L'influence de la qualité des composants optiques sur le rapport signal/bruit du système optique infrarouge

Avec le développement de la science et de la technologie modernes, des exigences plus strictes ont été mises en avant pour les systèmes optiques, et les limitations de la technologie de traitement et de l'environnement d'exploitation des composants optiques ont inévitablement provoqué des « défauts » et une contamination de surface telle que des impuretés, des rayures et des piqûres. . La lumière parasite la plus courante dans un système optique pénètre dans le système optique sous un angle oblique en dehors du champ de vision, puis est diffusée dans le champ de vision par des pièces mécaniques et pénètre dans le chemin optique ultérieur. Ce type de diffusion est généralement facilement éliminé.

Cependant, il est beaucoup plus difficile d'éliminer d'abord la lumière qui arrive sur la lentille ou le miroir, puis qui est diffusée dans le champ de vision par la surface de l'élément optique pour entrer dans le champ de vision du système optique. Ce type de diffusion est généralement provoqué par les deux facteurs suivants :

(1) Diffusion causée par des rayures de surface, des piqûres ou d'autres défauts plus grands que la longueur d'onde de la lumière par rapport à la longueur d'onde de la lumière ;

(2) Étant donné que les surfaces optiques de haute qualité sont presque exemptes de défauts, la diffusion provient de petites irrégularités sur la surface causées par le polissage ou d'autres processus.

Dans des circonstances normales, en raison des limites de la technologie de traitement moderne, les composants optiques laisseront inévitablement divers défauts dans le processus de traitement du substrat. De plus, lors de l'utilisation de l'élément optique, sa surface sera également polluée.

Ce défaut et cette pollution de surface entraîneront différents degrés de diffusion de la lumière humaine, ce qui non seulement augmentera la perte d'énergie lumineuse, mais entraînera également une détérioration de la qualité d'imagerie du système optique infrarouge, ce qui affecte à son tour l'extraction et l'analyse du signal cible par le système optique infrarouge. , Il est nécessaire d'étudier l'influence des défauts des composants optiques et de la pollution de surface sur les performances en rayonnement parasite du système.

Les premières analyses des rayonnements parasites des systèmes optiques infrarouges reposaient principalement sur une estimation manuelle de l’expérience. Avec le développement de la technologie informatique, un grand nombre de logiciels d’analyse des rayonnements parasites ont vu le jour, notamment ASAP, Zemax et TracePro. La recherche sur la contamination de surface des composants de systèmes optiques à l'étranger est relativement précoce et la littérature se concentre principalement entre 1980 et 2000. En 1996, AC Terrible du Space Flight Center de la NASA et d'autres ont discuté de l'impact de la pollution de surface des composants sur les équipements spatiaux et le contrôle. de pollution.

En 1999, Pierre Y. Bely, Matt Lallo de l'Institut du télescope spatial NGST (Next Generation Space Telescope) et Keith Parrish du Goddard Space Flight Center ont effectué une analyse des rayonnements parasites du système basée sur le projet Yardstick et ont discuté de la contamination de surface des composants. d'objets sur les performances de rayonnement parasite du système.

Les recherches nationales sur la pollution de surface des composants optiques ont commencé tardivement et les travaux connexes ne sont pas nombreux, mais avec une attention progressive au problème de la pollution. Certains progrès en matière de recherche ont également été réalisés. En 2012, Xiao Jing et al. a effectué une analyse de l'impact de la contamination de la surface des composants optiques sur le rapport signal/bruit du système et a estimé que lorsque la couverture des particules de pollution de la surface des composants optiques atteint un certain niveau, cela affectera la détection des signaux faibles par le Système optique.

En 2015, sur la base du modèle de pollution en grappes non uniforme à la surface de l'élément optique, Wu Jianpeng et d'autres ont étudié l'influence de la pollution des baguettes en grappes du système optique infrarouge sur les caractéristiques de rayonnement parasite du système.

Étant donné un niveau de pollution particulaire de 300 sur la surface du miroir primaire, sur la base de la théorie de la diffusion de Mie, les caractéristiques de diffusion du substrat du miroir primaire présentant différents niveaux de défauts sont analysées quantitativement, puis le modèle de diffusion du miroir primaire est établi. Sur cette base, en prenant comme exemple le système optique RC, combiné au logiciel d'analyse optique ASAP, les caractéristiques du rayonnement parasite du système de pollution modérée à la surface du miroir principal et de son substrat sous différents niveaux de défauts ont été simulées et analysées, et Les calculs correspondants du rapport signal sur bruit ont été obtenus.

Selon le principe d'interaction entre la lumière et la matière, lorsqu'un faisceau de lumière pénètre dans le milieu, une série de phénomènes physiques tels que la transmission, la réfraction et la diffusion se produisent. Pour la diffusion, elle peut être divisée en diffusion élastique et diffusion inélastique. Pour la diffusion élastique, elle comprend principalement la diffusion Rayleigh, la diffusion Mie et la diffusion non sélective. Ses caractéristiques sont étroitement liées à la longueur d’onde de la lumière incidente, à la taille, à la densité et à la forme des particules en suspension dans l’eau.

D'une manière générale, lorsque la taille des particules dans le milieu est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de l'onde lumineuse incidente, la diffusion Rayleigh peut être utilisée pour caractériser la relation entre l'intensité de la lumière diffusée et la longueur d'onde de l'onde lumineuse, et lorsque la taille des particules est équivalente à la longueur d’onde de l’onde lumineuse, la diffusion Mie peut être utilisée pour la caractérisation.

Dès 1908, Gustav Mie a proposé la théorie de la diffusion de la lumière pour expliquer les différentes couleurs de diffusion et d'absorption de la lumière par de minuscules particules colloïdales d'or (particules de sol d'or) en suspension dans l'eau, qui fut plus tard appelée théorie de la diffusion de Mie.

Selon la théorie de la diffusion de Mie, on peut obtenir que la distribution de l'intensité de la lumière diffusée de toute particule sphérique est étroitement liée à la taille et à la distribution de la particule. Pour un système de particules avec plusieurs distributions granulométriques, la théorie de la diffusion de Mie permet de savoir que lorsqu'une seule particule sphérique est irradiée avec une onde plane monochromatique d'une longueur d'onde de λ et d'une intensité lumineuse de I0, la lumière diffusée sera allumée. le photodétecteur. L’énergie lumineuse diffusée sur un anneau est :

Dans la formule : an et bn sont les coefficients de Michaelis-Men, qui sont l'indice de réfraction m de la particule par rapport au milieu environnant et la fonction du paramètre adimensionnel α=(πd/λ) qui caractérise la taille de la particule . La fonction de Bessel d'ordre semi-entier et le deuxième type de représentation de Hankel à deux nombres ; πn et Tn sont des fonctions d'angle de diffusion, qui peuvent être représentées par les fonctions de Legendre et de Legendre associées au premier ordre de cosθ.

Il convient de souligner que la valeur de n ne peut pas être trop petite, sinon le calcul produirait des erreurs plus importantes ; de même, la valeur de n ne doit pas être trop grande, sinon la convergence sera plus lente et le temps de calcul plus long. Cet article fait référence à la formule de test donnée par Wiscombe pour déterminer la valeur efficace de n.

Pour les défauts de particules sphériques, la distribution angulaire de l'intensité lumineuse du champ diffusé peut être obtenue à partir de la théorie de la diffusion de Mie, puis la diffusion de particules de différentes tailles peut être calculée. Sur cette base, en sélectionnant un modèle statistique approprié, la diffusion totale des défauts des composants optiques peut être calculée.

En raison des défauts des composants optiques et de la contamination de surface du système, le système optique infrarouge augmentera non seulement le rayonnement thermique des composants du système lors de la détection de signaux faibles, mais réduira également l'intensité du signal cible dans le domaine de Visualisez et augmentez la force du signal des objets en dehors du champ de vision, réduisant ainsi le rapport signal/bruit du système. Lorsque le système optique infrarouge détecte, le bruit du détecteur peut être divisé en trois catégories :

(1) Le bruit inhérent du détecteur, tel que le bruit composite, le bruit 1/f, le bruit thermique et le bruit de tir ;

(2) Le bruit photonique est le bruit provoqué par la fluctuation des électrons photogénérés générés par le signal et le rayonnement de fond, qui est proportionnel à la moitié de la puissance du nombre d'électrons photogénérés ;

(3) Bruit généré par un amplificateur en aval avec une certaine bande passante de fréquence, tel que le bruit de quantification.

Le calcul du rapport signal/bruit comprend principalement la méthode du taux de détection du rapport et la méthode électronique équivalente. La méthode des électrons équivalents consiste à exprimer le signal et le bruit sous la forme du nombre d’électrons. Il convertit la puissance de rayonnement reçue par le détecteur en nombre de photons, puis obtient le nombre d'électrons à partir de l'efficacité quantique du détecteur. Le nombre d’électrons équivalent provoqué par le signal peut être exprimé comme suit :

Dans la formule : PS est l'intensité du signal cible ; η est l'efficacité quantique du détecteur ; △T est le temps d'intégration du détecteur ; E = hc/λ est la bande interdite du détecteur, h est la constante de Planck et c est la vitesse du vide, λ est la longueur d'onde de détection.

De la même manière, le nombre de photoélectrons provoqués par la puissance du rayonnement de fond peut être exprimé comme suit :

Dans la formule : Pb signifie puissance de rayonnement de fond.

Dans le système optique infrarouge, afin de supprimer efficacement le rayonnement thermique du système lui-même, le détecteur est généralement refroidi à basse température. Par conséquent, le bruit inhérent du détecteur est bien inférieur au bruit de fond du rayonnement. Lorsque la puissance de rayonnement du signal cible est bien inférieure à la puissance de rayonnement de fond, le rapport signal/bruit du système optique infrarouge peut être exprimé comme suit :

L'équation (6) montre que le rapport signal/bruit du système est proportionnel à la puissance de rayonnement cible du signal et inversement proportionnel à la racine carrée du rayonnement de fond. En général, les détecteurs du système optique infrarouge sont généralement limités par le bruit de fond lors de la détection de signaux faibles.

Afin d'étudier l'influence de la qualité des composants optiques sur le rapport signal sur bruit du système optique infrarouge, il est nécessaire d'utiliser le logiciel ASAP pour établir un modèle de simulation opto-mécanique tridimensionnel du système, et de spécifier un modèle de diffusion raisonnable pour chaque composant du système.

Afin d'étudier l'impact de la contamination des particules sur la surface du miroir primaire et la réplication des défauts du substrat sur le rapport signal sur bruit du système optique infrarouge, le système optique RC est pris comme exemple. Sa structure est représentée sur la figure 1, et le logiciel d'analyse optique ASAP est utilisé pour établir un modèle de simulation tridimensionnelle.

L'angle de vision complet du système est de 1,6°, le diamètre de la pupille d'entrée est de 1 200 mm, la bande d'onde de travail est de 3 à 5 μm et la température du système est de 275 K. Le système ne dispose pas d'un arrêt à froid parfaitement adapté pour supprimer le rayonnement thermique des composants situés en dehors du champ de vision.

Fig.1 Schéma de conception du système optique d'imagerie infrarouge

Une fois le modèle de simulation du système optique infrarouge établi, le principe de l'analyse du rayonnement parasite est de spécifier le modèle de diffusion approprié pour les parties optiques et mécaniques du système afin de caractériser les caractéristiques de diffusion de sa surface. Dans le calcul, on suppose que la réflectivité du miroir est de 0,98, et le modèle Harvey modifié est utilisé pour décrire ses caractéristiques de diffusion91, et sa diffusion intégrée totale TIS est de 0,018 %.

La transmission de la lentille est de 0,99 et la diffusion intégrale totale est de 0,4 %. La réflectivité des parties mécaniques du système est de 2 %, et le modèle lambertien avec un TIS de 2 % est utilisé pour décrire ses caractéristiques de diffusion. La surface est peinte en noir et le taux d'absorption est de 0,96.

Lorsque la propreté de surface de l'élément optique est de 300, 500, 750 (la couverture de surface des particules est respectivement de 0,03 %, 0,3 %, 2,7 %), cela correspond aux trois types de pollution miroir : pollution lumineuse, pollution modérée et pollution forte. .

La figure 2 montre la distribution normalisée de la distribution de diffusion bidirectionnelle (BSDF) avec l'angle de diffusion (Figure 2 (a) 300 degrés de pollution de la surface du miroir, Figure 2 (b) 500 degrés de pollution de la surface du miroir, figure 2 (c) 750 degrés de pollution sur la surface du réflecteur). Dans un grand système de télescope, la taille du miroir primaire est généralement plus grande et le traitement est plus difficile.

Fig.2 BSDF avec la distribution normalisée de l'angle de diffusion

Par conséquent, cet article se concentre sur la recherche sur la qualité du miroir primaire. En prenant comme exemple le cas où la contamination de la surface du miroir principal est de niveau 300, les caractéristiques de diffusion de différents niveaux de défauts sur le substrat du miroir principal sont ajustées avec la somme de deux modèles Harvey modifiés pour s'adapter aux données BSDF calculées par le modèle de diffusion de Mie.

La diffusion totale du miroir primaire est la somme de la rugosité de la surface, de la contamination des particules de surface et de la réplication des défauts du substrat. La norme MIL-STD-1246C est utilisée pour approximer la répartition des particules de pollution particulaire à la surface du composant. La densité et la taille des particules de pollution obéissent à la distribution log-normale, c'est-à-dire

Dans la formule : x est la taille des particules polluantes ; N(x) est le nombre de particules supérieur ou égal à x par pied carré ; X₁est le niveau de propreté de la surface de l'élément optique ; C est la constante de normalisation et la valeur de C dans cette norme est de 0,926. L'équation (7) montre que la probabilité d'apparition de particules de petite taille est plus élevée, tandis que la probabilité d'apparition de particules de grande taille est plus faible. Par conséquent, dans le calcul, on peut estimer que les particules de pollution à la surface de l'élément optique sont des particules de petite taille.

Concernant les défauts du substrat, un grand nombre d'expériences et d'études théoriques ont montré que la taille et la densité des défauts des éléments optiques obéissent à une distribution exponentielle en puissance, c'est-à-dire que plus la taille est petite, plus la densité est grande :

Dans la formule : P représente la densité lorsque la taille du défaut est grande, et A et m sont deux paramètres liés aux éléments optiques. Selon les normes de détection des défauts de surface du substrat de la norme nationale (GB1185-79), les défauts des composants peuvent être divisés en 10 niveaux de faible à élevé, tels que I-10, I-20, I-30, II et III. . Élevé indiquant que la qualité de traitement du composant est pire.

Pour la réplication des défauts de substrat, le défaut a une structure cylindrique symétrique avec une limite parabolique, et son diamètre de surface répond à la relation suivante avec la taille et la profondeur de la graine :

Dans la formule : D est le diamètre du défaut de surface du film ; d est le diamètre de la graine défectueuse du substrat ; T est la profondeur de la graine. Le calcul suppose que le matériau principal du substrat du miroir est du Si avec un indice de réfraction de 3,44 à 2,4 × 10, qu'une seule couche de film Ag d'une épaisseur de 100 nm est plaquée sur le substrat en Si et que le film protecteur est du ZnS/YbF3. La longueur d'onde calculée est de 4 μm.

On peut voir sur la figure 2 que l'énergie de diffusion provoquée par la contamination de la surface du miroir principal et les multiples effets des défauts de son substrat est principalement concentrée dans la direction avant (l'angle de diffusion est compris entre 0° et 90°), et lorsque le niveau de pollution de la surface du miroir principal est donné, le substrat Plus le niveau de défaut est élevé, plus la concentration directe est évidente et plus l'impact sur la réplication des défauts du substrat est évident.

En comparant davantage les figures 2(a) à (c), on peut voir que même si la qualité du traitement du substrat est meilleure, si la contamination de surface de l'élément optique est plus grave, plus la quantité de diffusion qu'elle provoque est importante. Au contraire, même si la surface de l'élément optique est légèrement contaminée, si la qualité du traitement du substrat est pire, la quantité de diffusion est également plus grande.

Étant donné que le rapport signal/bruit est lié au rayonnement du signal et au rayonnement de fond reçu par le détecteur, il est nécessaire d'analyser les caractéristiques du rayonnement parasite du système optique infrarouge. Le rayonnement de fond reçu par le détecteur comprend le rayonnement thermique des composants internes du système et le rayonnement parasite des sources de rayonnement externes. Parmi elles, les sources de rayonnement parasite externes comprennent principalement le soleil et le fond du ciel.

Dans le cas où la contamination de surface du miroir principal est de niveau 300, prenons le télescope RC montré sur la figure 1 comme exemple, les défauts du substrat du miroir principal sont respectivement I-10, I-20, I-30, I et II et le miroir principal Une analyse préliminaire de six conditions de propreté (c'est-à-dire aucun défaut sur le substrat et aucune pollution à la surface du miroir principal) a révélé que la somme du flux de rayonnement parasite des pièces mécaniques du système est supérieur à la somme du flux de rayonnement parasite des parties optiques. Optimisez comme suit :

(1) Ajout d'un anneau bloquant la lumière sur le capot du système ;

(2) Noircir les pièces mécaniques qui ne sont pas critiques ;

(3) Pour le barillet d'objectif, etc., qui constituent la surface clé mais pas la surface irradiée, rendez-le rugueux ;

(3) Pour les nervures de support, etc., qui constituent à la fois la surface clé et la surface irradiée, noircissez-la d'abord, puis rendez-la rugueuse. Le tableau 1 montre le flux de rayonnement parasite de chaque élément du système optique infrarouge atteignant le plan image du détecteur.

Il ressort du tableau 1 : dans le cas d'une pollution donnée de la surface du miroir primaire de 300 niveaux, avec l'augmentation du niveau de défaut du substrat du miroir primaire, le flux de rayonnement parasite du miroir primaire augmentera avec l'augmentation de son propre émissivité. Augmenter. Le flux de rayonnement parasite du miroir secondaire reste pratiquement inchangé. La raison principale est que le miroir secondaire fait face au détecteur et que son propre rayonnement parasite de cadmium peut atteindre directement le détecteur, il est donc moins affecté par le défaut du substrat du miroir primaire.

Il n'y a presque aucun changement dans le flux de rayonnement parasite des trois lentilles et du barillet d'objectif, principalement parce que cet élément est situé dans le groupe arrière du système et que son propre rayonnement parasite n'a pas besoin d'être réfléchi et diffusé par le primaire et miroirs secondaires. Le flux de rayonnement parasite des nervures de support et du capot augmentera avec l'augmentation de la quantité de diffusion sur la surface du miroir primaire. La raison principale est que le rayonnement parasite des pièces mécaniques pénètre dans le chemin optique suivant via la diffusion des miroirs primaire et secondaire et atteint finalement le détecteur.

Généralement, le rayonnement solaire ne peut pas atteindre directement le plan image du système, et son rayonnement parasite ne peut atteindre le détecteur que par la diffusion des composants internes du système. Puisque le système optique ne détecte généralement pas la cible directement, on suppose que les angles entre la lumière incidente du soleil et l'axe optique du système sont respectivement de 10°, 20° et 30°, et le soleil est considéré comme un corps noir avec une température de 5900K.

Le fond de ciel atteint principalement le plan focal du détecteur grâce à la réflexion des miroirs primaire et secondaire. Lors de l'analyse des caractéristiques des rayonnements parasites du fond du ciel, le fond du ciel équivaut à un corps noir de 200 à 280K. La pollution à la surface du miroir primaire est au niveau 300, lorsque le miroir principal présente différents niveaux de défauts et que le miroir principal est idéal, le flux de rayonnement parasite du soleil et du fond de ciel reçu par le détecteur est donné dans le tableau 2 avec un longueur d'onde de 3 à 5 μm.

Il ressort du tableau 2 que le flux de rayonnement solaire parasite reçu par le détecteur est inférieur au flux de rayonnement parasite du fond du ciel. De plus, lorsque la pollution de la surface du miroir principal est de niveau 300, lorsque l'angle d'incidence du soleil et l'axe optique du système sont constants, le flux de rayonnement solaire parasite reçu par le détecteur augmentera considérablement avec l'augmentation du défaut. niveau du substrat du miroir principal.

La raison principale est que plus le niveau de défaut du substrat est élevé, plus la quantité de diffusion sur la surface du composant est importante et plus l'énergie du rayonnement solaire qui est finalement diffusée par le miroir et atteint le détecteur est importante.

Lorsque le niveau de défaut du substrat du miroir principal est constant, à mesure que l'angle d'incidence du soleil et l'axe optique du système augmentent, le flux de rayonnement solaire parasite reçu par le détecteur diminue progressivement.

Lorsque la température du fond du ciel ne change pas, le flux de rayonnement parasite des différents niveaux de défauts du substrat du miroir principal diminuera progressivement à mesure que la transmission du système diminue, mais le changement n'est pas significatif. Lorsque la température de rayonnement effective du fond de ciel change entre 200 et 280 k, le flux de rayonnement parasite du fond de ciel collecté par le détecteur augmentera progressivement avec l'augmentation de sa température de rayonnement.

Il ressort des tableaux 1 et 2 que le rayonnement solaire reçu par le détecteur est inférieur au fond du ciel et au rayonnement thermique des composants internes du système. Par conséquent, lors de l'analyse de l'influence de la pollution de la surface du miroir principal et des différents niveaux de défauts du substrat sur le rapport signal/bruit, seul le rayonnement solaire Discutez de la situation lorsque l'angle entre le faisceau humain et l'axe optique du système est de 30 °. L'équation (6) montre que le rapport signal sur bruit du système est lié au rayonnement du signal et au rayonnement de fond reçus par le détecteur.

Le rayonnement de fond reçu par le détecteur est la somme du rayonnement thermique des composants internes du système et du rayonnement parasite du soleil et du ciel. Le changement relatif du rapport signal/bruit provoqué par la contamination et les défauts de l'élément optique est uniquement lié à l'ampleur relative du signal et du rayonnement de fond, mais pas au rapport signal/bruit initial lorsque l'élément optique est propre.

Afin d'analyser de manière pratique et intuitive l'influence relative de la pollution du miroir sur le rapport signal sur bruit, le rapport signal sur bruit lorsque la surface du miroir est propre avec différentes températures de rayonnement de fond de ciel est réglé sur 1, de manière à obtenir l'intensité du signal cible pour les calculs ultérieurs.

Les paramètres utilisés pour calculer le rapport signal sur bruit sont : △T=1X10, η=0,5, E=1,7x10J. Le tableau 3 montre la valeur relative du rapport signal sur bruit lors de la réplication de défauts avec différentes températures de rayonnement sur le fond du ciel et différents niveaux de défauts sur le substrat du miroir principal.

En analysant le tableau 3, on peut voir que, étant donné une contamination de niveau 300 sur la surface du miroir primaire, le rapport signal/bruit est considérablement réduit à mesure que le niveau de défaut du substrat du miroir primaire augmente. De plus, lorsque le niveau de défaut du substrat du miroir principal reste inchangé, à mesure que la température du rayonnement du fond du ciel augmente, l'influence de la contamination sur la surface du miroir principal et des différents niveaux de défaut du substrat sur le rapport signal/bruit le rapport diminue progressivement.

Pendant le fonctionnement du système optique infrarouge, lorsque la contamination sur la surface de l'élément optique et le niveau de défaut du substrat se situent dans une certaine plage, les performances de détection du système peuvent être considérées comme fondamentalement inchangées, et lorsque le niveau de miroir la contamination et les défauts du substrat dépassent cette limite, les performances de détection du système diminuent rapidement et la plage admissible de niveaux de pollution et de défauts correspond à la tolérance à la pollution du système.

Pour les systèmes optiques infrarouges, la tolérance à la pollution des composants optiques peut être définie comme : le changement relatif du rapport signal/bruit avant et après la pollution doit être contrôlé à environ 10 % pour assurer une détection efficace des signaux faibles lorsque le signal- le rapport bruit/bruit est faible.

Afin de garantir les performances de détection du système, c'est-à-dire que la modification du rapport signal/bruit provoquée par la pollution et les défauts ne peut pas être supérieure à 10 %. D'après le calcul de simulation de la section 2.3.3, on peut savoir que lorsque la contamination de surface du miroir principal est donnée au niveau 300, lorsque le substrat est défectueux, il est de classe II, et la réduction relative du signal à- Le rapport de bruit lorsque la température du fond du ciel est inférieure à 280 K a dépassé 10 %.

À l'heure actuelle, compte tenu d'une contamination de niveau 300 sur la surface du miroir primaire, afin d'assurer les performances de détection du système, le niveau de défauts sur les composants optiques doit être strictement contrôlé au niveau II.

De plus, dans les applications pratiques, il est nécessaire de réduire davantage l'impact de la pollution particulaire des composants optiques sur le rapport signal/bruit du système grâce à la surveillance et au contrôle de la pollution. Tout d’abord, différentes méthodes de détection de pollution sont utilisées pour les composants optiques présentant différentes tolérances de pollution. Pour la surface du composant présentant un degré élevé de tolérance à la contamination, une fois que le composant est constaté sale, nettoyez-le et entretenez-le.

Pour certaines surfaces ayant des exigences de propreté plus strictes, un gabarit de surveillance similaire peut être placé à proximité. La surveillance en ligne de la surface du composant peut être réalisée via le modèle de surveillance. Lorsqu'il s'avère que la propreté est inférieure à la plage acceptable, l'échantillon de contrôle et les composants contaminés doivent être nettoyés en même temps.

Deuxièmement, de bonnes conditions environnementales doivent être sélectionnées lors de l'observation et le temps d'exposition de la surface du composant doit être minimisé autant que possible. Pendant le fonctionnement du système, les sources de pollution moléculaire telles que la pollution par les particules et la pollution par les hydrocarbures doivent être évitées, et les travailleurs doivent se conformer aux directives de pollution pertinentes avant et après avoir pénétré dans la zone de contrôle de la pollution.

Afin de réduire, voire d'éradiquer la contamination de la surface des composants à la source, la prévention doit prendre en compte les aspects suivants. Tout d'abord, dans la conception du système, les composants sensibles à la pollution doivent être éloignés autant que possible de la source de pollution, afin que la source de pollution ne puisse pas « voir » directement la surface clé. Deuxièmement, lors de la sélection des matériaux composants, les caractéristiques et la technologie de traitement des matériaux à sélectionner doivent être vérifiées à l'avance.

De plus, la propreté de la surface des composants doit être contrôlée tout au long du processus d'assemblage du système, et le temps d'exposition de la surface des composants doit être minimisé.

Enfin, des mesures de couverture doivent être prises pendant le transport et pendant la non-exploitation. De plus, dès qu’il s’avère que le niveau de contamination de la surface du composant dépasse la tolérance, des mesures doivent être prises pour nettoyer la surface du composant. Par exemple, l'utilisation de méthodes de nettoyage sans contact telles que la pulvérisation de fluide peut contrôler la propreté de la surface du composant nettoyée au niveau 250 (la couverture de surface des particules contaminées sur le composant est d'environ 0,01 %).

Sur la base de la théorie de la diffusion du compteur, en utilisant le modèle de contamination des particules et le modèle statistique de la distribution des défauts du substrat, les caractéristiques de diffusion des éléments optiques de différents niveaux de défauts sur le substrat sont analysées lorsque la contamination de la surface du miroir principal est de niveau 300, et le modèle de diffusion est établi.

Enfin, en prenant comme exemple le système de télescope RC, l'influence sur le rapport signal/bruit est calculée. Sachant que la contamination superficielle d'un composant donné est de 300, l'étude montre que :

(1) Avec l'augmentation du niveau de défaut du substrat de miroir principal, la quantité de diffusion augmente progressivement, et plus le niveau de défaut du substrat de miroir principal est élevé, plus la concentration directe est évidente, donc plus le niveau de défaut du substrat de miroir principal est élevé. substrat miroir principal, l'effet de réplication l'impact est plus évident ;

(2) L'analyse du rayonnement thermique du système de télescope RC montre que pour le miroir primaire, le miroir secondaire et le miroir de support de l'élément dans le champ de vision, le parasite.

Le flux radiant ne change pas beaucoup, mais pour l'anneau du miroir primaire, l'anneau du miroir secondaire et la structure des éléments en dehors du champ de vision, le rayonnement parasite augmentera rapidement à mesure que la quantité de diffusion sur la surface du miroir primaire augmente ;

(3) L'analyse des caractéristiques du rayonnement parasite externe du soleil montre qu'avec l'augmentation du niveau de défaut du substrat du miroir principal, le flux de rayonnement parasite solaire reçu par le détecteur augmente considérablement.

(4) L'analyse des caractéristiques du rayonnement parasite externe du fond du ciel montre que lorsque la température du fond du ciel ne change pas, le flux de rayonnement parasite diminue légèrement avec l'augmentation du niveau de défaut du substrat du miroir principal. Lorsque la température de rayonnement effective du fond du ciel change entre 200 et 280 K, le flux de rayonnement parasite du fond du ciel reçu par le détecteur augmentera progressivement avec l'augmentation de sa température de rayonnement ;

(5) L'analyse du rapport signal/bruit du système montre que lorsque la température de rayonnement du fond du ciel est constante, le rapport signal/bruit diminue progressivement avec l'augmentation du niveau de défaut du substrat du miroir principal. De plus, lorsque le niveau de défaut du substrat de miroir principal reste inchangé, à mesure que la température de rayonnement du fond du ciel augmente, l'influence des différents niveaux de défaut du substrat de miroir principal sur le rapport signal/bruit diminue progressivement ;

(6) L'analyse de tolérance des composants optiques du système montre que le niveau de défaut sur les composants optiques doit être strictement contrôlé au sein du niveau II. Par conséquent, dans les applications pratiques, il est nécessaire de contrôler strictement le niveau de pollution de surface de l'élément optique et le niveau de défauts de surface du substrat pour garantir que les performances du système optique infrarouge répondent à la demande.

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Auteur : You Xinghai, Zhang Bin

Source du journal : Vol.47 No.3 Ingénierie infrarouge et laser, mars 2018

Manuscrit reçu : 2017-10-05, date de révision : 2017-11-15

[1] Jiang Lun, Hu Yuan, Dong Keyan et al. Conception athermique passive d'un système optique infrarouge double bande [J]. Ingénierie infrarouge et laser, 2015,44(11) : 3353-3357. (en chinois)

[2] Facey TA, Nonnenmacher A L. Mesure de l'émissivité hémisphérique totale des surfaces de miroirs contaminées [C]//SPIE, 1989, 967 : 308-313.

[3] Spyak PR, Wolfe W L. Dispersion provenant de miroirs contaminés par des particules. Partie 1 : théorie et expérience pour les sphères en polystyrène et =0,632 8 [J]. Ingénierie optique, 1992,31(8) : 1746-1756.

[4] MIL-STD-1246C. (15 février 2002) [S]. Niveaux de propreté des produits conformes aux normes militaires et programme de contrôle de la contamination, 2002.

[5] Li Fangqing, Zhang Bin, Xiao Jing et al. Analyse en lumière parasite du miroir contaminé du système optique infrarouge[J]. Optique et technologie optoélectronique, 2010, 8(4) : 22-25. (en chinois)

[6] Pierre et Bely, Matt Lallo, Larry Petro. Analyse par lumière parasite de la mission étalon [DB/OL]. [1999 -07 -23].http://www.ngst.stsciedu/nms/main/repo.

[7] Tribble AC, Boyadjian B, Davis J et al. Lignes directrices de conception technique de contrôle de la contamination pour la communauté aérospatiale [R]. Alabama, Marshall Space Flight Center : rapport de l'entrepreneur de la NASA, 1996 : 4740.

[8] He P, Xiao J, Zhang B et al. L'influence du miroir contaminé sur les distributions de flux de rayonnement parasite des systèmes de télescopes infrarouges [C]//SPIE, 2010, 7654 : 76540T.

[9] Xiao Jing, Zhang Bin. Influence de la contamination des composants optiques sur le rapport signal/bruit dans les systèmes optiques infrarouges [J]. Ingénierie infrarouge et laser, 2012, 41 (4) : 1010-1016. (en chinois)

[10] Wu Jianpeng, Luo Wenfei, Peng Jiaqi et coll. Influence de la contamination par amas de particules sur le rayonnement lumineux parasite des systèmes optiques infrarouges [J]. Journal de l'Université du Sichuan (Engineering Science Edition), 2010, 8(4) : 22-25. (en chinois)

[11] Dave J V. Diffusion de la lumière visible par de grandes sphères d'eau [J]. Optique appliquée, 1969, 8(1) : 155-164.

[12] Zhang Wei, Lu Yuan, Du Shiming et al. Analyse des caractéristiques de la diffusion Mie [J]. Technique optique, 2010, 36(6) : 936-939. (en chinois)

[13] Wang Xueyan. Recherche sur l'algorithme de test de taille des particules basé sur la théorie de Mie [D].an Technological University, 2011. (en chinois)

[14] Craig F Bohren, Donald R Huffman. Absorption et diffusion de la lumière par de petites particules [M]. États-Unis : John Wiley & Sons, Inc., 1998 : 234-288.

[15]Aikens DM, Wolfe CR, Lawson J K. L'utilisation des fonctions de densité spectrale de puissance (PSD) dans la spécification des optiques pour la National Ignition Facility[C]//SPIE, 1995, 2576 : 281-292.

[16] Yan Peipei, Fan Xuewu. Conception optique et analyse de la lumière parasite du système R -C [ J ] . Technologie infrarouge , 2011 , 33 (4) : 214-218. (en chinois)

[17]Zhou Lidan. Recherche sur la loi statistique entre la distribution des "défauts" des composants optiques et la qualité du champ proche dans un système laser haute puissance [D]. Mianyang : Académie chinoise d'ingénierie physique, 2009. (en chinois)

[18] You Xinghai, Hu Xiaochuan, Peng Jiaqi et al. Effet des défauts d'un composant sur les caractéristiques du rayonnement parasite du système optique infrarouge [J]. Ingénierie infrarouge et laser, 2017, 46(1) : 0120004. (en chinois)

[19] Xu Deyan, Wang Qing, Gao Zhishan et al. Détection actuelle des composants optiques et normes internationales [M]. Pékin : Science Press, 2009 : 264-267. (en chinois)

[20] Shan Yongguang, Liu Xiaofeng, He Hongbo et al. Progrès de la recherche sur le défaut nodulaire dans les revêtements optiques [J]. Faisceaux laser et de particules haute puissance, 2011, 23(6) : 1421-1429. (en chinois)

[21] Tribble AC, Boyadjian B, Davis J et al. Lignes directrices de conception technique de contrôle de la contamination pour la communauté aérospatiale Rapport de l'entrepreneur de la NASA [R]. Alabama : Centre de vol spatial Marshall, 1996 : 4740.

[22] Chen PT, Hedgeland RJ, Thomson SR. Hébergement en surface des contaminants moléculaires [C]//Contamination du système optique : effets, mesure, contrôle II. Société internationale d'optique et de photonique, 1990 : 327-336.

[23] Vest CE, Buch RM, Lenkevich M J. Sélection des matériaux liés à la contamination des surfaces des engins spatiaux [J]. Sampe Quarterly, 1988, 19(2) : 29-35.

[24] Lei Min, Li Xiaoping, Miao Huaikun. Développement de techniques de contrôle de la contamination pour les surfaces optiques EUV [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50 (3) : 030005. (en chinois)