中波红外鱼眼镜头杂散辐射仿真分析

张东阁，傅雨田

中波红外鱼眼镜头杂散辐射仿真分析

张东阁1, 2，傅雨田1, 2

（1.中国科学院红外成像与探测技术重点实验室，上海 200083；2.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）

分析了中波红外镜头点源透过率与视场角之间的变化规律。在相同光学结构下，以相同的通光口径、焦距和光机结构，建立视场角20°、40°、60°、80°和110°的中波红外镜头杂散辐射模型，分析了模型的点源透过率曲线。随着视场角增大，红外镜头的点源透过率曲线趋于平缓，对视场外杂散辐射的抑制能力下降。降温能减少镜头自身的杂散辐射，在小视场角情况下可以改变点源透过率曲线的形状，但随着视场角增加，降温对点源透过率曲线的影响逐渐减小。视场角增大是影响红外镜头杂散辐射强度和分布的显著因素，降温对红外鱼眼镜头点源透过率曲线的影响不明显。

杂散辐射；大视场；鱼眼镜头；中波红外

0 引言

红外镜头的杂散辐射是到达探测器芯片的非成像辐射能量，它带来了附加的噪声，降低了图像对比度，限制了探测系统的动态范围，严重者产生鬼影和虚假目标，是影响红外镜头探测能力的重要因素。

为了定量化研究杂散辐射的分布规律，国内外相关研究普遍采用光机模型仿真的方法，对红外镜头的杂散辐射特性进行分析[1-2]。综合已有的研究成果，前人已经掌握了红外镜头的温度和表面发射率与杂散辐射之间的变化规律[3-4]，也对遮光罩、挡光环、中间像面（视场光阑）和冷光阑等光机结构与杂散辐射的作用关系进行了研究和分析[5-9]。

前述文献中研究的光学系统各不相同[3-9]，焦距和口径参数各异，视场都比较小（全都小于10°），难以说明视场、焦距和通光口径等光学参数对杂散辐射的影响规律。光学系统自身参数与杂散辐射之间变化规律尚未进行深入研究，部分参数的作用规律尚停留在定义分析阶段，还没有明确的结论。

点源透过率定义了同一个目标在不同视场角位置，像面上所接收的辐射能量()之间的比值，其中以目标在入瞳位置，像面上所接收的辐射能量(0)作为基准[10-12]，即PST()=()/(0)。

点源透过率排除了目标特性对测试结果的影响，综合反应了光机系统对杂散辐射的抑制能力，点源透过率越小，对杂散辐射的抑制效果越好[13]。后续分析以点源透过率为标准，比较镜头的杂散辐射差异。

结合视场角110°红外鱼眼镜头的研制工作，定量化分析了视场角参数对杂散辐射的影响规律。首先以相同口径和焦距的镜头为原型，建立了视场角20°～110°的杂散辐射仿真模型，分析了每个镜头的点源透过率曲线，然后加入镜头温度的变化，分析温度和视场角参数共同作用下，每个镜头的点源透过率曲线变化规律，为红外鱼眼镜头的设计提供参考。

1 杂散辐射仿真分析

1.1 杂散辐射仿真模型

中波红外鱼眼镜头的光路如图1所示，视场角110°，最大光学口径200mm，孔径光阑设置在第3和第4片透镜之间。光学系统是像方远心光路，有助于提高像面照度的均匀性。

鱼眼镜头的工作视场比较大，外遮光罩的口径也随之增大，加上安装平台的限制，外遮光罩不能超过指定长度，只能设置短浅的外遮光罩。此时的外遮光罩作用有限，在模型中予以省略。

图1 大视场中波红外光学系统

在仿真模型中，镜头的光学特性主要体现在光学元件和机械结构的表面属性和光机结构之间的相对位置关系两个方面。

在光机仿真软件中，对镜头的光机结构表面特性进行设置，主要参数如下[6]：

1）透镜的两个工作表面有增透膜，设为3 layers AR。

2）透镜的非工作面涂黑，设为Black painting。

3）镜筒表面发黑处理，设为Z306表面。

4）透镜和镜筒都是均匀灰体，透镜表面的发射率1＝0.05，镜筒表面的发射率2＝0.9。

5）透镜和镜筒自身的温度均匀相等，设置为环境温度＝20℃（293K）。

6）分析波段3.7～4.8mm，分成4个子波段。每个子波段起始追迹光线数量大于106量级。

为了建立准确的杂散辐射仿真模型，先对镜头的辐射仿真模型进行了一次逆光线追迹，找出辐射源直接照射或只经过少数次散射就能照射的表面，这些表面就是对杂散辐射特性有影响的关键表面。

按照关键表面和次要表面的分类，对杂散辐射仿真模型进行修正，设置关键表面为重点采样表面，并适当增加关键表面的光线追迹数量。

1.2 视场角变化对点源透过率曲线的影响

以图1的光学系统为原型，仅改变光学系统的视场角参数，设置了视场角20°、40°、60°、80°和110°共5个镜头的光机模型，通光口径、焦距和机械结构等参数保持不变。

根据1.1节辐射仿真模型的参数设置，建立5个不同视场角镜头的杂散辐射仿真模型，分析红外镜头随着视场增大点源透过率曲线的变化情况。

按照点源透过率曲线的定义，用5个镜头对不同视场目标的仿真结果，计算得到图2的点源透过率曲线。图2曲线从上到下依次是视场角110°、80°、60°、40°和20°镜头的点源透过率曲线。

图2 不同视场角镜头的点源透过率曲线

在视场角20°镜头的点源透过率曲线上，目标在视场角85°位置的辐照度是边缘视场10°视场位置的0.01%。在视场角60°镜头的点源透过率曲线上，目标在视场角85°位置的辐照度是边缘视场30°视场位置的0.72%。

但在视场角110°镜头的点源透过率曲线上，目标在视场角85°位置的辐照度是边缘视场55°视场位置的1.91%。可见随着视场角增加，对视场外杂散辐射的抑制比下降。

根据图2中曲线的梯度，随着视场角增加，红外镜头的点源透过率曲线逐渐趋于平缓，意味着随视场角的增加，红外镜头对内外杂散辐射的抑制能力逐渐下降。

图1所示的镜头没有中心遮拦，而且光学系统是像方远心光路，像面的相对辐照度分布较为均匀。在光学设计软件中，计算边缘视场和中心视场的理论辐照度偏差小于5%。但是根据图2曲线的变化趋势，随着视场增加，边缘视场的相对照度有明显的下降。

在视场角20°镜头的点源透过率曲线上，目标在边缘视场10°位置的辐照度是中心视场位置的50.1%。在视场角60°镜头的点源透过率曲线上，目标在边缘视场30°位置的辐照度是中心视场位置的47.8%。在视场角110°镜头的点源透过率曲线上，目标在边缘视场55°位置的辐照度是中心视场位置的22.16%，随着视场角的增大，在工作视场内的像面上的辐照度均匀性随之降低。

1.3 温度变化对点源透过率曲线的影响

除了典型的遮拦、吸收和多次散射等方法，红外镜头还可以通过温度控制对杂散辐射进行抑制。虽然降低温度能从根本上减少红外镜头自身的杂散辐射，但对外部杂散辐射并无影响。

为了分析温度和视场角共同影响的点源透过率曲线变化规律，对1.1节建立的杂散辐射仿真模型进行完善，设置温度参数，得到了视场角20°、40°、60°、80°和110°红外镜头在高低温环境下的杂散辐射仿真模型，研究镜头在243～293K（－30℃～30℃）的点源透过率变化情况。

图3是视场角20°、60°和110°镜头在－30℃、＋20℃和＋30℃温度下的点源透过率曲线。根据3条曲线的相对位置关系，分析温度控制对点源透过率的影响。

以视场角20°镜头在20℃的数据为基准，在＋30℃条件下，目标在视场角85°位置的点源透过率是20℃时相同位置的6.6倍。在－30℃条件下，目标在视场角85°位置的点源透过率仅是20℃时相同位置的3.57%。此时随着镜头自身温度的变化，点源透过率也随之变化。

随着视场增大，以20℃的点源透过率数据为基准，计算视场角60°镜头点源透过率的差异分别是39.5%（＋30℃条件下，目标在视场角85°位置）和71.9%（－30℃条件下，目标在视场角85°位置）。此时温度变化对点源透过率的影响减小。同样的，视场角110°镜头在不同温度下的点源透过率变化的最大值小于2.11%。

图3 不同温度下的点源透过率曲线

根据图3数据，在小视场条件下，通过温度控制降低了自身的杂散辐射强度，改变了点源透过率曲线的形状，等效提高了杂散辐射的抑制比。但是降低镜头自身的温度对视场外部的杂散辐射没有影响，当视场增加到60°之后，镜头本身温度的变化对点源透过率曲线已经没有影响。

针对红外鱼眼镜头杂散辐射抑制的特殊情况，可分成两部分进行处理。对于内部杂散辐射的抑制，适当降低温度，减少自身的杂散辐射，同时对光机结构的表面处理提出要求，尽可能增大结构表面的比辐射率，增加对杂散辐射的吸收和散射能力。

对于外部杂散辐射，在现有条件下不能延长外部遮光罩尺寸，而降温也不能改善点源透过率的形状，因此要对红外鱼眼镜头的工作场景提出要求，规避可能出现的外部辐射源，同时根据杂散辐射的分布情况，采用图像处理的方式进行部分校正。

2 结论

结合视场角110°中波红外鱼眼镜头的研制需求，对视场角与杂散辐射的变化规律进行研究。以相同的光学结构，在相同的有效通光口径和焦距条件下，分析了红外镜头视场角与点源透过率曲线之间的变化规律，为红外鱼眼镜头的研制提出参考。

随着视场角的增加，①镜头的点源透过率曲线趋于平缓，对视场外杂散辐射的抑制能力下降。同时边缘视场和中心视场的辐照度差异变大，表现出明显的视场效应。②镜头的温度变化对点源透过率曲线的影响逐渐减小，在视场角超过60°以后，镜头的温度变化，对点源透过率曲线没有影响。

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Stray Radiation Analysis For Mid-wave Fish Eye Infrared Lens

ZHANG Dongge1, 2，FU Yutian1, 2

(1,,200083,2.,200083,)

The relationship between the field of view and the point source transmittance was studied based on the development of the fish eye infrared lens. The stray radiation simulation models was built with various field of view, which vary from 20 to 110 degree, while the lens have the same optical layouts and mechanical structure, and then the point source transmittance of the different lens was determined. The PST becomes milder while the field of view changes from 20 to 110 degree, while it means the decrease of the suppression of the stray radiation from exterior. With the decrease of the temperature, the self-radiation of lens decreases at the same time, but it has less effects on the PST in larger field of view. The wider the field of view, the more stray radiation from exterior could hit the detector, but cooling has less impacts on the PST when the FOV increases continuously.

stray radiation simulation，wide field of view，fish eye lens，mid-wave infrared

TN216

A

1001-8891(2016)02-0117-04

2015-04-20；

2015-10-13.

张东阁（1986-），男，河南汝州人，博士，助理研究员，主要从事光学设计和机械设计。E-mail：zhangdongge@mail.sitp.ac.cn。

中国科学院上海技术物理研究所创新基金（2014-CX25）。