大功率红外光学系统中的杂散光及其鬼像分析

摘要：本文主要研究了大功率红外光学系统中光学表面多重反射而形成的杂散光及其数学模型与计算方法，提出了将近轴近似法和有限光线追迹法相结合的综合分析方法；同时在数据存储方式上采用二叉树这种数据结构，巧妙地解决了鬼像分析中海量的中间数据存储的问题。利用这种数据结构，作者编制了红外光学系统杂散光分析软件，并对一个较复杂的大功率红外系统 进行了一套完整的鬼像分析，其结果经验证是正确且实用的。这将为研究人员在排除鬼像的系统设计中提供了强有力的参考数据。

关键词：杂散光；鬼像；大功率；红外光学系统

1 引言

杂光，是指光学系统中除了正常光路以外的所有非成像光能。鬼像是杂光的一种，是指由于物方存在小面积高亮度的目标经由非正常光路而在光学系统中或像面上形成的本来不存在的像。产生杂光的原因很多，主要是光学系统各元件表面，边缘面，光拦面，镜筒和检测面的反射与散射造成；对于大功率激光系统来说，透镜表面的多重反射最为重要，它是产生鬼像的主要原因。

杂散光的危害性在于降低像面的对比度和调制传递函数，使整个像面的层次减少，清晰度变坏，甚至形成杂光斑点，严重时使目标信号完全被杂散辐射噪声所淹没。对于大功率激光系统，由杂散光高度集中形成的鬼点，往往会对光学系统元件形成永久性的破坏，国内外学者在这方面进行了大量细致的研究工作，并逐步形成了一套完整的关于激光损伤的理论体系。

关于激光的损伤机理，曾先后提出过电子雪崩，受激布里渊散射和吸收等模式。而红外光学材料的物理性质与温度有着密切的关系，这就导致其材料的光吸收系数十分敏感于温度，结合红外光学系统材料的非均匀物理变化等特点，造成大功率红外光学系统在这些模式下更容易受到损伤；即使是非预想的弱激光干扰信号，也会造成探测器灵敏度降低，甚至使探测器无输出信号。因而，在大功率红外系统的设计过程中，应充分考虑到各种杂散光的影响，尽量避免这些易损透镜附近产生高能量密度的鬼像。

2 杂散光及鬼像分析模型

通常计算一个鬼像系统的杂光有近轴近似法[4]和有限光线追迹法[5]。近轴近似法使用近轴近似公式并认为物面上的照度是均匀的，其特点是简单，计算量小，但对于存在偏心，倾斜这样的系统就无能为力了，只适合用于定性分析。有限光线追迹法是将光束用有限根光线表示，通过实际追迹这些光线的成像情况，来模拟鬼像的形成，追迹的光线越多，结果越逼近实际，但计算量也越大。

基于上述方法的忧缺点，我们采用了一种混合式的计算方法，即先用近轴近似法作定性分析，找出能量最大的几个鬼像，再用有限光线追迹法进行仔细的分析。

图1.透镜的第二面反射，形成一阶鬼像