透射式红外光学系统的太阳杂散辐射分析

栗洋洋,彭晴晴,刘纪洲

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

杂散辐射是影响红外成像系统的成像质量的重要因素之一。杂散辐射不仅会降低红外成像系统探测器的信噪比,而且在杂散辐射的能量过强时,直接将正常成像的图像淹没。与可见光光学系统的杂散光抑制不同,红外光学系统的杂散辐射抑制手段在考虑抑制效果的同时,还要考虑其自身辐射对系统的影响。相比于卡塞格林等反射式红外光学系统,透射式红外系统往往视场较大,外部遮光罩很难起到实际作用,因此需要从光学系统内部结构考虑抑制措施。

2 杂散辐射来源及评价标准

2.1 杂散辐射源及理论计算

红外成像系统的杂散辐射可以分为两大类:一是来自系统外部辐射源的外部杂散辐射,二是来自系统内部元部件的自身辐射。本文分析的红外成像系统工作在陆地表面,视场外的太阳辐射经过光学系统第一片透镜后,经过镜筒内部的散射、镜片表面剩余反射等方式进入到探测器内部。太阳辐射作为外部杂散辐射进入系统的图像如图1所示,因此本文主要分析太阳杂散辐射对系统的影响及相应的抑制措施。

图1 太阳杂散辐射对成像质量的影响Fig.1 The influence of the solar stray radiation on image quality

这里需要特别指出的是,透射式系统中,外部杂散源引起的杂散辐射一般分为两种情况,一是外部杂散光没有经过结构件的反射或散射,直接由镜片自身剩余反射引起的鬼像；另一个是外部杂散光经过结构件的反射或散射,然后在通过光学镜片达到探测器的杂散光。对于鬼像抑制而言,一是需要在光学设计阶段从光学结构层面考虑抑制措施,二是提高透镜膜层透过率,降低剩余反射率。可见这两种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讨论范围内,本文只讨论第二种形式的杂散光。

根据普朗克黑体公式[1],可以计算出某一辐射体的在特定温度特定波段的辐射出射度。由此可以计算出太阳在中波3.7～4.8μm的辐射出射度:

(1)

其中,λ1为3.7μm,λ2为4.8μm；c1为第一黑体辐射常数,c1=3.741844×108W·m-2·μm4；c2为第二黑体辐射常数,c2=14388 μm·K；T为辐射体温度,太阳的平均温度T=5900 K。

太阳的辐射通量为:

(2)

其中,As为太阳的表面积,Rs为太阳的半径。

太阳的辐射强度为:

(3)

光学系统入瞳对太阳所张的立体角为:

(4)

式(4)中,Ao为光学系统入瞳面积;l为太阳与光学系统入瞳之间的距离;α为太阳和光学系统的离轴角。则太阳在立体角Ω内发出的光通量为:

(5)

那么太阳在光学系统入瞳处的等效辐照度为:

(6)

其中,τ为中波红外在大气中的透过率,此处取平均值0.49。

同理,对于系统元部件的内部自身辐射能量,也可以通过上式计算出不同元件表面在特定温度和特定波段的辐射能量。

2.2 杂散辐射评价标准

对于外部杂散辐射,本文采用点源透过率(PST)作为评价标准。点源透过率的定义[2]为:离轴角为θ的点光源经过光学系统在探测器上形成的辐照度Ed(θ)与光源在光学系统入瞳处的等效辐照度Ei(θ)之比,数学表达式为:

PST(θ)=Ed(θ)/Ei(θ)

(7)

电源透过率表征系统对轴外杂散辐射的抑制能力,数值越小代表抑制能力越强,杂散辐射对系统成像影响越小。通过杂散辐射分析软件Lighttools可以计算得出入瞳和探测器上的辐照度,从而得出杂散辐射源的PST。

对于内部自身辐射而言,本文采用辐照度分析图作为评价标准。辐照度分析图是杂散光分析软件的一种输出结果,它可以表示探测器接收面上辐射能量的分布情况。对于系统元部件的自身辐射,需要考虑两点因素:一是观察辐照度分析图中能量分布是否均匀；二是观察辐照度分析图中的能量大小。当辐照度分析图满足能量分布均匀或者整体能量低于探测器响应能量条件时,即可认为该元部件的内部自身辐射能量对系统成像质量影响不大。

3 杂散辐射分析模型

3.1 光学系统参数

透射式红外光学系统的为双视场系统,其系统参数如表1所示。本文要同时分析光学系统在双视场受太阳辐射的影响。

表1 光学系统参数Tab.1 Optical system parameters

3.2 杂散辐射分析建模

在非序列光学仿真软件Lighttools中导入光机系统模型,并对模型进行必要的简化,排除一些对杂散辐射分析影响较小的元部件,这样可以有效提升杂散辐射分析的分析效率。简化后的模型如2所示。

图2 Lighttools软件中光机分析模型Fig.2 The optical machine analysis model in LightTools

在光机模型建立后,需要对各个部件的表面属性进行定义。光学元件和机械元件表面属性的定义,主要是指需要对各个表面的反射、透射、吸收和散射情况进行定义。根据部分原件的表面属性实测数据[3],综合考虑仿真效率和仿真精度,仿真模型中的表面属性设置如表2所示。

表2 仿真模型中表面属性设置Tab.2 Surface property settings in thesimulation model

需要指出的是,一些文献中[4]常使用ABg模型来模拟表面的散射属性,ABg模型是基于双向散射分布函数[5](BSDF)的一个经验模型。BSDF表示不同入射条件下物体表面在任意观测角的散射特性,它是入射角、反射角和波长λ的函数。对于未镀膜的光学表面粗糙度引起的散射现象,可以通过公式建立仿真模型和实际模型对应关系；但是对于镀膜后的光学表面粗糙度引起的散射,光学涂层如增透涂层、带通涂层、保护涂层等,会严重影响表面的BSDF[6]。一般来说,镀膜表面的膜层层数越多,其BSDF和未镀膜表面之间的差异就越大。如果想要准确地模拟光学表面的散射属性,需要对表面进行BSDF测量。同理,对于机械元件的表面,不同厂家、不同工艺的表面处理方式,其表面的BSDF参数像差很大。因此,为了提高系统的仿真效率,本文对光机表面的散射属性进行了简化。

设置完光机系统的表面属性后,需要设置杂散辐射源和系统仿真精度等参数。由式(1)～(6)可以计算出太阳辐射正入射在系统入瞳处辐照度为11.02 W/m2,波段为3.7～4.8 μm。

4 杂散辐射仿真分析及其抑制措施

本文分析的太阳杂散辐相对于系统光轴的离轴角范围为5°～80°,分析组间隔为5°,同时分析系统的大小视场。仿真模型的光线追迹阈值设置为1×10-10,每组分析追迹光线数量为1000万根。

4.1 杂散辐射的光线路径

通过对不同离轴角的太阳辐射进行光线追迹,可以得到太阳辐射在探测器像面的成像情况,以及引起杂散辐射的主要光线路径。由3可以看出,此时入射的太阳辐射离轴角为40°,光学系统为大视场状态,物镜筒为原色氧化且未经其他处理。当视场外的光线进入系统后,部分光线会照射到物镜筒内壁上产生散射,然后通过物镜表面的剩余反射进入到探测器中。这部分光线在接收器上的成像如图4所示,由图4可以看出,该图像和图1中的真实成像中亮斑十分相似,只是相对位置有所区别,其中原因是仿真模型中太阳杂散辐射的方位角为零度,与实际太阳方位角有所差别,这并不影响最终的仿真结果。

图3 太阳杂散辐射的光线路径示意图Fig.3 Schematic diagram of optical path of solar radiation

图4 太阳杂散辐射的仿真成像Fig.4 Simulation imaging of solar radiation

4.2 设计消光螺纹及仿真结果

在确定杂散辐射的光线路径后,需要提出针对性的抑制措施。杂散辐射抑制手段通常包括“移走”、“遮挡”、“清洁”、“镀涂”等手段。对于本系统中物镜筒内壁反射造成的杂散辐射,前两种明显不适用,而“清洁”通常适用于镜片表面污染引起的杂散辐射,因此考虑“镀涂”手段消除或削弱杂散辐射。镀涂的目的是增加物镜筒内壁表面吸收率,减少反射或散射光线进入探测器中的能量。由此可以联想到,通过设计消光螺纹,使光入射到消光螺纹表面上时,能够增加一次或多次反射或散射,可以有效提高消杂光的能力。因此,本文设计消光螺纹的原理也是基于建立杂光“陷阱”[7-8]的原理,使光线在入射到消光螺纹后,能够尽可能多地在螺纹表面之间发射反射或散射,增加镜筒内壁的螺纹对杂散辐射的吸收作用。本文设计的消光螺纹模型如图5所示,螺纹类型为三角螺纹,螺距为1.5 mm,牙型高度3 mm,牙型角30°,并对消光螺纹及镜筒内壁进行氧化发黑、喷砂处理。

图5 添加消光螺纹和表面处理的物镜筒模型Fig.5 Objective lens barrel with extinction thread and surface treatment

通过仿真对比原色氧化、未加消光螺纹的物镜筒和氧化发黑喷晒、添加消光螺纹的测试筒,可以得出在不同离轴角下,太阳杂散辐射对系统的影响。图6、图7是两种处理方式的物镜筒,对不同离轴角的太阳杂散辐射PST的影响。

图6 大视场不同处理方式物镜筒的PST对数曲线Fig.6 Logarithmic curve of PST with differentlens barrel treatments in wide field of view

图7 小视场不同处理方式物镜筒的PST对数曲线Fig.7 Logarithmic curve of PST with differentlens barrel treatments in narrow field of view

由图6、图7可以看出,对物镜筒添加消光螺纹和表面处理后,系统对于视场外,尤其是离轴角大于20°的太阳杂散辐射有了明显的抑制作用,太阳杂散辐射的PST降低了两个数量级。

4.3 消光螺纹的内部辐射分析

红外成像系统的杂散辐射分析不仅考虑外部杂散辐射,还需要考虑结构件的自身辐射。针对上文提出的抑制措施,分析消光螺纹的自身辐射对系统带来的影响。在仿真模型中,设置物镜筒的温度为300 K,黑体辐射率为0.9,镜筒内壁总表面积为1078.04 cm2,通过式(1)、式(2)可以求出,镜筒内壁在3.7～4.8 μm的辐射通量为0.4576 W。仿真阈值设置为10-10,光线数量设置为1亿根,大、小视场仿真的辐照度分析图如图8、图9所示。

图8 大视场镜筒内壁自身辐射Fig.8 Self-emitted radiation energy of lens barrel′sinner wall in WFOV

图9 小视场镜筒内壁自身辐射Fig.9 Self-emitted radiation energy of lens barrel′sinner wall in NFOV

通过以上两图可以看出,镜筒内壁在大视场的自身辐射能量分布在像面四周,像面中心有直径约2 mm的能量凹陷；镜筒内壁在小视场的自身辐射能量均匀分布在像面上。两种视场的能量数值差别不大,但能量分不同,需要对图像进行非均匀校正使得图像成像均匀。

4.4 成像验证实验

通过对比安装未经处理的物镜筒和添加消光螺纹并发黑处理的物镜筒的系统成像,得到的图像如图10～图13所示。实验结果证明,在物镜筒添加消光螺纹和表面处理的方式,对视场外的杂散辐射有明显的抑制,与仿真结果一致。而且在系统成像中也可以看出,物镜筒内壁的自身辐射通过非均匀校正后,不会在图像上形成圆环,成像质量良好。

图10 大视场未经处理物镜筒时不同角度太阳辐射的图像Fig.10 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is not processed in WFOV

图11 大视场添加消光螺纹并发黑处理物镜筒时不同角度太阳辐射的图像Fig.11 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is processed in WFOV

图12 小视场未经处理物镜筒时不同角度太阳辐射的图像Fig.12 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is not processed in NFOV

图13 小视场添加消光螺纹并发黑处理物镜筒时不同角度太阳辐射的图像Fig.13 Images of solar radiation at different angleswhen the objective lens barrel is processed in NFOV

5 结 论

本文通过Lighttools软件建立光机分析模型,并进行光线追迹,分析了太阳外部杂散辐射对透射式红外系统的影响。分析得出杂散辐射的光线路径,并在物镜筒内壁设计了消光螺纹和表面处理方式相结合的抑制措施,并分析该抑制措施自身辐射对系统成像的影响,最终通过对比成像实验,验证杂散辐射抑制措施的有效性。结果表明,设计的消光螺纹和和氧化发黑、喷砂的表面处理方式,能够有效地抑制视场外的太阳杂散辐射,且其自身辐射通过非均匀校正,不会对系统成像带来明显的负面影响。