SYNOPSYS 光学设计软件课程二十七：理解冷反射效应

MU] F'6V
夜视系统可以在完全黑暗中看到图像。因为宇宙中的所有物质都以光子的形式辐射能量，在理想黑体辐射的情况下遵循普朗克函数，或者近似该函数。由于您的皮肤接近20摄氏度，您可以根据光谱向导SpectrumWizard计算的下图所示的曲线设置辐射。注意峰值约为10微米。（键入MSW以打开向导。）

夜视系统通过将红外光转换为探测器能够感知的辐射。常见的材料是HgCdTe，其具有如下所示的光谱灵敏度（该图来自Wolfe和Zissis的The Infrared Handbook。精确的灵敏度范围取决于成分的相对比例）。光源，环境和探测器都能在所需的光谱窗口内正常工作。

为了获得高信噪比，必须确保光学器件，甚至探测器本身不会在相同波长下辐射不需要的光通量。这是通过将检测器冷却到非常低的温度（通常使用液氮）并在镜片表面上使用高质量的抗反射涂层来实现的。如果不采取这些步骤，情况类似于您通过望远镜观察到的情况，其中镜头和外壳都是白热的：很难看清您正在观察的内容。
这就是所谓的“冷反射”效应，它在扫描红外系统中显示为图像中心的黑色模糊斑：

出现这种效果是因为在视场的中心，探测器可以看到自身的鬼像，从某处的透镜表面反射而来。这个影像很暗 - 因为探测器非常暗 - 因此探测器看到的总背景信号在中心处低于在视场的其他部分，其中鬼像被其他镜片孔径渐晕，扫描离开视场，或者因为它不能形成清晰的图像。
为了说明这种效果并展示如何控制它，我们将使用SYNOPSYS™中的镜头。在CW中键入FETCH X12。

这是一个红外系统，设计用于8到13微米的波段，使用AFOCAL模式，这意味着光线输出是以角度给出的，最后两个表面是平坦的，重合的虚拟面。这是程序将光线高度转换为角度的位置，它还标记扫描棱镜或其他移动组件的位置，这些组件一次一个像素地对图像进行采样。要分析此镜头的冷反射属性，请使用命令NAR。

lc fAb@}2
    SYNOPSYS AI>NAR L&NpC&>wD
}*-fh$QJ
     ID AFOCAL ZOOM REFR TELESC 3 0F P1488 f]Aa$\@b
Z9% u,Cb
     NARCISSUS ANALYSIS l1 08.ao
JDnWBEV
     SURF           YNI  Imarg/Ichief Lnn^j#n
     ________________________________ G;t<dJ8
    1    14.8452        9.4157 t*BCpC}
    2    2.3679       -1.1389 fIx|0,D&7L
    3    8.7548       -6.8424 O7Jp;
    4    7.2618       -5.4735 @*op5qVw
    5    7.1414        2.6471 't(#HBU
    6    8.5985        2.9948 ;Cx`RF w
    7    0.1047       -0.5733 MB>4Y]rtU
    8    0.0591        3.8062 [!KsAsmk
    9    0.2625        0.2929 5c%Fb:BW=
    10    0.0773        0.0431 9 s2z=^
    11    1.4544       -2.2463 ,e`n2)
    12    0.6135        0.6606 }\N ~%?6D
    13    9.6691E-04    4.7994E-04

“NYI”列显示数量φAoN的值，其中参数在下图中定义。由此我们可以计算出探测器上反向反射弥散斑的近似大小：Y1 =2φAON /α，其中α是探测器会聚光束的半角，Y1是弥散斑处的光线高度。在给定表面反射后的图像。
冷反射校正的原则是确保YNI的值永远不会低于由扫描仪灵敏度和用户接受度决定的给定值。一个较大的值意味着鬼像更不聚焦，因此强度更小。

根据上表，较差的冷反射来自表面8，其中值为0.0591。我们可以使用GHPLOT程序来视觉化。在CW中键入MGH，或导航到MLI中的该对话框。输入显示的数据，然后单击GHPLOT按钮。

选择右侧显示的区域，然后在选择矩形内单击以放大该部分。

光从左边进入，直到它到达表面13，即右边的平面，我们在对话框中声明了NAR表面。（它指定反射系数为1.0。）我们还有一个鬼像，从表面13回到表面8，再从那里到最后一个表面。那里的信号通量是准直的，我们假设任何返回那里并再次被准直的光将在探测器上显示出清晰的聚焦。在从表面13反射之后，光线以蓝色显示，并且在表面8处的第二次反射之后，它们以绿色绘制。逆向反射光束有点离焦，因为你可以通过光线角度的变化直观地看到 - 但不是很多。离焦是否足够好？
要回答这个问题，我们需要知道艾里衍射斑的角度大小。在轴上要求进行PSPRD分析。转到对话框MDI并单击PSPRD按钮。

请注意艾里斑半径的值：0.00124。这是一个角度值，因为镜头被宣布为AFOCAL。我们知道，如果冷反射光束以等于或小于该值的角度返回，光束将处于清晰的焦点并导致非常令人反感的冷反射效应。
那么返回光束角的当前值是多少？返回MGH对话框，这次运行RGHOST功能，数据如下所示：

eeBw\f0
     --- RGHOST 13 8 0 1 SURF 5V0#_!QAN
5X]f}6kT
    SURF             X             Y            Z           ZZ           HH          UNI ___________________________________________________________________________________________ cZ.p
      OBJ        0.000000      0.000000      0.000000      0.000000      0.000000 Ve"M8-{oKk
    1    0.000000     49.923000      7.594350      0.000000     -0.231568     17.299187 +'[*ikxD=g
    2    0.000000     47.988888      5.162597      0.000000     -0.273829      0.757635 J<cY'?D
    3    0.000000     29.334061     -0.757131      0.000000     -0.074802     18.270864 E`wq`g`H<
    4    0.000000     28.540801     -0.464576      0.000000     -0.241640      6.143003 dt<P6pK-
    5    0.000000     26.692097      6.849079      0.000000     -0.466878     15.198191 $9Xn.,W
    6    0.000000     24.332967      6.510073      0.000000     -0.173480      4.929564 9I1`*0A
    7    0.000000      0.765834      0.005466      0.000000     -0.053527      9.023819 {ueDwnZ
    8    0.000000      0.404576      0.001029      0.000000     -0.202598      2.772402 +rrA>~
    9    0.000000     -1.929381     -0.060130      0.000000     -0.096889      7.882820 1[RI 07g7*
    10    0.000000     -4.093014     -0.186656      0.000000     -0.113411      0.311856 cSTL.QF
    11    0.000000     -5.501135      0.434421      0.000000      0.091033     15.500818 <\ ".6=E#W
    12    0.000000     -5.205378      0.313305      0.000000      0.002118      1.687304  --- RAY REVERSES AFTER NEXT SURFACE --- 7.yCs[Z
    13    0.000000     -5.158509      0.000000      0.000000      0.002118 9I1i(0q
       12        0.000000     -5.111617     -0.302080      0.000000     -0.088324 56Lt "Z F
       11        0.000000     -5.399001     -0.418344      0.000000      0.115298 'J0Ea\,if0
       10        0.000000     -3.970582      0.175635      0.000000      0.095288 8)f/H&)>8
        9        0.000000     -1.842140      0.054811      0.000000      0.204857 3?&P^{
    8    0.000000      0.518795      0.001693      0.000000      0.191294 ronZa0
    9    0.000000      2.711172     -0.118846      0.000000      0.113392 `P;3,@ e
    10    0.000000      5.236490     -0.305925      0.000000      0.101850 '?mky,:HT
    11    0.000000      6.531506      0.613980      0.000000     -0.116719 1l}fX}5%I;
    12    0.000000      6.158564      0.439191      0.000000     -0.037396 7<5=fYbr
    13    0.000000      5.335925      0.000000      0.000000     -0.037396 }?U #@ h
    GHOST REFLECTED FROM SURFACES    8   13 AT SURFACE   14 /)Weg1b
         X              Y               ZZ             HH "@xL9[d
    --------------------------------------------------------------- 2.a{,d
       0.00000       -0.373782E-01     0.00000       -0.373956E-01 r,GgMk
     SYNOPSYS AI>

程序为您创建并运行RGHOST命令，当您返回到曲面14时，您会看到光线的切线（HH）等于-0.0374。除以艾里斑半径0.00124，你会发现表面8的冷反射弥散斑比艾里斑大30.2倍。根据我们的经验，这种差异是不够的，这个镜头将在显示器上显示中度严重的冷反射。必须改正。
同样，根据经验，我们已经了解到，如果镜头以英寸为单位，YNI的最小值应为约0.009，对于以毫米为单位的镜头，YNI的最小值应为0.229。（即使镜头是AFOCAL并且光线输出是以角度为单位 - 它与镜头单元无关，YNI的数量也有长度单位，因此与这些单位成比例。）所以让我们纠正这个镜头，希望能有更好的冷反射值。以下是PANT和AANT文件：

Oj7).U0;#
    LOG T<0V ^B7
    STORE 9 > mP([]
    CHG A(JgAV1{
    APS 1      ! put the stop on 1     把光阑放在1上 WsmP]i^Q
    12 YPT 0 GkdxwuRw
    CFREE J>0RN/38o
    END     ! keep the output dummies at the exit pupil在出口光瞳上保持程序的输出 zwlz zqV
(%]M a
    PANT uHt@;$9A
    VLIST RAD ALL Y^5)u/Y=U
    VLIST TH ALL AIR h7}P5z0F
    END *Y ?&N2@c
P[P]oT.N
    AANT sFRQFX0XoY
    M -0.42835 50 A P HH 1 ! maintain current magnification O]9PYv=^
    LLL 0.23 1 .01 A NAR 8 ! keep the narcissus on 8 greater than 0.23 7I:<i$)V
    M 22.437 1 A TH 12     ! maintain space for the scanning prism ~:UAL}b{\~
    M 347.3 .1 A TOTL *,XT;h$'>
    AEC MBFn s/
    ACC #\O?|bN'q
    M 0 1 A P YA 1 0 0 0 13 ! control pupil aberrations too *iVv(xXgN
    GSO .5 10 3 P 0 0&6(y* #Z
    GNO .5 2 3 P .75 6[]O3Aa
    GNO .5 1 3 P 1 v<]$,V]
    END 9+frxD&pO
v-}D>)M^W
    SNAP IOH6h=
    SYNOPSYS 30END Q~)A fa{
k=.pcDX
    SNAP jbu+>
    SYNOPSYS 30

运行这段代码，镜头变化很小。冷反射发生了什么？

k{+Gv}Y
     SYNOPSYS AI>NAR pIvr*UzY
D{iPsH6};5
     ID AFOCAL ZOOM REFR TELESC 3 0F P1488 BHIC6i%
>m`<AynJ
     NARCISSUS ANALYSIS TZE;$:1vx>
h_xzqElZu
     SURF           YNI  Imarg/Ichief O['5/:-
     ________________________________ zWq&HBs
    1    14.3090        7.1022 )9V8&,
    2    1.9897       -0.9898 `g,i`<
    3    7.6347       -6.9897 EceD\}
    4    6.0211       -4.9277 LhtA]z,m
    5    7.0617        2.2978 axiP~t2
    6    8.4359        2.5435 Znh)m
    7    0.2334       -0.9406 NAEAvXj
    8    0.2605        0.7269 .^!uazPE0
    9    0.0936        0.3047 oJor ]QYK
    10    0.1604        0.1859 Xwk_QFv3
    11    1.2579       -5.1481 p!p:LSk"/b
    12    0.3695        0.2689 4k=LVu]Kcr
    13    0.0012    5.7973E-04 "5$2b>_UE
     SYNOPSYS AI>

镜头得到了很大改善。事实上，表面8上的冷反射效应变得比我们的目标更大。为什么？这个镜头来自专利文献，我们怀疑原设计师完全忽略了冷反射效应。当我们重新优化它时，我们发现它很容易控制。
但现在表面9的冷反射低于我们的极限。我们也为该表面添加目标并重新优化，然后在表面10处执行相同的操作，结果很好。现在所有表面都接近或超过极限。
冷反射效应通常不难控制，但是如果你忘记查看NAR列表，并且不控制值，你可能最终得到一个非常糟糕的结果。

asdoptics	2019-03-03 21:52
优秀文章，支持！

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