CN105547649B

CN105547649B - 一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法

Info

Publication number: CN105547649B
Application number: CN201510901175.4A
Authority: CN
Inventors: 任国栋; 赵延; 兰卫华; 张良
Original assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Current assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Priority date: 2015-12-05
Filing date: 2015-12-05
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2035-12-05
Also published as: CN105547649A

Abstract

本发明涉及一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，通过测量红外镜头的杂散辐射系数，获取红外镜头的光学结构和参数，并将所述镜头的光学结构导入杂散光分析软件中，建立该镜头的光机结构模型。依据所建立的光机结构模型，搜寻该镜头各表面的“关键表面”以及不同光线入射角对应的“照明表面”；检测出所建模型中既存在“关键表面”又存在“照明表面”的部分，表明这所建立的模型在这个角度有杂散辐射传输路径的存在，根据检测得到的杂散辐射传输路径采取对应的抑制措施。本发明实现更为全面准确的分析红外镜头产生的杂散辐射，有助于后期进行更为有针对性的准确的抑制措施，进而最大程度消除杂散辐射对红外镜头的影响。

Description

一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法

技术领域

本发明涉及一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，属于光机仿真的技术领域。

背景技术

短波红外成像镜头接收视场内景物反射的短波红外光，如大部分自然物体，和高温目标的自辐射光，如太阳、高温尾焰等，并将其成像在探测器上。从波段范围来说，接近可见光波段而具有一定相通性，但又属于红外系统而具有能量辐射的特征。杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，产生于漏光、透射光学表面的残余反射、镜筒内壁等非光学表面的残余散射，以及由于光学表面质量问题产生的散射光。对于红外光学系统还有因系统自身热辐射产生的杂散光。红外成像系统中的杂散辐射会降低像面的对比度和调制传递函数，使整个像面的层次减少、清晰度变坏、能量分布混乱甚至形成杂光斑点，严重时使目标信号完全被杂散辐射噪声所淹没。

随着红外探测器的响应能力日益提高，其对微弱辐射的探测能力越来越强。因此红外成像系统的杂散辐射问题成为影响系统成像质量的重要因素。对于红外系统，杂散光的来源主要包括四类：第一类是外部杂散光，是由外部点光源产生，如太阳、月亮等，经反射、散射或直接照射到光学系统入口面并传递到探测器靶面。第二类是视场内亮背景引起的杂散光，背景辐射是红外系统必须接收到的辐射。例如：白天，天空背景的红外辐射是散射太阳光和大气热辐射的组合。夜间，是散射的月光和大气的热辐射的组合。第三类是由于设计、污染或制造原因引起，光学窗口、透镜、反射镜等光学元件对视场内目标光线的不正常光路传输或者散射形成的杂散光。第四类是探测系统自身热辐射产生的杂散辐射，称为内部杂散光。

传统的红外系统杂散辐射分析技术多是针对大口径、遮挡要求严格、工作在中长波段的反射式红外成像系统，如《红外与激光工程》第36卷第3期，第300-304页所述的，岑兆丰等人对典型的长波卡塞格林折反式照相物镜进行了详细的杂散光分析。对于可见光系统，鬼像分析作为其杂散光的主要代表，在一些光学设计软件，如CODE V中得到了极大的发展，但其仅仅涉及到透镜表面的二次反射形成光斑，甚至成像。因此，寻找便捷有效的红外杂散辐射的检测方法很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，本发明提出了一种检测效果更为优秀全面的红外镜头杂散辐射的检测方法。

本发明是通过如下方案予以实现的：

一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，测量红外镜头的杂散辐射系数，获取红外镜头的光学结构和参数，并将所述镜头的光学结构导入杂散光分析软件中，建立该镜头的光机结构模型；

步骤2，依据步骤1所建立的光机结构模型，从模型中镜头表面的像面位置建立和像面同样大小的面光源进行反向光线追迹，将其中所有能被面光源照到的表面作为“关键表面”；然后，对光机结构模型中镜头表面分别采用不同入射角的平行光源进行正向光线追迹，追迹时要保证平行光源能够覆盖镜头的入瞳，将其中不同角度的光线入射时都能被照到的表面作为“照明表面”；

步骤3，检测出所建模型中既存在“关键表面”又存在“照明表面”的部分，表明该镜头表面有杂散辐射传输路径存在，根据检测得到的杂散辐射传输路径对该镜头采取对应的抑制措施。

进一步的，步骤1中还在杂散光分析软件中对红外镜头添加必要结构件，用于对短波镜头进行支撑和固定，并在软件中修改光学元件和结构件的大小与位置从而形成所述镜头的光机结构模型。

进一步的，在所建立的短波镜头光机结构模型中，还给所述的短波镜头和结构件加载光学属性包括：反射、透射、吸收和散射，并且在该模型中设立合理的光源和追迹条件。

进一步的，所述的杂散辐射传输路径分为0级杂散辐射传输路径和1级杂散辐射路径；所述的0级杂散辐射传输路径为杂散辐射传输路径的传输方式是直接透射的；所述的1级杂散辐射路径为杂散辐射传输路径的传输方式是散射方式传输的。

进一步的，所述的抑制措施包括：(1)在镜头上加遮光罩和挡光结构来减小镜头源表面对镜头接收表面的角系数F；(2)对镜头的源表面进行表面处理降低BRDF；(3)降低镜头的降低表面温度来减小镜头源表面的热辐射

本发明和现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，通过在测量红外镜头的杂散辐射系数，获取红外镜头的光学结构和参数。然后将该镜头的光学结构导入杂散光分析软件中，建立该镜头的光机结构模型。根据所建立的模型确定镜头各表面的“关键表面”和不同入射角度下的“照明表面”，将“关键表面”和“照明表面”的重叠部分认为存在杂散辐射路径，并对该路径进行分类，从而实现对短波红外镜头杂散辐射的检测。根据检测结果即可以采取相应的措施进行准确的抑制。本发明经过适当调整来开展对短波红外镜头的杂散辐射分析，找到可能的杂散辐射路径，从而更为全面准确的分析红外镜头产生的杂散辐射，有助于后期进行更为有针对性的抑制措施，进而最大程度消除杂散辐射对红外镜头的影响。

附图说明

图1是本发明是实施例的方法流程图；

图2是本发明是实施例的杂散辐射能量传输图；

图3是本发明是实施例的短波镜头的杂散辐射系数测量结果；

图4是本发明是实施例的短波镜头的PST测量结果；

图5是本发明是实施例的短波镜头的光机结构模型；

图6是本发明是实施例的该短波镜头的参数；

图7是本发明是实施例的该短波镜头的光学结构；

图8是本发明是实施例的短波镜头的光学构型；

图9是本发明是实施例的短波镜头的各部分结构图；

图10是本发明是实施例的短波镜头的整体外部结构图；

图11是本发明是实施例的光线追迹验证模型的准确度；

图12是本发明是实施例的各个角度的光线追迹表；

图13是本发明是实施例的经透镜6后凸台面出射光线入射像面的路径仿真图；

图14是本发明是实施例的经透镜3和5凸台面出射光线入射像面的路径仿真图；

图15是本发明是实施例的经透镜5后凸台面出射光线入射像面的路径仿真图；

图16是本发明是实施例的透镜5和6之间隔圈散射光线入射路径图；

图17是本发明是实施例的采取抑制措施前后的PST测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，具体步骤如下：

步骤(一)，利用杂散光测量仪测量该短波红外镜头的PST和杂散辐射系数，即为到达探测器靶面的杂散辐射照度与到达探测器靶面的所有辐射照度的比值，如图3所示。

步骤(二)，依据最靠近镜头最终的加工投产文档，建立准确的镜头光机结构模型。具体方式如下：

1)获取短波红外镜头的光学结构和参数(如图6和图7)，将该短波红外镜头光学结构导入杂散光分析软件中建立镜头光机结构模型，并对该模型进行修复，即通将该镜头的必要结构件导入杂散光分析软件中，用于实现对镜头原件进行支撑和固定。然后，适当修改光学元件和结构件的大小与位置后，使两者准确地结合在一起，形成一个完整的模型。

2)如图11所示，对上述形成的模型进行简单那的光线追迹，验证所建立的镜头光机结构模型的准确性。然后在此基础上，对所建立模型中镜头的光学件和结构件添加合适的光学属性，主要包括：反射、透射、吸收和散射等特性(如表1)，以便于进行接下来的光线追迹和杂散辐射仿真分析。

表1.短波镜头表面属性赋值

名称	表面属性	吸收	反射	透射	BRDF	BTDF
							透镜	Lens	0.01	0.01	0.9797	0.00015	0.00015
镜筒	自定义	0.8	0.1	0	0.1	0
							光阑	Black Paint	0.9	1e-005	0	0.09999	0
像面	Absorber	1	0	0	0	0

3)对所建立的模型设立合理的光源和追迹条件包括：波长、大小、光线分裂数、随机种子数以及光线截止光通量等参数。

步骤(三)、光线追迹分析：

根据上述建立的模型，从模型中镜头表面的像面位置建立和像面同样大小的面光源进行反向光线追迹，将其中所有能被面光源照到的表面作为“关键表面”；然后，对光机结构模型中镜头表面分别采用不同入射角的平行光源进行正向光线追迹，追迹时要保证平行光源能够覆盖镜头的入瞳，将其中不同角度的光线入射时都能被照到的表面作为“照明表面”；然后，将在记录下的“关键表面”和不同入射角下的“照明表面”制作在同一个表格中(如图12)。

步骤(四)、确定杂散辐射传输路径：

如图12所示，第一列是短波红外镜头所有物体(表面)的编号，第二列是所有物体(表面)编号对应的名字，第三列带星号的表格表明这个表面是“关键表面”，之后的每列带星号的表格表示在不同角度入射的光线进行正向追迹时该表面可以成为“照明表面”。

图12中对于灰色表明的行表示镜头对应的表明即是关键表面又是照明表面，说明这个表面在对应的入射角时，可以有光通过散射或者透射的方式传输到探测器的像面，即认为在这个角度有杂散辐射传输路径的存在。如果杂散辐射传输路径的传输方式为直接投射，表明为0级杂散辐射传输路径(如图14)；如果杂散辐射传输路径的传输方式为散射，表明为1级杂散辐射传输路径(如图16)。然后，提取所述镜头各表面对应的杂散辐射传输路径，并根据各杂散辐射传输路径采取对应的抑制措施。

对短波红外镜头杂散辐射传输的抑制措施如下：

因短波红外属于红外辐射领域，不能直接借用可见光的光线追迹的手段，必须通过辐射传输来实现能量分析。如图2所示，有两个朗伯微表面元dA_s和dA_r，相距为l，两面的法线与l的夹角分别为θ_s和θ_r，由dA_s向dA_r发射的辐射功率为：

定义源表面对接收表面的角系数F_s→r为：

根据朗伯辐射表面BRDF的定义可知：

dΦ_s＝E_s·A_s

对于两个有限的表面，有：Φ_r＝Φ_s·BRDF_s·F_s→r·π。

接收表面所接收到的能量是源表面发出的辐射功率Φ_s，源表面BRDF、源表面对接收表面的角系数F_s→r三个因子的乘积。因此，根据上述杂散辐射传递公式和分析结果，要抑制红外镜头的杂散辐射，可以通过以下方面实现：(1)加遮光罩和挡光结构来减小源表面对接收表面的角系数F；(2)对源表面进行表面处理降低BRDF；(3)降低表面温度来减小源表面的热辐射。具体的抑制措施包括：设计遮光罩和挡光环、涂消杂散光涂料、利用光阑的组合抑制、温度控制、污染控制挡光环、增加表面涂层、使表面发黑等。

针对杂散辐射抑制效果的评价，利用点源透过率(PST)或者杂散辐射系数来评价杂散辐射的抑制效果，根据红外系统的信噪比要求来确定系统的杂散辐射系数或者点源透射率指标；以此为根据来评价镜头的杂散辐射抑制效果，具体如下：

(1)点源透射率：评价一个系统对外部杂散辐射的衰减能力通常用点源透射率函数PST来表示。它表示探测系统对外部杂散辐射的衰减能力，是探测系统本身的特性，与外部杂散辐射的大小无关。PST定义为：经光学系统后在探测器靶面产生的辐照度与其在光学系统入口处的辐照度的比值。其数学表达为：

(2)杂散辐射系数：为了评价最终到达探测器靶面的杂散辐射，引入了杂散辐射系数。其大小为到达探测器靶面的杂散辐射照度与到达探测器靶面的所有辐射照度的比值，通常用V来表示。即：

下面以一个具体实例证明上述检测方法的有效性。

1)对短波镜头的PST和杂散辐射系数进行测量，测量结果如图3和图4所示。

通过测量发现该镜头存在严重的视场外杂散辐射，需要根据镜头的光学系统参数建立模型进行分析。

2)建立短波红外镜头的光机模型：

本实例中该短波红外镜头为直筒折射式结构，光学参数如表2所示，光学系统结构设计图如图7所示。在tracepro软件中建立光机结构模型如图5所示，并赋予镜头各表面属性如表3。

表2短波镜头参数表

表3短波镜头表面属性赋值

通过建立模型过程，可以发现系统本来存在的缺陷。在本实施方案中，此镜头就存在隔圈或压圈设计问题，未将有效口径外的表面遮挡，形成外露凸台面，因此极有可能引起杂散光的入射，也就作为后期分析追迹路径必须考虑的一个方面。

最后，在所建立的模型中设立光源进行光线追迹为格点光源，光源半径为20mm，环数为200。

3)确定杂散辐射传输路径：

通过依次摸排，先以1°的方向角步进进行路径粗寻找，从0视场开始，直到无光进入光学系统为止，找到系统像面上的杂散光，即非正常光路；在依据可能的、嫌疑路径，进行细排，缩小方向角步长。因系统为旋转对称系统，因此，最大范围就是0-180°范围，考虑镜筒边缘以及系统视场角，角度范围会更小。

如图13、14、15和16，最终在此镜头模型中找出四条可能的杂散辐射路径分别为：(1)经过正常光路之后由透镜6的凸台面出射(图13)；(2)经由透镜5的后凸台面至透镜6的有效口径内出射(图15)；(3)经透镜3和5凸台面出射光线入射像面(图14)；(4)透镜5和6之间隔圈散射光线入射(图16)；

4)根据上述杂散路径采取的杂散辐射抑制措施如下：

依据路径结果，根据杂散辐射消除方法理论，采取杂散辐射抑制措施，具体如下：

a、经过正常光路之后由透镜6的凸台面出射，可以通过修改镜筒对应位置的结构件口径，达到遮挡此凸台面的目的，从而实现消除此亮环。

b、经由透镜5的后凸台面至透镜6的有效口径内出射，可以通过涂黑或者加相应口径的涂黑垫片遮挡的方式实现消除。

c、因散射特性导致的杂散辐射，可以对其进行涂黑处理，或者根据有效光路口径尽量减少关键表面的面积，如圆柱透镜边缘改为椎体，但这可能会引起加工装配问题。

d、镜头入射面缺少遮光罩也是造成其杂散辐射的一个重要原因，因此可以采取加装遮光罩的方式减少视场外光线的入射量。

综上所述，在工程计算中，一般认为杂散辐射的像面辐照度要低于成像光像面辐照度一个数量级可以满足系统的杂散辐射抑制需要。如图17中所示，采取有效抑制措施后，对比图4整个镜头的外部杂散辐射点源透过率下降了3个数量级，可以满足系统的杂散辐射抑制需要。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤3，检测出所建模型中既存在“关键表面”又存在“照明表面”的部分，表明该镜头表面有杂散辐射传输路径存在，根据检测得到的杂散辐射传输路径对该镜头采取对应的抑制措施；

所述的杂散辐射传输路径分为0级杂散辐射传输路径和1级杂散辐射路径；所述的0级杂散辐射传输路径为杂散辐射传输路径的传输方式是直接透射的；所述的1级杂散辐射路径为杂散辐射传输路径的传输方式是散射方式传输的；

红外镜头的光机结构为直筒折射式结构，包括从物方到像方依次设置的六个透镜，即第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，还包括设置在第三透镜与第四透镜之间的光阑；其中红外镜头的焦距为30.198mm；第一透镜的曲率半径为-57.6800mm和103.5100mm，厚度为7.5000mm，材料为ZnSe；第二透镜的曲率半径为70.1500mm和-41.8800mm，厚度为12.0000mm，材料为ZnS；第三透镜的曲率半径为-37.500mm和-56.6200mm，厚度为7.5000mm，材料为BaF₂；第四透镜的曲率半径为23.1200mm和-50.9300mm，厚度为9.2000mm，材料为BaF₂；第五透镜的曲率半径为54.9500mm和19.4980mm，厚度为7.5000mm，材料为ZnSe；第六透镜的曲率半径为15.5600mm和16.9400mm，厚度为7.5000mm，材料为ZnS；其中第一透镜与第二透镜之间的间隔为1.0000mm，第二透镜与第三透镜之间的间隔为1.3000mm，第三透镜与第四透镜之间的间隔为25.4000mm，第四透镜与第五透镜之间的间隔为1.0000mm，第五透镜与第六透镜之间的间隔2.1000mm。

2.根据权利要求1所述的一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，其特征在于，步骤1中还在杂散光分析软件中对红外镜头添加必要结构件，用于对短波镜头进行支撑和固定，并在软件中修改光学元件和结构件的大小与位置从而形成所述镜头的光机结构模型。

3.根据权利要求2所述的一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，其特征在于，在所建立的短波镜头光机结构模型中，还给所述的短波镜头和结构件加载光学属性包括：反射、透射、吸收和散射，并且在该模型中设立合理的光源和追迹条件。

4.根据权利要求1所述的一种短波红外镜头杂散辐射的检测方法，其特征在于，所述的抑制措施包括：(1)在镜头上加遮光罩和挡光结构来减小镜头源表面对镜头接收表面的角系数F；(2)对镜头的源表面进行表面处理降低BRDF；(3)降低镜头的表面温度来减小镜头源表面的热辐射。