制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

利用蒙特卡洛法分析红外光学系统的杂散辐射

介绍了杂散辐射的概念及其对光学系统成像质量的影响。以一透视式红外系统为例,通过对系统的光机结构的合理简化,利用杂散辐射分析软件Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,对已建立的红外系统光机结构的三维模型进行光线追迹分析,得到了系统像面的照度分布结果。同时,基于辐射度学相关理论对该系统中各结构表面的热辐射进行了定量计算,分析了结构中不同组成部分对系统像面的杂散辐射影响,提出本文系统中前镜框内表面为主要杂散辐射源。针对分析结果,探讨了红外系统的杂散辐射抑制方法,提出的方法可为后续设计提供参考。     

星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。     

共形光学系统瞬时视场外杂散光的分析及处理

针对空间成像光学系统的像质容易受到瞬时视场外杂散辐射的影响,利用杂散光分析软件建立一个共形光学系统光学机械结构模型,并对其进行反向光线追迹,从而确定出该系统中对瞬时视场外杂散辐射光的聚集贡献较大的关键表面及视场外杂散辐射光的主要传递路径.采用在系统中加入多级挡光环辅助结构的方式获得了100%的瞬时视场外杂散光屏蔽效果.该设计方案具有简单易行的特点.     

大气校正仪短波红外通道内部杂散辐射测量方法

成像区域大气校正仪内部杂散辐射抑制水平是光学设计以及性能评估的一项重要指标,尤其针对红外波段的光学系统,其内部的杂散辐射不可忽略。提出了一种基于辐射定标的方法,用于测量仪器内部的杂散辐射。通过控制变量得到仪器输入与输出之间的线性关系,建立辐射定标的模型,用实验的方法测量了仪器在不同环境温度下的本底信号值,并与理论计算的内部杂散辐射相比较,最大偏差为4.45%,验证了该方法的有效性。利用该方法可以计算大气校正仪在不同环境温度以及不同增益下的杂散辐射,不仅简化了实验过程,也可以对大气校正仪内部杂散辐射指标进行评估。     

超紧凑型红外折反式光学系统设计

提出一种超紧凑型折反式红外光学系统设计方法，即系统的主、次镜均采用金属镜，后组采用红外透射材料，实现了总长/焦距比为0.55。在设计中重点分析系统的温度效应，并采取针对性设计，以达到准无热化设计的目的。同时对系统进行杂光分析，给出杂光抑制方案，并使用杂光分析软件对系统进行分析。结果表明：系统像面杂散辐射在0.5%以内，光学材料与结构材料的热胀系数配合得当，系统的热效应很好。     

红外折射-衍射混合光学系统的热差分析

分析了衍射光学元件在红外折射－衍射混合光学系统中的消热差特性,指出衍射光学本身对热差的贡献是微小的,但它的特殊色散特性却在红外折射－衍射混合光学系统设计中间接地以了消热差的作用。设计了适用于３～５μｍ波段的红外折射－衍射混合光学系统并进行了分析。     

根据环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射

内部杂散辐射抑制水平是评价红外成像系统的一项重要指标。由于内部杂散辐射与环境温度有关,其测量过程必须在多个环境温度下进行,存在成本高、时间长且实验设备要求高等缺点。针对上述问题,通过建立多积分时间定标模型,研究环境温度对内部杂散辐射的影响,提出一种采用环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射的方法。该方法通过对制冷型红外探测器定标,获取探测器内部因素对系统输出的影响,结合系统在某一环境温度下的定标结果解算系统内部杂散辐射与环境温度的定量关系,进而计算系统在任意环境温度和积分时间下的内部杂散辐射。通过辐射定标实验验证该方法的有效性,实验结果表明该方法可以实现对制冷型红外成像系统内部杂散辐射的高精度测量。     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

二元光学在光学观测轰炸瞄准中的应用研究

光学观测瞄准是大中型轰炸机主要的对地攻击瞄准方式,其光学系统一般采用望远式光学系统,这就要求光学系统能满足可见光和近红外光两个光谱波段。根据国内大中型轰炸机光学观测瞄准系统的主要缺陷,结合光学观测瞄准的实际,探讨了基于二元光学的光学观测系统的组成结构和瞄准原理,分析了可见光波段混合目镜的光学性能、谐衍射物镜的衍射效率以及近红外光波段光学系统的像质,推导了横偏棱镜调平误差引起的瞄准误差的数学表达式,并对设计的合理性进行了验证。     

DMD衍射效应及其产生的杂散光分析

针对数字微镜器件（digital micromirror device,DMD）衍射效应对系统成像影响严重的问题,对DMD元件产生的杂散光进行研究。基于严格耦合波理论构建了DMD衍射模型,分析不同波段和入射角度对其衍射效率的影响,分析结果表明,在长波红外波段DMD衍射效应较明显,且随着入射角度增大,DMD衍射效应更为显著。分析投影系统中DMD的衍射杂光产生途径,通过改变系统的F数来控制入射角度,计算出DMD衍射效应产生的杂光能量占比,给出不同波长下,不同F数的光学系统杂光随衍射效应的变化曲线,即F数越大,DMD衍射效应对系统杂光影响越小。     

小型化全景系统的杂散光分析与抑制方法研究

由于全景环带光学系统的头部单元结构形式复杂,内部光路经过多次反射与折射,杂散光情况比较严重,因此全景环带光学系统设计过程中对杂散光的分析尤为重要。文中着重分析全景环带光学系统头部单元中产生杂散光的形式,对未经全景环带光学系统头部单元反射的杂散光建立消杂光数学模型,在此基础上对全景环带光学系统行了优化设计;对全景环带光学系统中头部单元胶合面反射的杂散光采用一种凸向像面的弯月胶合镜的形式进行抑制,并通过ASAP软件建模仿真。仿真结果显示,杂散光能量降低90%,证明采用的结构形式和消杂光数学模型有效地抑制了杂散光的产生。     

Design, tolerancing and stray light analyses of a freeform HMD optical system

We are presenting the results of a freeform HMD optical system design. The tolerancing and stray light analyses are carried out to analyze the optical performance of this system. Results are discussed in detail.     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。     

光学镜头杂散光分布状态测试

围绕实际检验工作中遇到的问题,以及国家推荐标准GB/T 10899-2009光学系统杂（散）光测试方法中提出的要求,论述了对光学系统全视场杂散光系数进行测试的必要性以及测量方法,通过对现有杂散光测试装置的改造,实现了对光学系统全视场杂散光系数的测试,给出两种变焦距镜头全视场杂散光系数测试结果和分布状态曲线,得到结论:基本参数相近而型号不同的光学镜头,其杂散光系数和分布状态会存在很大的区别。光学与机械结构形式不同是造成该区别的主要原因。测试数据能对光学系统杂散光抑制能力的提高起到参考作用。     

复合光学系统杂散辐射分析及抑制

以双谱段光谱仪为例，针对前端为卡塞格林结构形式的复合光学系统，设计了一种杂散辐射抑制装置。该装置含有外遮光罩1、外遮光罩2和2个内遮光罩，其中外遮光罩2有效地阻挡了直接进入光学系统的外杂散光。该装置可抑制各谱段的杂散辐射，其中可见光支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差7~8个数量级，近红外支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差5~6个数量级。该装置可提高光谱仪工作时段，性能稳定有效，且系统图像不受杂散光影响。     

折/衍混合LWIR凝视成像系统的杂散光分析

本文对一折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析,在此LWIR系统中,含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)。本文中,对DOE的不同衍射级次、光学表面的多次反射、镜筒内壁的反射等主要杂散光源利用LightTools软件进行了分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01W/mm2的辐照度;对于反射率为10％的镜筒内壁,带来的像面辐照为0.01W/mm2。并利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制。