陳建發(fā)， 趙 泉， 蔡 猛， 任偉鋒， 潘枝峰， 王合龍

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

基于熱光闌的大F數(shù)制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)

陳建發(fā)， 趙 泉， 蔡 猛， 任偉鋒， 潘枝峰， 王合龍

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

研制了一套基于熱光闌的大F數(shù)制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化熱光闌的設(shè)計(jì)參數(shù),消除了熱光闌自身輻射、外界環(huán)境雜散輻射及冷反射對(duì)系統(tǒng)性能的影響,很好地滿足了熱成像性能高、長(zhǎng)焦距、體積緊湊等設(shè)計(jì)需求。性能測(cè)試及成像效果表明，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，反射熱光闌不會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)明顯的變化，驗(yàn)證了熱光闌設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。

紅外光學(xué)系統(tǒng)； 熱光闌； 大F數(shù)； 雜散輻射； 冷反射

0 引言

軍用紅外光學(xué)系統(tǒng)為了獲得高的熱成像性能，多采用制冷型探測(cè)器。制冷型探測(cè)器光闌位于光學(xué)鏡頭之后，為實(shí)現(xiàn)鏡頭瞳孔與探測(cè)器光闌之間的銜接避免雜散輻射，必須要求100%的冷光闌效率，即光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)要與探測(cè)器的F數(shù)匹配。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積的嚴(yán)格限制或多F數(shù)設(shè)計(jì)的需求(即長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)時(shí)需要較大的F數(shù)以滿足體積的限制，短焦?fàn)顟B(tài)下需要較小的F數(shù)以獲得足夠的能量及最大化利用光學(xué)窗口的口徑)，此時(shí)就需要冷光闌可變F數(shù)或引入外置光闌(也稱熱光闌)改變光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)。冷光闌可變F數(shù)對(duì)探測(cè)器的設(shè)計(jì)具有較高的要求，實(shí)現(xiàn)存在很大的難度，目前可行的方案是引入反射熱光闌進(jìn)行變F數(shù)紅外光學(xué)的設(shè)計(jì)。引入熱光闌后，由于光闌自身輻射、外界環(huán)境雜散輻射及冷反射等因素，會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定的影響[1-2]。

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化反射熱光闌的設(shè)計(jì)參數(shù)消除熱光闌自身輻射、外界環(huán)境雜散輻射及冷反射對(duì)系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計(jì)了一套變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)。性能測(cè)試表明，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)反射熱光闌，不會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)明顯的變化，驗(yàn)證了熱光闌設(shè)計(jì)理論的正確性與可行性，對(duì)變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)及大F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 熱光闌設(shè)計(jì)理論

熱光闌通常加裝在探測(cè)器與光學(xué)系統(tǒng)最后一塊鏡子之間，加裝熱光闌后光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌在熱光闌位置，顯然與探測(cè)器的冷光闌位置不匹配，此時(shí)冷光闌效率下降。因此熱光闌對(duì)像面照度的影響包含熱光闌自身輻射，冷光闌效率下降導(dǎo)致背景輻射直接入射至像面或經(jīng)熱光闌反射后入射至像面三方面，如圖1所示。

圖1 熱光闌對(duì)像面照度的影響Fig.1 Warm diaphragm influence on image plane illumination

1.1 熱光闌自身的輻射[3-4]

熱光闌可等效為一個(gè)發(fā)射率為εr的灰體，其輻射率為

(1)

式中：λ表示波長(zhǎng)；Tr為熱光闌溫度；W(λ,Tr)為黑體半球范圍內(nèi)的輻射；εr為熱光闌表面光譜發(fā)射率。

熱光闌與探測(cè)器二者中心在一條軸上，探測(cè)器上中心點(diǎn)的輻照度可以計(jì)算為

E0=πNrR(λ)(sin2θc-sin2θw)

(2)

式中：Nr為熱光闌的輻射率；R(λ)為探測(cè)器光譜響應(yīng)率；θc為冷光闌開(kāi)口與探測(cè)器中心形成的半角；θw為熱光闌開(kāi)口與探測(cè)器中心形成的半角，如圖2所示。

圖2 熱光闌自身輻射對(duì)像面照度的影響Fig.2 The influence of warm diaphragm radiation on image plane illumination

為簡(jiǎn)化模型，假定探測(cè)器上任意點(diǎn)看到的熱光闌表面積相同，則探測(cè)器上其他點(diǎn)的輻照度可用余弦的四次方定律估算，即

Ei≈E0cos4φi

(3)

式中,φi表示探測(cè)器任意點(diǎn)和所看到的熱光闌表面積中心的連線與Z軸形成的夾角。

越接近探測(cè)器邊緣，φi越大，Ei越小。設(shè)探測(cè)器邊緣φi=φmax，則熱光闌自身輻射引起最大溫差為

(4)

式中,?EB/?TB為背景輻射溫度變化率。

1.2 直接入射的雜散輻射[5]

在熱光闌孔徑面內(nèi)隨機(jī)取一點(diǎn)記為A，分析過(guò)A點(diǎn)以隨機(jī)角度入射至探測(cè)器像面或在內(nèi)壁上一次反射后入射至探測(cè)器像面的雜散輻射的情況，對(duì)于經(jīng)由A點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)二次或多次反射才能達(dá)到探測(cè)器像面上的情況，認(rèn)為能量被衰弱至很小的量值，不予考慮。直接入射到像面的背景輻射如圖3所示。

圖3 直接入射到像面的背景輻射Fig.3 Background radiation entering directly to the image plane

具體計(jì)算過(guò)程如下： 1) 首先在熱光闌孔徑上隨機(jī)取一點(diǎn)A，并賦予經(jīng)過(guò)A點(diǎn)光線一個(gè)隨機(jī)方向變量； 2) 依據(jù)反射定理及空間解析幾何等有關(guān)知識(shí)，判斷該光線是否被冷光闌所阻攔； 3) 如果未被阻攔，再判斷該光線最終是否落在探測(cè)器像面區(qū)域內(nèi)，并統(tǒng)計(jì)落入芯片區(qū)域內(nèi)的光線數(shù)。

以一個(gè)較大的循環(huán)次數(shù)執(zhí)行此過(guò)程，設(shè)光線總數(shù)為N，其中落在芯片上的光線數(shù)為n，則冷光闌效率η可以寫(xiě)為

(5)

1.3 經(jīng)由熱光闌反射的背景輻射

探測(cè)器上一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)由熱光闌表面反射后，有一部分返回至探測(cè)器冷指內(nèi)部；另一部分則反射在周?chē)獠靠臻g，依據(jù)光路可逆的原理，背景輻射可沿此路徑，經(jīng)由熱光闌表面反射而進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部，如圖4所示。而如果探測(cè)器上所有點(diǎn)發(fā)出的光線全部進(jìn)入冷指內(nèi)部，則可以認(rèn)為外界光線無(wú)法經(jīng)由熱光闌表面反射到達(dá)探測(cè)器像面。

圖4 經(jīng)由熱光闌反射的背景輻射分析Fig.4 Background radiation analysis by warm diaphragm reflection

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 熱光闌優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)已給出了探測(cè)器參數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)，因此熱光闌的設(shè)計(jì)僅需確定熱光闌表面曲率半徑、熱光闌表面到探測(cè)器像面的距離兩個(gè)參數(shù)。

如1.1節(jié)所述為簡(jiǎn)化模型，需使得探測(cè)器像面上不同點(diǎn)看到的熱光闌表面積相同，通過(guò)計(jì)算分析需使得熱光闌到探測(cè)器的距離小于28 mm，此時(shí)被探測(cè)器上不同點(diǎn)看到的熱光闌表面積的歸一化分布情況如圖5所示，熱光闌尺寸如圖6所示，被探測(cè)器上不同點(diǎn)看到的熱光闌表面積如圖7所示。

圖5 被探測(cè)器上不同點(diǎn)看到的熱光闌表面積的歸一化分布Fig.5 The normalized distribution of warm diaphragm surface area

圖6 熱光闌尺寸Fig.6 The warm diaphragm size

圖7 被探測(cè)器上不同點(diǎn)看到的熱光闌表面積Fig.7 Warm diaphragm surface area detected by different points of the detector

熱光闌材料選用鋁合金，對(duì)表面進(jìn)行拋光并鍍反射膜，其反射率大于0.97，自身發(fā)射率約為0.02～0.03,熱光闌自身輻射在探測(cè)器像面上的照度分布如圖8所示。經(jīng)計(jì)算其引起的等效溫差約為17 mK，小于系統(tǒng)的噪聲等效溫差(NETD)，故加裝熱光闌后可能引起的雜散輻射主要是來(lái)自外界環(huán)境的熱輻射。

圖8 熱光闌自身輻射引起的像面照度分布Fig.8 The illumination distribution on image plane caused by warm diaphragm radiation

對(duì)于直接入射到探測(cè)器像面的雜散輻射可以通過(guò)優(yōu)化熱光闌的F數(shù)及熱光闌到探測(cè)器的距離進(jìn)行消除，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)給出了探測(cè)器的參數(shù)及光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)，因此只能通過(guò)優(yōu)化熱光闌到探測(cè)器的距離實(shí)現(xiàn)。外界直接雜散輻射的消除效果可以用其冷光闌效率表征。

表2計(jì)算了熱光闌與探測(cè)器之間不同距離時(shí)，外界直接雜散輻射對(duì)應(yīng)的冷光闌效率，其中隨機(jī)追跡光線數(shù)100 000。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著距探測(cè)器的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，冷光闌效率也越來(lái)越高，為使得探測(cè)器上每一點(diǎn)看到的熱光闌表面積一致，光闌到探測(cè)器的距離需小于28 mm，因此選定距探測(cè)器的距離為28 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)冷光闌效率為0.998 8，滿足使用要求。

表2 冷光闌效率計(jì)算結(jié)果

對(duì)于經(jīng)由熱光闌表面反射后入射到探測(cè)器像面上的雜散輻射，可以通過(guò)優(yōu)化熱光闌到探測(cè)器的距離或熱光闌的曲率半徑進(jìn)行優(yōu)化，熱光闌到探測(cè)器的距離選定后，熱光闌的曲率半徑成為唯一可以優(yōu)化的變量，優(yōu)化的最終結(jié)果要保證由探測(cè)器上發(fā)出的光線百分之百回到冷光闌，探測(cè)器發(fā)出的光線追跡如圖9所示，優(yōu)化結(jié)果表明當(dāng)曲率半徑在10.5～18.2 mm這個(gè)范圍時(shí)，探測(cè)器發(fā)出的光線全部返回至冷光闌。

當(dāng)探測(cè)器像面發(fā)出的光線百分之百被探測(cè)器接收時(shí)，外界雜散輻射反射引起的冷光闌效率下降完全被消除，此時(shí)帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題——探測(cè)器接收到自己發(fā)出的冷能量經(jīng)由熱光闌表面反射后在探測(cè)器像面上分布不均勻形成一個(gè)黑斑,也即熱光闌帶來(lái)的冷反射。

圖9 光路追跡Fig.9 Inverse ray tracing

為了消除熱光闌的冷反射，需保證返回光線盡量覆蓋整個(gè)探測(cè)器。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化表明熱光闌曲率半徑為16.8 mm時(shí)，返回后的能量在像面上分布最均勻，探測(cè)器中心與探測(cè)器邊緣接收到的冷能量相對(duì)差值小于5%，此時(shí)不會(huì)引起嚴(yán)重的冷反射。

系統(tǒng)原始像面照度分布和加入熱光闌冷反射后的像面照度分布的對(duì)比如圖10所示，由圖可知,熱光闌的冷反射量值較小，可以接受。

最終確定熱光闌到像面距離28 mm，中心開(kāi)孔直徑4.67 mm，表面曲率半徑16.8 mm，光學(xué)表面外孔徑直徑20 mm。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制一套長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為3，通過(guò)加裝熱光闌使得光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)增大為6。光學(xué)系統(tǒng)布局如圖11所示。

圖11 光學(xué)系統(tǒng)布局圖Fig.11 Optical system layout

2.3 性能測(cè)試

對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像性能進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)價(jià)引入熱光闌對(duì)系統(tǒng)性能的影響。NETD指標(biāo)描述了對(duì)面目標(biāo)的溫度靈敏性，NETD的變化可表征熱光闌對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于同一探測(cè)器，NETD與F數(shù)平方成正比，與探測(cè)器的積分時(shí)間成反比。通過(guò)調(diào)整探測(cè)器積分時(shí)間，可以消除系統(tǒng)F數(shù)變化導(dǎo)致NETD的變化。為了使測(cè)試數(shù)據(jù)具有對(duì)比性，通過(guò)改變探測(cè)器的積分時(shí)間，以補(bǔ)償由于系統(tǒng)F數(shù)的改變導(dǎo)致系統(tǒng)接收能量下降。測(cè)試設(shè)備采用CI紅外性能測(cè)試設(shè)備，NETD采用方靶測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 NETD測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3中數(shù)據(jù)可知，加裝熱光闌后系統(tǒng)的性能改變量很小。忽略實(shí)驗(yàn)及測(cè)試誤差，認(rèn)為引入優(yōu)化后的熱光闌不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生可以感知的影響。

3 結(jié)論

目前制冷型探測(cè)器的F數(shù)均較小，為保證100%冷光闌效率，長(zhǎng)焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的體積就會(huì)很龐大，基于熱光闌的大F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)，很好地滿足了長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)體積的限制；而對(duì)于多視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)切換熱光闌可兼顧長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)系統(tǒng)體積小與短焦?fàn)顟B(tài)相對(duì)孔徑大這兩方面的設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)了一套變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化熱光闌的設(shè)計(jì)參數(shù),消除了熱光闌自身輻射、外界環(huán)境雜散輻射及冷反射對(duì)系統(tǒng)性能的影響。性能測(cè)試表明，熱光闌通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)明顯的變化，驗(yàn)證了熱光闌設(shè)計(jì)理論的正確性與可行性,對(duì)大F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)及變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

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ALargeF/NumberCooledInfraredOpticalSystemBasedonWarmDiaphragm

CHEN Jian-fa, ZHAO Quan, CAI Meng, REN Wei-feng, PAN Zhi-feng, WANG He-long

(Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang 471000,China)

A large F/number (F/#) cooled infrared optical system based on warm diaphragm was designed.The influences of thermal radiation of the warm diaphragm itself,the external environment stray radiation and the narcissus reflection on the system performance were eliminated by optimizing the design parameters of the warm diaphragm.The system achieved the design requirements of high thermal imaging performance,long focal length and small volume.Performance tests and imaging results show that:the reflective warm diaphragm will not bring significant change to the performance of the system through reasonable optimization design,which verifies the correctness and feasibility of the design method.

infrared optical system; warm diaphragm; large F/number; stray radiation; narcissus

TN216

A

1671-637X(2017)03-0081-04

2016-03-25

2016-04-22

陳建發(fā)(1987 —),男，河南洛陽(yáng)人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)載光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。