多光谱制冷型红外系统杂散辐射抑制技术研究

于海滨, 王晓锋, 潘枝峰, 任伟锋, 蔡 猛

(1.光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000； 2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000； 3.中航技进出口有限责任公司，北京 100000)

0 引言

红外成像系统是一种探测精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强的被动成像系统，在探测、遥感、通信、医疗等多领域中得到广泛应用[1]。随着红外系统的应用越来越多，对其成像系统的灵敏度和成像质量提出了更高的要求。为了提高红外光学系统的灵敏度，通常采用制冷型红外探测器。制冷型红外探测器的孔径光阑及滤光片位于探测器内部，要求光学系统的光谱响应范围与探测器的光谱相匹配，也要求探测器的F数与光学系统的F数相匹配，满足100%的冷光阑效率。但是，由于红外探测器是对热的探测，任何高于绝对零度的物体都会存在热辐射[2]，这就导致了制冷型红外探测器不可避免地受到热噪声的影响，易受杂散热辐射影响成像质量。

目前，国内外均有文献对红外成像系统的杂散光进行分析，文献[3]通过对不同的外遮光罩的结构设计来分析杂散光对星敏感器的影响；文献[4]对鬼像及视场外的太阳杂散光对其光学系统的影响进行了研究；文献[5]设计了一种新的杂散辐射抑制方法；文献[6-7]采用参数YNI与I/Ibar对冷反射进行研究。但是国内外很少有学者对多光谱制冷型红外系统中分色滤光片引入的杂散光进行研究。

多光谱红外成像技术是目前红外成像系统中的一个重要发展方向[8]。在多光谱红外成像中，往往需要在光学系统和探测器光窗之间加入分色滤光片，分色滤光片的波段比红外探测器冷光阑附近处的滤光片波段窄，导致系统外界其他波段的杂散辐射被分色滤光片反射进入制冷型红外探测器中产生热噪声，严重影响系统的成像质量，因而在光学系统设计时必须严格控制。

本文设计了一个多光谱制冷型红外系统，针对其分色滤光片引入外界杂散热辐射的问题，设计了一个热辐射抑制光阑，对其表面形状及位置反复迭代优化，使其能将从制冷型探测器内发出的辐射经过滤光片反射到热辐射抑制光阑处再反射回探测器内，利用TracePro进行仿真验证，经验证可知对系统外界杂散辐射具有很大程度的抑制作用。并且，热辐射抑制光阑工作在不需要制冷的情况下，极大程度地降低了成本，具有较高的工程应用价值。

1 理论分析

红外系统的杂散辐射主要包括光学系统内结构件经光学元件透射或反射到探测器的热辐射、光学元件自身的辐射以及外界经过分色滤光片反射进探测器的辐射[9]，如图1所示。

图1 杂散辐射来源Fig.1 Source of stray radiation

制冷型红外探测器内部是真空制冷的，其中的冷光阑和滤光片温度都很低，并且由于冷光阑的存在，阻挡了机械结构的自发热辐射传到探测器光敏面上[10]。

根据普朗克公式，黑体在λ1～λ2光谱波段辐射出射度为[11]

(1)

式中:C1=3.741 5×104W/(cm2·μm2)为第一辐射常数;C2=1.438 8×104μm·K为第二辐射常数;δ=5.67×10-12W/cm2·μm4为斯蒂芬-玻耳兹曼常数;z(x2)-z(x1)为λ1～λ2光谱波段辐射参数。

探测器工作温度为77 K，由式(1)可知，探测器的辐射不足常温外界热辐射的万分之一，因此，系统外界的辐射对制冷型红外探测器的成像质量有很大的影响。

为了抑制系统外界的杂散辐射，红外光学系统有一些特殊的方法。如降低系统部件及附近的温度，但是会使成本大幅提高[12];也可以降低系统部件表面的辐射率，但随着辐射率的降低，其反射率会增大，继而引入反射噪声[13]。

由于分色滤光片的存在，探测器接收到了设计视场之外的热辐射，如果采取合适的措施，使探测器像面仍然接收到自身内部的热辐射，也就是使探测器冷源的辐射均匀地返回到探测器像面处，就可以大幅度减弱系统外界的杂散辐射，达到均匀像面照度的目的。

本文为抑制外界杂散辐射设计了一个热辐射抑制光阑，使探测器发出的经过分色滤光片反射到外界的冷光线被热辐射抑制光阑再反射回到探测器内。其难点就是需要对热辐射抑制光阑的形状、位置进行优化和相互迭代，设计难度较大。

(2)

(3)

(4)

(5)

合并式(2)～(5)得到

(6)

通过式(6)对热辐射抑制光阑的表面形状及位置不断进行优化，优化使光线经热辐射抑制光阑反射后均匀分布在探测器像面上，虽然可以大幅度抑制进入探测器内部的外界热辐射，但也引进了热辐射抑制光阑自身的热辐射。

热辐射抑制光阑可以作为一个发射率为εr的灰体辐射源，其辐射率为[11]

(7)

式中：εr表示热辐射抑制光阑表面的光谱发射率；W(λ,Tr)为黑体在半球内的辐射。

在热辐射抑制光阑表面镀高反射薄膜后，其发射率εr=0.01[15]。由探测器发出的冷光经分色滤光片反射到外界后均被此热辐射抑制光阑反射回探测器内部，就可以认为外界辐射无法经此热辐射抑制光阑反射进入探测器内，由此可得到杂散辐射只剩下发射率为εr=0.01的热辐射抑制光阑辐射，极大程度地降低了外界的杂散辐射。

针对加入分色滤光片的多光谱制冷型光学中波红外系统，由分色滤光片反射进入探测器的杂散辐射对系统成像质量有较大的影响。

本文提出了一种抑制杂散辐射的方法，即设计了一个热辐射抑制光阑，对其表面形状及位置不断迭代仿真优化，使探测器冷屏发出的光线经过热辐射抑制光阑反射回探测器内部，达到减小光学系统外界杂散辐射对像面影响的目的。

2 光学系统设计

使用CODE V软件设计了一个制冷型中波红外多光谱成像光学系统，光谱分为3.7～3.9 μm，3.9～4.1 μm，4.4～4.6 μm，4.6～4.8 μm，3.7～4.8 μm 5个波段[16]。分色滤光片采用圆盘形，均分为以上5个波段，采用旋转的方式选择不同工作波段，红外探测器可以依次获得以上5个波段的红外图像，分色滤光片形状如图2所示。

图2 分色滤光片Fig.2 Color separation filter

所选的探测器的F数与光学系统的F数相匹配，满足100%的冷光阑效率，孔径光阑设置在冷光阑上。系统采用二次成像形式，共有7块透镜，采用了单晶硅、硫化锌、单晶锗材料来消除热差[17]，采用了3块非球面，分别为第2，5，6片透镜的第一面，设计参数见表1，经过优化设计得到制冷型中波红外系统在33 lp/mm处的MTF在0.5以上，满足系统要求。光学系统二维图和MTF如图3所示。

表1 光学系统设计参数Table 1 Design parameters of the optical system

图3 光学系统图和MTFFig.3 Optical system and MTF

对此红外光学系统到达像面的热辐射噪声用TracePro进行建模仿真，图4为系统仿真结构图。

图4 系统仿真结构图Fig.4 System simulation structure diagram

对镜筒内壁的热辐射进行建模分析，将镜筒内表面设置为朗伯黑体辐射全吸收模式，将探测器冷光阑设置为100%吸收，探测器内温度设置为77 K，探测器外温度设置为300 K[18]，分色滤光片工作波段设置为4.6～4.8 μm，追迹5×106根光线，得到像面仿真结果如图5(a)所示，光线追迹得到镜筒热辐射下探测器像面上的总光通量为6.023 1E-9W。

就目前镀膜技术的发展情况而言，光学镜片镀膜后透过率最高能达到99%以上，其反射率和吸收率均为0.005。设置光学镜片为300 K发射率为0.005的灰体辐射源，追迹5×106根光线得到像面仿真结果如图5(b)所示，得到镜片热辐射下探测器像面上的总光通量为7.404 7E-10 W。

将探测器像面设置为77 K发射率为0.99的灰体辐射源，追迹5×106根光线得到像面辐照度如图5(c)所示，由探测器像面发出的冷光线经过光学系统透镜的反射回到探测器像面上的总光通量为1.511 5E-21 W。

波段为3.7～4.6 μm的外界辐射会通过分色滤光片反射进入探测器内，在探测器外界设置一个温度为300 K辐射源，追迹5×106根光线，得到像面仿真结果如图5(d)所示，可知由于外界热辐射进入，探测器像面上会形成一个圆环像，其光通量为7.612 3E-8 W，远大于上述杂散辐射。

图5 像面辐照度图Fig.5 Diagram of image surface irradiance

综上所述，探测器内部冷屏辐射和光学镜片自身辐射远远小于其他杂散辐射，可以忽略不计。由分色滤光片引入的杂散辐射占总杂散辐射的92%，所以本文主要对滤光片引入热辐射噪声进行抑制，将极大提升探测性能。

3 热辐射抑制光阑设计

探测器冷光阑处的滤光片为3.7～4.8 μm，选取分色滤光片中的工作波段为4.6～4.8 μm，探测器发出的波段为3.7～4.6 μm的一部分冷光线会被这个滤光片反射出去，由于光路是可逆的，这就导致了外界波段为3.7～4.6 μm的杂散辐射会通过此光路经过滤光片反射进入探测器中干扰系统成像，影响系统成像质量。

对此，在探测器外壁上设计了一个热辐射抑制光阑，对其位置和形状进行迭代优化，使经过滤光片反射到外界的冷光线经过热辐射抑制光阑反射回探测器内。

首先在探测器上设置一个平面热辐射抑制光阑，不断更改其曲率半径及位置，使热辐射抑制光阑表面上入射光线和反射光线夹角尽量小，迭代到一定程度后采取非球面的形式继续优化，在入射光线和反射光线夹角较小时，继续优化使光线经热辐射抑制光阑反射后均匀分布在探测器像面上。

经分色滤光片反射出探测器的光线都会经过热辐射抑制光阑反射回探测器内，光路图如图6(a)所示。剩余部分光线经分色滤光片直接反射回探测器内，光路图如图6(b)所示。

图6 光线追迹图Fig.6 Light tracing

热辐射抑制光阑套在探测器外壁上工作，结构图及工作位置如图7所示。

图7 热辐射抑制光阑工作位置Fig.7 Working position of thermal radiation suppression stop

在实际产品中为补偿光学系统的像差，探测器位置有可能会前后移动，若热辐射抑制光阑与探测器之间相对距离不固定，有可能导致热辐射抑制光阑位置与设计不符，因此最好能将热辐射抑制光阑固定在红外探测器上，并在实际装调中对热辐射抑制光阑与探测器之间的位置进行严格监控。

热辐射抑制光阑所用材料为铝，其设计参数见表2。

表2 热辐射抑制光阑设计参数Table 2 Design parameters of the thermal radiationsuppression stop

4 仿真对比分析

在加入热辐射抑制光阑前，系统的总杂散辐射包括镜片自身热辐射、镜筒内壁热辐射、探测器像面自身辐射以及分色滤光片引入的外界杂散辐射。现同时对各个杂散辐射源追迹5×106根光线，追迹总计2×107根光线得到像面仿真结果如图8(a)所示，得知系统加入热辐射抑制光阑前总杂散辐射到像面上的光通量为7.972 9E-8 W。

加入热辐射抑制光阑后，设置热辐射抑制光阑为1%的灰体辐射源，反射率为99%，对镜面、镜筒、冷屏、热辐射抑制光阑等杂散辐射源分别追迹5×106根光线，追迹总计2×107根光线得到像面仿真结果如图8(b)所示，总杂散辐射到像面上的光通量为7.026 6E-9 W。

图8 像面总辐照度仿真图Fig.8 Diagram of image surface total irradiance

对比图8(a)和图8(b)可知，加入热辐射抑制光阑后，总的杂散辐射降为之前总杂散辐射的8.8%，对系统杂散辐射有很大程度的抑制，并且像面上辐照度分布更加均匀，对提升像质有很大的作用。

5 结论

本文在用CODE V对制冷型多光谱红外光学系统设计基础上，针对分色滤光片引入大量外界杂散热辐射的问题，开展了对系统杂散辐射来源及对成像质量影响的研究，提出了一种热辐射抑制光阑的设计方法，对多光谱红外系统中主要杂散辐射进行抑制，并且用TracePro软件对系统进行了建模仿真，达到了很大程度上抑制系统主要杂散辐射的目的，使总杂散辐射降为原先总杂散辐射的8.8%。表明设计热辐射抑制光阑后，有效地降低了杂散热辐射对系统的影响，改善了成像质量，提高了系统的工作效率，并且此热辐射抑制光阑无需进行制冷，节约成本，在工程中具有较高的应用价值。