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

分析將從使用OpticStudio的鬼像分析生成鬼像文件開(kāi)始，并收集每個(gè)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(cè)器和環(huán)境)計(jì)算出來(lái)的。表面NITD貢獻(xiàn)和總NITD結(jié)果會(huì)顯示在圖中并且數(shù)字NITD數(shù)據(jù)會(huì)被寫入一個(gè)文本文件。

作者 Serhat Hasan, shaslan@aselsan.com.tr

附件下載

聯(lián)系工作人員領(lǐng)取附件

簡(jiǎn)介

冷反射效應(yīng)是致冷型紅外系統(tǒng)中一種著名的現(xiàn)象，它是由探測(cè)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(huì)導(dǎo)致殘留的熱輻射從每個(gè)鏡片表面返回。熱殼體的部分輻照度也到達(dá)探測(cè)器。如果鏡頭設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)在圖像上產(chǎn)生可分辨的對(duì)比度差異。

對(duì)于固定的鏡頭位置和機(jī)架溫度，這種對(duì)比度差可以通過(guò)電子非均勻性校正算法來(lái)消除。但這些參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致冷反射圖案的回歸。因此，冷反射分析是制冷型紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)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(jì)算使用制冷型探測(cè)的紅外鏡頭的冷反射引入等效溫差(NITD)。其計(jì)算過(guò)程使用了以下公式1,2:

σij = 從表面j落在冷卻型探測(cè)器表面的反射輻射的立體角與探測(cè)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(cè)器的平均透射率。
ti(λ) = 從探測(cè)器到我們關(guān)心的表面i的平均透射率。
以上等式機(jī)基于下假設(shè)：
假設(shè)探測(cè)器的歸一化光譜響應(yīng)在工作波長(zhǎng)上是恒定的，所以這個(gè)參數(shù)在計(jì)算中不需要。
大氣透射率假設(shè)為1，這意味著NITD參考的是鏡頭前面的環(huán)境溫度。

假設(shè)應(yīng)用在透鏡表面的所有鍍膜的性能在工作波長(zhǎng)上是恒定的。即t0(λ), tj(λ) 和Rj(λ)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。
假設(shè)殼體和探測(cè)器溫度恒定，即殼體和探測(cè)器不存在溫度梯度。

使用宏

理解宏的一系列假設(shè)

這個(gè)宏是基于特定的系統(tǒng)參數(shù)編寫的。在運(yùn)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(cè)器到環(huán)境的方向設(shè)計(jì)的。
表面1是光闌。
不包含任何坐標(biāo)間斷面或虛擬面。
為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)。
只包含一種結(jié)構(gòu)。
每個(gè)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(gè)表面生成單次反射鬼像文件，并保存到設(shè)計(jì)文件夾中。這個(gè)工具可以在分析…雜散光……鬼像分析處找到。

宏“Narcissus.zpl”需要探測(cè)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(dāng)前設(shè)計(jì)文件夾下。用戶還應(yīng)該通過(guò)在分析窗口的設(shè)置對(duì)話框中單擊保存來(lái)保存漸暈圖中的設(shè)置。

在進(jìn)行計(jì)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(huì)計(jì)算設(shè)計(jì)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(gè)表面沒(méi)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(shè)計(jì)文件文件夾中查找生成的鬼像文件，并逐個(gè)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(jì)算。冷反射公式中的其余項(xiàng)-如外殼和探測(cè)器黑體輻射度的積分，工作波長(zhǎng)上的差值，以及環(huán)境黑體輻射度在工作波長(zhǎng)上的溫度導(dǎo)數(shù)的積分-用以下近似方法計(jì)算3:

最后，計(jì)算并繪制各表面的NITD貢獻(xiàn)和總NITD。

使用示例文件運(yùn)行宏

為了進(jìn)行示例運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有4條光線的簡(jiǎn)單MWIR物鏡。它作為ZAR 文件附在本文的附件中。

用于計(jì)算的輸入?yún)?shù)如下：

打開(kāi)示例文件。漸暈圖應(yīng)該已經(jīng)打開(kāi)。更新設(shè)置并單擊Save。

接下來(lái)，運(yùn)行鬼像分析工具。對(duì)于本例，正確的設(shè)置如下:

一旦保存了鬼像文件，我們就可以運(yùn)行宏。要運(yùn)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(dāng)宏開(kāi)始時(shí)，您會(huì)被要求輸入以下溫度信息:

然后宏將使用輸入執(zhí)行計(jì)算，并生成6個(gè)圖形和一個(gè)文本文件。

分析結(jié)果

各表面NITD貢獻(xiàn) VS 視場(chǎng)(離軸參考)

在沒(méi)有直流偏置的情況下，表面NITD的貢獻(xiàn)被繪制在焦平面陣列(FPA)對(duì)角線大小的圖中，并在圖的右側(cè)標(biāo)記。

各表面NITD貢獻(xiàn) VS 視場(chǎng)(軸上參考)

表面NITD的貢獻(xiàn)被繪制在焦平面陣列(FPA)對(duì)角線大小的圖中，并在圖的右側(cè)標(biāo)記。該圖突出了FPA對(duì)角線上每個(gè)表面的NITD分布。在有許多表面的設(shè)計(jì)中，由于顏色彼此接近，很難確定這個(gè)圖中哪個(gè)表面對(duì)應(yīng)于哪個(gè)曲線。因此，為了確定對(duì)NITD貢獻(xiàn)最大的表面數(shù)，最好使用下面給出的各表面NITD貢獻(xiàn)圖vs視場(chǎng) (Plot2D偽彩色)圖。

各表面NITD貢獻(xiàn)圖 VS 視場(chǎng) (Plot2D表面)

含直流偏置的各表面NITD貢獻(xiàn)繪制在FPA對(duì)角線大小的圖上并應(yīng)用Plot2D表面選項(xiàng)。這張圖突出顯示了FPA對(duì)角線上每個(gè)表面的NITD分布。表面數(shù)隨著向頁(yè)面方向移動(dòng)而增加。

各表面NITD貢獻(xiàn)圖 VS 視場(chǎng) (Plot2D偽彩色)

含直流偏置的各表面NITD貢獻(xiàn)繪制在FPA對(duì)角線大小的圖上并應(yīng)用Plot2D偽彩色選項(xiàng)。水平方向?yàn)镕PA對(duì)角線，垂直方向?yàn)槊鏀?shù)。表面數(shù)向上增加。比例尺的數(shù)值不是計(jì)算值，而是默認(rèn)值。

總NITD VS 視場(chǎng)

圖中給出了FPA對(duì)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(jué)表現(xiàn)。

“NarcAnalysis Results.txt”文件

作為最終的輸出，結(jié)果被寫入設(shè)計(jì)文件夾中的文本文件“NarcAnalysis results .txt”中。該文本文件包含設(shè)計(jì)文件路徑，工作波長(zhǎng)，溫度數(shù)據(jù)(外殼，探測(cè)器，環(huán)境)，冷反射面數(shù)，透射率，每個(gè)表面的NITD貢獻(xiàn)，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.)