本文转自Zemax官方公众号

今天和大家分享一个鬼像分析案例

OpticStudio中使用宏分析红外冷反射

概述

这篇文章讲述了如何在使用制冷探测的近红外系统中分析冷反射效应。主要包括：

使用OpticStudio的鬼像生成器生成并加载鬼像文件，收集每个文件内包含的渐晕和透过率的数据

根据用户输入的温度数据(封装、探测器、环境)计算冷反射积分系数

宏程序将输出各表面NITD贡献以及总NITD结果

所有NITD数值数据将保存为一个文本

本文示例文件请从以下链接下载：

http://customers.zemax.com/support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachments/Zemax-Narcissus-Analysis-Macro/Zemax-Narcissus-Files.aspx

介绍

冷反射效应是制冷探测的近红外系统中，众所周知的一种效应。在该系统中，探测器为了达到较好的成像质量会冷却到非常低的温度。因此在机械结构和探测器之间便产生了很大的温差。由于镜片上的增透膜不会完全消除反射光，在系统的每个表面之间会残留部分冷反射。并且机械结构产生的热辐射也会到达探测器。如果镜头在进行光学设计时不考虑这些因素，在像面上很有可能会看到由冷反射造成的明显的对比度差异。对于机械结构温度恒定且镜片的相对位置固定的系统来说，可以采用电子控制式的非均匀矫正算法消除。但是由于环境温度改变而导致机械结构温度的变化，或者透镜系统需要移动进行重新对焦来补偿机械结构的热膨胀时，都会导致冷反射再次出现。因此，在设计使用制冷探测的近红外系统的过程中进行冷反射分析是非常重要的。本文附件中提供的宏程序是用来计算制冷红外探测系统中冷反射导致的温度差异(NITD)特性。宏程序的计算基于如下冷反射公式(1,2)：

在本例中我们对上述公式做如下假设：

1. 在工作波长下，探测器的归一化光谱相应为不变量，因此在计算式无需考虑该参数。

2. 大气透过率为1，也就是说NITD计算所参考的环境温度为镜头前的大气温度。

3. 在透镜各表面上的镀膜的透过率在整个工作波长下为不变量。因此t0(λ)、tj(λ)和Rj(λ)与波长独立

4. 机械结构和探测器的温度恒定，这意味着机械结构和探测器没有温度梯度。

在执行宏之前，请确保：

• 镜头设计的方向是从探测器到外部环境的。

• 光阑面（STO）在表面1上。

• 透镜组中没有任何坐标断点面或虚拟面。

• 透镜组为旋转对称系统。

• 透镜组只使用一种结构。

• 已正确定义所有光学表面的膜层。

• OpticStudio的鬼像生成器会从表面2开始到最后表面生成一个单次反射的鬼像文件，并保存在设计文件所在文件夹下。

对于下面讨论的例子，鬼像聚焦工具的正确设置是：

宏文件Narcissus.ZPL需要的条件有：探测器温度、机械结构温度、环境温度和OpticStudio鬼像生成器生成的单次反射鬼像文件。鬼像文件必须保存在设计文件所在文件夹中。使用者还需在渐晕图分析窗口的设置中通过单击保存按钮来保存设置。

在进行计算之前，检查光阑是否在表面1，并且没有虚拟面。如果光阑面不在表面1或者有虚拟面，宏程序将退出。为了计算NITD维数，宏程序会计算文件夹中的鬼像文件数。程序之后会检查膜层的定义，如果任何表面都没有定义膜层，则宏程序会发出警告。如果所有条件全部满足，那么宏程序会弹出请求用户输入温度的对话框，如下所示：

用户输入之后，宏程序会检查设计文件夹中的鬼像文件，并逐个加载每个文件以得到渐晕数据σij和传输数据（t0,tj） 用于NITD计算。对于冷反射公式中的剩余其它项，通过以下的近似公式（3）计算下机械结构和探测器的黑体辐射差对的积分以及环境黑体辐射温度导数对不同工作波长的积分，计算：

最后，每个表面的NITD贡献和总的NITD贡献将被计算并使用图表显示。

下面显示4片结构简单中波红外物镜用于示例说明：

在本例中，每一表面的NITD贡献值和总的NITD贡献值计算的参数设置如下所示：

机械结构温度：300K；

探测器温度：77K；

环境温度：300K；

光线密度：50；

视场密度：100；

宏分析结果

1）表面NITD贡献vs视场（以离轴为参考）

图中所示为无DC偏移，焦平面阵列（FPA）其对角线上每一表面NITD的贡献，图中右侧为各个表面的标注。

2）表面NITD贡献 vs视场（以光轴为参考）

含DC偏移的焦平面阵列探测器对角线上表面NITD贡献已绘制在图中，各表面由图中右边标注标明。这幅图重点突出了焦平面阵列对角线上每个表面的NITD贡献。在多个面的设计当中，因为颜色彼此接近，所以很难决定哪个面对应图中的哪个曲线。因此，最好使用下面给出的（使用ZPL关键字PLOT2D以伪彩图为DISPLAYTYPE所绘制的）表面NITD贡献vs视场图来确定哪个表面的NITD贡献是最多的。

3）表面NITD贡献 vs视场(PLOT2D, 表面)

图中所示为使用PLOT2D，以表面为DISPLAYTYPE绘制的含DC偏移，沿FPA对角线表面NITD的贡献。这幅图使用3D突出显示了FPA对角线上每个表面的贡献。表面数随着坐标轴向里移动而增加。

4）表面NITD贡献 vs视场(PLOT2D, 伪彩图)

图中所示为使用PLOT2D，以伪彩图为DISPLAYTYPE绘制的含DC偏移，沿FPA对角线表面NITD的贡献。水平方向是FPA对角线方向，垂直方向是表面数。表面数沿轴向上增加。比例尺上的数值不是计算值而是默认值。

5）总NITD vs视场

图中给出FPA对角线上总NITD贡献。

6）沿FPA总NITD

图中给出FPA上总NITD贡献。这是通过镜头组在像面上得到的贡献值图像，也是NITD的直观表现。

7）“NarcAnalysis Results.txt”文件

作为最终输出，数据结果“NarcAnalysis Result.txt”以文本文档的形式保存在到设计文件夹中。文本文件包含设计文件路径，工作波长，温度数据（机械结构，探测器，环境），冷反射表面数，光学透过率，对视场的每个表面NITD分布，总NITD，冷反射的渐晕数据，鬼像文件的透射率数据，yni数据和i/ibar数据。

参考文献

[1] James W. HOWARD, Irving R. ABEL, “Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems,” APPLIED OPTICS /Vol.21. No.18 / (15 September 1982)

[2] M. Nadeem AKRAM,  “Simulation and control of narcissus phenomenon using nonsequential ray tracing. I. Staring camera in 3–5 μm waveband,“ APPLIED OPTICS / Vol. 49, No. 6 / (20 February 2010)

[3] E. L. DERENIAK, G.D. BOREMAN, Infrared Detectors and Systems (John Wiley & Sons, Inc.)

本周有关在使用制冷探测的红外系统中的冷反射分析就和大家分享到这里了，希望这篇文章对您的工作有所启发。让我们下周不见不散！