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(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器的圖像，當(dāng)(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(xiàn)和總NITD結(jié)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(yīng)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(dǎo)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(dá)探測器。如果鏡頭設(shè)計不當(dāng)，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(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器設(shè)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(guān)心的表面i的平均透射率。
以上等式機基于下假設(shè)：
假設(shè)探測器的歸一化光譜響應(yīng)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(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上是恒定的。即t0(λ), tj(λ) 和Rj(λ)與波長無關(guān)。
假設(shè)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(shè)

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(shè)計的。
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)對稱系統(tǒng)。
只包含一種結(jié)構(gòu)。
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(shè)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(dāng)前設(shè)計文件夾下。用戶還應(yīng)該通過在分析窗口的設(shè)置對話框中單擊保存來保存漸暈圖中的設(shè)置。

在進(jìn)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(xiàn)和總NITD。

使用示例文件運行宏

為了進(jìn)行示例運行，設(shè)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：

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

接下來，運行鬼像分析工具。對于本例，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(dāng)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(jié)果

各表面NITD貢獻(xiàn) VS 視場(離軸參考)

在沒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(軸上參考)

表面NITD的貢獻(xiàn)被繪制在焦平面陣列(FPA)對角線大小的圖中，并在圖的右側(cè)標(biāo)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(shè)計中，由于顏色彼此接近，很難確定這個圖中哪個表面對應(yīng)于哪個曲線。因此，為了確定對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 (Plot2D偽彩色)圖。

各表面NITD貢獻(xiàn)圖 VS 視場 (Plot2D表面)

含直流偏置的各表面NITD貢獻(xiàn)繪制在FPA對角線大小的圖上并應(yīng)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(xiàn)圖 VS 視場 (Plot2D偽彩色)

含直流偏置的各表面NITD貢獻(xiàn)繪制在FPA對角線大小的圖上并應(yīng)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(rèn)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(jié)果被寫入設(shè)計文件夾中的文本文件“NarcAnalysis results .txt”中。該文本文件包含設(shè)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(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.)