91240和64.759。非均勻6擋光環(huán)的有效光和雜散輻射的總能量分別為91470和64.4189。從總的能量效果分析，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射的能量比較小。所以，非均勻圓孔6擋光環(huán)的雜散輻射抑制能力會(huì)更好。具體每個(gè)角度的能量分布如圖12所示。

(a) 均勻圓孔3擋板雜散光能量圖

(b) 非均勻圓孔6擋板雜散光能量圖

圖11 圓孔擋光環(huán)雜散光能量對(duì)比圖

Fig.11 The stray energy comparison of the rounded holes

(a) 均勻方孔圓角3擋板雜散光能量圖

(b) 非均勻方孔圓角6擋板雜散光能量圖

圖12 方孔圓角擋光環(huán)雜散輻射能量對(duì)比圖

Fig.12 The stray energy comparison of the square hole with rounded corners

4 總結(jié)

通過上述對(duì)比可以分析出雜散輻射抑制效果最好的是非均勻方孔圓角6擋光環(huán)。其中方孔圓角均勻3擋光環(huán)和方孔圓角非均勻6擋光環(huán)的雜散輻射抑制相差不大。所以結(jié)合實(shí)際冷屏的制作加工難度和重量要求，綜合考慮，方孔圓角均勻3擋光環(huán)更好。

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The Stray Radiation Suppression of the Baffles of Infrared Focal Plane Dewar

YIN Shuang1，ZHU Ying-feng1，HUANG Yi-bin1，ZHANG Xian-jing2，ZHAO Wei-yan1，XU Si-yi1

(1.,650223,; 2.,310013,)

From the perspective of optical design, the basic principle of cold field stray radiation suppression was introduced. Based on the basic principle of geometrical optics, the simulation function of ASAP was used for the actual optical system modeling. Based on the existing cold field design, simulation of different number and different hole shape of baffles of the cold field was done. Analysis and selection of the cold field which is the best of the stray radiation suppression was made. On the premise that reducing the weight and volume as much as possible, good stray radiation suppression has been achieved.

IRFPA，cold field of dewar，stray radiation suppression，baffle，ASAP

TN215

A

1001-8891(2015)11-0916-05

2015-08-03；

2015-09-09.

尹爽（1988-），女，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，現(xiàn)從事紅外探測(cè)器杜瓦冷屏雜散輻射抑制的研究。E-mail：767839878@qq.com。