冷屏黑层抑制杂散辐射分析研究

林国画，东海杰，孟令超，孟令伟

（华北光电技术研究所，北京100015）

冷屏黑层抑制杂散辐射分析研究

林国画，东海杰，孟令超，孟令伟

（华北光电技术研究所，北京100015）

通过对冷屏抑制杂散辐射原理的分析，得出测量冷屏内表面的反射是研究工作的切入点，从而从基本能量传递方程中确定表征冷屏内表面黑层特性的BRDF。通过对2.5～14μm冷屏黑层BRDF的测试，发现在接收角度变小的情况下，黑层BRDF出现较大的变化，确定了下一步改进的方向。

冷屏；双向反射分布函数；黑层；杂散辐射

1 引 言

红外焦平面探测器组件由探测器芯片、杜瓦、制冷机组成，如图1所示，探测器芯片安装在杜瓦芯柱的冷头上，制冷机对冷头进行冷却，保证探测器芯片工作所需要的温度，杜瓦提供一个真空环境和探测器芯片信号引出所需要的电学连接，因此，组件的性能由探测器芯片的性能、杜瓦结构的匹配设计、制冷温度的控制来决定。

探测器芯片的制作工艺复杂，二代红外焦平面探测器组件随着关键工艺的解决，芯片自身性能的提高越来越有限，需要挖掘组件各方面的潜力，包括杜瓦结构的匹配设计。

杜瓦由窗口、外壳、引线环、芯柱、冷屏等组成，冷屏安装在杜瓦冷头之上，由金属材料电铸而成，它一方面为探测器芯片提供一个稳定的冷环境，另一方面是组件内消除杂散辐射的重要元件，同时它也是光学系统的出瞳。

图1 红外探测器－杜瓦组件示意图

探测器芯片的性能受杂散辐射的影响，为了很好地抑制杂散辐射，我们将冷屏的内表面发黑，希望黑层能尽可能多地吸收杂散辐射，为此，做了许多分析、研究工作。

2 冷屏抑制杂散辐射的原理

辐射能量从窗口入射到探测器表面，探测器将其进行光电转换，同时也会反射一些辐射能量，反射的能量会入射到冷屏发黑的内表面，其中一部分被吸收，一部分被反射，反射后形成对探测器信号有影响的杂散辐射。

对冷屏内表面，根据能量守恒，有：

式中，α为吸收系数；ρ为反射系数。

对于黑体来说，α＝1，即入射能量全部被黑体吸收，而对于内表面发黑的冷屏来说，我们希望黑层的吸收系数越接近1越好，这样影响探测器性能的杂散辐射可以被很好地抑制。

通常看到的表征非黑体辐射源的参数是发射率ε，它度量了辐射源接近黑体的程度。材料的发射率等于同温度时的吸收系数，因此，有：

由式（1）和式（2）可以看出，如果知道了冷屏内表面黑层的吸收系数或发射率，就可以知道选用的黑层材料吸收辐射的能力。前期，我们将关注点放在测试冷屏内表面黑层的发射率上，但是直接测量发射率或吸收系数是非常困难的，无法得到具体的数据，对黑层抑制杂散辐射的能力就没有一个直观的判断，相应的改进、提升性能的工作受到阻碍。

我们转换思路，同样从式（1）和式（2）还可以看出，如果将关注点放在对反射系数的研究上，也能知道选用的黑层材料吸收杂散辐射的能力，相对来说，测量反射系数更容易实现，基本能量传递方程描述了与表面反射有关的状态，利用它对构成杂散辐射的相关因素进行了分析，确定关注双向反射分布函数BRDF。

3 基本能量传递方程

从冷屏内表面的状态分析，可以认为冷屏内表面对辐射的反射是漫反射，辐射在冷屏内表面发生散射。

冷屏内表面与探测器芯片之间的能量传递可以用基本能量传递方程来描述。设空间有两微面元d S1、d S2，中心相距r，与界面法线的夹角分别为θ1、θ2角，如图2所示，面元d S1的辐亮度为L1（φ1，θ1），则面元d S2所接收的由面元d S1发出的辐通量为：这是应用光学中传统的能量传递方程，它只关注了两个面元间发出能量和接收能量的关系，对于表面辐射及传递的状况描述的并不完整，后来的学者对式（3）进行了变形，如下：式（4）中，增加了面元d S1的入射辐照度E1（φ1，θ1）就能了解到面元d S1吸收和反射的情况，表面反射辐亮度和入射辐照度的比值BRDF是反映表面漫反射特性的双向反射分布函数。

图2 面元间辐射能量示意图

GCF（θ1，θ2）是面元d S1对面元d S2的投影立体角，也称作几何构成因子：

基本能量传递方程中的BRDF对表面入射能量和反射能量进行了描述，正是我们所要关心的状态，由方程可以看出，接受表面所接收到的辐射通量是入射表面的BRDF、入射表面接收的辐通量和几何构成因子这三项因素的乘积。

具体到探测器芯片所接收的杂散辐射的多少，与冷屏内表面黑层的BRDF值的大小，冷屏内表面接收的辐通量的多少，探测器芯片表面所接收冷屏表面辐射的立体角大小有关。减小探测器芯片的反射率，可以降低反射到冷屏内表面的辐通量，即可以降低冷屏内表面接收的辐通量，减少总的杂散辐射，这项工作可以通过芯片表面背减薄工艺来实现，这里不进行祥述；探测器芯片表面所接收冷屏表面辐射的立体角的状况可以通过相关软件进行模拟，而减少冷屏内表面黑层的BRDF值，正是我们要关注的。

BRDF值可以表征黑层材料的优劣，它可以通过测量得到，从式（5）可以看出，BRDF值越小越好。

4 冷屏内表面黑层BRDF的测量与分析

我们制作了发黑样品，对黑层的BRDF值进行了测量，测量波长从2.5～14μm，测量方式如图3所示，测量装置由黑体、傅立叶光谱仪、探测器、旋转机构组成。经测量，发黑样品BRDF谱图如图4所示。

图3 平面发黑样品BRDF测试方式

图4 发黑样品BRDF谱图

从图中可以看出，在测量反射角为70°、55°、40°、26°时，谱图的形状在测量波段范围内拟合的较好，说明黑层材料的波长响应是较稳定的。

在测量反射角为70°、55°、40°时，发黑样品的BRDF值很小，70°时趋近于零；当测量反射角度为26°时，BRDF值整体明显增大，波峰、波谷的幅度放大了很多，由此可以看出随着测量反射角变小，BRDF值变大。

测量反射角从70°到40°，每间隔15°测量一组BRDF值，从40°到26°间隔14°测量一组BRDF值，随着角度变小，在2.5～14μm波段范围内，BRDF值的变化幅度呈不均匀增长趋势，从70°到55°，由于本身BRDF值很小，它的变化幅值几乎可以忽略，55°到40°变化幅值最大也在0.008 sr－1以内。当测量反射角从40°到26°，5.5～9.5μm波段范围，BRDF变化幅值在0.01 sr－1以内，在这之外的测量波段范围内，BRDF变化幅值最大达到了0.025 sr－1，也就是说在不同的波段范围内，冷屏黑层材料吸收杂散辐射的能力不同，尤其是在红外中波波段BRDF值及其幅值的增长量都较大，对冷屏抑制杂散辐射是不利的。

5 总 结

通过上述分析研究，冷屏抑制杂散辐射从理论上更加清晰，冷屏内表面黑层抑制杂散辐射能力的评价工作有了实质性进展，从数据、图形上直观地看到了黑层材料存在的问题，是否有利于实际使用，大大缩短了试验周期，节省了很多人力、物力。

下一步我们会根据测试数据，做黑层材料的改进试验，使其BRDF的谱图尽量平缓，BRDF值在不同反射角下变化的幅度趋近均匀增加，整体的BRDF值较小。

冷屏抑制杂散辐射不仅与内表面黑层有关，也与表面粗糙度有关，为了得到更好的效果还需要设计多层消杂散辐射结构，前述工作取得的进展，会带动后续工作更好、更快地进展，为二代红外焦平面探测器组件性能的提高提供保证。

［1］ Richard D，Hudson，JR.Infrared system engineering［M］. 2nd ed.Beijing：National Defense Industry Press，1979.（in Chinese）R D，小哈得逊.红外系统原理［M］.《红外系统原理》翻译组，译.2版.北京：国防工业出版社，1979.

［2］ 张以谟.应用光学［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［3］ Li Hui，Li Yingcai.Mathematical and physicalmodel for a simplified stray light analysismethod［J］.Acta Photonica Sinica，1996，25（7）：665－672.（in Chinese）李晖，李英才.一种简化杂光分析方法的数理模型［J］.光子学报，1996，25（7）：665－672.

［4］ 冯国进，王煜，郑春第，等.材料的红外光谱透反射性能测量研究［J］.中国计量，2006，10：53－54.

［5］ Huang Qiang.Analysis of stray light in space optical system［J］.Infrared，2006，27（1）：26－33.（in Chinese）黄强.空间光学系统的杂散光分析［J］.红外，2006，27（1）：26－33.

Analysis and study of suppressing stray radiation using black coating of cold shield

LIN Guo-hua，DONG Hai-jie，MENG Ling-chao，MENG Ling-wei
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

The principle of suppressing stray radiation with cold shield is analyzed，it is found that the internal surface reflection measurement of cold shield is the key point.BRDF can be obtained from the energy transfer equation，it can characterize the physical property of cold shield black coating.Through BRDFmeasurement of2.5～14μm cold shield black coating，it is found that the variation of BRDF is bigger when reflection angle gets smaller.

coldshield；BRDF；black coating； stray radiation

TN214

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.014

1001-5078（2013）08-913-03

林国画（1968－），女，本科，高级工程师，从事光学设计工作。E-mail：11hwcq＿g＠sina.com

2012-12-18