栗洋洋,彭晴晴,劉紀(jì)洲

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

雜散輻射是影響紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量的重要因素之一。雜散輻射不僅會(huì)降低紅外成像系統(tǒng)探測(cè)器的信噪比,而且在雜散輻射的能量過(guò)強(qiáng)時(shí),直接將正常成像的圖像淹沒(méi)。與可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制不同,紅外光學(xué)系統(tǒng)的雜散輻射抑制手段在考慮抑制效果的同時(shí),還要考慮其自身輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。相比于卡塞格林等反射式紅外光學(xué)系統(tǒng),透射式紅外系統(tǒng)往往視場(chǎng)較大,外部遮光罩很難起到實(shí)際作用,因此需要從光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)考慮抑制措施。

2 雜散輻射來(lái)源及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 雜散輻射源及理論計(jì)算

紅外成像系統(tǒng)的雜散輻射可以分為兩大類:一是來(lái)自系統(tǒng)外部輻射源的外部雜散輻射,二是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部元部件的自身輻射。本文分析的紅外成像系統(tǒng)工作在陸地表面,視場(chǎng)外的太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)第一片透鏡后,經(jīng)過(guò)鏡筒內(nèi)部的散射、鏡片表面剩余反射等方式進(jìn)入到探測(cè)器內(nèi)部。太陽(yáng)輻射作為外部雜散輻射進(jìn)入系統(tǒng)的圖像如圖1所示,因此本文主要分析太陽(yáng)雜散輻射對(duì)系統(tǒng)的影響及相應(yīng)的抑制措施。

圖1 太陽(yáng)雜散輻射對(duì)成像質(zhì)量的影響Fig.1 The influence of the solar stray radiation on image quality

這里需要特別指出的是,透射式系統(tǒng)中,外部雜散源引起的雜散輻射一般分為兩種情況,一是外部雜散光沒(méi)有經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)件的反射或散射,直接由鏡片自身剩余反射引起的鬼像；另一個(gè)是外部雜散光經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)件的反射或散射,然后在通過(guò)光學(xué)鏡片達(dá)到探測(cè)器的雜散光。對(duì)于鬼像抑制而言,一是需要在光學(xué)設(shè)計(jì)階段從光學(xué)結(jié)構(gòu)層面考慮抑制措施,二是提高透鏡膜層透過(guò)率,降低剩余反射率?？梢?jiàn)這兩種方法都不是容易做到的。因此鬼像的分析及抑制不在本文的討論范圍內(nèi),本文只討論第二種形式的雜散光。

根據(jù)普朗克黑體公式[1],可以計(jì)算出某一輻射體的在特定溫度特定波段的輻射出射度。由此可以計(jì)算出太陽(yáng)在中波3.7～4.8μm的輻射出射度:

(1)

其中,λ1為3.7μm,λ2為4.8μm；c1為第一黑體輻射常數(shù),c1=3.741844×108W·m-2·μm4；c2為第二黑體輻射常數(shù),c2=14388 μm·K；T為輻射體溫度,太陽(yáng)的平均溫度T=5900 K。

太陽(yáng)的輻射通量為:

(2)

其中,As為太陽(yáng)的表面積,Rs為太陽(yáng)的半徑。

太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度為:

(3)

光學(xué)系統(tǒng)入瞳對(duì)太陽(yáng)所張的立體角為:

(4)

式(4)中,Ao為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;l為太陽(yáng)與光學(xué)系統(tǒng)入瞳之間的距離;α為太陽(yáng)和光學(xué)系統(tǒng)的離軸角。則太陽(yáng)在立體角Ω內(nèi)發(fā)出的光通量為:

(5)

那么太陽(yáng)在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的等效輻照度為:

(6)

其中,τ為中波紅外在大氣中的透過(guò)率,此處取平均值0.49。

同理,對(duì)于系統(tǒng)元部件的內(nèi)部自身輻射能量,也可以通過(guò)上式計(jì)算出不同元件表面在特定溫度和特定波段的輻射能量。

2.2 雜散輻射評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于外部雜散輻射,本文采用點(diǎn)源透過(guò)率(PST)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)源透過(guò)率的定義[2]為:離軸角為θ的點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)器上形成的輻照度Ed(θ)與光源在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的等效輻照度Ei(θ)之比,數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

PST(θ)=Ed(θ)/Ei(θ)

(7)

電源透過(guò)率表征系統(tǒng)對(duì)軸外雜散輻射的抑制能力,數(shù)值越小代表抑制能力越強(qiáng),雜散輻射對(duì)系統(tǒng)成像影響越小。通過(guò)雜散輻射分析軟件Lighttools可以計(jì)算得出入瞳和探測(cè)器上的輻照度,從而得出雜散輻射源的PST。

對(duì)于內(nèi)部自身輻射而言,本文采用輻照度分析圖作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。輻照度分析圖是雜散光分析軟件的一種輸出結(jié)果,它可以表示探測(cè)器接收面上輻射能量的分布情況。對(duì)于系統(tǒng)元部件的自身輻射,需要考慮兩點(diǎn)因素:一是觀察輻照度分析圖中能量分布是否均勻；二是觀察輻照度分析圖中的能量大小。當(dāng)輻照度分析圖滿足能量分布均勻或者整體能量低于探測(cè)器響應(yīng)能量條件時(shí),即可認(rèn)為該元部件的內(nèi)部自身輻射能量對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響不大。

3 雜散輻射分析模型

3.1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)的為雙視場(chǎng)系統(tǒng),其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。本文要同時(shí)分析光學(xué)系統(tǒng)在雙視場(chǎng)受太陽(yáng)輻射的影響。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Optical system parameters

3.2 雜散輻射分析建模

在非序列光學(xué)仿真軟件Lighttools中導(dǎo)入光機(jī)系統(tǒng)模型,并對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,排除一些對(duì)雜散輻射分析影響較小的元部件,這樣可以有效提升雜散輻射分析的分析效率。簡(jiǎn)化后的模型如2所示。

圖2 Lighttools軟件中光機(jī)分析模型Fig.2 The optical machine analysis model in LightTools

在光機(jī)模型建立后,需要對(duì)各個(gè)部件的表面屬性進(jìn)行定義。光學(xué)元件和機(jī)械元件表面屬性的定義,主要是指需要對(duì)各個(gè)表面的反射、透射、吸收和散射情況進(jìn)行定義。根據(jù)部分原件的表面屬性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[3],綜合考慮仿真效率和仿真精度,仿真模型中的表面屬性設(shè)置如表2所示。

表2 仿真模型中表面屬性設(shè)置Tab.2 Surface property settings in thesimulation model

需要指出的是,一些文獻(xiàn)中[4]常使用ABg模型來(lái)模擬表面的散射屬性,ABg模型是基于雙向散射分布函數(shù)[5](BSDF)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀SDF表示不同入射條件下物體表面在任意觀測(cè)角的散射特性,它是入射角、反射角和波長(zhǎng)λ的函數(shù)。對(duì)于未鍍膜的光學(xué)表面粗糙度引起的散射現(xiàn)象,可以通過(guò)公式建立仿真模型和實(shí)際模型對(duì)應(yīng)關(guān)系；但是對(duì)于鍍膜后的光學(xué)表面粗糙度引起的散射,光學(xué)涂層如增透涂層、帶通涂層、保護(hù)涂層等,會(huì)嚴(yán)重影響表面的BSDF[6]。一般來(lái)說(shuō),鍍膜表面的膜層層數(shù)越多,其BSDF和未鍍膜表面之間的差異就越大。如果想要準(zhǔn)確地模擬光學(xué)表面的散射屬性,需要對(duì)表面進(jìn)行BSDF測(cè)量。同理,對(duì)于機(jī)械元件的表面,不同廠家、不同工藝的表面處理方式,其表面的BSDF參數(shù)像差很大。因此,為了提高系統(tǒng)的仿真效率,本文對(duì)光機(jī)表面的散射屬性進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

設(shè)置完光機(jī)系統(tǒng)的表面屬性后,需要設(shè)置雜散輻射源和系統(tǒng)仿真精度等參數(shù)。由式(1)～(6)可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射正入射在系統(tǒng)入瞳處輻照度為11.02 W/m2,波段為3.7～4.8 μm。

4 雜散輻射仿真分析及其抑制措施

本文分析的太陽(yáng)雜散輻相對(duì)于系統(tǒng)光軸的離軸角范圍為5°～80°,分析組間隔為5°,同時(shí)分析系統(tǒng)的大小視場(chǎng)。仿真模型的光線追跡閾值設(shè)置為1×10-10,每組分析追跡光線數(shù)量為1000萬(wàn)根。

4.1 雜散輻射的光線路徑

通過(guò)對(duì)不同離軸角的太陽(yáng)輻射進(jìn)行光線追跡,可以得到太陽(yáng)輻射在探測(cè)器像面的成像情況,以及引起雜散輻射的主要光線路徑。由3可以看出,此時(shí)入射的太陽(yáng)輻射離軸角為40°,光學(xué)系統(tǒng)為大視場(chǎng)狀態(tài),物鏡筒為原色氧化且未經(jīng)其他處理。當(dāng)視場(chǎng)外的光線進(jìn)入系統(tǒng)后,部分光線會(huì)照射到物鏡筒內(nèi)壁上產(chǎn)生散射,然后通過(guò)物鏡表面的剩余反射進(jìn)入到探測(cè)器中。這部分光線在接收器上的成像如圖4所示,由圖4可以看出,該圖像和圖1中的真實(shí)成像中亮斑十分相似,只是相對(duì)位置有所區(qū)別,其中原因是仿真模型中太陽(yáng)雜散輻射的方位角為零度,與實(shí)際太陽(yáng)方位角有所差別,這并不影響最終的仿真結(jié)果。

圖3 太陽(yáng)雜散輻射的光線路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical path of solar radiation

圖4 太陽(yáng)雜散輻射的仿真成像Fig.4 Simulation imaging of solar radiation

4.2 設(shè)計(jì)消光螺紋及仿真結(jié)果

在確定雜散輻射的光線路徑后,需要提出針對(duì)性的抑制措施。雜散輻射抑制手段通常包括“移走”、“遮擋”、“清潔”、“鍍涂”等手段。對(duì)于本系統(tǒng)中物鏡筒內(nèi)壁反射造成的雜散輻射,前兩種明顯不適用,而“清潔”通常適用于鏡片表面污染引起的雜散輻射,因此考慮“鍍涂”手段消除或削弱雜散輻射。鍍涂的目的是增加物鏡筒內(nèi)壁表面吸收率,減少反射或散射光線進(jìn)入探測(cè)器中的能量。由此可以聯(lián)想到,通過(guò)設(shè)計(jì)消光螺紋,使光入射到消光螺紋表面上時(shí),能夠增加一次或多次反射或散射,可以有效提高消雜光的能力。因此,本文設(shè)計(jì)消光螺紋的原理也是基于建立雜光“陷阱”[7-8]的原理,使光線在入射到消光螺紋后,能夠盡可能多地在螺紋表面之間發(fā)射反射或散射,增加鏡筒內(nèi)壁的螺紋對(duì)雜散輻射的吸收作用。本文設(shè)計(jì)的消光螺紋模型如圖5所示,螺紋類型為三角螺紋,螺距為1.5 mm,牙型高度3 mm,牙型角30°,并對(duì)消光螺紋及鏡筒內(nèi)壁進(jìn)行氧化發(fā)黑、噴砂處理。

圖5 添加消光螺紋和表面處理的物鏡筒模型Fig.5 Objective lens barrel with extinction thread and surface treatment

通過(guò)仿真對(duì)比原色氧化、未加消光螺紋的物鏡筒和氧化發(fā)黑噴曬、添加消光螺紋的測(cè)試筒,可以得出在不同離軸角下,太陽(yáng)雜散輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。圖6、圖7是兩種處理方式的物鏡筒,對(duì)不同離軸角的太陽(yáng)雜散輻射PST的影響。

圖6 大視場(chǎng)不同處理方式物鏡筒的PST對(duì)數(shù)曲線Fig.6 Logarithmic curve of PST with differentlens barrel treatments in wide field of view

圖7 小視場(chǎng)不同處理方式物鏡筒的PST對(duì)數(shù)曲線Fig.7 Logarithmic curve of PST with differentlens barrel treatments in narrow field of view

由圖6、圖7可以看出,對(duì)物鏡筒添加消光螺紋和表面處理后,系統(tǒng)對(duì)于視場(chǎng)外,尤其是離軸角大于20°的太陽(yáng)雜散輻射有了明顯的抑制作用,太陽(yáng)雜散輻射的PST降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.3 消光螺紋的內(nèi)部輻射分析

紅外成像系統(tǒng)的雜散輻射分析不僅考慮外部雜散輻射,還需要考慮結(jié)構(gòu)件的自身輻射。針對(duì)上文提出的抑制措施,分析消光螺紋的自身輻射對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。在仿真模型中,設(shè)置物鏡筒的溫度為300 K,黑體輻射率為0.9,鏡筒內(nèi)壁總表面積為1078.04 cm2,通過(guò)式(1)、式(2)可以求出,鏡筒內(nèi)壁在3.7～4.8 μm的輻射通量為0.4576 W。仿真閾值設(shè)置為10-10,光線數(shù)量設(shè)置為1億根,大、小視場(chǎng)仿真的輻照度分析圖如圖8、圖9所示。

圖8 大視場(chǎng)鏡筒內(nèi)壁自身輻射Fig.8 Self-emitted radiation energy of lens barrel′sinner wall in WFOV

圖9 小視場(chǎng)鏡筒內(nèi)壁自身輻射Fig.9 Self-emitted radiation energy of lens barrel′sinner wall in NFOV

通過(guò)以上兩圖可以看出,鏡筒內(nèi)壁在大視場(chǎng)的自身輻射能量分布在像面四周,像面中心有直徑約2 mm的能量凹陷；鏡筒內(nèi)壁在小視場(chǎng)的自身輻射能量均勻分布在像面上。兩種視場(chǎng)的能量數(shù)值差別不大,但能量分不同,需要對(duì)圖像進(jìn)行非均勻校正使得圖像成像均勻。

4.4 成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)比安裝未經(jīng)處理的物鏡筒和添加消光螺紋并發(fā)黑處理的物鏡筒的系統(tǒng)成像,得到的圖像如圖10～圖13所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在物鏡筒添加消光螺紋和表面處理的方式,對(duì)視場(chǎng)外的雜散輻射有明顯的抑制,與仿真結(jié)果一致。而且在系統(tǒng)成像中也可以看出,物鏡筒內(nèi)壁的自身輻射通過(guò)非均勻校正后,不會(huì)在圖像上形成圓環(huán),成像質(zhì)量良好。

圖10 大視場(chǎng)未經(jīng)處理物鏡筒時(shí)不同角度太陽(yáng)輻射的圖像Fig.10 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is not processed in WFOV

圖11 大視場(chǎng)添加消光螺紋并發(fā)黑處理物鏡筒時(shí)不同角度太陽(yáng)輻射的圖像Fig.11 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is processed in WFOV

圖12 小視場(chǎng)未經(jīng)處理物鏡筒時(shí)不同角度太陽(yáng)輻射的圖像Fig.12 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is not processed in NFOV

圖13 小視場(chǎng)添加消光螺紋并發(fā)黑處理物鏡筒時(shí)不同角度太陽(yáng)輻射的圖像Fig.13 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is processed in NFOV

5 結(jié) 論

本文通過(guò)Lighttools軟件建立光機(jī)分析模型,并進(jìn)行光線追跡,分析了太陽(yáng)外部雜散輻射對(duì)透射式紅外系統(tǒng)的影響。分析得出雜散輻射的光線路徑,并在物鏡筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)了消光螺紋和表面處理方式相結(jié)合的抑制措施,并分析該抑制措施自身輻射對(duì)系統(tǒng)成像的影響,最終通過(guò)對(duì)比成像實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證雜散輻射抑制措施的有效性。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的消光螺紋和和氧化發(fā)黑、噴砂的表面處理方式,能夠有效地抑制視場(chǎng)外的太陽(yáng)雜散輻射,且其自身輻射通過(guò)非均勻校正,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)成像帶來(lái)明顯的負(fù)面影響。