概述

這篇文章講述了如何在使用制冷探測的近紅外系統(tǒng)中分析冷反射效應(yīng)。主要包括：

·使用OpticStudio的鬼像生成器生成并加載鬼像文件，收集每個文件內(nèi)包含的漸暈和透過率的數(shù)據(jù)

·根據(jù)用戶輸入的溫度數(shù)據(jù)(封裝、探測器、環(huán)境)計算冷反射積分系數(shù)

·宏程序?qū)⑤敵龈鞅砻鍺ITD貢獻(xiàn)以及總NITD結(jié)果

·所有NITD數(shù)值數(shù)據(jù)將保存為一個文本

示例文件請從以下鏈接下載：

介紹

冷反射效應(yīng)是制冷探測的近紅外系統(tǒng)中，眾所周知的一種效應(yīng)。在該系統(tǒng)中，探測器為了達(dá)到較好的成像質(zhì)量會冷卻到非常低的溫度。因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)和探測器之間便產(chǎn)生了很大的溫差。由于鏡片上的增透膜不會完全消除反射光，在系統(tǒng)的每個表面之間會殘留部分冷反射。并且機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱輻射也會到達(dá)探測器。如果鏡頭在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計時不考慮這些因素，在像面上很有可能會看到由冷反射造成的明顯的對比度差異。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)溫度恒定且鏡片的相對位置固定的系統(tǒng)來說，可以采用電子控制式的非均勻矯正算法消除。但是由于環(huán)境溫度改變而導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)溫度的變化，或者透鏡系統(tǒng)需要移動進(jìn)行重新對焦來補(bǔ)償機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱膨脹時，都會導(dǎo)致冷反射再次出現(xiàn)。因此，在設(shè)計使用制冷探測的近紅外系統(tǒng)的過程中進(jìn)行冷反射分析是非常重要的。本文附件中提供的宏程序是用來計算制冷紅外探測系統(tǒng)中冷反射導(dǎo)致的溫度差異(NITD)特性。宏程序的計算基于如下冷反射公式(1,2)：

在本例中我們對上述公式做如下假設(shè)：

1.在工作波長下，探測器的歸一化光譜相應(yīng)為不變量，因此在計算式無需考慮該參數(shù)。

2.大氣透過率為1，也就是說NITD計算所參考的環(huán)境溫度為鏡頭前的大氣溫度。
3.在透鏡各表面上的鍍膜的透過率在整個工作波長下為不變量。因此t0(λ)、tj(λ)和Rj(λ)與波長獨(dú)立
4.機(jī)械結(jié)構(gòu)和探測器的溫度恒定，這意味著機(jī)械結(jié)構(gòu)和探測器沒有溫度梯度。

·鏡頭設(shè)計的方向是從探測器到外部環(huán)境的。
·光闌面（STO）在表面1上。
·透鏡組中沒有任何坐標(biāo)斷點(diǎn)面或虛擬面。
·透鏡組為旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)。
·透鏡組只使用一種結(jié)構(gòu)。
·已正確定義所有光學(xué)表面的膜層。
·OpticStudio的鬼像生成器會從表面2開始到最后表面生成一個單次反射的鬼像文件，并保存在設(shè)計文件所在文件夾下。

對于下面討論的例子，鬼像聚焦工具的正確設(shè)置是：

宏文件Narcissus.ZPL需要的條件有：探測器溫度、機(jī)械結(jié)構(gòu)溫度、環(huán)境溫度和OpticStudio鬼像生成器生成的單次反射鬼像文件。鬼像文件必須保存在設(shè)計文件所在文件夾中。使用者還需在漸暈圖分析窗口的設(shè)置中通過單擊保存按鈕來保存設(shè)置。

在進(jìn)行計算之前，檢查光闌是否在表面1，并且沒有虛擬面。如果光闌面不在表面1或者有虛擬面，宏程序?qū)⑼顺觥榱擞嬎鉔ITD維數(shù)，宏程序會計算文件夾中的鬼像文件數(shù)。程序之后會檢查膜層的定義，如果任何表面都沒有定義膜層，則宏程序會發(fā)出警告。如果所有條件全部滿足，那么宏程序會彈出請求用戶輸入溫度的對話框，如下所示：

用戶輸入之后，宏程序會檢查設(shè)計文件夾中的鬼像文件，并逐個加載每個文件以得到漸暈數(shù)據(jù)σij和傳輸數(shù)據(jù)（t0,tj） 用于NITD計算。對于冷反射公式中的剩余其它項(xiàng)，通過以下的近似公式（3）計算下機(jī)械結(jié)構(gòu)和探測器的黑體輻射差對的積分以及環(huán)境黑體輻射溫度導(dǎo)數(shù)對不同工作波長的積分，計算：

最后，每個表面的NITD貢獻(xiàn)和總的NITD貢獻(xiàn)將被計算并使用圖表顯示。

下面顯示4片結(jié)構(gòu)簡單中波紅外物鏡用于示例說明：

在本例中，每一表面的NITD貢獻(xiàn)值和總的NITD貢獻(xiàn)值計算的參數(shù)設(shè)置如下所示：

·機(jī)械結(jié)構(gòu)溫度：300K；
·探測器溫度：77K；
·環(huán)境溫度：300K；
·光線密度：50；
·視場密度：100；

宏分析結(jié)果

1）表面NITD貢獻(xiàn)vs視場（以離軸為參考）

圖中所示為無DC偏移，焦平面陣列（FPA）其對角線上每一表面NITD的貢獻(xiàn)，圖中右側(cè)為各個表面的標(biāo)注。

2）表面NITD貢獻(xiàn) vs視場（以光軸為參考）

含DC偏移的焦平面陣列探測器對角線上表面NITD貢獻(xiàn)已繪制在圖中，各表面由圖中右邊標(biāo)注標(biāo)明。這幅圖重點(diǎn)突出了焦平面陣列對角線上每個表面的NITD貢獻(xiàn)。在多個面的設(shè)計當(dāng)中，因?yàn)轭伾舜私咏?，所以很難決定哪個面對應(yīng)圖中的哪個曲線。因此，最好使用下面給出的（使用ZPL關(guān)鍵字PLOT2D以偽彩圖為DISPLAYTYPE所繪制的）表面NITD貢獻(xiàn)vs視場圖來確定哪個表面的NITD貢獻(xiàn)是最多的。

3）表面NITD貢獻(xiàn) vs視場(PLOT2D, 表面)

圖中所示為使用PLOT2D，以表面為DISPLAYTYPE繪制的含DC偏移，沿FPA對角線表面NITD的貢獻(xiàn)。這幅圖使用3D突出顯示了FPA對角線上每個表面的貢獻(xiàn)。表面數(shù)隨著坐標(biāo)軸向里移動而增加。

4）表面NITD貢獻(xiàn) vs視場(PLOT2D, 偽彩圖)

圖中所示為使用PLOT2D，以偽彩圖為DISPLAYTYPE繪制的含DC偏移，沿FPA對角線表面NITD的貢獻(xiàn)。水平方向是FPA對角線方向，垂直方向是表面數(shù)。表面數(shù)沿軸向上增加。比例尺上的數(shù)值不是計算值而是默認(rèn)值。

5）總NITD vs視場

圖中給出FPA對角線上總NITD貢獻(xiàn)。

6）沿FPA總NITD

圖中給出FPA上總NITD貢獻(xiàn)。這是通過鏡頭組在像面上得到的貢獻(xiàn)值圖像，也是NITD的直觀表現(xiàn)。

7）“NarcAnalysis Results.txt”文件

作為最終輸出，數(shù)據(jù)結(jié)果“NarcAnalysis Result.txt”以文本文檔的形式保存在到設(shè)計文件夾中。文本文件包含設(shè)計文件路徑，工作波長，溫度數(shù)據(jù)（機(jī)械結(jié)構(gòu)，探測器，環(huán)境），冷反射表面數(shù)，光學(xué)透過率，對視場的每個表面NITD分布，總NITD，冷反射的漸暈數(shù)據(jù)，鬼像文件的透射率數(shù)據(jù)，yni數(shù)據(jù)和i/ibar數(shù)據(jù)。