SYNOPSYS 光学设计软件课程二十七：理解冷反射效应

UWI5/R
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。

m`Z4#_s2
    SYNOPSYS AI>NAR -UO$$)Q
v!2`hqO
     ID AFOCAL ZOOM REFR TELESC 3 0F P1488 8MIHp[vm%
~0L>l J
     NARCISSUS ANALYSIS TO<g@u]*
H X8q+
     SURF           YNI  Imarg/Ichief [eImP V]
     ________________________________ AWw'pgTQX
    1    14.8452        9.4157 BtspnVBez
    2    2.3679       -1.1389 5@Sb[za
    3    8.7548       -6.8424 <T['J]k%
    4    7.2618       -5.4735 V;$lgTs|'
    5    7.1414        2.6471 ZP1EO Z
    6    8.5985        2.9948 AK[c!mzx
    7    0.1047       -0.5733 I8m(p+Z=
    8    0.0591        3.8062 u!(|y9p
    9    0.2625        0.2929 Js'|N%pi
    10    0.0773        0.0431 1z)+P1nH]
    11    1.4544       -2.2463 bz1\EkLL
    12    0.6135        0.6606 Y#\e~>K
    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：

(q)W<GYP
     --- RGHOST 13 8 0 1 SURF FK->|
9vXrC_W9
    SURF             X             Y            Z           ZZ           HH          UNI ___________________________________________________________________________________________ qu?D`29
      OBJ        0.000000      0.000000      0.000000      0.000000      0.000000 .69{GM?
    1    0.000000     49.923000      7.594350      0.000000     -0.231568     17.299187 44!bwXz8
    2    0.000000     47.988888      5.162597      0.000000     -0.273829      0.757635 5'X.Z:
    3    0.000000     29.334061     -0.757131      0.000000     -0.074802     18.270864 tYnNOK*|
    4    0.000000     28.540801     -0.464576      0.000000     -0.241640      6.143003 (u *-(
    5    0.000000     26.692097      6.849079      0.000000     -0.466878     15.198191 'Ic$p>
    6    0.000000     24.332967      6.510073      0.000000     -0.173480      4.929564 IyMKV$"
    7    0.000000      0.765834      0.005466      0.000000     -0.053527      9.023819 !y6 D+<k*]
    8    0.000000      0.404576      0.001029      0.000000     -0.202598      2.772402 ;:v:pg8qc
    9    0.000000     -1.929381     -0.060130      0.000000     -0.096889      7.882820 LcQ\d*
    10    0.000000     -4.093014     -0.186656      0.000000     -0.113411      0.311856 B7cXbUAQs
    11    0.000000     -5.501135      0.434421      0.000000      0.091033     15.500818 %0L9)-R
    12    0.000000     -5.205378      0.313305      0.000000      0.002118      1.687304  --- RAY REVERSES AFTER NEXT SURFACE --- l/SbJrM*
    13    0.000000     -5.158509      0.000000      0.000000      0.002118 }z}oVc
       12        0.000000     -5.111617     -0.302080      0.000000     -0.088324 f"z96{zo
       11        0.000000     -5.399001     -0.418344      0.000000      0.115298 Z O&5C6qa
       10        0.000000     -3.970582      0.175635      0.000000      0.095288 9%|!+!j
        9        0.000000     -1.842140      0.054811      0.000000      0.204857 }yUZ(k#
    8    0.000000      0.518795      0.001693      0.000000      0.191294 cO' \s
    9    0.000000      2.711172     -0.118846      0.000000      0.113392 Wfp[)MM;
    10    0.000000      5.236490     -0.305925      0.000000      0.101850 p9 %7h.
    11    0.000000      6.531506      0.613980      0.000000     -0.116719 O3Yv ->#
    12    0.000000      6.158564      0.439191      0.000000     -0.037396 Nb-;D)W;B
    13    0.000000      5.335925      0.000000      0.000000     -0.037396 m+zzhv1
    GHOST REFLECTED FROM SURFACES    8   13 AT SURFACE   14 gE|_hfm(
         X              Y               ZZ             HH *U8Pjb1
    --------------------------------------------------------------- 8@Pv nOL
       0.00000       -0.373782E-01     0.00000       -0.373956E-01 q* +}wP
     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：

4;x{@Ln
    LOG Dr&2qX!
    STORE 9 tv5G']vO\
    CHG I6~.sTl
    APS 1      ! put the stop on 1     把光阑放在1上 6Wl+5 a6V
    12 YPT 0 0KE+RzrB
    CFREE Ovh[qm?Z
    END     ! keep the output dummies at the exit pupil在出口光瞳上保持程序的输出 ?(H/a-(:v}
,..&j+m
    PANT }/Pz1,/
    VLIST RAD ALL "1t%J7c_
    VLIST TH ALL AIR 2/3,%5j_
    END xh,};TS(K
82{Lx7pI
    AANT K}LmU{/t/
    M -0.42835 50 A P HH 1 ! maintain current magnification Z+x,Awq
    LLL 0.23 1 .01 A NAR 8 ! keep the narcissus on 8 greater than 0.23 IOtSAf
    M 22.437 1 A TH 12     ! maintain space for the scanning prism {%*,KB>b
    M 347.3 .1 A TOTL 2Gd.B/L6
    AEC `{#0C-
    ACC "k[-eFz/@M
    M 0 1 A P YA 1 0 0 0 13 ! control pupil aberrations too ( $A0b
    GSO .5 10 3 P 0 1YL6:5n
    GNO .5 2 3 P .75 yHsmX2s
    GNO .5 1 3 P 1 ?#da4W
    END Yj;KKgk
9Ra*bP ]1
    SNAP iv*`.9TK-
    SYNOPSYS 30END n=qN@u;Fi#
9!&fak_
    SNAP TCWy^8LA
    SYNOPSYS 30

运行这段代码，镜头变化很小。冷反射发生了什么？

',$Uw|N
     SYNOPSYS AI>NAR $dIu${lu
M{w[hV
     ID AFOCAL ZOOM REFR TELESC 3 0F P1488 LlKvi_z
[uqe|< :
     NARCISSUS ANALYSIS r)E9]"TAB
:sDE'o
     SURF           YNI  Imarg/Ichief 9.)*z-f$
     ________________________________ Y">m g=B
    1    14.3090        7.1022 o_R<7o/d|
    2    1.9897       -0.9898 B)>r~v]
    3    7.6347       -6.9897 ++1<A&a
    4    6.0211       -4.9277 HtY0=r
    5    7.0617        2.2978 Ad$CHx-
    6    8.4359        2.5435 <?yf<G'$
    7    0.2334       -0.9406 4IfOvAN%
    8    0.2605        0.7269 Av6=q=D
    9    0.0936        0.3047 trlZ^K
    10    0.1604        0.1859 VAPRI\uM;
    11    1.2579       -5.1481 DD5S R
    12    0.3695        0.2689 ;r<(n3"F
    13    0.0012    5.7973E-04 D_kz'0^|
     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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