空间红外探测系统外部杂散光分析与抑制

李建华，李志峰，刘佳琪，张 力,刘雪梅,2

(1.试验物理与计算数学国家级重点实验室，北京 100076;2.第二炮兵装备研究院，北京 100085)

·光电技术与系统·

空间红外探测系统外部杂散光分析与抑制

李建华1，李志峰1，刘佳琪1，张 力1,刘雪梅1,2

(1.试验物理与计算数学国家级重点实验室，北京 100076;2.第二炮兵装备研究院，北京 100085)

为降低视场外太阳辐射对空间红外探测系统的影响，对系统的遮光罩和挡光环进行了设计与优化。在ZEMAX软件下，建立了光机结构分析模型，采用非序列模式下的光线追迹方法，计算了视场外太阳辐射经镜筒表面及透镜表面的多次散射或反射到达探测器表面的杂散光辐照度。根据计算结果对遮光罩和挡光环的参数进行了优化，使得杂散光抑制水平满足系统要求。 关键词：红外探测系统；杂散光分析；遮光罩设计；光线追迹

1 引 言

对红外探测系统进行杂散光的仿真计算，分析太阳辐射对红外探测系统的干扰特性[1]，并进行相应的杂散光抑制设计，是空间红外探测系统设计中必不可少的步骤。目前国内关于红外光学系统杂光抑制的文章大多针对反射式或者折反式光学系统[2]，对于纯透射式报道较少，而且杂光抑制的步骤及参数的选定对设计者的经验要求较高。针对太阳辐射引起的杂散光问题，本文对中波透射式红外探测系统，采用视场光阑、遮光罩以及挡光环组合方式对杂散光进行抑制并给出了详细的抑制步骤。

2 光学系统参数及设计结果

光学系统的设计参数如表1所示，系统结构如图1所示。红外探测器像素大小为30 μm，光敏面尺寸为7.68 mm×7.68 mm。设计中，采用了无热化设计，可适应-40 ℃到60 ℃的工作环境[3-4]。光学系统的孔径光阑置于探测器的冷屏位置，系统采用二次成像方式，可达100%冷光阑效率。二次成像中的前组透镜将无穷远的目标成像到中间像面，后组透镜将中间像再次成像到探测器的光敏面上。采用两次成像可以使探测器中的冷光阑成像到光学系统的第一面上，从而减小了光学系统的通光口径[5]。此外，光学系统中的中间像面，可以设置视场光阑，有利于杂散光的抑制。

在20 lp/mm以内的传递函数曲线如图2所示，从图中可以看出，所有视场传递函数值均大于0.7，接近衍射极限。

表1 红外探测系统光学设计参数

图1 红外光学系统结构图

图2 传递函数曲线

3 杂散光分析与抑制

3.1 探测器自身噪声分析与杂光抑制要求

系统杂光抑制要求太阳辐射在工作波段内到达探测器表面的辐照度不高于探测器噪声等效辐照度。探测器噪声等效辐照度可表示为[6]：

(1)

式中,D*为探测器的归一化探测率;Ad为探测器光敏面面积;Δf为噪声等效带宽。取=6×1011cm·Hz1/2W-1,Δf=100Hz,可以得到ENEI=2.17×10-11W/cm2。

定义红外探测系统太阳辐射杂光抑制比：

(2)

式中,Ed(θ)为太阳辐射与光轴夹角为θ时入射到探测器表面的辐照度;E0为太阳辐射在工作波段的辐照度。对于3～5μm的工作波段，E0=1.96×10-3W/cm2。选取30°作为太阳规避角，则当θ≥30°时，系统的杂光抑制比R(θ)必须小于1.1×10-8，即系统要求的杂光抑制比为10-8量级。

3.2 光机模型建立及相关参数设定

本文采用ZEMAX软件非序列模式下的光线追迹法进行杂光分析。先将ZEMAX序列模式下的光学设计结果导入到非序列模式下，并在非序列模式下根据实际的光机结构进行机械结构建模。考虑遮光罩及挡光环情况的光机结构模型如图3所示。

图3 光机结构模型

在进行光线追迹前，需要定义机械结构表面的散射特性。表面散射特性一般用双向散射分布函数(BSDF)来定量表征。如果将散射面的BSDF函数在相应的半空间内积分，则得到表面散射率(TIS)，该值表征了总散射(反射)光能量相对于入射光能量所占的比例。

表征材料表面BSDF函数有很多数学模型，如ABg模型、Gaussian模型、Lambertian模型。选用光学机械结构表面常用的数学模型ABg模型，该模型适合于大部分材料，并与工程结果符合较好，其双向散射分布函数：

(3)

图4 散射模型中的矢量定义示意图

对于机械机构表面，取其表面吸收率90%，表面散射率TIS=10%。有文献对粗糙表面散射情况进行分析发现，普通金属表面散射能量主要集中在10° 散射角以内[7]，采用普通的朗伯特(Lambertian)散射体对机械结构表面建模(g=0)并不准确。考虑到这种情况，本文机械结构ABg模型参数取A=0.0003385，B=0.0001，g=3.5[8]，其TIS=0.1。

下面分析进行光线追迹计算所需要的光线条数。理论上，追迹的光线数越多，仿真精度越高，但仿真的时间也线性增加。对于光线追迹所需光线数量的选择，采用如下方法：通过线性增加追迹的数量，比较计算结果，当计算结果的相对变化小于5%时，认为计算结果收敛，采用该光线数进行计算。对于建立的光机模型，经计算得到追迹光线数为14万条时，结果收敛。由于每次追迹计算的时间较长，而且需要不断变化参数以进行优化，故通过ZEMAX编程语言(ZEMAX Programming language，ZPL)，编写了相应的宏命令，以实现整个计算过程的自动化。

3.3 遮光罩与挡光环的参数设计

仿真得到没有遮光罩情况下系统杂光抑制比为10-5量级，比目标值10-8低3个量级，故必须使用遮光罩。遮光罩越长，越有利于杂散光的消除，但考虑到空间系统体积和重量的限制，遮光罩不能太长，需进行优化。

选定遮光罩的长度作为设计参数，通过计算分析不同遮光罩长度的杂光抑制比以选择合适的遮光罩长度[9]。图5表示了30°入射角的杂光抑制比与遮光罩长度的关系(遮光罩采用单节桶形结构)。可以看到，遮光罩越长，抑制比总的趋势变小，当遮光罩长度L大于120 mm以后，增加长度抑制比没有数量级的变化(L<200 mm)，此时，杂光入射到光学系统第一片透镜至少需经过遮光罩一次反射。每经过一次反射，杂散光能量下降一个数量级。故选定遮光罩长度为120 mm，此时系统杂光抑制比的量级为10-6，比目标值大两个量级，故采用挡光环进一步抑制。

图5 杂光抑制比与遮光罩长度的关系

挡光环安装在遮光罩内部，挡光环包络形成的张角ω需略大于视场角，如图6(a)所示。

挡光环选择等间距布置结构，设定D0=51.2 mm，适当大于光学系统入瞳口径44 mm，根据遮光罩长度及挡光环包络的张角，可得D=64 mm。

图6 遮光罩及挡光环原理示意图

为了发挥挡光环的作用，挡光环的高度h与间距l应近似满足：

hi+hi+1≥ltanθ

(4)

此时，入射光线以θ角入射时，光线要么经两次反射后离开光学系统，要么经三次反射后朝光学系统方向入射，如图6(b)所示。根据图6(c)，经三次反射朝光学系统方向入射的光线占总入射光线数的比例随着h值的增大而增加。因此挡光环的具体高度还需根据最后的仿真结果来确定。逐渐增加挡光环高度，直到满足杂散光抑制要求。挡光环另外一个待定参数为环数，环数n及间距l满足:

(n-1)l=L

(5)

如图7为挡光环数n=9时对应的杂散光抑制比与入射光离轴角的关系曲线。此时，对30°入射角满足式(4)的h1≥4.33mm，故h1选5mm。为了对比，同时计算了h1为3mm时的抑制比。可以看到，h1为3mm的不满足要求，抑制比存在大于10-8的情况。而h1为5mm的挡光环设计，杂散光抑制比满足要求，均小于设计阈值。

图7 杂光抑制比与离轴角的关系

4 结 论

针对中波空间红外探测系统，在ZEMAX软件下建立了非序列分析模型，采用光线追迹的方法，对离轴太阳辐射的杂散光水平进行了计算分析。以太阳辐射在工作波段内到达探测器光敏面的辐照度不高于探测器等效噪声辐照度作为杂散光抑制的目标，分析了遮光罩长度及挡光环高度等参数对杂散光抑制的影响，为参数的选择提供了依据。分析表明，遮光罩越长，杂光抑制比总的趋势变小，但在一定范围内增加遮光罩长度，抑制比并没有数量级的变化，故采用遮光罩加挡光环结构能够在系统体积有要求的情况下得到最优结果。针对具体的系统，结合仿真结果确定了两者的参数，使最终的设计结果满足系统要求。

[1] QI Meng.Detection probability of IR search and track system[J]. Laser & Infrared,2004,34(4)：269-271.(in Chinese) 祁蒙.红外搜索跟踪系统的探测概率研究[J].激光与红外,2004,34(4)：269-271.

[2] WANG Wenfang,YANG Xiaoxu,JIANG Kai,et al.Stray light analysis of catadioptric infrared optical system with large field[J].Infrared and Laser Engineering,2013,42(1):138-142.(in Chinese) 王文芳,杨晓许,姜凯,等.大视场红外折反光学系统杂散光分析[J].红外与激光工程,2013,42(1):138-142.

[3] LI Hua,HAN Weiqiang,SHEN Mangzuo.Passive athermal design and measurement of MWIR optical system[J].Infrared and Laser Engineering,2009,38(4)：687-691.(in Chinese) 李华,韩维强,沈忙作.中波红外光学系统被动无热化设计及测试[J].红外与激光工程，2009,38(4)：687-691.

[4] LI Ronggang,LIU Lin,ZHANG Xingde,et al.Design and fabrication of mid-wave infrared lenses with athermalization[J]. Laser & Infrared,2010,40(6):653-655.(in Chinese) 李荣刚,刘琳,张兴德,等.中波红外无热化镜头的设计与制造[J].激光与红外,2010,40(6):653-655.

[5] FAN Zheyuan,YANG Hongtao,QÜ Enshi,et al.Design of long-wave infrared scan system with large field and large aperture[J].Infrared and Laser Engineering,2012,41(10):2740-2744.(in Chinese) 范哲源,杨洪涛,屈恩世,等.大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计[J].红外与激光工程,2012,41(10):2740-2744.

[6] NIU Jinxing,ZHOU Renkui,LIU Zhaohui,et al.Analysis and calculation of space-based infrared detecting system[J].Acta Optica Sinica,2010,30(3):768-771.(in Chinese) 牛金星,周仁魁,刘朝晖,等.天基红外探测系统的杂散光分析与计算[J].光学学报,2010,30(3):768-771.

[7] WANG Mingjun,DONG Yangbing,WU Zhen,et al. Research on light scattering characteristics of rough surface and optical constants deduction[J].Infrared and laser Engineering,2004.33(5):549-552.(in Chinese) 王明军,董雁冰,吴振森,等.粗糙表面光散射特性研究与光学常数反演[J].红外与激光工程,2004.33(5):549-552.

[8] MEI Chao,ZHOU Sizhong,YAN Peipei,et al.Design of an outer baffle based on scattering model[J].Acta Optica Sinica,2013,33(1):0122005.(in Chinese) 梅超,周泅忠,闰佩佩，等.基于散射模型设计外遮光罩[J].光学学报,2013,33(1):0122005.

[9] DENG Chao.Analysis on stray light elimination for space solar telescope[J].Infrared and Laser Engineering,2010,39(4):710-715.(in Chinese) 邓超.空间太阳望远镜消杂散光分析[J].红外与激光工程,2010,39(4):710-715.

Stray light analysis and suppression for space infrared detecting system

LI Jian-hua1,LI Zhi-feng1,LIU Jia-qi1,ZHANG Li1, LIU Xue-mei1,2

(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics & Numerical Mathematics,Beijing 100076,China;2.The Seconal Artillery Equipment Research Institute,Beijing 100085,China)

Baffle and vanes are designed and optimized in order to reduce the influence of stray light on space infrared detecting system. Based on optical design and analysis software ZEMAX,analysis model of optical-mechanical structure was established,and the irradiance of stray light was calculated by using a non-sequential ray tracing method. This stray light was obtained as sun light reached the detector surface by multiple reflections from polished lens surfaces and diffused scattering from rough mechanical surfaces. The parameters of baffle and vanes are optimized based on calculation results,which meet the needs of the system.

infrared detecting system; stray light analysis; baffle design; ray tracing

1001-5078(2015)02-0185-04

重点实验室基金项目(No.9140C580201140C58001)资助。

李建华(1985-)，男，博士，主要研究红外探测技术。E-mail：lijh14@163.com

2014-07-18;

2014-08-13

TN214

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.015