探析红外光学系统中的冷反射情况

发布时间：2022-10-05 10:04 热度：

　　热成像系统在观察热源时，为获得最大的灵敏度，多数热成像系统使用低温制冷的探测器。如果这些探测器或红外焦平面阵列(Focal Plane Array，简称FPA)可以探测到除所观察景物以外的热能量，则本身的探测灵敏度会降低;另外，如果非景物能量的幅度随视场的变化而变化，通常会看到景物罔像变形。为了实现最大的灵敏度并避免图像变形，如图1所示要对红外FPA进行低温冷却，并将其安装在绝热杜瓦瓶组件中。

　　1、红外制冷探测器

　　测器和凝视型探测器。扫描型探测器可分为串行扫描和并行扫描两种。凝视型扫描采用面阵FPA成像，可同时使整个景物成像，不需要进行机械扫捕。

　　虽然红外热像探测器分为扫描型和凝视型两种，但它们形成冷反射的原理、计算和控制是相同的。

　　2、冷反射的成因

　　当扫描镜在T作时，南探测器发出的冷光沿光轴输出，经过光学系统的的透镜，在能够产生冷反射的透镜折射面发生反射，由于光路可逆，冷光沿原光路返回，反射回到探测器上，被探测器接收，产生了冷反射。冷反射不是一个固定值，而是一个随时间变化的变量，随着扫描镜扫描不同的视场时，探测器会接收到的不同能量值。总的冷反射效应是所有透镜表面的辐射总和。

　　产生冷反射有 点原因 ：

　　(1)红外热成像光学系统采用制冷型探测器，一般3～5 m 的中红外波段探测器工作在温度为90～110K之间，8～14/zm长波段探测器T作的温度为77K。

　　(2)制冷型探测器必须接收其前面的光学系统中的一些光学元件的反射，如探测器前的透镜表面、反射元件、保护窗口等。

　　(3)低温探测器出射的冷光经反射后重新返回分布在探测器附近。

　　3、实例分析

　　以一个红外光学系统为例，通过光学设计优化的方法来抑制冷反射效应。

　　下面用CODE V软件对此系统的冷反射现象进行分析，设定环境温度为20℃ ，探测器温度为77K，透镜表面的反射率为l%。

　　根据冷像强度比值，5、6、10、l2、1 、l4、l5面可能严重发生冷反射现象。其中，14和15面的I/i值大于l，不会出现冷反射脱象，所以我们5、6、10、12、13面即可。进一步，用CODEV来优化。使其冷反射的效应达到最小，优化后的效果.

　　经过CODEV的优化，其冷反射效应基本上得到抑制在设计光学结构时，耍保汪每个面的HNIUi都大于l是很困难的，关键在于如何能合理分配这两个值。如果HNI很小，I/i大于l，则可以很好的抑制冷反射效应;如果HNI、I/i很小，冷像强度比也很小，同样可以很好的抑制冷反射效应。光学系统主要保证HNI、I/i越大越好，冷像强度比越小越好。

　　4、结论

　　随着红外技术的口趋发展，探测器灵敏度的逐渐提高，在红外热像成像系统中，冷反射现象已成为光学系统设计中的首要问题，选取行之有效的解决办法尤为重要。在合理的设计、改善光学系统本身以外，还可以采取精确的算法进行数字冈像处理，使冷反射现象更为有效的解决。