实现高精度红外探测的冷光学技术
下一代地基高分辨望远镜及技术
下一代地基高分辨光学/红外望远镜及技术摘要：天文望远镜和技术在20世纪末取得了空前的辉煌成就，主要表现在：（1）大型望远镜的研制；（2）探测器的改进；（3）光干涉系统的应用；（4）自适应光学系统的应用。
借鉴TMT等国外典型地基大口径高精度光学红外望远镜的系统设计及其所用的关键技术，简绍我国十三五即将研制的10m级光学红外地基望远镜的系统设计包括型式选择，光学系统和探测器，机械系统等。
简述红外观测的重要性和困难，以及地基大口径望远镜制冷技术。
高灵敏度、低噪声是红外探测技术的必然要求，实现这一目标的有效手段之一就是冷光学技术，冷光学技术的成熟又进一步促进了红外探测的快速发展。
最后介绍我国地基红望远镜设计的一个简单方案。
1引言从人类发明第一架望远镜至今已经几百年，但科学家们一直没有停止对更大口径，大视场，更好的成像质量的天文望远镜的追求。
因为原则上望远镜口径越大其集光能力越强，其分辨率也就越高，越能看清更暗、更小、更遥远的星体。
另外高质量、高分辨观测是进行天文研究的基础，因为不断发现新天体，仔细研究天体的物质构成和化学物理性质，更精确地研究天体形状、大小、精细结构，并以更高精度测定天体的位置并跟踪天体的运动、天体的温度、质量、磁场等物理参数以满足研究和控制的需要。
同时这些物理参数是进一步发现和研究星系与恒星的形成与演变,探索宇宙中是否有生命体及其激变物理过程对人类的危害与影响等的依据，也是天文学的重要研究课题。
为研究宇宙的起源与演化、银河系的结钩、恒量的形成与演化以及太阳系起源等迫切需要对红外源作不同分辨率的光谱和光度等测量；尤其是为满足地外行星探索、黑洞探测以及光学红外波段的极限天文观测的需求，因此要求用较大口径的光学红外望镜。
我们知道天体的红外辐射相当微弱，而天空背景和周围环境的红外辐射又很强，比天体辐射流量高几个数量级,想要作高分辨率红外光谱、微弱红外辐射源的测光和高空间分辨率的红外成像观测，30m以上口径的巨型光学红外望远镜更是成为大型地面天文光学计划的首选，为此各国竞相研制大型望远镜。
红外制冷式变焦光学系统的设计与检测的开题报告
红外制冷式变焦光学系统的设计与检测的开题报告一、课题背景及意义红外光学系统具有光电子器件、军事、航空航天、地质勘探等众多领域的重要应用，目前由于红外焦平面及其探测器的发展，不同领域中对红外光学系统性能的要求也不断提高，而变焦光学系统作为其中的重要组成部分，对红外光学系统的性能尤其重要。
红外制冷式变焦光学系统因具有使用方便、工作可靠、性能稳定等优点，在红外光学系统中应用越来越广泛。
设计和实现一种有效的检测方法，对红外制冷式变焦光学系统的性能分析以及优化具有重要意义。
二、研究内容本文拟对红外制冷式变焦光学系统进行设计与检测。
具体研究内容如下：1. 通过对红外制冷模块的特性和工作原理进行分析，选择合适的制冷模块及控制电路。
2. 设计制冷式变焦光学系统的光学结构，并进行系统模拟分析。
3. 根据系统实际工作情况，选择合适的检测方法，并设计相应的试验系统。
4. 对制冷式变焦光学系统进行性能测试，并对测试结果进行分析和评价。
三、研究方法1. 系统分析法：通过对红外制冷模块的特性和工作原理进行分析，选择合适的制冷模块及控制电路。
2. 光学模拟法：根据变焦光学系统的设计要求、红外光学元件的特性及系统实际工作情况，对系统进行模拟分析，确定光学结构参数以及适当的压力力度参数，为后续设计提供参考。
3. 检测方法的选择：通过对变焦系统的工作状态进行全面分析，并选择适当的测试方法来测试其工作性能。
四、预期成果本文拟开展的红外制冷式变焦光学系统的设计与检测，预期能够从以下方面取得研究成果：1. 设计并制作出红外制冷式变焦光学系统，实现光学结构的优化设计，并提高系统的瞬时调焦精度。
2. 提出一种有效的检测方法，结合变焦系统的实际工作状态，全面测试其性能，为变焦系统的评价提供依据。
3. 分析红外制冷式变焦光学系统的性能参数，为该系统的性能优化提供理论参考。
五、研究难点1. 快速响应的系统结构设计；2. 动态性能测试方法的设计；3. 自适应制冷控制电路的设计。
航空航天工程师在航空器机载光电与红外探测系统中的技术与应用
航空航天工程师在航空器机载光电与红外探测系统中的技术与应用航空航天工程师在航空器机载光电与红外探测系统中发挥着重要的作用。
光电与红外探测技术的发展，使得航空器在航行、导航、目标探测等方面具备更高的能力与可靠性。
本文将从光电与红外探测系统的原理、技术以及在航空器中的应用等多个方面进行讨论。
一、光电与红外探测系统的原理与技术光电与红外探测系统是一种通过电子技术和光学技术相结合的仪器设备。
它利用光电探测器将目标发出的光信号或红外辐射信号转化为电信号，并进行信号处理与分析。
光电与红外探测系统主要包括光学系统、探测器和信号处理模块。
光学系统是光电与红外探测系统的重要组成部分，它包括透镜、滤光片、反射镜等光学元件，通过组合这些光学元件来实现对目标光信号的收集、聚焦和转换。
在探测器方面，早期主要使用光电二极管和光电倍增管等探测器。
而现在主要采用的是红外探测器，它利用半导体材料的特性，对红外辐射信号进行高灵敏度的探测，并将其转化为电信号。
信号处理模块是光电与红外探测系统中的关键部分，它通过对探测器输出的电信号进行放大、滤波、数字化和处理等操作，最终得到目标的相关信息。
二、航空器中光电与红外探测系统的应用1. 航行导航在航空器中，光电与红外探测系统可以帮助航空工程师进行航行导航。
通过对地面特征、天体等进行光学观测，航空器可以获取自身的位置信息，并实现自主导航。
此外，光电与红外探测系统还可以用于夜间航行，通过红外探测技术来检测目标物体，提高航空器的安全性。
2. 目标探测与跟踪航空器上的光电与红外探测系统具备很好的目标探测与跟踪能力。
它可以通过红外探测器对地面目标、其他航空器等进行监测，并通过信号处理模块实现目标的跟踪。
这对于飞行过程中的安全监控和目标侦查具有重要意义。
3. 环境监测与预警光电与红外探测系统还可以应用于航空器环境监测与预警。
通过对大气、地表温度等环境因素进行观测和检测，航空器可以提前预警风暴、火灾等自然灾害，为飞行提供重要的参考与保障。
大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计
大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计张华卫;张金旺;刘秀军;刘波【摘要】A low F number lens for infrared camera is introduced. Re-imaging method is used to ensure 100% cold shield efficiency in this lens for cooled IR camera. The lens is designed with F number 1.5 and full field angle 18.6° in 8-10mm waveband. Its imaging quality is nearly up to diffraction limitation and can be guaranteed with general manufacture and assembly technics.%介绍了一种大相对孔径红外成像镜头的设计。
该镜头针对制冷型红外探测器，采用二次成像设计，保证100%冷光阑效率。
在8～10mm波段，实现相对孔径（F数）为1.5、视场角2w为18.6°的设计，其成像质量优良，传函接近衍射极限，在常规加工装调公差下易于保证应用质量。
【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6页(P124-129)【关键词】大相对孔径;光学镜头;制冷型红外相机;二次成像【作者】张华卫;张金旺;刘秀军;刘波【作者单位】四川长虹电子科技有限公司，四川绵阳 621000;四川长虹电子科技有限公司，四川绵阳 621000;四川长虹电子科技有限公司，四川绵阳 621000;四川长虹电子科技有限公司，四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】TN21;V445.8红外成像探测相比无线电探测的最大优点是不主动发射电磁波，因此具有极强抗干扰能力和隐蔽性，在军事领域得到广泛应用。
空间目标地基红外探测技术研究
空间目标地基红外探测技术研究地基光电望远镜对空间目标的监视成像具有重要意义,通过成像特征可以直接识别出空间目标的功能、状态和正在执行的任务等信息。
使用可见光波段探测系统对空间目标成像主要依靠太阳光在被测目标表面的反(散)射光,但当目标进入地影区域时难以被观测,又由于白天有较强的天光背景与大气湍流,所以也限制了对目标的成像探测。
使用红外探测技术可以提取空间目标的诸多重要信息,如温度是确定目标状态的重要参数,在轨航天器表面的温度场反映了其内部工作状态与功能转换等,尤其在航天器发生故障时其温度场分布会发生异常变化。
发射率为物体热辐射特性的一种重要参数,当空间目标在轨运行时,表面发射率等辐射特性数据是其热控的重要依据,航天器表面发射率及其随波长与温度的变化特性可用来探测识别未知空间目标表面材料构成等信息。
除提取目标的表面信息,红外探测技术还具有环境适应性好;在夜间和恶劣气候条件下探测性能及识别目标伪装能力优于可见光;探测方式为被动探测,隐蔽性好不易被干扰;相较于雷达系统具有体积小、重量轻、功耗低等诸多优点,因此红外探测技术在军事、国防民用领域都得到了广泛的研究和应用。
尤其近年来在军事方面及视频监控领域的强烈需求和红外材料技术发展的推动下,作为高新技术的红外探测技术在未来将会有更广泛的应用。
但红外光电系统也有其自身不可避免的劣势,如光电系统工作时自身内部光学元件在常温环境下工作时会产生强烈的辐射噪声,对空间目标的有效探测产生极大的影响。
针对这种辐射噪声,使用冷光学技术可对成像终端产生的热辐射进行非常有效的抑制,将探测器感知的背景辐射降至其生成暗电流可被忽略的数值之下,从而大大提高对目标的探测效率。
综上所述,红外探测技术及配备冷光学的红外成像终端可在现有地基大口径光学望远镜系统的基础上发展形成新的观测能力,实现空间目标的全天时成像探测,并能够提供空间目标的温度及红外辐射特性密度区域分布图,为我国未来空间站等在轨航天器的运行状态、故障分析与未知空间目标的识别提供有利支持。
红外光学系统的特点
红外光学系统的特点
红外光学系统的特点
1.非接触式监测能力：红外光学系统采用的是红外辐射技术，因此不
需要与被测物接触，能够在不破坏被测物的情况下有效进行监测，且不会
受到被测物表面颜色、透明度、质地等因素的影响，适用范围广。
2.高灵敏度：红外光学系统能够灵敏地检测出物体表面微小的温度变化，从而能够对被测物进行高精度的测量，精度可达0.1摄氏度。
3.适用范围广：红外光学系统能够监测各种材料的表面温度，包括固体、液体和气体等，且能够在恶劣的环境条件下工作，如高温、低温、潮湿、腐蚀等。
4.非破坏性：由于红外光学系统是非接触式的，因此能够在不破坏被
测物的情况下进行测量，非常适合用于检测易碎、敏感的物品等。
5.实时性强：红外光学系统能够实时监测物体表面温度的变化，能够
在极短的时间内对变化作出反应，使之在工业自动化等领域得到广泛应用。
基于红外技术的高精度图像捕获技术研究
基于红外技术的高精度图像捕获技术研究近年来，随着科技的不断发展，红外技术已经逐渐成为新兴的技术领域。
而基于红外技术的高精度图像捕获技术，作为红外技术领域的一个重要技术分支，在实际应用中也得到了越来越广泛的应用。
本文将深入探讨基于红外技术的高精度图像捕获技术的研究现状以及应用前景。
一、红外技术简介红外线技术是一种介于可见光与微波之间的电磁波谱，它的波长从短波红外到长波红外不等，是人类眼睛不能直接看到的。
红外线技术具有多种独特的物理特性，如能够穿透烟雾、弱光、轻微遮挡物等，因此被广泛应用于军事、安防、医疗、环保等领域。
二、高精度图像捕获技术的发展随着红外技术的不断进步，其图像捕获技术水平也得到了迅速提高。
早期的红外图像捕获技术主要包括冷却型探测器和非冷却型探测器。
其中，冷却型探测器具有较高的灵敏度和分辨率，但成本较高；非冷却型探测器则成本较低，但灵敏度和分辨率较低。
随着科技的不断发展，利用红外波长特性的超分辨成像技术应运而生。
基于超分辨成像技术的高精度图像捕获技术可以有效提高红外图像的分辨率，从而更加精确地反映图像中的物体信息。
三、基于红外技术的高精度图像捕获技术的研究现状目前国内外已经有不少研究人员对基于红外技术的高精度图像捕获技术进行了研究，可谓取得了不俗的成果。
例如，利用红外超分辨成像技术可以实现对热成像仪拍摄的图像进行分析和修复，从而提高图像质量。
此外，还有一些研究者利用深度学习等技术对红外图像进行处理，取得了一定的效果。
不过，基于红外技术的高精度图像捕获技术的研究还处于早期阶段，需要更多的科研投入和技术积累。
四、基于红外技术的高精度图像捕获技术的应用前景基于红外技术的高精度图像捕获技术具有广阔的应用前景。
在军事安防领域，可通过红外图像技术对隐形飞机、无人机、导弹等进行监测和识别；在医疗领域，可以通过红外图像技术来诊断和治疗各种疾病；在环保领域，可以通过红外图像技术来监测污染物等。
此外，还可以应用于无人驾驶、智能家居等领域。
红外光学传感技术的发展与革新
红外光学传感技术的发展与革新红外光学传感技术一直被广泛应用于军事、航空、能源、医疗、环保等行业，其发展与革新是当前科技领域的热点之一。
近年来，随着红外光学传感器模块技术的不断提升，红外传感技术在各行各业中的应用范围不断拓展，已经逐渐成为一个新兴的研究领域。
从安防监控到城市建设，从航空航天到医疗诊断，从农业种植到环境检测，红外光学传感技术正以其强大的检测能力和高精度的测量结果得到广泛的应用。
红外光学传感技术的发展红外光学传感技术是一种基于红外光的原理进行的传感技术，红外光波长从0.75μm至1000μm，比可见光的波长更长。
因此，红外光可以穿透雾霾、黑暗、温度波动等场合，能够检测出其他传感器无法检测出的信号信息，具有较高的检测精度和穿透能力。
早期的红外传感器技术主要用于军事和安防行业，而现如今，在城市建设、自动化工业、智能家居、能源管理、医疗诊断等领域都能看到它的身影。
随着红外传感器技术逐渐成熟和普及，其应用领域也愈发广阔。
当前，红外光学传感技术被广泛应用于无人飞行器、机器视觉、动态图像处理、物体识别与跟踪、弱光图像增强等方面。
与此同时，人们正在探索它在新兴领域中的应用，如红外太阳能电池、光热转换、远程医疗等。
红外光学传感技术的发展，归根结底是一种转换技术的发展，即将红外光转化为电信号或数字信号，最终将信号转化为有用的信息。
红外光学传感技术的革新红外光学传感技术的革新一方面来自于传感器技术的提升，另一方面则来自于传感引擎的革新。
传感器技术的提升使得传感器的检测精度、灵敏度、分辨率等方面都得到了提高。
同时，红外辐射源、光学系统和信号处理等方面的革新，也进一步提高了红外辐射的强度、增强了传感器信号的可靠性和清晰度。
传感引擎的革新则主要表现在算法和软件方面。
近年来，机器学习、深度学习等人工智能技术的兴起，极大丰富了传感器数据的处理方法。
而且卷积神经网络、循环神经网络等深度学习技术的出现，使得传感器的检测精度、理解能力和自适应性得到了大幅提高。
制冷型及非制冷型红外探测器性能对比、应用领域分析
1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。
InSb中波红外探测器技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。
但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。
适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。
表6：制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。
碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。
但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。
量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。
但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。
Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。
隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。
提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。
国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。
昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。
2015年，昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。
据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD小于20Mk（F2/F4）。
技术指标达到国内外顶尖水平。
基于红外线测温技术的精确温度测量方法研究与实现
基于红外线测温技术的精确温度测量方法研究与实现近年来，随着人们对精确温度测量需求的不断增加，红外线测温技术逐渐受到广泛应用。
本文旨在研究和实现一种基于红外线测温技术的精确温度测量方法。
首先，我们需要了解红外线测温技术的原理。
红外线测温技术是利用物体热辐射的不可见波长进行测温的一种方法。
物体温度越高，辐射的红外线能量越强，因此可以通过测量物体辐射的红外线能量来推断其温度。
在实际应用中，我们需要考虑到一些因素，以确保温度测量的准确性。
首先是环境温度对红外线测温的影响。
环境温度会对红外线测温设备产生干扰，因此我们需要进行环境温度校准，以消除干扰。
其次是目标物体表面特性的影响。
不同物体对红外线的反射、吸收和发射有所不同，因此我们需要根据目标物体的特性进行修正，以提高测量精确性。
为了进一步提高测量精度，我们可以采取多种补偿方法。
一种常用的方法是与接触式温度传感器结合使用，通过比较红外线测温和接触式测温结果来进行校准。
另一种方法是使用多点校准，即在不同温度下对红外线测温设备进行校准，以建立起温度和红外线测量值之间的关系模型。
此外，还可以利用其他传感器，如湿度传感器、大气压力传感器等，对测量进行进一步修正。
在实际应用中，我们还需要考虑到测量目标物体的远近问题。
红外线测温技术的工作距离一般在几厘米至数米之间，超出范围无法准确测量。
因此，对于距离远的目标物体，我们需要使用红外线测温设备的变焦功能或选择更适合的设备。
除了上述内容，我们还可以进一步优化红外线测温技术。
例如，利用计算机视觉技术结合红外线测温技术，可以实现对多个目标物体的同时测温，并进行自动识别和跟踪。
另外，结合无线通信技术，可以实现远程监测和控制，提高测温的便捷性和实时性。
总结起来，基于红外线测温技术的精确温度测量方法可以通过环境温度校准、目标物体特性修正和多种补偿方法来提高测量精确性。
同时，结合其他传感器和技术，可以进一步优化红外线测温技术的应用效果。
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第３５卷第９期 ２０１３年９月 红外技术
Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂ１．３５ ＮＯ．９
Ｓｅｐ．２０１３
实现高精度红外探测的冷光学技术 殷丽梅，刘莹奇，李洪文 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）
摘要：高灵敏度、低噪声是红外探测技术的必然要求，实现这一目标的有效手段之一就是冷光学技术。 冷光学技术的成熟又进一步促进了红外探测的快速发展。通过查阅相关文献资料，对国外典型地基大 口径望远镜制冷红外设备的冷光学部分作了简要介绍，从工程应用的角度阐述了红外光学技术的各要 素，如低温恒温器制作、光学和机械结构设计、探测器安装等在冷光学处理中的设计要点和注意事项。 关键词：冷光学；低温恒温器；红外；制冷；杜瓦 中图分类号：ＴＮ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—８８９１（２０１３）０９—０５３５—００６
Ｃｏｌｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ａｃｈｉｅｖｅ Ｈｉｇｈ－ａｃｃｕｒａｃｙ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＹＩＮ Ｌｉ—ｍｅｉ，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ—ｑｉ，ＬＩ Ｈｏｎｇ—ｗｅｎ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＯｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐ ｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００３３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｒｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｏｎｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｎｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｉｓ ｇｏａｌ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｏｐｔｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ，ｃｏｌｄ ｏｐｔｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｕｒｉｔｙ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｍｏｔｅｓ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｖｉｅｗｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ－ｂａｓｅｄ ｌａｒｇｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，ａｎｄ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｅｖｅｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｃｒｙｏｓｔａｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ， ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ’Ｓ ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｏｌｄ ｏｐｔｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｄ ｏｐｔｉｃｓ，ｃｒｙｏｓｔａｔ，ｉｎｆｒａｒｅｄ，ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，ｄｅｗａｒ
０ 引言 进入２０世纪８０年代，天文学家已经比较成熟地 利用红外技术去探测各类不同天体的红外辐射，并从 中获取天体的物理性质。红外探测受到广泛关注的原 因主要有以下３个方面：首先，与可见光和无线电波 探测相比，红外探测可以观测目标自身辐射，通过对 目标２个以上波段红外辐射特性的测量还可以获得目 标表面的温度分布；其次，红外波段即使在白天和地 影也可以工作，是可见光成像探测的重要补充，是全 天时地基观测网的重要组成部分；再次，地基大口径 望远镜的前端光学系统均为反射式，成像特性不依赖 于波长，红外探测可在现有地基大口径望远镜系统的 基础上发展形成新的观测能力。可以说，无论对于天 文观测还是空间目标探测，红外波段都提供了一种有 效的探测途径。 当然，红外探测也有其自身的困难。首先，大气 对红外辐射不透明，地基设备对大气层外目标的观测 必须限制在大气窗口内进行；其次，所有温度高于绝 对零度的物体均会发出红外辐射，望远镜自身及环境 在约３００Ｋ的背景辐射内，形成了强大的噪声。因而 要想实现背景限的高灵敏度、低噪声观测，红外设备 必须制冷。主要包括以下２个方面：探测器的热生暗 电流必须降低到与天空背景相比较可以被忽略的水 平…；探测器感知到的热背景辐射必须降低到与天空 背景或探测器暗电流二者中较大者相比较可以被忽 略的水平…。前者通过制冷红外焦平面即可实现，后 者的实现途径即所谓的冷光学技术。像面处能够被探 测器看到的表面称为“关键面”，这些表面会直接向 像面辐射或散射能量。冷光学就是将这些“关键面” 所属的光学元件（一般不包括尺寸较大的主、次镜） 同探测器一起放置于低温恒温器中，通过降温的方式 抑制望远镜自身热辐射。目前，国外的冷光学技术已 十分成熟，几乎应用于所有望远镜的红外探测设备
收稿日期：２０１３．０５—２８；修订日期：２０１３．０６—２１． 作者简介：殷丽梅（１９８６一），女，研究实习员，工学硕士，主要从事目标红外辐射特性测量等技术的研究。
５３５ 第３５卷第９期 ２０１３年９月 红外技术
Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３５ ＮＯ．９
Ｓｅｐ．２０１３
结构，外壳称作真空罩（ｖａｃｕｕｍ ｊａｃｋｅｔ），最常见的是 圆柱形，也可做成多边形，工作温度为环境温度，内 表面抛光为低发射率的镜面，以减小热真空罩与内部 制冷组件之间的热传递。杜瓦最内层为直接与光学冷 台相连接的防辐射屏（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｈｉｅｌｄ），防辐射屏 外表面抛光甚至镀金，内表面涂黑，抑制杂散光。在 真空罩和防辐射屏之间还有一层不固定的热辐射屏 蔽层（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ），厚度极薄，像“墙纸”一样贴 在真空罩内表面，制作时可以采用双侧表面抛光为镜 面并镀金的金属薄片或多层隔热材料，Ｔ作温度介于 真空罩和防辐射屏温度之间。３个隔热层之间通过硬 度强但导热性差的材料相连接，如玻璃钢、钛合金【Ｊ ＵＩ 等。杜瓦内可加设抑制杂散辐射的挡光元件，制冷的 旋转式滤光轮可进行波段选择与细分。密封的冷光学 设备还有助于保持红外探测设备内部的清洁。低温杜 瓦制作关键是做好内部制冷组件和热的真空罩之间 的热隔离，真空罩的密封一般采用丁晴橡胶或氟橡胶 ０型圈。红外设备工作时，杜瓦窗口不能结露／霜，所 以窗口外表面温度应与室温相同，探测器附近温度最 低，一般将其置于远离杜瓦窗口的地方，由此杜瓦内 部温度分布存在梯度。 ２．２冷光学系统设计、加工和装调 冷光学系统的光机结构设计和公差分配以工作 温度为准，如７７ Ｋ，但其加工和装调在室温下进行， 工作温度和室温之问约２００℃的温差将造成杜瓦内所 有制冷组件发生不同程度的形变和移位。所以冷光学 系统的设计、加工和装调建立在对材料热学特性充分 了解的基础上，利用光学设计软件的热分析、公差分 析，有限元分析软件和手动计算等方式，将冷光学系 统各规格参数换算到室温水平。冷光学设计时，可以 选择全反射式和折射式２种结构。全反射式冷光学系 统的优势是在很宽的波段范围内消色差，且所有元件 的材料相同，低温制冷之后可以保持常温下的光学装 调，但一般只能采用离轴形式，设备尺寸大。折射式 冷光学系统的结构简单，尺寸小，但光学镜片和镜框 的材料不同，冷却时二者热膨胀系数不同，传统的透 镜安装方法在此处已不再适用，需采用柔性支撑，为 技术难点。冷光学装调的原则是保证光学系统冷却后 依然可用的同时满足光学设计公差。 对于含有折射元件的冷光学系统，光学设计给出 的光学镜片的曲率半径，镜片中心厚度和元件间隔等 参数在加工装调时需换算到室温水平。由ＺＥＭＡＸ光 学设计软件的多重结构功能选项即可直接得到换算 后的曲率半径和镜片中心厚度值。至于元件间隔，由 ５３８ 于镜片的移动不是按顺序依次进行的，所以光学设计 软件给出的结果往往不准确，更为重要的是，系统热 致伸缩的基点或基面应视杜瓦结构和制冷方案等具 体情况而定，故元件间隔只能手动计算＿Ｊ 。制冷过程 中，金属材料镜框因热膨胀系数大而收缩得快，光学 镜片受到来自透镜边缘由镜框快速收缩带来的径向 压力。传统的透镜安装工艺在此处已不再适用，文献 ［１２．１５］介绍了几种适用于冷光学透镜安装的方法。透 镜的热传递十分缓慢，大尺寸镜片基本Ｌ仅依赖于辐 射传递来降温＿ｌ引，冷却过快将直接导致透镜因热应力 而炸裂，所以制冷过程中应小 ｔｌ，控制制冷速率。伞反 射式光学系统在冷光学处理中相对容易一一些，关键是 找准系统热致伸缩的基点／基面。为保证反射镜镜而冷 却后的面型精度，机械设计人员需着重设计反射镜与 冷板的连接部分。但是全反射式光学系统一 般只能采 取离轴形式，装调困难，故仅适用ｒ结构简单的冷光 学系统。 ２．３探测器安装 传统制冷探测器的安装一ｒ艺是：探测器－心Ｈ－片陶瓷 基座的背面有网格状的插针，用予 零插入力（ＺＩＦ） 的插座连接，之后将ＺＩＦ插座焊接到ｆａｎｏｕｔ板上。如 此，中心部分的插针用‘Ｊ：探测器的制冷，而周围的插 针则用于探测器与ｆａｎｏｕｔ板的电子学连接。探测器附 近安装有温度传感器和加热器，实现探测器工作温度 的实时监测和控制＿Ｊ引。Ｂｅｚａｗａｄａ Ｊ等人曾利用具有温 控平台的测试杜瓦对雷神公司提供给ＶＩＳＴＡ的短波 红外ＨｇＣｄＴｅ ２ ｋ×２ ｋ探测器性能做了详细研究。实 验结果表明，直流输出平均值随探测器』 作温度的变 化而变化，漂移最为３ｍＶ／Ｋ，卡Ｈ ８３８ ｅ／Ｋ。所以 为了消除偏压漂移的影响，ＨｇＣｄＴｅ探测器的温控精 度一般要求达到±ｌ ｍＫ 。 红外探测器的控制和读出电子学可以被划分为 独立的３个部分。第１部分为低温杜瓦内的电子学， 包括数字信号（时钟和控制）输入、探测器模拟视频 信号输出和接地，它们被限制在位于探测器后方的 ｆａｎｏｕｔ板上，上作于低温环境，如图４芹侧虚线框内 所示。ｆａｎｏｕｔ板通过杜瓦壁上的真 连接器直接与何 于杜瓦外壁的，由时钟和预放板组成的第２部分电子 学相连接，工作在室温环境。随后，放大了的模拟信 号传输到第３部分电子学，该部分包括探测器控制单 元、温度控制单元和视频信号处理等，如图４朽侧虚 线框内所示。 近几年，ＣＭＯＳ工艺的发展使得ＦＰＡ片 制器 能够替代多个传统的ＰＣＢ板＿】 ，这 举措不仅有效