為了進(jìn)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(cè)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(chǎng)和小視場(chǎng)切換時(shí)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(jìn)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(jì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，昆明物理研究所科研團(tuán)隊(duì)對(duì)變F數(shù)與變焦之間的關(guān)系進(jìn)行研究，概述了國(guó)內(nèi)外在可變冷光闌紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對(duì)主流技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“可變冷光闌紅外探測(cè)器研究進(jìn)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(xiàng)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其關(guān)系到系統(tǒng)的視場(chǎng)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(duì)傳統(tǒng)的紅外變焦系統(tǒng)進(jìn)行分析。傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)中，探測(cè)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(zhǎng)焦距時(shí)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(zhǎng)焦距和物鏡尺寸的比值決定，此時(shí)冷屏開(kāi)口即為系統(tǒng)的孔徑光闌。在系統(tǒng)由最長(zhǎng)焦距切換到短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，孔徑光闌及其尺寸均保持不變，入瞳由原來(lái)占滿整個(gè)物鏡逐步等比例縮小。由F數(shù)的公式可知，此時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)保持不變。如圖1所示，探測(cè)器的F數(shù)固定不變，為F/3，在長(zhǎng)焦窄視場(chǎng)時(shí)，通光孔徑被完全利用，見(jiàn)圖中淺藍(lán)色部分；當(dāng)系統(tǒng)切換至短焦大視場(chǎng)狀態(tài)時(shí)，通光孔徑大幅減小，見(jiàn)圖1中深藍(lán)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(shí)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(zhǎng)焦切換時(shí)，由于物鏡尺寸固定，孔徑光闌不再是冷屏開(kāi)口，物鏡邊框成為了新的孔徑光闌，也就是說(shuō)此時(shí)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(cè)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(cè)器的F數(shù)為F/3，光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)大于探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的紅外輻射大量的進(jìn)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(shí)際的變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往是上述兩種情況的平衡，通常不會(huì)只考慮某一個(gè)狀態(tài)的性能。而對(duì)于變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)保證系統(tǒng)在各個(gè)焦距下的孔徑光闌均為探測(cè)器冷光闌，則當(dāng)系統(tǒng)由長(zhǎng)焦變換到短焦時(shí)，通過(guò)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(zhǎng)焦時(shí)，變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)可以通過(guò)等比例減小探測(cè)器冷光闌開(kāi)口尺寸，使得探測(cè)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(jìn)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(chǎng)搜索目標(biāo)和極小視場(chǎng)識(shí)別目標(biāo)的需求，但是由于探測(cè)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(dá)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(wèn)題。因此理論上，凡是紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)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(cè)器的研究進(jìn)展

可變冷光闌的優(yōu)勢(shì)

可變冷光闌紅外探測(cè)器技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)變F數(shù)紅外系統(tǒng)的重要技術(shù)路線。相對(duì)于溫闌來(lái)說(shuō)，其具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

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(duì)成像的影響問(wèn)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(gè)F數(shù)可以選擇，或者只能在某兩個(gè)接近的F數(shù)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，而可變冷光闌紅外探測(cè)器可實(shí)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(jì)，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(cè)器，只需針對(duì)探測(cè)器杜瓦封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(zhǎng)春光機(jī)所的常松濤等人研究了球面溫闌對(duì)中波640×512（15 μm）紅外探測(cè)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(shí)，溫闌引入的NETD達(dá)到3.6 mK，雖然引入的NETD很小，但也接近目前探測(cè)器本身的NETD。而采用可變冷光闌探測(cè)器的方法，引入的NETD可進(jìn)一步降低。

可變冷光闌紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展

國(guó)外研究進(jìn)展：美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御局（BMDO）在2000年為高空觀測(cè)系統(tǒng)（HALO）進(jìn)行更新時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙波段紅外分光系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)在中波和長(zhǎng)波的焦平面前端分別設(shè)置濾光片轉(zhuǎn)盤(pán)，每個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)上可放置5片不同帶通的濾光片以及一片用于背景測(cè)試的空白片。美國(guó)OKSI公司的Nahum Gat等人先后開(kāi)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(lái)說(shuō)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(jìn)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(cè)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(zhǎng)雙波段探測(cè)器芯片、雙F數(shù)可變冷光闌、制冷機(jī)、制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、成像控制電路、冷光闌控制電路等均集成為一個(gè)前視紅外系統(tǒng)，該系統(tǒng)的體積和重量相對(duì)于第二代長(zhǎng)波標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)杜瓦組件（SADA Ⅱ）來(lái)說(shuō)反而更小。包含中長(zhǎng)雙波段探測(cè)器芯片、雙F數(shù)可變冷光闌、制冷機(jī)、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(shí)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(pán)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(dòng)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(shí)物圖

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展：國(guó)內(nèi)對(duì)基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外探測(cè)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(cè)器芯片中測(cè)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(cè)篩選，對(duì)結(jié)構(gòu)的小型化以及制冷時(shí)間、制冷量的要求不高，因此不適合正式的紅外探測(cè)器。2014年長(zhǎng)春光機(jī)所發(fā)明了一種與濾光片轉(zhuǎn)盤(pán)相似的可變光闌機(jī)構(gòu)（如圖12所示）。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，613所于2017年設(shè)計(jì)了可以匹配不同F(xiàn)數(shù)探測(cè)器的中波大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)；中電科11所于2022年設(shè)計(jì)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(cè)杜瓦的可變冷光闌

圖12 可變式的固定光闌

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于可變冷光闌紅外探測(cè)器的研究較少，相關(guān)產(chǎn)品不夠成熟；國(guó)外也只有美國(guó)雷神公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前產(chǎn)品已進(jìn)行小批量試制。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的對(duì)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(shí)現(xiàn)變F數(shù)紅外探測(cè)器的可行的技術(shù)路線。該技術(shù)路線有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）集成度高：針對(duì)640×480（20 μm）的芯片封裝，雷神公司的探測(cè)器體積和重量甚至還略小于SADA II探測(cè)器；2）可靠性高：可變冷光闌在制冷狀態(tài)下可進(jìn)行1萬(wàn)次的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，在非制冷狀態(tài)下可進(jìn)行10萬(wàn)次的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)；3）功耗低：由于可變冷光闌機(jī)構(gòu)與杜瓦進(jìn)行集成封裝，無(wú)需單獨(dú)為其再配備制冷機(jī)，因此功耗不大于75 W，且常溫降溫時(shí)間小于10 min；4）響應(yīng)時(shí)間快：雖然雷神的報(bào)道中沒(méi)有明確說(shuō)明F數(shù)的切換時(shí)間，但是根據(jù)其使用的壓電電機(jī)的特性，F(xiàn)數(shù)的切換時(shí)間可滿足光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)切換時(shí)間的要求。

可變冷光闌紅外探測(cè)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(jìn)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(jì)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(jì)上有很大的不同，需從整體設(shè)計(jì)上來(lái)保證功能的實(shí)現(xiàn)。主要需考慮整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光闌片的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)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(yùn)動(dòng)部件，其裝配更加困難。而光闌片的裝配精度關(guān)系到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期可靠性以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，同時(shí)影響驅(qū)動(dòng)功率的大小；而驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jì)和工藝等多方面進(jìn)行綜合考慮，保證其裝配精度及長(zhǎng)期可靠性。

3）微型電機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)

對(duì)于可變冷光闌來(lái)說(shuō)，壓電陶瓷電機(jī)是一種比較適合的驅(qū)動(dòng)方式。壓電陶瓷電機(jī)單位體積下的力矩較大，沒(méi)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(cè)器的體積，壓電陶瓷電機(jī)的體積必須很小，另一方面，光闌片的運(yùn)動(dòng)阻力要求壓電電機(jī)的力矩不能過(guò)小。因此需通過(guò)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、高性能壓電陶瓷的制造、電機(jī)制造工藝的改進(jìn)等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)小型化大力矩電機(jī)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(jì)技術(shù)

可變冷光闌由于引入了復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，冷頭熱質(zhì)量大幅增加，因此，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇等多方面進(jìn)行研究和考慮，減小杜瓦熱質(zhì)量，解決快速制冷的問(wèn)題。此外，可變冷光闌通過(guò)電機(jī)與杜瓦外殼熱連接，需通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小杜瓦的漏熱。最后，光闌片之間通過(guò)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(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

探測(cè)器的F數(shù)由冷光闌的開(kāi)口尺寸決定，因此需精確控制冷光闌的運(yùn)動(dòng)，從而精確控制探測(cè)器的F數(shù)。壓電陶瓷電機(jī)具有斷電自鎖的功能，即電機(jī)斷電后可變冷光闌將立即停止運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的反饋問(wèn)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(jì)，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(jìn)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(gè)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(jī)的力矩需求，有利于電機(jī)的小型化；耐磨性高則有利于可變冷光闌機(jī)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(xiàng)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(shì)。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(duì)可變冷光闌的研究進(jìn)展進(jìn)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(duì)該技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)可變冷光闌紅外探測(cè)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