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探析红外光学系统中的冷反射情况

365bet期刊网所属栏目:论文发表常识时间:2017-03-27 15:19关注:

  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。

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