淺談空間光學系統內部的雜散輻射分析

摘要：為了深入研究紅外探測器杜瓦內部的冷光闌的消雜光作用，在原有的圓柱形冷光闌基本結構的基礎上，按照冷光闌和擋光環的消雜光設計原理，提出了冷光闌-擋光環的四種不同組合的結構設計。首次采用LightTools軟件模擬了設計實例，并對檔光環和冷光闌的結構形狀進行了全面的對比分析。結果表明，在擋光環方面，垂直擋光環的效果更佳；在冷光闌方面，圓錐狀二階冷光闌的效果更佳。最后得出，四種結構中帶垂直擋光環的圓錐狀二階冷光闌設計的效果更佳。

關鍵詞：雜散光；遮光罩；擋光環；冷光闌

1 引言

雜散光也稱為雜光，它是指光學系統中除了目標光線和成像光線以外的擴散于探測器或成像表面的其它光線，以及經非正常光路到達探測器的目標光線。

雜散輻射的危害性很大，其中包括：(1)降低像面的對比度和調制傳遞函數；(2)使整個像面的層次減少、清晰度變差!能量分布混亂；(3)可能會在像面上產生光斑，直接導致像質下降；(4)在某些情況下甚至會導致系統失效；(5)情況嚴重時會使目標信號完全被雜散輻射噪聲所淹沒。因此，我們必須消除雜散光。

2 評價指標和研究工具

對于光學系統的雜光抑制能力，我們可采用點源透過率(PST)指標來評價。PST值越小，則光學系統的雜光抑制能力就越強，系統性能也越好。PST定義為：光學系統視場外的視場角為θ的點源目標輻射，經過光學系統后在像面產生的輻射照度Ed(θ,λ)與其在入瞳處的輻射照度及Ei(θ,λ)的比值，其數學表達式為 PST(θ,λ)=Ed(θ,λ)/Ei(θ,λ) (1) 點源透過率是表征光學系統本身衰減雜光能力的一個可測量指標，它與雜光源的輻射強度無關。我們在測得入射點源輻照度和像面上的出射輻照度后，便可通過式(1)計算出光學系統的點源透過率。

本文采用LightTools軟件對空間光學系統內部的雜散輻射進行分析。LightTools軟件是一種基于蒙特卡洛法的雜光追跡軟件，它在雜散光計算上的基本思想是把雜散輻射看作由大量相互獨立的能束光線組成。光線的發射位置和方向、到達反射面的吸收或反射情況以及進入半透明部件后的吸收!折射、透射或衍射情況等一系列傳遞過程均由相應的概率模型來確定。先跟蹤一束光線，直到它被吸收或逸出系統，然后再跟蹤下一束光線，這樣跟蹤完一定數量的光束后便可得到較為穩定的統計結果。

6 結論

總結以上分析可得： (1)有擋光環時的效果比無擋光環時有了很大改進，尤其是一階和二階擋光環的作用效果。這是因為擋光環增加了雜散光進入光學系統前的反射次數，使其得到了衰減。但是應盡量減少擋光環的個數以使冷光闌的加工簡單化。這不但可降低制作成本，而且可避免較多的擋光環頂部將雜散光散射到探測器上。 (2)垂直擋光環的效果與斜擋光環的相差不大。 (3)圓錐狀冷光闌的效果比圓柱形冷光闌的好，而且錐角越大，效果越好因為在保證冷光闌中軸長度一定的情況下，錐形結構的有效面積比圓柱形內壁的大這樣它便可以使雜散光經過更多次散射后才到達探測器;另外，冷光闌內部都被涂覆了黑色?吸收涂層，其面積越大，吸收雜散光的機會就越多，因此雜散光在錐形冷光闌中被衰減的量就越大。

(4)ⅡA優于ⅡB一方面，ⅡA的有效面積比ⅡB的大;另一方面，ⅡA的前段錐形部分的開口比nB的更大，這可以將入射在前段錐形部分的雜散光直接反射出去。

(5)二階冷光闌的ⅡA和ⅡB兩種結構都優于一階冷光闌(包括一階的圓柱形Ⅲ和一階的圓錐狀Ⅰ)因為二階冷光闌的外端錐形可將部分大于正常入射角的入射光直接吸收或反射出光學系統，同時還可增加進入光學系統的外視場光線的反射次數，因而它比一階冷光闌具有更好的雜光抑制效果此外，二階冷光闌可抑制端口衍射的雜光，并使由冷光闌的外端錐形部分通過衍射進入視場的雜散光在達到探測器之前至少經過兩次衍射。但二階冷光闌亦有其自身缺點，如外部尺寸較大，結構比一階冷光闌復雜，制造成本高于一階等。另外，熱力學結構上也有很多因素有待于考慮和分析。 (6)擋光環的效果優于錐角，且兩者同時使用的效果更佳擋光環能增加更多的散射次數和更大的黑色?涂層吸收面積，而錐角在這兩方面就相對弱些同時由于杜瓦尺寸等的限制，冷光闌的錐角只能做得很小，這樣效果就會更差綜上所述，在杜瓦尺寸和制作工藝允許的條件下，帶垂直擋光環的nA結構是最佳結構。

編輯：黃飛