“猫眼”效应的反射率测试研究

王 勇 冯屹朝 刘永鸿

（防空兵指挥学院，河南 郑州 450052）

“猫眼”效应的反射率测试研究

王 勇 冯屹朝 刘永鸿

（防空兵指挥学院，河南 郑州 450052）

分析了“猫眼”目标的结构特征及其反射面材料的光学性质，总结“猫眼”目标反射率测试时应注意的问题，探讨出一种行之有效的对称双光路的方法，使反射率测量达到精度高、重复性好和环境要求低的设计要求。

反射率；“猫眼”效应；对称双光路；“猫眼”目标；合作目标

反射率的测量是光学领域的一个重要研究方向，它不仅与反射表面的状态有关，而且与入射光通量的几何参数、光谱参数有关。一般反射率测量系统都由四部分组成：光源，测量原理，测量主体，探测器。测量主体指实现测量原理的光路装置，由待测对象和其他辅助镜片组成。

（一）“猫眼”目标的结构及反射面材料特性

1.“猫眼”目标结构

光射向物体表面时产生反射，除了发生镜面反射和漫反射外，还有一种特殊的反射，即回归反射。回归反射是指一束光线射向回归反射物体时，由于该物体的特殊结构，光线在其中发生一系列的折射和反射，最后光线平行地射回光源方向。严格意义上的“猫眼”反射体发生的反射即属于这种反射。玻璃“猫眼”的结构及反射上视图如图1所示。

图1 “猫眼”结构及反射上视图

此“猫眼”的基体为强化玻璃，它由上下截顶半球体组成，下截顶半球体的外表面为一金属或半导体反射层，即反射面。入射光线进入玻璃基体后，颈上截顶半球体折射后到达下截顶半球体的反射层，再经反射和上截顶半球体的折射，产生平行于入射光线的反射光线。

光学研究中泛指的“猫眼”目标一般指光学系统的镜头，它一般是由多个透镜和光学探测器或分化板组成，一般可以将其近似简化成一个透镜和一个反射面的组合。如图2所示。

图2 “猫眼”目标反射简化示意图

它们的共同特点是有集光本领，即将入射的平行光成像到焦平面上或汇聚到位于焦点的探测器平面处，并且经其反射后原路返回。由于激光照射“猫眼”目标镜头产生的后向反射光方向性好，所以能量集中，亮度好，这种反射即近似为回归反射，所以可以近似看成是“猫眼”反射体。

2.反射材料特性

光学“猫眼”目标的反射面一般为光电探测器。从理论上讲，光电探测器表面材料很多，但由于光学侦察卫星等光学镜头要达到它的测量目的和测量用途，一般会考虑选用高反射率或是高熔点等特性的材料，另外会考虑其耐腐蚀性等等。因此光电探测器中，最具有代表性的是由半导体硅制成的，各种探测器由于表面结构多层化，也使得对反射情况进行分析时变得比较复杂。下面对典型的硅光电二极管进行分析，其剖面示意图如图3所示。

图3 典型的硅光电二极管结构

硅光电二极管，除内部p-n结的结构以外，表面还有一层介质保护膜(一般是SiO2保护膜)，起着保护硅的活性表面和减少应用光辐射波段反射比的作用；硅片下面有一层蒸镀的Au电极，对穿透硅层的光有很强的反射作用。因此，入射在硅光电二极管上的光辐射要受到上、下表面的反射，即SiO2表面、硅的上表面和下表面Au电极的反射。对带有玻璃窗口的硅光电二极管，由于窗口的影响，反射光斑又要受到窗口玻璃(一般用K9玻璃)两个表面的分离，会出现辐射通量不同的多个反射光斑。确切地说，光电二极管的表面反射损失，除窗口玻璃，SiO2镀层、硅上表面的反射损失以外，还包括硅下表面镀Au电极的反射损失，这一点不可忽略。有时，下表面的损失还大于上表面的损失。在测量时，必须选用性能良好的大面积探测器，并且要细心地调整，把所有的反射光斑都收人辐射测量之中。

由于硅光电二极管表面工艺好，平整而光滑，具有光学表面性质，可以近似地看作镜面反射，即可简化问题。

（二）测量装置设计

根据“猫眼”目标的结构和反射原理，以及光电探测器表面材料的特性分析，探讨测量反射率时应该注意和解决的问题：

1.由于“猫眼”目标反射光原路返回的特点，必须考虑解决入射光与反射光的光路相互干扰不易测量反射率的问题。

2.光电探测器等反射面有多层结构，反射光斑不只一个，特别是有窗口玻璃的，会出现多个辐射通量不同的反射光斑，在测量时必须仔细地调整并选用接收面积大的探测器，才能把所有的反射光斑收入辐射测量计之中。

3.测量系统装置尽量在封闭的暗室内，避免杂散光的影响。

根据以上的分析，设计出的测试图如图4所示。

图4 实验装置示意图

图中，1.06µm激光经扩束光学系统后，入射到分束器1后一分为二。A光束进入分束器2，一部分进入光陷井2被吸收，一部分经可移动光阑入射到“猫眼”目标后反射后沿原光路返回经分束器2进入光电接收器1。B光束经全全反镜进入分束器3，一部分进入光陷井3被吸收，一部分入射到标准反射镜后，沿原光路返回分束器3，再进入光电接收器2。

采用对称双光路比较测量法，分束器的分光比为1∶l。标准全反镜、活动全反镜是同样的反射板、反射率为99%。开始时，先将活动全反镜送入测试台，这时A光束、B光束分别入射到活动全反镜和标准全反镜上，被反射后分别进入光电接收器1和2。经光电接收器转换为电信号，再经放大、比较、调整电参数，使之输出相等。这样，光电接收器2接收的光通量可代表“猫眼”目标的入射光通量 ，然后将活动全反镜退出测试台，装入待测“猫眼”目标。这时光电接收器1接收的光通量是“猫眼”目标的反射光通量Qφ，则目标的反射率Q=φQ/φ。

至此，解决了目标入射光与反射光的光路干扰不易测量反射率的问题。测试台可作小角度范围的转动，用以测量入射光在不同入射角度时反光板的反射率的情况。

（三）测量结果

1.按照试验装置图来组装仪器，包括1.06µm YAG激光器、扩束器、分束器、全反射镜、光陷井、可移动光阑、PIN光电二极管（光电接收器），300MHz7DS 3032B示波器（用于测量波形幅度），模拟“猫眼”目标（伽利略式光学镜头）。分束器要求对波长为1.06µm的激光在45度入射时反射、透射光通量相等(分光比为1∶1)。全反射镜、固定和活动全反镜对波长为1.06µm的光谱来说，其反射率为99%。

2.用本装置对模拟的“猫眼”目标进行测试，激光器与猫眼目标相距20米，测试结果如图5所示。

图5 反射率与入射角度关系曲线图

（四）结论

实验中，“猫眼”目标对1.06µm激光的反射率最高能达到5%左右，说明了“猫眼”效应的存在，反射率与入射角度关系密切，基本上是垂直入射时反射率最高，角度越大反射率越小。

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TP391.9

A

1008-1151(2010)04-0057-02

2010-01-19

王勇（1982－），男，四川西昌人，防空兵指挥学院讲师，研究领域为指挥控制系统仿真与指挥系统决策。