本文將演示如何在具有制冷型探測器的紅外系統(tǒng)中分析冷反射效應。冷反射圖像是由光學系統(tǒng)表面反射形成的制冷型探測器的圖像，當(近)對焦時，在圖像中將產(chǎn)生一個黑暗的中心斑點。

分析將從使用OpticStudio的鬼像分析生成鬼像文件開始，并收集每個文件的漸暈和傳輸數(shù)據(jù)。

冷反射積分系數(shù)是根據(jù)用戶輸入的溫度數(shù)據(jù)(外殼、探測器和環(huán)境)計算出來的。表面NITD貢獻和總NITD結果會顯示在圖中并且數(shù)字NITD數(shù)據(jù)會被寫入一個文本文件。

作者 Serhat Hasan, shaslan@aselsan.com.tr

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簡介

冷反射效應是致冷型紅外系統(tǒng)中一種著名的現(xiàn)象，它是由探測器與殼體的巨大溫差引起的。

鏡片鍍膜的抗反射性能的不完善會導致殘留的熱輻射從每個鏡片表面返回。熱殼體的部分輻照度也到達探測器。如果鏡頭設計不當，就會在圖像上產(chǎn)生可分辨的對比度差異。

對于固定的鏡頭位置和機架溫度，這種對比度差可以通過電子非均勻性校正算法來消除。但這些參數(shù)的改變會導致冷反射圖案的回歸。因此，冷反射分析是制冷型紅外探測器設計過程中一個非常重要的部分。

定義冷反射引起的溫差

附件中的宏“Narcissus.zpl” 可以計算使用制冷型探測的紅外鏡頭的冷反射引入等效溫差(NITD)。其計算過程使用了以下公式1,2:

σij?= 從表面j落在冷卻型探測器表面的反射輻射的立體角與探測器像元i的冷屏蔽立體角的比值。

t0(λ)?= 從第一透鏡表面到探測器的平均透射率。

ti(λ)?= 從探測器到我們關心的表面i的平均透射率。

以上等式機基于下假設：

• 假設探測器的歸一化光譜響應在工作波長上是恒定的，所以這個參數(shù)在計算中不需要。

• 大氣透射率假設為1，這意味著NITD參考的是鏡頭前面的環(huán)境溫度。

• 假設應用在透鏡表面的所有鍍膜的性能在工作波長上是恒定的。即t0(λ),?tj(λ)?和Rj(λ)與波長無關。

• 假設殼體和探測器溫度恒定，即殼體和探測器不存在溫度梯度。

使用宏

理解宏的一系列假設

這個宏是基于特定的系統(tǒng)參數(shù)編寫的。在運行宏之前，您需要確保您的系統(tǒng)符合以下規(guī)范。否則，宏將失效。

• 鏡頭是沿探測器到環(huán)境的方向設計的。

• 表面1是光闌。

• 不包含任何坐標間斷面或虛擬面。

• 為旋轉對稱系統(tǒng)。

• 只包含一種結構。

• 每個透鏡表面都分配了鍍膜。

• 使用OpticStudio的鬼像分析，從表面2到最后一個表面生成單次反射鬼像文件，并保存到設計文件夾中。這個工具可以在分析…雜散光……鬼像分析處找到。

宏“Narcissus.zpl”需要探測器溫度，外殼溫度，環(huán)境溫度，以及用鬼像分析生成的單次反射鬼像文件。鬼像文件需要保存在當前設計文件夾下。用戶還應該通過在分析窗口的設置對話框中單擊保存來保存漸暈圖中的設置。

在進行計算之前，宏輝檢查表面1是否為光闌以及是否存在虛擬表面。如果表面1不是光闌或著存在虛擬表面，則宏退出。

為了確定NITD數(shù)組的尺寸，宏會計算設計文件夾中的鬼像文件的數(shù)量。然后檢查涂層。如果有任意一個表面沒有指定涂層，將顯示警告。如果所有條件都滿足，則要求用戶輸入溫度數(shù)據(jù)。

用戶輸入后，宏在設計文件文件夾中查找生成的鬼像文件，并逐個加載它們，以便獲得必要的鬼像數(shù)據(jù)(σij)和傳輸數(shù)據(jù)(t0,?tj)，用于NITD計算。冷反射公式中的其余項-如外殼和探測器黑體輻射度的積分，工作波長上的差值，以及環(huán)境黑體輻射度在工作波長上的溫度導數(shù)的積分-用以下近似方法計算3:

最后，計算并繪制各表面的NITD貢獻和總NITD。

使用示例文件運行宏

為了進行示例運行，設計了一個帶有4條光線的簡單MWIR物鏡。它作為ZAR文件附在本文的附件中。

用于計算的輸入?yún)?shù)如下：

User InputValueHousing Temperature300 KDetector Temperature77 KAmbient Temperature300 KVignetting Diagram Ray Density50Vignetting Diagram Field Density100

打開示例文件。漸暈圖應該已經(jīng)打開。更新設置并單擊Save。

接下來，運行鬼像分析工具。對于本例，正確的設置如下:

Ghost Focus Generator OptionValueBouncesSingle BounceFirst Surface2Last Surface14Ghost Reflector CoatingI.99Save FilesYes (checked)Image Plane OnlyNo (Un-checked)

一旦保存了鬼像文件，我們就可以運行宏。要運行它，需要將附件中的"Narcissus.zpl"放置在"{Zemax}\Macros"文件夾下。然后就可以在OpticStudio中使用它。
當宏開始時，您會被要求輸入以下溫度信息:

然后宏將使用輸入執(zhí)行計算，并生成6個圖形和一個文本文件。

分析結果

各表面NITD貢獻 VS 視場(離軸參考)

在沒有直流偏置的情況下，表面NITD的貢獻被繪制在焦平面陣列(FPA)對角線大小的圖中，并在圖的右側標記。

各表面NITD貢獻 VS 視場(軸上參考)

表面NITD的貢獻被繪制在焦平面陣列(FPA)對角線大小的圖中，并在圖的右側標記。 該圖突出了FPA對角線上每個表面的NITD分布。在有許多表面的設計中，由于顏色彼此接近，很難確定這個圖中哪個表面對應于哪個曲線。因此，為了確定對NITD貢獻最大的表面數(shù)，最好使用下面給出的各表面NITD貢獻圖vs視場 (Plot2D偽彩色)圖。

各表面NITD貢獻圖 VS 視場 (Plot2D表面)

含直流偏置的各表面NITD貢獻繪制在FPA對角線大小的圖上并應用Plot2D表面選項。這張圖突出顯示了FPA對角線上每個表面的NITD分布。表面數(shù)隨著向頁面方向移動而增加。

各表面NITD貢獻圖 VS 視場 (Plot2D偽彩色)

含直流偏置的各表面NITD貢獻繪制在FPA對角線大小的圖上并應用Plot2D偽彩色選項。水平方向為FPA對角線，垂直方向為面數(shù)。表面數(shù)向上增加。比例尺的數(shù)值不是計算值，而是默認值。

總NITD VS 視場

圖中給出了FPA對角線上的總NITD分布。

FPA上的總NITD

圖中給出了FPA上NITD的分布。這是用鏡頭拍攝的圖像中NITD的視覺表現(xiàn)。

“NarcAnalysis Results.txt”文件

作為最終的輸出，結果被寫入設計文件夾中的文本文件“NarcAnalysis results .txt”中。該文本文件包含設計文件路徑，工作波長，溫度數(shù)據(jù)(外殼，探測器，環(huán)境)，冷反射面數(shù)，透射率，每個表面的NITD貢獻，總NITD，冷反射暈影數(shù)據(jù)，鬼像文件的透射數(shù)據(jù)，yni數(shù)據(jù)，和i/ibar數(shù)據(jù)。

參考資料

(1)?James W. HOWARD, Irving R. ABEL, “Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems,” APPLIED OPTICS /Vol.21. No.18 / (15 September 1982)

(2)?M. Nadeem AKRAM,? “Simulation and control of narcissus phenomenon using nonsequential ray tracing. I. Staring camera in 3–5 μm waveband,“ APPLIED OPTICS / Vol. 49, No. 6 / (20 February 2010)

(3)?E. L. DERENIAK, G.D. BOREMAN, Infrared Detectors and Systems (John Wiley & Sons, Inc.)