تأثير جودة المكونات البصرية على نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء

مع تطور العلوم والتكنولوجيا الحديثة، تم طرح متطلبات أكثر صرامة للأنظمة البصرية، وقد تسببت القيود المفروضة على تكنولوجيا المعالجة وبيئة تشغيل المكونات البصرية حتماً في حدوث "عيوب" وتلوث السطح مثل الشوائب والخدوش والحفر . يدخل الضوء الشارد الأكثر شيوعًا في النظام البصري إلى النظام البصري بزاوية مائلة خارج مجال الرؤية، ثم ينتشر في مجال الرؤية بواسطة الأجزاء الميكانيكية ويدخل في المسار البصري اللاحق. عادة ما يتم التخلص من هذا النوع من التشتت بسهولة.

ومع ذلك، فمن الأصعب بكثير إزالة الضوء الذي يسقط على العدسة أو المرآة أولاً، ثم ينتشر في مجال الرؤية بواسطة سطح العنصر البصري ليدخل مجال رؤية النظام البصري. عادة ما يحدث هذا النوع من التشتت بسبب العاملين التاليين:

(1) التشتت الناجم عن الخدوش السطحية أو الحفر أو العيوب الأخرى الأكبر من الطول الموجي للضوء مقارنة بالطول الموجي للضوء؛

(2) نظرًا لأن الأسطح الضوئية عالية الجودة خالية تقريبًا من العيوب، فإن التشتت يأتي من مخالفات صغيرة على السطح ناتجة عن التلميع أو العمليات الأخرى.

في ظل الظروف العادية، وبسبب القيود المفروضة على تكنولوجيا المعالجة الحديثة، ستترك المكونات البصرية حتماً عيوبًا مختلفة في عملية معالجة الركيزة. بالإضافة إلى ذلك، أثناء استخدام العنصر البصري، سوف يتلوث سطحه أيضًا.

سيؤدي هذا الخلل والتلوث السطحي إلى درجات مختلفة من تشتت الضوء البشري، مما لا يزيد من فقدان الطاقة الضوئية فحسب، بل يتسبب أيضًا في تدهور جودة تصوير النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، مما يؤثر بدوره على استخلاص وتحليل الصورة. إشارة الهدف بواسطة النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء. من الضروري دراسة تأثير عيوب المكونات البصرية والتلوث السطحي على الأداء الإشعاعي الشارد للنظام.

اعتمد تحليل الإشعاع الضال المبكر للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي على تقدير الخبرة اليدوية. مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر، ظهر عدد كبير من برامج تحليل الإشعاع الشارد، بما في ذلك ASAP وZemax وTracePro. إن الأبحاث حول التلوث السطحي لمكونات النظام البصري في الخارج مبكرة نسبيًا وتتركز الأبحاث في الغالب بين عامي 1980 و2000. في عام 1996، ناقش إيه سي تيريبل من مركز رحلات الفضاء التابع لناسا وآخرون تأثير التلوث السطحي للمكونات على المعدات الفضائية والتحكم فيها. من التلوث.

في عام 1999، أجرى بيير واي بيلي ومات لالو من معهد التلسكوب الفضائي NGST (الجيل القادم من التلسكوب الفضائي) وكيث باريش من مركز جودارد لرحلات الفضاء تحليلًا للإشعاع الزائف للنظام استنادًا إلى مشروع ياردستيك وناقشوا التلوث السطحي للمكونات. الأجسام على الأداء الإشعاعي الشارد للنظام.

بدأت الأبحاث المحلية حول التلوث السطحي للمكونات البصرية في وقت متأخر، ولم يكن العمل ذو الصلة كثيرًا، ولكن مع الاهتمام التدريجي بمشكلة التلوث. كما تم إحراز بعض التقدم البحثي. في عام 2012، شياو جينغ وآخرون. أجرى تحليلاً لتأثير تلوث سطح المكون البصري على نسبة إشارة إلى ضوضاء النظام، ويعتقد أنه عندما تصل تغطية جزيئات التلوث السطحي للمكون البصري إلى مستوى معين، فإن ذلك سيؤثر على اكتشاف الإشارات الضعيفة بواسطة النظام البصري.

في عام 2015، استنادًا إلى نموذج التلوث العنقودي غير الموحد على سطح العنصر البصري، درس وو جيان بنغ وآخرون تأثير التلوث بالعيدان العنقودية للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء على خصائص الإشعاع الشارد للنظام.

نظرًا لمستوى تلوث الجسيمات البالغ 300 على سطح المرآة الأولية، استنادًا إلى نظرية تشتت Mie، يتم تحليل خصائص التشتت لركيزة المرآة الأولية بمستويات عيب مختلفة كميًا، ومن ثم يتم إنشاء نموذج تشتت المرآة الأولية. على هذا الأساس، بأخذ النظام البصري RC كمثال، جنبًا إلى جنب مع برنامج التحليل البصري ASAP، تمت محاكاة وتحليل خصائص الإشعاع الشارد للنظام للتلوث المعتدل على سطح المرآة الرئيسية والركيزة تحت مستويات عيب مختلفة، و وتم الحصول على الحسابات المقابلة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء.

وفقًا لمبدأ التفاعل بين الضوء والمادة، عندما يدخل شعاع الضوء إلى الوسط، ستحدث سلسلة من الظواهر الفيزيائية مثل الانتقال والانكسار والتشتت. بالنسبة للتشتت، يمكن تقسيمه إلى تشتت مرن وتشتت غير مرن. بالنسبة للانتثار المرن، فإنه يشمل بشكل أساسي تشتت رايلي، وانتثار مي، والانتثار غير الانتقائي. ترتبط خصائصه ارتباطًا وثيقًا بالطول الموجي للضوء الساقط وحجم وكثافة وشكل الجسيمات العالقة في الماء.

بشكل عام، عندما يكون حجم الجسيم في الوسط أصغر بكثير من الطول الموجي لموجة الضوء الساقطة، يمكن استخدام تشتت رايلي لتوصيف العلاقة بين شدة الضوء المتناثرة والطول الموجي لموجة الضوء، وعندما يكون حجم الجسيم أي ما يعادل الطول الموجي لموجة الضوء، يمكن استخدام تشتت Mie للتوصيف.

في وقت مبكر من عام 1908، اقترح غوستاف مي نظرية تشتت الضوء عند شرح الألوان المختلفة لتشتت الضوء وامتصاصه بواسطة جزيئات الذهب الغروية الصغيرة (جزيئات سول الذهب) المعلقة في الماء، والتي سميت فيما بعد بنظرية تشتت مي.

وفقًا لنظرية تشتت مي، يمكن الحصول على أن توزيع شدة الضوء المتناثر لأي جسيم كروي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بحجم الجسيم وتوزيع الجسيم. بالنسبة لنظام الجسيمات مع توزيعات متعددة لحجم الجسيمات، يمكن معرفة من نظرية تشتت Mie أنه عندما يتم تشعيع جسيم كروي واحد بموجة مستوية أحادية اللون بطول موجة π وكثافة ضوء I0، فإن الضوء المبعثر سيكون مضاءًا الكاشف الضوئي. الطاقة الضوئية المتناثرة على الحلقة هي:

في الصيغة: an وbn هما معاملا Michaelis-Men، وهما معامل الانكسار m للجسيم بالنسبة إلى الوسط المحيط ووظيفة المعلمة بدون أبعاد α=(πd/lect) التي تميز حجم حجم الجسيم . دالة بيسل ذات الترتيب شبه الصحيح والنوع الثاني من تمثيل هانكل المكون من رقمين؛ πn وTn هما دوال زاوية الانتثار، والتي يمكن تمثيلها بواسطة وظائف Legendre ووظائف Legendre المرتبطة من الدرجة الأولى لـ cosθ.

تجدر الإشارة إلى أن قيمة n لا يمكن أن تكون صغيرة جدًا، وإلا فإن الحساب سيؤدي إلى أخطاء أكبر؛ وبالمثل، لا ينبغي أن تكون قيمة n كبيرة جدًا، وإلا سيكون التقارب أبطأ وسيكون وقت الحساب أطول. تشير هذه المقالة إلى صيغة الاختبار المقدمة من Wiscombe لتحديد القيمة الفعالة لـ n.

بالنسبة لعيوب الجسيمات الكروية، يمكن الحصول على التوزيع الزاوي لشدة الضوء للمجال المبعثر من نظرية تشتت مي، ومن ثم يمكن حساب تشتت الجزيئات ذات الأحجام المختلفة. وعلى هذا الأساس، ومن خلال اختيار نموذج إحصائي مناسب، يمكن حساب التشتت الإجمالي لعيوب المكونات البصرية.

بسبب عيوب المكونات البصرية وتلوث السطح في النظام، فإن النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء لن يؤدي فقط إلى زيادة الإشعاع الحراري للمكونات الموجودة في النظام عند اكتشاف الإشارات الضعيفة، بل سيقلل أيضًا من شدة إشارة الهدف في مجال عرض وزيادة قوة إشارة الأجسام خارج مجال الرؤية، وبالتالي تقليل نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام. عندما يكتشف النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، يمكن تقسيم ضوضاء الكاشف إلى ثلاث فئات:

(1) الضوضاء الكامنة في الكاشف، مثل الضوضاء المركبة، والضوضاء 1/f، والضوضاء الحرارية، وضوضاء الطلقة؛

(2) ضوضاء الفوتون هي الضوضاء الناتجة عن تقلب الإلكترونات المولدة ضوئيًا الناتجة عن الإشارة وإشعاع الخلفية، والذي يتناسب مع قوة 1/2 عدد الإلكترونات المولدة ضوئيًا؛

(3) الضوضاء الناتجة عن مضخم الصوت السفلي مع عرض نطاق ترددي معين، مثل ضوضاء التكميم.

يتضمن حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل أساسي طريقة معدل اكتشاف النسبة والطريقة الإلكترونية المكافئة. طريقة الإلكترون المكافئ هي التعبير عن الإشارة والضوضاء في شكل عدد الإلكترونات. يقوم بتحويل الطاقة الإشعاعية التي تستقبلها وحدة الكاشف إلى عدد الفوتونات، ومن ثم الحصول على عدد الإلكترونات من الكفاءة الكمية للكاشف. يمكن التعبير عن رقم الإلكترون المكافئ الناتج عن الإشارة على النحو التالي:

في الصيغة: PS هي شدة إشارة الهدف؛ η هي الكفاءة الكمومية للكاشف؛ △T هو وقت تكامل الكاشف؛ E=hc/L هي فجوة نطاق الكاشف، h هو ثابت بلانك، وc هو الفراغ. سرعة الضوء، 5 هو الطول الموجي للكشف.

وبنفس الطريقة، يمكن التعبير عن عدد الإلكترونات الضوئية الناتجة عن قوة إشعاع الخلفية على النحو التالي:

في الصيغة: Pb يرمز إلى طاقة الإشعاع الخلفية.

في النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، من أجل قمع الإشعاع الحراري للنظام نفسه بشكل فعال، عادة ما يتم تبريد الكاشف عند درجة حرارة منخفضة. ولذلك، فإن الضوضاء الكامنة في الكاشف أصغر بكثير من الضوضاء الإشعاعية الخلفية. عندما تكون قوة إشعاع الإشارة المستهدفة أصغر بكثير من قدرة إشعاع الخلفية، يمكن التعبير عن نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء على النحو التالي:

وتبين المعادلة (6) أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام تتناسب مع قدرة الإشعاع المستهدف للإشارة وتتناسب عكسياً مع الجذر التربيعي لإشعاع الخلفية. بشكل عام، تكون أجهزة الكشف بالنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء مقيدة عمومًا بضوضاء الإشعاع الخلفية عند اكتشاف الإشارات الضعيفة.

من أجل دراسة تأثير جودة المكونات البصرية على نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، من الضروري استخدام برنامج ASAP لإنشاء نموذج محاكاة بصري ميكانيكي ثلاثي الأبعاد للنظام، و تحديد نموذج تشتت معقول لكل مكون من مكونات النظام.

من أجل دراسة تأثير تلوث الجسيمات على سطح المرآة الأولية وتكرار عيوب الركيزة على نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، يتم أخذ النظام البصري RC كمثال. يظهر هيكلها في الشكل 1، ويتم استخدام برنامج التحليل البصري ASAP لإنشاء نموذج محاكاة ثلاثي الأبعاد.

زاوية الرؤية الكاملة للنظام هي 1.6 درجة، قطر حدقة المدخل 1200 مم، نطاق موجة العمل 3-5μm، ودرجة حرارة النظام 275 ك. لا يحتوي النظام على حاجز بارد مطابق بنسبة 100% لمنع الإشعاع الحراري من المكونات الموجودة خارج مجال الرؤية.

الشكل 1: تصميم تخطيطي للنظام البصري للتصوير بالأشعة تحت الحمراء

بعد إنشاء نموذج محاكاة النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، تتمثل فرضية تحليل الإشعاع الشارد في تحديد نموذج التشتت المناسب للأجزاء البصرية والميكانيكية للنظام لتوصيف خصائص التشتت لسطحه. في الحساب، من المفترض أن انعكاسية المرآة هي 0.98، ويستخدم نموذج هارفي المعدل لوصف خصائص التشتت الخاصة بها، ويبلغ إجمالي التشتت المتكامل TIS 0.018٪.

نفاذية العدسة 0.99، وإجمالي التشتت المتكامل 0.4%. تبلغ انعكاسية الأجزاء الميكانيكية للنظام 2%، ويستخدم النموذج اللامبرتي مع TIS بنسبة 2% لوصف خصائص التشتت. السطح مطلي باللون الأسود ومعدل الامتصاص 0.96.

عندما تكون نظافة سطح العنصر البصري 300، 500، 750 (تغطية سطح الجسيمات هي 0.03%، 0.3%، 2.7%، على التوالي)، فإنها تتوافق مع ثلاثة أنواع من تلوث المرآة: التلوث الضوئي، والتلوث المعتدل، والتلوث الشديد. .

يوضح الشكل 2 التوزيع الطبيعي لتوزيع التشتت ثنائي الاتجاه (BSDF) مع زاوية التشتت (الشكل 2 (أ) 300 درجة من تلوث سطح المرآة، الشكل 2 (ب) 500 درجة من تلوث سطح المرآة، الشكل 2 (ج) 750 درجة تلوث على سطح العاكس). في نظام التلسكوب الكبير، عادة ما يكون حجم المرآة الأساسية أكبر وتكون المعالجة أكثر صعوبة.

الشكل 2 BSDF مع التوزيع الطبيعي لزاوية الانتثار

لذلك، تركز هذه المقالة على البحث حول جودة المرآة الأولية. إذا أخذنا الحالة التي يكون فيها تلوث سطح المرآة الرئيسي هو المستوى 300 كمثال، فإن خصائص التشتت لمستويات العيوب المختلفة على ركيزة المرآة الرئيسية مزودة بمجموع نموذجين هارفي معدلين لتناسب بيانات BSDF المحسوبة بواسطة نموذج تشتت Mie.

التشتت الكلي للمرآة الأولية هو مجموع خشونة السطح وتلوث الجسيمات السطحية وتكرار عيوب الركيزة. يتم استخدام معيار MIL-STD-1246C لتقريب توزيع الجسيمات للتلوث بالجسيمات على سطح المكون. إن كثافة وحجم جزيئات التلوث تخضع للتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي، أي

في الصيغة: x هو حجم جزيئات الملوثات؛ N(x) هو عدد الجزيئات الأكبر من أو يساوي x لكل قدم مربع؛ X₁هو مستوى نظافة سطح العنصر البصري؛ C هو ثابت التطبيع، وقيمة C في هذا المعيار هي 0.926. وتبين المعادلة (7) أن احتمال ظهور الجسيمات صغيرة الحجم أعلى، في حين أن احتمال حدوث الجسيمات كبيرة الحجم أقل. ولذلك، في الحساب، يمكن تقريب أن جزيئات التلوث الموجودة على سطح العنصر البصري هي جزيئات صغيرة الحجم.

فيما يتعلق بعيوب الركيزة، أظهر عدد كبير من التجارب والدراسات النظرية أن حجم وكثافة عيوب العناصر الضوئية يخضع لتوزيع أسي للطاقة، أي أنه كلما كان الحجم أصغر، زادت الكثافة:

في الصيغة: تمثل P الكثافة عندما يكون حجم العيب، وA وm هما معلمتان مرتبطتان بالعناصر البصرية. وفقًا لمعايير الكشف عن عيوب سطح الركيزة في المعيار الوطني (GB1185-79)، يمكن تقسيم عيوب المكونات إلى 10 مستويات من الأقل إلى الأعلى، مثل I-10 وI-20 وI-30 وII وIII . عالية تشير إلى أن جودة معالجة المكون أسوأ.

بالنسبة لتكرار عيب الركيزة، يكون للعيب بنية أسطوانية متناظرة ذات حدود مكافئة، ويتوافق قطر سطحه مع العلاقة التالية مع حجم البذرة وعمقها:

في الصيغة: D هو قطر عيب سطح الفيلم؛ د هو قطر البذور عيب الركيزة؛ T هو عمق البذرة. يفترض الحساب أن مادة الركيزة الرئيسية للمرآة هي Si مع معامل انكسار 3.44-2.4×10، وطبقة واحدة من فيلم Ag بسماكة 100 نانومتر مطلية على الركيزة Si، والفيلم الواقي هو ZnS/YbF3. الطول الموجي المحسوب هو 4μm.

يمكن أن نرى من الشكل 2 أن طاقة التشتت الناتجة عن تلوث سطح المرآة الرئيسية والتأثيرات المتعددة لعيوب الركيزة تتركز بشكل أساسي في الاتجاه الأمامي (زاوية التشتت بين 0 درجة -90 درجة)، وعندما يتم تحديد مستوى التلوث لسطح المرآة الرئيسي، والركيزة كلما ارتفع مستوى الخلل، كان التركيز الأمامي أكثر وضوحًا، وكان التأثير على تكرار عيوب الركيزة أكثر وضوحًا.

وبمقارنة الأشكال 2 (أ) - (ج) كذلك، يمكن ملاحظة أنه حتى لو كانت جودة معالجة الركيزة أفضل، إذا كان التلوث السطحي للعنصر البصري أكثر خطورة، كلما زادت كمية التشتت التي يسببها. على العكس من ذلك، حتى لو كان سطح العنصر البصري ملوثًا قليلاً، إذا كانت جودة معالجة الركيزة أسوأ، فإن كمية التشتت تكون أكبر أيضًا.

وبما أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء مرتبطة بإشعاع الإشارة وإشعاع الخلفية الذي يستقبله الكاشف، فمن الضروري تحليل خصائص الإشعاع الشارد للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء. يشمل الإشعاع الخلفي الذي يستقبله الكاشف الإشعاع الحراري للمكونات الداخلية للنظام والإشعاع الشارد لمصادر الإشعاع الخارجية. من بينها، تشمل مصادر الإشعاع الخارجي الضالة بشكل رئيسي خلفية الشمس والسماء.

في حالة أن تلوث سطح المرآة الرئيسية هو المستوى 300، خذ تلسكوب RC الموضح في الشكل 1 كمثال، فإن عيوب ركيزة المرآة الرئيسية هي على التوالي I-10 وI-20 وI-30 وI و II، والمرآة الرئيسية: وجد التحليل الأولي لستة شروط للنظافة (أي عدم وجود عيوب على الركيزة وعدم وجود تلوث على سطح المرآة الرئيسية) أن مجموع تدفق الإشعاع الشارد للأجزاء الميكانيكية في النظام هو أكبر من مجموع تدفق الإشعاع الشارد للأجزاء البصرية. التحسين على النحو التالي:

(1) تمت إضافة حلقة حجب الضوء إلى غطاء النظام؛

(2) تشويه الأجزاء الميكانيكية غير الهامة؛

(3) بالنسبة لأسطوانة العدسة، وما إلى ذلك، والتي تمثل السطح الرئيسي ولكن ليس السطح المشعع، قم بتخشينها؛

(3) بالنسبة للأضلاع الداعمة، وما إلى ذلك، والتي تمثل كلا من السطح الرئيسي والسطح المشعع، قم أولاً بتلوينها ثم تخشينها. يوضح الجدول 1 تدفق الإشعاع الشارد لكل عنصر من عناصر النظام البصري للأشعة تحت الحمراء الذي يصل إلى مستوى صورة الكاشف.

يمكن ملاحظة ذلك من الجدول 1: في حالة تلوث سطح مرآة أولية معينة بمقدار 300 مستوى، مع زيادة مستوى الخلل في ركيزة المرآة الأولية، فإن تدفق الإشعاع الشارد للمرآة الأولية سيزداد مع زيادة الانبعاثية الخاصة. يزيد. إن تدفق الإشعاع الشارد للمرآة الثانوية لم يتغير بشكل أساسي. السبب الرئيسي هو أن المرآة الثانوية تواجه الكاشف، ويمكن أن يصل إشعاع الكادميوم الضال الخاص بها مباشرة إلى الكاشف، لذلك يكون أقل تأثراً بعيب ركيزة المرآة الأولية.

لا يوجد أي تغيير تقريبًا في تدفق الإشعاع الشارد للعدسات الثلاث وأسطوانة العدسة، ويرجع ذلك أساسًا إلى وجود هذا العنصر في المجموعة الخلفية للنظام، ولا يحتاج الإشعاع الشارد الخاص به إلى أن ينعكس ويتشتت بواسطة الأساسي و مرايا ثانوية . سيزداد تدفق الإشعاع الشارد للأضلاع الداعمة والغطاء مع زيادة كمية التشتت على سطح المرآة الأولية. السبب الرئيسي هو أن الإشعاع الشارد للأجزاء الميكانيكية يدخل المسار البصري اللاحق من خلال تشتت المرايا الأولية والثانوية، ويصل في النهاية إلى الكاشف.

بشكل عام، لا يمكن للإشعاع الشمسي أن يصل مباشرة إلى مستوى صورة النظام، ولا يمكن لإشعاعه الشارد أن يصل إلى الكاشف إلا من خلال تشتت المكونات الداخلية للنظام. وبما أن النظام البصري بشكل عام لا يكتشف الهدف مباشرة، فمن المفترض أن الزوايا بين ضوء الشمس الساقط والمحور البصري للنظام هي 10° و20° و30° على التوالي، وتعتبر الشمس بمثابة جسم أسود بدرجة حرارة 5900 كلفن.

تصل خلفية السماء بشكل أساسي إلى المستوى البؤري للكاشف من خلال انعكاس المرايا الأولية والثانوية. عند تحليل خصائص الإشعاع الشارد لخلفية السماء، فإن خلفية السماء تعادل جسمًا أسود يبلغ 200-280 كلفن. يكون التلوث على سطح المرآة الأولية عند مستوى 300، عندما تكون المرآة الرئيسية بها مستويات خلل مختلفة وتكون المرآة الرئيسية مثالية، يتم عرض تدفق الإشعاع الشارد لخلفية الشمس والسماء التي يستقبلها الكاشف في الجدول 2 مع الطول الموجي 3-5μm.

يتبين من الجدول 2 أن تدفق الإشعاع الشمسي الضال الذي يستقبله الكاشف أصغر من تدفق الإشعاع الشارد لخلفية السماء. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون تلوث سطح المرآة الرئيسي هو المستوى 300، عندما تكون زاوية سقوط الشمس والمحور البصري للنظام ثابتًا، فإن تدفق الإشعاع الشمسي الضال الذي يستقبله الكاشف سيزداد بشكل ملحوظ مع زيادة العيب مستوى الركيزة المرآة الرئيسية.

السبب الرئيسي هو أنه كلما ارتفع مستوى عيب الركيزة، زادت كمية التشتت على سطح المكون، وزادت طاقة الإشعاع الشمسي التي تنثر في النهاية بواسطة المرآة وتصل إلى الكاشف.

عندما يكون مستوى العيب في ركيزة المرآة الرئيسية ثابتًا، مع زيادة زاوية سقوط الشمس والمحور البصري للنظام، يتناقص تدريجيًا تدفق الإشعاع الشمسي الضال الذي يستقبله الكاشف.

عندما لا تتغير درجة حرارة خلفية السماء، فإن تدفق الإشعاع الشارد لمستويات العيوب المختلفة لركيزة المرآة الرئيسية سوف ينخفض تدريجيًا مع انخفاض نفاذية النظام، لكن التغيير ليس كبيرًا. عندما تتغير درجة حرارة الإشعاع الفعالة لخلفية السماء في حدود 200-280 كلفن، فإن تدفق الإشعاع الشارد لخلفية السماء الذي يجمعه الكاشف سيزداد تدريجياً مع زيادة درجة حرارة إشعاعه.

ويتبين من الجدول 1 والجدول 2 أن الإشعاع الشمسي الذي يستقبله الكاشف أصغر من خلفية السماء والإشعاع الحراري للمكونات الداخلية للنظام. ولذلك، عند تحليل تأثير تلوث سطح المرآة الرئيسية ومستويات عيوب الركيزة المختلفة على نسبة الإشارة إلى الضوضاء، فإن الإشعاع الشمسي فقط ناقش الموقف عندما تكون الزاوية بين الشعاع البشري والمحور البصري للنظام 30 °. توضح المعادلة (6) أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام مرتبطة بإشعاع الإشارة وإشعاع الخلفية الذي يستقبله الكاشف.

الإشعاع الخلفي الذي يستقبله الكاشف هو مجموع الإشعاع الحراري للمكونات الداخلية للنظام والإشعاع الشارد من الشمس والسماء. إن التغير النسبي في نسبة الإشارة إلى الضوضاء الناتج عن التلوث وعيوب العنصر البصري يرتبط فقط بالحجم النسبي للإشارة وإشعاع الخلفية، ولكن ليس بنسبة الإشارة إلى الضوضاء الأولية عندما يكون العنصر البصري نظيف.

من أجل تحليل التأثير النسبي لتلوث المرآة على نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل مريح وحدسي، يتم ضبط نسبة الإشارة إلى الضوضاء عندما يكون سطح المرآة نظيفًا مع درجات حرارة إشعاع خلفية السماء المختلفة على 1، وذلك للحصول على كثافة الإشارة المستهدفة للحسابات اللاحقة.

المعلمات المستخدمة لحساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء هي: △T=1X10، η=0.5، E=1.7x10J. يوضح الجدول 3 القيمة النسبية لنسبة الإشارة إلى الضوضاء عند تكرار العيوب بدرجات حرارة إشعاع مختلفة على خلفية السماء ومستويات عيوب مختلفة على الركيزة الرئيسية للمرآة.

تحليل الجدول 3، يمكن ملاحظة أنه نظرا للتلوث على مستوى 300 على سطح المرآة الأولية، يتم تقليل نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل كبير مع زيادة مستوى عيب الركيزة المرآة الأولية. بالإضافة إلى ذلك، عندما يظل مستوى الخلل في الركيزة الرئيسية للمرآة دون تغيير، مع ارتفاع درجة حرارة إشعاع خلفية السماء، فإن تأثير التلوث على سطح المرآة الرئيسية ومستويات الخلل المختلفة للركيزة على الإشارة إلى الضوضاء النسبة تنخفض تدريجيا.

أثناء تشغيل النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، عندما يكون التلوث على سطح العنصر البصري ومستوى العيب في الركيزة ضمن نطاق معين، يمكن اعتبار أداء الكشف للنظام دون تغيير بشكل أساسي، وعندما يكون مستوى المرآة يتجاوز التلوث وعيوب الركيزة هذا الحد، وينخفض أداء الكشف عن النظام بسرعة، والنطاق المسموح به من مستويات التلوث والعيوب هو مدى تحمل النظام للتلوث.

بالنسبة للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء، يمكن تعريف مدى تحمل المكونات البصرية للتلوث على النحو التالي: يجب التحكم في التغير النسبي لنسبة الإشارة إلى الضوضاء قبل التلوث وبعده بنسبة 10% تقريبًا لضمان الكشف الفعال عن الإشارات الضعيفة عندما تكون الإشارة- نسبة إلى الضوضاء منخفضة.

من أجل ضمان أداء الكشف للنظام، أي أن التغيير في نسبة الإشارة إلى الضوضاء الناجم عن التلوث والعيوب لا يمكن أن يكون أكبر من 10%. وفقا لحسابات المحاكاة في القسم 2.3.3، يمكن معرفة أنه عندما يتم إعطاء تلوث سطح المرآة الرئيسية عند مستوى 300، عندما تكون الركيزة معيبة فهي من الدرجة الثانية، والتخفيض النسبي للإشارة إلى- نسبة الضوضاء عندما تكون درجة حرارة خلفية السماء أقل من 280 كلفن قد تجاوزت 10%.

في هذا الوقت، نظرًا للتلوث بمقدار 300 مستوى على سطح المرآة الأساسية، من أجل ضمان أداء الكشف للنظام، يجب التحكم بشكل صارم في مستوى العيوب في المكونات البصرية ضمن المستوى الثاني.

بالإضافة إلى ذلك، في التطبيقات العملية، من الضروري تقليل تأثير التلوث الجزيئي للمكونات البصرية على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام من خلال مراقبة التلوث والتحكم فيه. أولاً، يتم استخدام طرق مختلفة للكشف عن التلوث للمكونات البصرية ذات مستويات تحمل التلوث المختلفة. بالنسبة لسطح المكون الذي يتمتع بدرجة كبيرة من تحمل التلوث، بمجرد ملاحظة أن المكون متسخ، يجب تنظيفه وصيانته.

بالنسبة لبعض الأسطح ذات متطلبات النظافة الأكثر صرامة، يمكن وضع قالب مراقبة مماثل بالقرب منها. يمكن تحقيق المراقبة عبر الإنترنت لسطح المكون من خلال قالب المراقبة. عندما يتبين أن النظافة أقل من النطاق المقبول، يجب تنظيف عينة المراقبة والمكونات الملوثة في نفس الوقت.

ثانياً، ينبغي اختيار الظروف البيئية الجيدة أثناء المراقبة، ويجب تقليل وقت تعرض سطح المكون إلى الحد الأدنى قدر الإمكان. أثناء تشغيل النظام، يجب تجنب مصادر التلوث الجزيئي مثل تلوث الجسيمات والتلوث الزيتي، ويجب على العمال الالتزام بإرشادات التلوث ذات الصلة قبل وبعد دخول منطقة مكافحة التلوث.

من أجل تقليل أو حتى القضاء على تلوث سطح المكونات من المصدر، يجب اتخاذ الوقاية من الجوانب التالية. بادئ ذي بدء، في تصميم النظام، ينبغي إبقاء المكونات الحساسة للتلوث بعيدة عن مصدر التلوث قدر الإمكان، بحيث لا يتمكن مصدر التلوث من "رؤية" السطح الرئيسي مباشرة. ثانيًا، عند اختيار المواد المكونة، يجب التحقق مسبقًا من خصائص وتكنولوجيا معالجة المواد التي سيتم اختيارها.

بالإضافة إلى ذلك، يجب التحكم في نظافة سطح المكون طوال عملية تجميع النظام، ويجب تقليل وقت تعرض سطح المكون إلى الحد الأدنى.

وأخيرا، ينبغي اتخاذ تدابير التغطية أثناء النقل وأثناء عدم التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، بمجرد اكتشاف أن مستوى التلوث لسطح المكون يتجاوز التسامح، يجب اتخاذ التدابير لتنظيف سطح المكون. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام طرق التنظيف غير التلامسية مثل رش السائل إلى التحكم في نظافة سطح المكون المنظف ضمن مستوى 250 (تبلغ التغطية السطحية للجزيئات الملوثة على المكون حوالي 0.01%).

على أساس نظرية تشتت العدادات، باستخدام نموذج تلوث الجسيمات والنموذج الإحصائي لتوزيع عيوب الركيزة، يتم تحليل خصائص التشتت للعناصر البصرية لمستويات العيوب المختلفة على الركيزة عندما يكون تلوث سطح المرآة الرئيسي هو مستوى 300، وتم إنشاء نموذج التشتت.

وأخيرًا، بأخذ نظام التلسكوب RC كمثال، يتم حساب التأثير على نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وبالنظر إلى أن التلوث السطحي لمكون معين هو 300، فقد أظهرت الدراسة ما يلي:

(1) مع زيادة مستوى العيب في الركيزة الرئيسية للمرآة، يزداد مقدار التشتت تدريجيًا، وكلما ارتفع مستوى العيب في الركيزة الرئيسية للمرآة، كلما كان التركيز الأمامي أكثر وضوحًا، وبالتالي كلما ارتفع مستوى الخلل في الركيزة الرئيسية للمرآة. الركيزة المرآة الرئيسية، وتأثير النسخ المتماثل هو التأثير أكثر وضوحا؛

(2) يوضح تحليل الإشعاع الحراري لنظام التلسكوب RC أنه بالنسبة للمرآة الأولية والمرآة الثانوية والمرآة الداعمة للعنصر في مجال الرؤية، فهي ضالة.

لا يتغير التدفق الإشعاعي كثيرًا، ولكن بالنسبة لحلقة المرآة الأولية وحلقة المرآة الثانوية ودعامات العناصر خارج مجال الرؤية، فإن الإشعاع الشارد سيزداد بسرعة مع زيادة كمية التشتت على سطح المرآة الأولية؛

(3) يُظهر تحليل خصائص إشعاع الشمس الخارجي الشارد أنه مع زيادة مستوى العيب في ركيزة المرآة الرئيسية، يزداد تدفق الإشعاع الشمسي الشارد الذي يستقبله الكاشف بشكل ملحوظ.

(4) يُظهر تحليل خصائص الإشعاع الشارد الخارجي لخلفية السماء أنه عندما لا تتغير درجة حرارة خلفية السماء، فإن تدفق الإشعاع الشارد يتناقص قليلاً مع زيادة مستوى الخلل في ركيزة المرآة الرئيسية. عندما تتغير درجة حرارة الإشعاع الفعالة لخلفية السماء في حدود 200 إلى 280 كلفن، فإن تدفق الإشعاع الشارد لخلفية السماء الذي يستقبله الكاشف سيزداد تدريجيًا مع زيادة درجة حرارة الإشعاع؛

(5) يُظهر تحليل نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام أنه عندما تكون درجة حرارة الإشعاع لخلفية السماء ثابتة، فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء تتناقص تدريجيًا مع زيادة مستوى الخلل في ركيزة المرآة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، عندما يظل مستوى العيب في الركيزة المرآة الرئيسية دون تغيير، مع زيادة درجة حرارة إشعاع خلفية السماء، يتناقص تدريجيًا تأثير مستويات الخلل المختلفة في الركيزة المرآة الرئيسية على نسبة الإشارة إلى الضوضاء؛

(6) يُظهر تحليل التسامح للمكونات البصرية للنظام أن مستوى الخلل في المكونات البصرية يحتاج إلى التحكم الصارم ضمن المستوى II. لذلك، في التطبيقات العملية، من الضروري التحكم بشكل صارم في مستوى التلوث السطحي للعنصر البصري ومستوى العيب السطحي للركيزة لضمان أن أداء النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء يلبي الطلب.

كخبير في أبحاث العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء لسنوات عديدة، يمكن لـ Quanhom أن يقدم لك بعض آراء التوجيه المهني بدرجة عالية في أماكن مختلفة.

باعتبارها شركة مصنعة ذات خبرة للمكونات الكهروميكانيكية الضوئية، فإن Quanhom مجهزة بنظام فحص الجودة الاحترافي وفريق إدارة شامل وتتمتع بسمعة عالية في الصناعة. تُباع منتجاتنا في جميع أنحاء العالم وتُستخدم في جميع مناحي الحياة. كما حظيت خدمة التسوق الشاملة المدروسة لدينا بإشادة بالإجماع من العملاء. إذا كنت مهتمًا بالعدسات البصرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فيرجى الاتصال بنا على الفور!

المؤلف: أنت شينغهاي، تشانغ بن

مصدر المجلة: المجلد 47 العدد 3 هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر مارس 2018

استلام المخطوطة: 2017-10-05، تاريخ المراجعة: 2017-11-15

[1] جيانغ لون، هو يوان، دونغ كيان، وآخرون. التصميم الحراري السلبي للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ثنائي النطاق [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2015،44(11): 3353-3357. (باللغة الصينية)

[2] Facey TA, Nonnenmacher AL. قياس إجمالي أسطح المرآة الملوثة بالانبعاثية النصف كروية [C]//SPIE, 1989, 967: 308-313.

[3] Spyak PR, Wolfe W L. التشتت من المرايا الملوثة بالجسيمات. الجزء 1: النظرية والتجربة لمجالات البوليسترين و=0.632 8 [J]. الهندسة البصرية، 1992،31(8): 1746-1756.

[4] MIL -STD -1246C. (15 فبراير 2002) [س]. مستويات نظافة المنتج القياسية العسكرية وبرنامج مكافحة التلوث، 2002.

[5] لي فانغ تشينغ، تشانغ بن، شياو جينغ، وآخرون. تحليل الضوء الشارد للمرآة الملوثة للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء [J]. البصريات والتكنولوجيا الإلكترونية الضوئية، 2010، 8(4): 22-25. (باللغة الصينية)

[6] بيير واي بيلي، مات لالو، لاري بيترو. تحليل الضوء الشارد للمهمة المعيارية [DB/OL]. [1999 -07 -23].http://www.ngst.stsciedu/nms/main/repo.

[7] تريبل إيه سي، بويادجيان بي، ديفيس جيه، وآخرون. إرشادات التصميم الهندسي للتحكم في التلوث لمجتمع الطيران [R]. ألاباما، مركز مارشال لرحلات الفضاء: تقرير مقاولي ناسا، 1996: 4740.

[8] هي بي، شياو جي، تشانغ بي، وآخرون. تأثير المرآة الملوثة على توزيعات تدفق الإشعاع الشارد لأنظمة التلسكوب بالأشعة تحت الحمراء [C] // SPIE، 2010، 7654: 76540T.

[9] شياو جينغ، تشانغ بن. تأثير تلوث المكونات البصرية على نسبة الإشارة إلى الضجيج في الأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2012، 41 (4): 1010-1016. (باللغة الصينية)

[10] وو جيانبينج، لوه وينفي، بينج جياكي، وآخرون. تأثير التلوث العنقودي بالجسيمات على إشعاع الضوء الشارد للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء [J]. مجلة جامعة سيتشوان (إصدار العلوم الهندسية)، 2010، 8(4): 22-25. (باللغة الصينية)

[11] Dave J V. تشتت الضوء المرئي بواسطة مجالات مائية كبيرة [J]. البصريات التطبيقية، 1969، 8(1): 155-164.

[12] تشانغ وي، لو يوان، دو شيمينغ، وآخرون. تحليل خصائص تشتت Mie [J]. التقنية البصرية، 2010، 36(6): 936-939. (باللغة الصينية)

[13] وانغ شويان. بحث حول خوارزمية اختبار حجم الجسيمات بناءً على نظرية مي [د] الجامعة التكنولوجية، 2011. (باللغة الصينية)

[14] كريج إف بورين، دونالد آر هوفمان. امتصاص وتشتت الضوء بواسطة الجزيئات الصغيرة [م]. الولايات المتحدة: شركة جون وايلي وأولاده، 1998: 234-288.

[15] Aikens DM, Wolfe CR, Lawson J K. استخدام وظائف الكثافة الطيفية للطاقة (PSD) في تحديد البصريات لمرفق الإشعال الوطني [C] // SPIE, 1995, 2576: 281-292.

[16] يان بيبي، فان شويوو. التصميم البصري وتحليل الضوء الشارد لنظام R-C [ J ] . تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2011، 33 (4): 214-218. (باللغة الصينية)

[17] تشو ليدان. بحث حول القانون الإحصائي بين توزيع "عيوب" المكونات البصرية وجودة المجال Nea في نظام الليزر عالي الطاقة [D]. ميانيانغ: الأكاديمية الصينية للفيزياء الهندسية، 2009. (بالصينية)

[18] يو شينغهاي، هو شياو تشوان، بنغ جياكي، وآخرون. تأثير عيوب المكون على خصائص الإشعاع الشارد للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2017، 46(1): 0120004. (باللغة الصينية)

[19] شو ديان، وانغ كينغ، غاو زيشان، وآخرون. الكشف عن المكونات البصرية الحالية والمعايير الدولية [M]. بكين: مطبعة العلوم، 2009: 264-267. (باللغة الصينية)

[20] شان يونغقوانغ، ليو شياو فنغ، هي هونغبو، وآخرون. التقدم البحثي للعيب العقدي في الطلاءات البصرية [J]. أشعة الليزر والجسيمات عالية الطاقة، 2011، 23(6): 1421-1429. (باللغة الصينية)

[21] تريبل إيه سي، بويادجيان بي، ديفيس جي، وآخرون a1. إرشادات التصميم الهندسي للتحكم في التلوث لمجتمع الفضاء الجوي تقرير مقاول ناسا [R]. ألاباما: مركز مارشال لرحلات الفضاء، 1996: 4740.

[22] Chen PT، Hedgeland RJ، Thomson S R. التكيف السطحي للملوثات الجزيئية [C] // تلوث النظام البصري: التأثيرات والقياس والتحكم II. الجمعية الدولية للبصريات والضوئيات، 1990: 327-336.

[23] Vest CE, Buch RM, Lenkevich M J. اختيار المواد المتعلقة بتلوث أسطح المركبات الفضائية [J]. سامبي ربع سنوية، 1988، 19(2): 29-35.

[24] لي مين، لي شياو بينغ، مياو هوايكون. تطوير تقنيات التحكم في التلوث لأسطح البصريات ذات الأشعة فوق البنفسجية [J]. تقدم الليزر والإلكترونيات الضوئية، 2013، 50 (3): 030005. (باللغة الصينية)