红外焦平面杜瓦冷屏挡光环杂散辐射的抑制

尹 爽，朱颖峰，黄一彬，张娴静，赵维艳，徐思轶



红外焦平面杜瓦冷屏挡光环杂散辐射的抑制

尹 爽1，朱颖峰1，黄一彬1，张娴静2，赵维艳1，徐思轶1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 浙江大学光电工程学院，浙江 杭州 310013）

从光学设计的角度出发，介绍了冷屏杂散辐射抑制的基本原理。基于几何光学的基本原理，应用ASAP软件的计算机仿真模拟手段进行实际的光学系统建模，在现有冷屏设计的基础上，仿真具有不同挡光环个数和不同开孔形状的挡光环的冷屏，分析筛选杂散辐射抑制效果最好的冷屏，在尽量减轻重量、减小体积的前提下，获得尽可能好的消杂散辐射效果。

红外焦平面；杜瓦冷屏；杂散辐射抑制；挡光环；ASAP

0 引言

冷屏也称为冷光阑，是杜瓦的一个十分重要的配件，起到限制视场角、提高探测器芯片信噪比、降低背景噪声和减少背景光通量的作用。红外焦平面中的杂散辐射会降低像面的对比度和调制传递函数，使整个像面的清晰度变差，能量分布混乱，甚至可能会在像面上产生光斑，直接导致像质下降。某些情况下甚至会导致系统失效，严重时更会使目标信号完全被杂散辐射所淹没[1]。通过对冷屏结构的适当设计[2]，可以对进入冷屏内部的杂散辐射进行抑制，提高探测器的成像质量。本文主要以圆形开口的圆锥状冷屏为基础[3-4]，应用ASAP仿真模拟分析方孔圆角挡板和圆孔挡板的杂散辐射抑制能力，分析筛选出杂散辐射抑制效果较好的一种冷屏结构。

1 基本思路

1.1 冷屏挡光环位置的选择

选择均匀放置3个挡光环和非均匀放置6个挡光环。

非均匀放置的6个挡光环位置的判定基于以下原理，如图1[5]。

在冷屏内壁是漫反射的情况下，首先连接¢，使¢与¢¢交于点。过点做¢¢的垂直线¢。那么，¢所在的位置就是冷屏第一个挡光环所在的位置，并且¢的高度就是第一个挡光环的截面高度。然后连接使其相交¢¢于点，连接点是与¢¢交于点。过点做¢¢的垂直线¢。那么，¢所在的位置就是冷屏第二个挡光环所在的位置，并且¢的高度就是第二个挡光环的截面高度。以此类推，直到由点发出的杂散辐射出射到冷屏外面。

应用以上原理方法，实际应用CAD画出本文冷屏模型的挡光环数量为6个。具体如图2。

图1 圆柱状冷屏等高布置的挡光环的设计原理图

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

图2 非均匀挡光环位置的确定

Fig.2 The determination of non-uniform placed baffles

1.2 冷屏挡光环开孔尺寸和形状的选择

冷屏视场角FOV的示意图，如图3，从图中可以看出视场角的最大边界。把这个最大边界作为圆孔挡光环的直径。

图3 冷屏视场角

由于在ASAP的仿真模拟[6]中，方孔外接于圆视场角无法模拟，不满足要求。所以选择方孔内接于圆视场角，方孔的对角线长度刚好等于圆孔挡光环直径的大小。

方孔圆角的圆角尺寸判断如图4所示。图4所示方孔圆角挡光环开孔的数学计算模型。

图4 方孔圆角挡光环开孔判断原理图

假设光源面为0处的出瞳面，并且探测器上任意一点都是从光源任意一点发出光线的叠加。取光源最外圈任意一点(0,0,0)，0＋0＝r探测器面上的任意一点是(,,)，这两点的连点的方向向量是(0,0,)。在中间任意取一截面，其与直线相交于(,,)，推导出：

＝0＋(0)＝0＋(0)

＝×0＜＜1

即：(1)0＝－(1－)0＝＝/

由02＋02＝2，得：

()2＋()2＝(1)22＝(1)22

所以，任意一截面的形状为圆，半径为(1)/×。

圆心的轨迹为缩小后探测面的轨迹(，)，其中分别表示探测器接收面长和宽的尺寸大小，当探测器接收面上每一点产生的截面都叠加以后形成的包络线才是实际上在位置的实际截面形状。方孔圆角挡光环的冷屏是由包络线的形状决定的。

仿真模型如图5。

2 散射模型的选择

对于入射角不大的情况下，该模型可以达到一个大范围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指令是用来仿真朗伯（Lambertian）表面。朗伯散射表面的散射亮度为常数与光线的入射角度无关，其散射光强度则根据散射光线与该表面法线方向夹角的余弦而改变。这方法常用来模拟简单的扩散片（diffuser）。当一条入射光线打在这个指令定义的散射面上时，ASAP将产生多条的额外光线以模拟朗伯散射表面，换句话说，这方法对应的是“一条光线进，多条光线出”的散射模拟方法。这些光线是被散射到一个半球形的区域内，每一根光线携带相同的光通量（flux）。ASAP采用一个名为光线密度（ray-density method）的算法来产生着朗伯散射光线的空间分布模式：当入射光线是在散射表面的法线方向附近，ASAP在单位立体角内产生的光线数目比较多；当光线是掠入射（grazing incident）时，将产生较少的散射光线。

根据模型给定的基本参数条件，本论文中均采用表面散射来进行仿真计算。

3 ASAP仿真基本参数的设定

在ASAP软件中设置初始条件，设置冷屏开口形状参数（统一设置为如图6的圆形开口尺寸）,杂散辐射率设置为0.93[7]，设置探测器接收面为全吸收模型。设置光源为发射平行光的面光源，入射角从0°视场起到70°视场，每隔2°仿真计算。各视场下，有效光束总能量为10000，杂散光束为500，均无量纲。

光学模型[8]的建立：

首先建立冷屏外型尺寸的三维模型如图6所示，然后在已建立冷屏外形三维模型的前提下，分别添加均分排列的圆孔3挡光环（图7）和方孔圆角3挡光环（图8）。以及非均匀排列的圆孔6挡光环（图9）和方孔圆角6挡光环（图10），进行仿真模拟分析。

图7 圆孔挡光环均匀排列3挡光环的冷屏模型

图8 方孔圆角挡光环均匀排列3挡光环的冷屏模型

图9 圆角挡光环非均匀排列6挡光环的冷屏模型

图10 方孔圆角挡光环非均匀排列6挡光环的冷屏模型图

然后仿真对比均匀排列的圆孔3挡光环和非均匀排列的圆孔6挡光环。分析均匀3挡光环的有效光和杂散辐射的总能量分别为103801和1063.94。非均匀6挡光环的有效光和杂散辐射的总能量分别为103810和129.974。从总的能量效果分析，非均匀圆孔6挡光环的杂散辐射的能量比较小。所以，非均匀圆孔6挡光环的杂散辐射抑制能力会更好。具体每个角度的能量分布如图11(a)和(b)、图12(a)和(b)所示。

前面分析完成以后再仿真对比均匀排列的方孔圆角3挡光环和非均匀排列的方孔圆角6挡光环。分析均匀6挡光环的有效光和杂散辐射光的总能量分别为91240和64.759。非均匀6挡光环的有效光和杂散辐射的总能量分别为91470和64.4189。从总的能量效果分析，非均匀圆孔6挡光环的杂散辐射的能量比较小。所以，非均匀圆孔6挡光环的杂散辐射抑制能力会更好。具体每个角度的能量分布如图12所示。

(a) 均匀圆孔3挡板杂散光能量图

(b) 非均匀圆孔6挡板杂散光能量图

图11 圆孔挡光环杂散光能量对比图

Fig.11 The stray energy comparison of the rounded holes

(a) 均匀方孔圆角3挡板杂散光能量图

(b) 非均匀方孔圆角6挡板杂散光能量图

图12 方孔圆角挡光环杂散辐射能量对比图

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

4 总结

通过上述对比可以分析出杂散辐射抑制效果最好的是非均匀方孔圆角6挡光环。其中方孔圆角均匀3挡光环和方孔圆角非均匀6挡光环的杂散辐射抑制相差不大。所以结合实际冷屏的制作加工难度和重量要求，综合考虑，方孔圆角均匀3挡光环更好。

[1] 张燕. 杜瓦中冷光阑的杂散光抑制研究[J]. 红外, 2010, 31(7): 1-8.

ZHANG Yan. Study of stray light suppression by cold shield in dewar[J]., 2010, 31(7): 1-8.

[2] XIA Wang, SUN Wen, WANG Xiao kun, etc. Study on stray light suppression IRFPA Dewar[C]//, 2012, 8417: 2I1-2I6.

[3] 王忆锋, 范乃华. 用蒙特卡罗方法和MATLAB计算田径场形冷屏的视场角[J]. 激光与红外, 2009, 39(3): 274-276.

WANG Yi-feng, FAN Nai-hua. Calculating of solid angle of ground track shape cold shield with Monto Carlo method and Matlab[J]., 2009, 39(3): 274-276.

[4] 毛京湘, 范乃华, 王忆锋. 圆形冷屏下红外焦平面探测器光敏元立体角的计算及其成像仿真[J]. 红外与激光工程, 2009, 38(6): 957-960.

MAO Jing-xiang, FAN Nai-hua, WANG Yi-feng. Calculation of solid angle of pixels of IRFPA detector under circular cold shield and its imaging simulation[J]., 2009, 38(6): 957-960.

[5] 安连生. 应用光学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2002.

AN Lian-sheng.[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2002.

[6] 骆仲泱, 张艳梅, 肖刚, 等. 基于ASAP软件的二次反射系统的比较[J]. 光子学报, 2013, 42(10): 1197-1202.

LUO zhong-yang, ZhANG yan-mei, XIAO Gang, et al. Optical comparison of two-stage reflection systems based on ASAP[J]., 2013, 42(10): 1197-1202.

[7] 林国画, 东海杰, 孟令超, 等. 冷屏黑层抑制杂散辐射分析研究[J]. 激光与红外, 2013, 43(8): 913-915.

LIN Guo-hua, DONG Hai-jie, MENG Ling-chao, et al. Analysis and study of suppressing stray radiation using black coating of cold shield[J]., 2013, 43(8): 913-915.

[8] 殷丽梅, 刘莹奇, 李洪文. 实现高精度红外探测的冷光学技术[J]. 红外技术,2013, 35(9):5 35-540.

Yin Li-mei, Liu Ying-qi, Li hong-wen. Cold optics technology to achieve high-accuray infrared detection[J]., 2013, 35(9): 535-540.

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，吉林长春人，硕士研究生，现从事红外探测器杜瓦冷屏杂散辐射抑制的研究。E-mail：767839878@qq.com。