SYNOPSYS 光學設(shè)計軟件課程二十七：理解冷反射效應(yīng)
夜視系統(tǒng)可以在完全黑暗中看到圖像。因為宇宙中的所有物質(zhì)都以光子的形式輻射能量，在理想黑體輻射的情況下遵循普朗克函數(shù)，或者近似該函數(shù)。由于您的皮膚接近20攝氏度，您可以根據(jù)光譜向?qū)pectrumWizard計算的下圖所示的曲線設(shè)置輻射。注意峰值約為10微米。（鍵入MSW以打開向?qū)�。�?/span>
夜視系統(tǒng)通過將紅外光轉(zhuǎn)換為探測器能夠感知的輻射。常見的材料是HgCdTe，其具有如下所示的光譜靈敏度（該圖來自Wolfe和Zissis的The Infrared Handbook。精確的靈敏度范圍取決于成分的相對比例）。光源，環(huán)境和探測器都能在所需的光譜窗口內(nèi)正常工作。
為了獲得高信噪比，必須確保光學器件，甚至探測器本身不會在相同波長下輻射不需要的光通量。 這是通過將檢測器冷卻到非常低的溫度（通常使用液氮）并在鏡片表面上使用高質(zhì)量的抗反射涂層來實現(xiàn)的。如果不采取這些步驟，情況類似于您通過望遠鏡觀察到的情況，其中鏡頭和外殼都是白熱的：很難看清您正在觀察的內(nèi)容。
這就是所謂的“冷反射”效應(yīng)，它在掃描紅外系統(tǒng)中顯示為圖像中心的黑色模糊斑：
出現(xiàn)這種效果是因為在視場的中心，探測器可以看到自身的鬼像，從某處的透鏡表面反射而來。 這個影像很暗 - 因為探測器非常暗 - 因此探測器看到的總背景信號在中心處低于在視場的其他部分，其中鬼像被其他鏡片孔徑漸暈，掃描 離開視場，或者因為它不能形成清晰的圖像。
為了說明這種效果并展示如何控制它，我們將使用SYNOPSYS™中的鏡頭。在CW中鍵入FETCH X12。打開X12.RLE文件
這是一個紅外系統(tǒng)，設(shè)計用于8到13微米的波段，使用AFOCAL模式，這意味著光線輸出是以角度給出的，最后兩個表面是平坦的，重合的虛擬面。這是程序?qū)⒐饩�高度轉(zhuǎn)換為角度的位置，它還標記掃描棱鏡或其他移動組件的位置，這些組件一次一個像素地對圖像進行采樣。要分析此鏡頭的冷反射屬性，請使用命令NAR。
NYI”列顯示數(shù)量φAoN的值，其中參數(shù)在下圖中定義。由此我們可以計算出探測器上反向反射彌散斑的近似大�。篩1 =2φAON /α，其中α是探測器會聚光束的半角，Y1是彌散斑處的光線高度。 在給定表面反射后的圖像。
冷反射校正的原則是確保YNI的值永遠不會低于由掃描儀靈敏度和用戶接受度決定的給定值。一個較大的值意味著鬼像更不聚焦，因此強度更小。
根據(jù)上表，較差的冷反射來自表面8，其中值為0.0591。我們可以使用GHPLOT程序來視覺化。在CW中鍵入MGH，或?qū)Ш降組LI中的該對話框。輸入顯示的數(shù)據(jù)，然后單擊GHPLOT按鈕。
選擇右側(cè)顯示的區(qū)域，然后在選擇矩形內(nèi)單擊以放大該部分。
光線從左邊進入，直到它到達表面13，即右邊的平面，我們在對話框中聲明了NAR表面。（它指定反射系數(shù)為1.0。）我們還有一個鬼像，從表面13回到表面8，再從那里到最后一個表面。那里的信號通量是準直的，我們假設(shè)任何返回那里并再次被準直的光將在探測器上顯示出清晰的聚焦。 在從表面13反射之后，光線以藍色顯示，并且在表面8處的第二次反射之后，它們以綠色繪制。 逆向反射光束有點離焦，因為你可以通過光線角度的變化直觀地看到 - 但不是很多。
離焦是否足夠好？
要回答這個問題，我們需要知道艾里衍射斑的角度大小。在軸上要求進行PSPRD分析。轉(zhuǎn)到對話框MDI并單擊PSPRD按鈕。
請注意艾里斑半徑的值：0.00124。這是一個角度值，因為鏡頭被宣布為AFOCAL。我們知道，如果冷反射光束以等于或小于該值的角度返回，光束將處于清晰的焦點并導致非常令人反感的冷反射效應(yīng)。
那么返回光束角的當前值是多少？返回MGH對話框，這次運行RGHOST功能，數(shù)據(jù)如下所示：
程序為您創(chuàng)建并運行RGHOST命令，當您返回到曲面14時，您會看到光線的切線（HH）等于-0.0374。除以艾里斑半徑0.00124，你會發(fā)現(xiàn)表面8的冷反射彌散斑比艾里斑大30.2倍。根據(jù)我們的經(jīng)驗，這種差異是不夠的，這個鏡頭將在顯示器上顯示中度嚴重的冷反射。必須改正。
同樣，根據(jù)經(jīng)驗，我們已經(jīng)了解到，如果鏡頭以英寸為單位，YNI的最小值應(yīng)為約0.009，對于以毫米為單位的鏡頭，YNI的最小值應(yīng)為0.229。（即使鏡頭是AFOCAL并且光線輸出是以角度為單位 - 它與鏡頭單元無關(guān)，YNI的數(shù)量也有長度單位，因此與這些單位成比例。）所以讓我們糾正這個鏡頭，希望能有更好的 冷反射值。以下是PANT和AANT文件：
LOG
STORE 9
CHG
APS 1 ! 把光闌放在1上
12 YPT 0
CFREE
END !在出口光瞳上保持程序的輸出
PANT
VLIST RAD ALL
VLIST TH ALL AIR
END
AANT
M -0.42835 50 A P HH 1 ! 保持目前的放大率
LLL 0.23 1 .01 A NAR 8 ! 把鏡頭放在8個大于0.23的地方
M 22.437 1 A TH 12 ! 保持掃描棱鏡的空間
M 347.3 .1 A TOTL
AEC
ACC
M 0 1 A P YA 1 0 0 0 13 ! 也能控制瞳孔畸變
GSO .5 10 3 P 0
GNO .5 2 3 P .75
GNO .5 1 3 P 1
END
SNAP
SYNOPSYS 30
END
SNAP
SYNOPSYS 30
運行這段代碼，鏡頭變化很小。冷反射發(fā)生了什么？在命令窗口輸入NAR
鏡頭得到了很大改善。事實上，表面8上的冷反射效應(yīng)變得比我們的目標更大。為什么？這個鏡頭來自專利文獻，我們懷疑原設(shè)計師完全忽略了冷反射效應(yīng)。當我們重新優(yōu)化它時，我們發(fā)現(xiàn)它很容易控制。
但現(xiàn)在表面9的冷反射低于我們的極限。我們也為該表面添加目標并重新優(yōu)化，然后在表面10處執(zhí)行相同的操作，結(jié)果很好�，F(xiàn)在所有表面都接近或超過極限。
冷反射效應(yīng)通常不難控制，但是如果你忘記查看NAR列表，并且不控制值，你可能最終得到一個非常糟糕的結(jié)果。
