用于冷光学长波红外杜瓦组件杂散光分析与抑制EI北大核心CSCD

红外谱段(8~12.5μm)作为红外对地光学载荷的主要探测谱段,在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象,宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界,分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射,利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计,滤光片为三波段集成,同时在考虑装配和加工精度的情况下,冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好,成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。     

制冷型红外探测器的冷屏优化设计方法

制冷型红外探测器中的冷屏通常采用直角结构挡光环,而经过挡光环侧壁反射的杂散光可以直接到达焦平面,使探测器的成像质量大幅下降。通过对冷屏挡光环结构进行理论分析,提出了一种抑制杂散光的挡光环侧壁的优化结构。利用Lighttools软件对优化前后的冷屏进行了模拟分析,杂散光的总功率减少71.6%。通过实验验证,探测器的平均响应非均匀性减少27.1%,成像效果有明显改善。结果表明,这种挡光环侧壁的优化结构对于抑制杂散光是十分有效的。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

利用OptisWorks对红外热像仪进行内部杂散光分析

用OptisWorks光机仿真软件,对Catherine-FC热像仪的内部杂散光进行仿真分析,计算了系统内部各主要部件的表面辐射能量,并针对该产品的设计特点,分析计算了4种情况下的内部杂散光大小和2种情况下的像面照度分布情况,也分析了5个表面发射率值对应的像面杂光通量,使我们进一步了解到,在FC热像仪中,异形冷屏和球面反射镜组合在抑制内部杂光方面起到不可替代的作用,为类似红外系统的设计,提供了一种新的途径和思路.     

中红外平面光栅光谱仪系统杂散光分析

为了抑制杂散光对中红外平面光栅光谱仪系统成像质量的影响,首先探讨了系统杂散光的来源,设计了遮光罩、挡光环和里奥光阑;然后针对用挡光板消除光栅衍射杂散光能力有限的问题,提出利用百叶挡光板和杂散光收集器组合来抑制杂散光的影响,并结合三维建模软件Solidworks和杂散光分析软件Tracrpro对系统进行了建模、分析和对比;最后针对某一型号红外热电堆阵列探测器并运用黑体辐射理论对其进行计算和分析,最终结果表明:光谱仪系统地气杂光抑制水平PST可以达到10-11,内部杂散辐射抑制能力有效发射率为1.3%,满足中红外平面光栅光谱仪系统杂散辐射的抑制要求.     

红外焦平面杜瓦冷屏挡光环杂散辐射的抑制

从光学设计的角度出发,介绍了冷屏杂散辐射抑制的基本原理。基于几何光学的基本原理,应用ASAP软件的计算机仿真模拟手段进行实际的光学系统建模,在现有冷屏设计的基础上,仿真具有不同挡光环个数和不同开孔形状的挡光环的冷屏,分析筛选杂散辐射抑制效果最好的冷屏,在尽量减轻重量、减小体积的前提下,获得尽可能好的消杂散辐射效果。     

激光引力波望远镜镜面杂散光测试方法

激光引力波望远镜的杂散光来源主要是细光束入射到镜面产生的反射杂散光。1 W的激光入射产生的杂散光需抑制到10-10 W以下,否则将严重影响主要参数光程差的测量精度。针对该应用背景,考虑了在细光束入射到镜面条件下由杂散光测试数据重构表征镜面反射特性的双向反射分布函数（BRDF）参数的可行性。传统方法测量BRDF需要4个转角,系统复杂不便于实时应用。为此基于光学元件各向同性和镜面杂散光模型的对称性,综合考虑了平面镜、曲面镜以及光束衍射效应、测量误差等因素,提出了一种仅利用子午面内一维测量若干个点的散射数据即可重构得到BRDF参数的方法,并用数值方法对其可行性和测量精度进行了验证。     

一种折反二次成像式长波光学系统的杂散光抑制

讨论了一种折反二次成像式长波红外光学系统的杂散光抑制方法,该光学系统采用R-C反射式结构和二次成像光路,用于小型低成本红外成像制导系统。利用LightTools软件仿真找出光学系统中的主要杂散光来源和传输路径,结合仿真分析结果设计出了合适的机械拦光结构。然后在LightTools中建立了光学机械结构模型针对杂散光抑制进行了迭代设计,并对杂散光抑制效果进行了仿真验证。设计的光学系统加工、装配完成后进行了太阳杂散光抑制试验,仿真和试验结果表明:太阳夹角7以外不存在杂散光干扰,可以满足系统杂光抑制要求。     

大视场红外折反光学系统杂散光分析

杂散光分析是保证光学系统成像质量的关键技术之一,根据红外光学系统杂散光的定义,指出大视场红外光学系统的杂光来源,以及杂光对系统的影响,并且建立了消杂光结构。在消杂结构中,为了减少内部辐射,遮光罩内部使用反射式挡光环。采用TracePro软件对系统进行建模、仿真分析,结果表明此红外光学系统的杂散光得到很好的抑制:太阳杂光抑制水平PST可以达到10-5～10-8,内部辐射到达像面杂散光能量量级为10-10 Ｗ,系统可以实现清晰成像。     

光学遥感卫星杂散光扫描测试系统

为了实际测量、验证光学遥感卫星的杂散光抑制能力,分析某些特殊卫星的成像轨道和时间特点,研制了一套基于7维大型机器人的光学遥感卫星杂散光扫描测试系统。根据卫星全年太阳照明几何条件,通过建立的光束扫描子系统各机构的控制方程构建照明光束的扫描位置、方位角（-90~+90）和俯仰角（-29~+42.5）,精度分别达到10 mm、0.2和0.1。消光子系统采用反射率低于1.5%（400~1 600 nm）的材料和大消光比结构,极黑目标模拟器消光比可达9.910-7。研制的光学遥感卫星杂散光扫描测试系统能够满足目前大部分光学遥感相机的杂散光测试、分析和验证要求。     

红外焦平面探测器杜瓦组件杂散辐射研究

在对红外焦平面探测器杜瓦组件杂散辐射分析的过程中,建立了分析模型,通过对模型进行光线追迹,找到了窗片、滤光片、冷屏、探测器芯片的反射是产生杂散辐射的原因。针对这些原因,采取了相应抑制杂散辐射的方式,包括通过镀膜降低窗片、滤光片反射率,通过发黑、设计多层隔板来提高冷屏的吸收能力,通过在探测器芯片上制作可靠性高的微纳结构来降低表面反射率等,起到了较好的效果。     

星敏感器遮光罩的设计与杂散光分析

杂散光抑制是提高星敏感器精度的重要手段,遮光罩的设计是抑制杂散光的主要途径.对星敏感器遮光罩进行设计,通过SolidWorks软件建模,绘制出遮光罩结构,将得到的结构导入TracePro软件中进行杂散光分析.设定材料表面的双向散射分布函数与光线追迹数目,在不同方位角度对1°～75°之间共16个离轴角度进行了光线追迹,得到系统的PST曲线.结果表明,和改进前的结构相比,PST值降低了一个数量级,且系统的杂散光抑制能力在离轴角30°时达到10-9量级.遮光罩内设计竖直挡光环结构有很好的杂散光抑制作用,使系统杂散光抑制水平得到较大的提高.     

光学系统杂散光分析

杂散光是光学系统中所有非正常传输光的总称,杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化。因此,在现代光学设计中,杂散光分析成为光学设计工作中的一个重要环节。杂散光产生的原因比较复杂,讨论了漏光和透射面残余反射引起的杂散光,针对漏光杂散光给出了高密度取样的分析方法,对于残余反射的杂散光建立了带能量因子的光线光学模型和光线二叉树的数据结构,在保证计算精度的同时减少了计算时间。对一个卡塞格林光学系统进行了漏光杂散光分析和光学表面残余反射杂散光的近轴与实际光线分析,得到减少杂散光的措施,达到了杂散光分析的目的。     

冷屏结构与冷屏效率

红外探测器中,冷屏结构设计直接影响其杂散辐射抑制能力。为进一步提高冷屏效率,针对冷屏高度、外壳结构对冷屏杂散辐射抑制的影响进行分析。分析采用数学建模的方式,对计算结果与探测器组件测试结果进行比较,总结规律。当冷屏高度为25 mm,探测器组件测试结果为5.46%,当冷屏高度增高到29 mm,冷屏的非有效抑制杂散辐射结构和有效抑制杂散辐射结构组件测试结果分别为6.11%和4.87%。提出了一种冷屏结构设计的新思路,仅增加冷屏高度,不一定可以提高冷屏效率;挡光环有效抑制杂散辐射时,随着冷屏高度增高,杂散辐射抑制能力变强,冷屏效率随之增高,红外探测器性能有所改善,此时调整冷屏外壳结构不会影响冷屏效率。     

红外光学系统内部热辐射引起的杂散辐射分析

利用LightTools杂散光分析软件,建立一个空间光学系统光学机械结构模型。计算这个系统内部各机械表面辐射能量到达像面的辐射能量的大小,判断出关键表面;通过比较在四种不同的发射率情况下,像面接收到各个表面杂散辐射量的变化规律,得到有用的分析结果来对这个系统提出了初步的措施抑制,并且可以指导其他类似系统的分析和设计。     

红外成像传感器系统非均匀性成因研究

从探测器的响应特性、光学系统的相对辐射和外壳的杂散光三个方面对红外成像传感器系统非均匀性的产生原因进行了理论研究。红外焦平面阵列中,探测元与探测元间的结构及材料差异会影响量子效率及暗电流,从而影响探测元的响应特性。光学系统主要通过光瞳畸变矩阵影响场景辐射通量的分布,光学系统本身的辐射对非均匀性的贡献可以忽略。外壳的杂散光可分为高温部分和低温部分,忽略低温部分,引入系统冷屏效率的概念,建立了高温组件的辐射模型。该理论研究对光学系统的设计及非均匀性校正具有一定的参考意义。     

手机镜头的光学系统设计及杂散光模拟

为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5106像素的手机镜头。同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析。结果表明,该镜头的F数为2.6,全视场角为72.9,系统总长为3.1mm。最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光。     

不同结构地基光电探测系统的杂散光抑制

分析了不同结构形式的地基折反式光电探测系统的杂散光特性,讨论了相应的杂散光抑制方法.针对有无中间像面的光学系统,分别给出了两种不同的杂散光抑制方案,并对其中的长波红外系统进行了自身辐射分析.结果表明:对于无中间像面的折反系统,外遮光罩可以更好地抑制大离轴角度的杂散光;对于有中间像面的折反系统,采取光阑组合和设置主镜内遮光罩的方式就可以很好地抑制外部杂散光,在满足自身辐射要求的前提下,有效减少因设置外遮光罩而增加的长度和质量,有利于小型化和轻量化.     

空间可见光相机的杂散光分析与抑制

当空间可见光相机对地物目标进行成像时,视场内外的辐射会引起像面上产生杂散辐射,从而降低相机的成像质量,严重时可能会造成相机无法正常工作。为了提高相机的成像性能,介绍了可见光系统中杂散光的产生机理及其抑制措施,建立了相机的光机模型,分析了系统的杂散光,改进了遮光系统的设计。利用建立的杂光系数测量装置测量了相机镜头的杂光系数,并验证了建模分析结果。     

高光谱成像仪的杂散光分析

杂光分析是保证高光谱成像仪成像质量的关键技术之一。详细分析了高光谱成像仪光学系统的杂散光,设计了R-C前置镜的遮光罩和挡光环,并用Tracepro软件对高光谱成像仪光学系统进行了光机建模,分析了系统的一次、二次散射面,根据重要杂散光路径设置重点采用,计算出0.5°~40°不同离轴角度下的点源透射比值,从而得到地球表面反射光在像面产生的照度为5.5×10-3W/m2,小于中心视场光线在像面照度的3.5%,满足系统抑制杂散光的要求。