為了進一步提高紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)的性能，兼顧其空間分辨率和靈敏度的要求，基于可變冷光闌技術(shù)的制冷型變F數(shù)紅外探測器需求迫切。相較于傳統(tǒng)的紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)，變F數(shù)紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)可在大視場和小視場切換時保持分辨率和靈敏度的平衡，提高光學(xué)系統(tǒng)的孔徑利用率，進而縮小光學(xué)系統(tǒng)的徑向尺寸，有利于紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的提升和小型化設(shè)計。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，昆明物理研究所科研團隊對變F數(shù)與變焦之間的關(guān)系進行研究，概述了國內(nèi)外在可變冷光闌紅外探測器技術(shù)領(lǐng)域的研究進展，并對主流技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)難點進行了分析。相關(guān)研究內(nèi)容以“可變冷光闌紅外探測器研究進展和關(guān)鍵技術(shù)分析”為題發(fā)表在《紅外技術(shù)》期刊上。

變焦和變F數(shù)的關(guān)系

變焦光學(xué)系統(tǒng)的理論依據(jù)：光學(xué)系統(tǒng)的焦距是一項重要的設(shè)計指標，其關(guān)系到系統(tǒng)的視場角、空間分辨率等關(guān)鍵性能。

變F數(shù)與變焦的關(guān)系：為了理清變焦與變F數(shù)的關(guān)系，首先對傳統(tǒng)的紅外變焦系統(tǒng)進行分析。傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)中，探測器的F數(shù)是固定不變的，而光學(xué)系統(tǒng)（為方便討論，將冷屏作為光學(xué)系統(tǒng)的一部分）的F數(shù)則分以下幾種情況：

① 假設(shè)系統(tǒng)在最長焦距時入瞳尺寸與物鏡尺寸相等：該種情況下，光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)由最長焦距和物鏡尺寸的比值決定，此時冷屏開口即為系統(tǒng)的孔徑光闌。在系統(tǒng)由最長焦距切換到短焦狀態(tài)時，孔徑光闌及其尺寸均保持不變，入瞳由原來占滿整個物鏡逐步等比例縮小。由F數(shù)的公式可知，此時光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)保持不變。如圖1所示，探測器的F數(shù)固定不變，為F/3，在長焦窄視場時，通光孔徑被完全利用，見圖中淺藍色部分；當(dāng)系統(tǒng)切換至短焦大視場狀態(tài)時，通光孔徑大幅減小，見圖1中深藍色部分。

圖1 傳統(tǒng)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑利用率示意圖

② 假設(shè)系統(tǒng)在最短焦距時入瞳尺寸與物鏡尺寸相等：該種情況下，系統(tǒng)的F數(shù)由最短焦距和物鏡尺寸的比值決定。在系統(tǒng)由短焦向長焦切換時，由于物鏡尺寸固定，孔徑光闌不再是冷屏開口，物鏡邊框成為了新的孔徑光闌，也就是說此時雖然焦距在變大，但是入瞳直徑保持不變，使得光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)逐步增加，并大于探測器的F數(shù)，造成冷屏效率的下降。如圖2所示，光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為F/6，探測器的F數(shù)為F/3，光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)大于探測器，光學(xué)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的紅外輻射大量的進入焦平面，大幅增加系統(tǒng)的NETD，干擾成像。

圖2 25%冷屏效率系統(tǒng)的輻射示意圖

實際的變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，往往是上述兩種情況的平衡，通常不會只考慮某一個狀態(tài)的性能。而對于變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)來說，在設(shè)計時保證系統(tǒng)在各個焦距下的孔徑光闌均為探測器冷光闌，則當(dāng)系統(tǒng)由長焦變換到短焦時，通過等比例增大冷光闌尺寸，可保證入瞳尺寸保持不變，通光孔徑被充分利用，如圖3所示。

圖3 變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑利用率示意圖

當(dāng)系統(tǒng)由短焦變?yōu)殚L焦時，變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)可以通過等比例減小探測器冷光闌開口尺寸，使得探測器的F數(shù)變大，從而保持100%的冷屏效率，避免系統(tǒng)自身的雜散輻射進入焦平面，如圖4所示。

圖4 100%冷屏效率系統(tǒng)的輻射示意圖

變焦光學(xué)系統(tǒng)可兼顧大視場搜索目標和極小視場識別目標的需求，但是由于探測器的F數(shù)固定不變，因此要么不能充分利用通光孔徑，要么引入大量雜散輻射，不能達到最佳的成像質(zhì)量。而變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)則可以很好地解決上述問題。因此理論上，凡是紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的場合，變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)均可應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

可變冷光闌紅外探測器的研究進展

可變冷光闌的優(yōu)勢

可變冷光闌紅外探測器技術(shù)是目前實現(xiàn)變F數(shù)紅外系統(tǒng)的重要技術(shù)路線。相對于溫闌來說，其具有以下幾個優(yōu)勢：

F數(shù)調(diào)節(jié)范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了解決溫闌自身及反射的雜散輻射對成像的影響問題，通常做成球面溫闌，這使得F數(shù)調(diào)節(jié)范圍小，通常只有兩個F數(shù)可以選擇，或者只能在某兩個接近的F數(shù)之間進行調(diào)節(jié)，而可變冷光闌紅外探測器可實現(xiàn)系統(tǒng)F數(shù)的連續(xù)可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍較大。

可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。在傳統(tǒng)變焦光學(xué)系統(tǒng)中增加溫闌設(shè)計，將大幅增加光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。而采用可變冷光闌紅外探測器，只需針對探測器杜瓦封裝結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和裝配，可大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

可提升系統(tǒng)的靈敏度。長春光機所的常松濤等人研究了球面溫闌對中波640×512（15 μm）紅外探測器的NETD的影響，假設(shè)球面溫闌的溫度為20℃，球面溫闌的發(fā)射率為0.01，當(dāng)溫闌發(fā)生0.5℃的溫度變化時，溫闌引入的NETD達到3.6 mK，雖然引入的NETD很小，但也接近目前探測器本身的NETD。而采用可變冷光闌探測器的方法，引入的NETD可進一步降低。

可變冷光闌紅外探測器的研究進展

國外研究進展：美國彈道導(dǎo)彈防御局（BMDO）在2000年為高空觀測系統(tǒng)（HALO）進行更新時設(shè)計了一個雙波段紅外分光系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)在中波和長波的焦平面前端分別設(shè)置濾光片轉(zhuǎn)盤，每個轉(zhuǎn)盤上可放置5片不同帶通的濾光片以及一片用于背景測試的空白片。美國OKSI公司的Nahum Gat等人先后開發(fā)了兩套中繼光學(xué)系統(tǒng)，如圖6所示。2013年Nahum Gat等人提出了與杜瓦集成封裝的內(nèi)置式可變冷光闌結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相較于外置可變冷光闌結(jié)構(gòu)來說結(jié)構(gòu)緊湊，如圖7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基礎(chǔ)上改進了刀片虹膜式的可變冷光闌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。雷神公司的第三代前視紅外系統(tǒng)是可變冷光闌探測器技術(shù)的集大成者。其冷光闌結(jié)構(gòu)如圖9所示。此外，雷神公司將中長雙波段探測器芯片、雙F數(shù)可變冷光闌、制冷機、制冷機驅(qū)動電路、成像控制電路、冷光闌控制電路等均集成為一個前視紅外系統(tǒng)，該系統(tǒng)的體積和重量相對于第二代長波標準先進杜瓦組件（SADA Ⅱ）來說反而更小。包含中長雙波段探測器芯片、雙F數(shù)可變冷光闌、制冷機、成像控制電路、冷光控制電路等均在內(nèi)的第三代前視紅外系統(tǒng)的組成以及實物如圖10所示。

圖5 HALO的雙色紅外系統(tǒng)

圖6 帶可變冷光闌的真空密封結(jié)構(gòu)和外置可變光闌與濾光片轉(zhuǎn)盤的集成結(jié)構(gòu)

圖7 刀片虹膜式可變冷光闌

圖8 雙穩(wěn)態(tài)螺線管驅(qū)動的可變冷光闌示意圖

圖9 雷神公司可變冷光闌杜瓦俯視圖

圖10 第三代前視紅外系統(tǒng)的主要組成部件及系統(tǒng)的實物圖

國內(nèi)研究進展：國內(nèi)對基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外探測器研究較少。上海技物所于2001年發(fā)明了一種帶可變冷光闌功能的用于紅外探測器芯片中測的杜瓦（如圖11所示），上海技物所的可變冷光闌結(jié)構(gòu)用于芯片的中測篩選，對結(jié)構(gòu)的小型化以及制冷時間、制冷量的要求不高，因此不適合正式的紅外探測器。2014年長春光機所發(fā)明了一種與濾光片轉(zhuǎn)盤相似的可變光闌機構(gòu)（如圖12所示）。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面，613所于2017年設(shè)計了可以匹配不同F(xiàn)數(shù)探測器的中波大視場光學(xué)系統(tǒng)；中電科11所于2022年設(shè)計了F/2和F/4可調(diào)的變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)。

圖11 用于中測杜瓦的可變冷光闌

圖12 可變式的固定光闌

目前國內(nèi)對于可變冷光闌紅外探測器的研究較少，相關(guān)產(chǎn)品不夠成熟；國外也只有美國雷神公司對該技術(shù)進行深入研究，目前產(chǎn)品已進行小批量試制。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的對比，可以發(fā)現(xiàn)雷神公司采用的與杜瓦集成封裝的內(nèi)置式可變冷光闌是實現(xiàn)變F數(shù)紅外探測器的可行的技術(shù)路線。該技術(shù)路線有如下幾點優(yōu)勢：1）集成度高：針對640×480（20 μm）的芯片封裝，雷神公司的探測器體積和重量甚至還略小于SADA II探測器；2）可靠性高：可變冷光闌在制冷狀態(tài)下可進行1萬次的開合運動，在非制冷狀態(tài)下可進行10萬次的開合運動；3）功耗低：由于可變冷光闌機構(gòu)與杜瓦進行集成封裝，無需單獨為其再配備制冷機，因此功耗不大于75 W，且常溫降溫時間小于10 min；4）響應(yīng)時間快：雖然雷神的報道中沒有明確說明F數(shù)的切換時間，但是根據(jù)其使用的壓電電機的特性，F(xiàn)數(shù)的切換時間可滿足光學(xué)系統(tǒng)視場切換時間的要求。

可變冷光闌紅外探測器的關(guān)鍵技術(shù)

采用刀片虹膜式的可變冷光闌結(jié)構(gòu)，并將其與杜瓦進行集成封裝，存在以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）可變冷光闌杜瓦的整體設(shè)計技術(shù)

可變冷光闌杜瓦與傳統(tǒng)的固定光闌杜瓦在設(shè)計上有很大的不同，需從整體設(shè)計上來保證功能的實現(xiàn)。主要需考慮整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、光闌片的設(shè)計、驅(qū)動方式的選擇、結(jié)構(gòu)的溫度控制、整體裝配集成、小型化以及可靠性等多方面的技術(shù)。

2）可變冷光闌精密裝配技術(shù)

可變冷光闌涉及到光闌片的精密裝調(diào)、驅(qū)動電機的隔熱裝配以及整體結(jié)構(gòu)的精密封裝等裝配步驟，由于其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)冷屏結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，且存在運動部件，其裝配更加困難。而光闌片的裝配精度關(guān)系到運動機構(gòu)的長期可靠性以及運動過程中的摩擦力，同時影響驅(qū)動功率的大??；而驅(qū)動電機的裝配精度關(guān)系到光闌片的受力均勻性以及溫控效果；整體結(jié)構(gòu)的裝配精度關(guān)系到成像的質(zhì)量。因此需從設(shè)計和工藝等多方面進行綜合考慮，保證其裝配精度及長期可靠性。

3）微型電機設(shè)計和制造技術(shù)

對于可變冷光闌來說，壓電陶瓷電機是一種比較適合的驅(qū)動方式。壓電陶瓷電機單位體積下的力矩較大，沒有電磁干擾，具有斷電自鎖功能。一方面，為了縮小可變冷光闌紅外探測器的體積，壓電陶瓷電機的體積必須很小，另一方面，光闌片的運動阻力要求壓電電機的力矩不能過小。因此需通過電機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、高性能壓電陶瓷的制造、電機制造工藝的改進等多個方面實現(xiàn)小型化大力矩電機的研制，將杜瓦的體積控制在可接受的范圍內(nèi)。

4）杜瓦熱固耦合設(shè)計技術(shù)

可變冷光闌由于引入了復(fù)雜的運動機構(gòu)，冷頭熱質(zhì)量大幅增加，因此，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計以及材料選擇等多方面進行研究和考慮，減小杜瓦熱質(zhì)量，解決快速制冷的問題。此外，可變冷光闌通過電機與杜瓦外殼熱連接，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計減小杜瓦的漏熱。最后，光闌片之間通過疊加的方式互相貼合，熱阻很大，需減小光闌片之間以及光闌片與冷屏之間的熱阻，從而使光闌片溫度降低至不影響焦平面成像的水平。

5）可變冷光闌運動控制技術(shù)

探測器的F數(shù)由冷光闌的開口尺寸決定，因此需精確控制冷光闌的運動，從而精確控制探測器的F數(shù)。壓電陶瓷電機具有斷電自鎖的功能，即電機斷電后可變冷光闌將立即停止運動，停在斷電瞬間的位置，因此在控制方面只需要考慮可變冷光闌運動的反饋問題即可，這關(guān)鍵在于選擇合適的小型化位置傳感器，并結(jié)合可變冷光闌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將傳感器安裝固定在合適的位置。

6）光闌片表面鍍膜技術(shù)

光闌片表面需進行鍍膜處理，膜層需滿足摩擦系數(shù)小、耐磨以及反射率低3個條件。摩擦系數(shù)小可以減小光闌片之間的摩擦力，減小壓電電機的力矩需求，有利于電機的小型化；耐磨性高則有利于可變冷光闌機構(gòu)的可靠性，防止出現(xiàn)膜層脫落干擾成像的現(xiàn)象；反射率低則可以防止芯片的冷反射。

結(jié)論

這項研究從變焦和變F數(shù)的關(guān)系出發(fā)，闡述了變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)相比，具有可變F數(shù)功能的變焦光學(xué)系統(tǒng)可兼顧系統(tǒng)的空間分辨率和靈敏度需求，提高系統(tǒng)的孔徑利用率，有利于成像質(zhì)量的提升和系統(tǒng)的小型化。對可變冷光闌的研究進展進行了分析，發(fā)現(xiàn)雷神公司的內(nèi)置刀片虹膜式可變冷光闌是可行性高、性能優(yōu)異的技術(shù)路線，并對該技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析。對可變冷光闌紅外探測器的研究和應(yīng)用提供了參考。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1

審核編輯：劉清