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1、基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计常松涛田棋杰何锋赟余毅李周Design of varying f/number of cooled infrared detectors based on spherical reflecting warm shieldChang Song-Tao Tian Qi-Jie He Feng-Yun Yu Yi Li Zhou引用信息Citation: Acta Physica Sinica , 66, 150701 (2017) DOI: 10.7498/aps.66.150701在线阅读View online: http:/dx.doi.org/10.74
2、98/aps.66.150701当期内容View table of contents: http:/ you may be interested in太赫兹片系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展Research progress of super-continuum terahertz source based on nano-structures and terahertz lab on-chip system物理学报.2016, 65(1): 010704 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.65.010704最小可分辨气体浓度的等效测试评价方法Equival
3、ent-measurement evaluation method of minimum resolvable gas concentration物理学报.2015, 64(16): 160701 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.160701制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法Internal stray radiation measurement for cooled infrared imaging systems物理学报.2015, 64(5): 050702 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.050702近高超声速高温蓝宝
4、石窗口中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验Method of imaging performance deterioration anlysis and its experiment simulated high heating sapphireMW infrared window during near-hypersonic flight物理学报.2013, 62(23): 230702 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.62.230702强流电子束阻抗对对论速调管放大器注入及群聚特性的影响分析Influence of the strong beam impedan
5、ce on injection and bunching features of the relativistic klystronamplifier物理学报.2013, 62(4): 040701 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.62.040701万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计常松涛1)y田棋杰1)2)何锋赟1)余毅1)李周1)2)1)(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033)2)(中国科学院大学,北京100039)(2017年3月13
6、日收到; 2017年4月10日收到修改稿)制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定,在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数,但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题,提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型,分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础提出球面反射温阑的设计方法,通过改变表面形状和发射特性,降低温阑引入的杂散辐射,以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法,设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数,在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射,比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明,球面反射温阑引入的杂
7、散辐射远小于普通平面温阑,引入的噪声等效温差也较小,能够更好地保证红外系统的成像性能.关键词:制冷型红外探测器, f数,球面反射温阑,杂散辐射PACS: 07.57.c, 42.15.Eq, 07.57.Kp, 07.60.j DOI: 10.7498/aps.66.1507011引言高性能的红外成像系统和高精度的红外测温系统通常采用制冷型红外焦平面阵列探测器,该类系统主要应用于需要定量获得目标温度或者辐射特性信息的科研、军事领域.斯特林制冷是一种常见的探测器制冷方式,探测器安装在隔热杜瓦瓶内,外部的红外辐射透过杜瓦窗口到达探测器.杜瓦窗口可以认为是一种冷光阑或冷阑,通常将制冷型红外探测器的f
8、数定义为冷阑到探测器的距离与冷阑口径的比值.当探测器和杜瓦瓶组装完成后,探测器的f数就已经确定,标准制冷型红外探测器产品的f数通常为2或4.将制冷型探测器用于红外成像系统时,如果探测器f数小于光学系统,则会有外部杂散辐射(红外波段的杂散光)进入探测器;当探测器f数过大时,冷阑会遮挡一部分成像光线,引起渐晕现象1;2.因此通常要求光学系统与探测器具有同的f数,称为f数匹配或光阑匹配.制冷型红外焦平面阵列探测器是红外成像系统中较为昂贵的组件,为使其得到充分利用,可以设计一种两档、多档或连续变焦红外成像系统.若探测器f数恒定,为保证光学系统与探测器f数匹配,此时减小焦距则必然意味着要减小通光孔径,导
9、致系统的光收集能力降,影响系统的探测灵敏度.另外,光学系统的f数决定着视场,变f数红外系统可以实现大视场和小视场之间切换的同时保证通光孔径不变,大视场范围内搜索目标,小视场范围内进行目标识别与跟踪,利于军事目标侦查和监视,应用前景广泛3.综所述,对变焦红外系统而言,固定通光孔径、改变f数是一种更为理想的选择,而这种系统首先就要解决改变探测器f数问题.设计可变冷光阑是一种较为有效的改变探测器f数的方法,国内外学者进行了大量研究. 2007年, Gat等4通过设计外置式的可变冷光阑机构实现了f/10.5光学系统与f/4.1红外探测器的匹配.2014年,雷神公司设计了适用于低温环境的刀片虹膜式可变冷
10、光阑结构5;6.美国军方设计的第三通信作者. E-mail: 2017中国物理学会Chinese Physical Society http:/150701-1万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701代前视红外探测系统是变f数红外光学系统应用的典型,同样采用刀片虹膜式可调冷光阑结构,调整机构集成在红外杜瓦瓶内,实现f/6和f/3双f数7-9.述方式的优势在于改变f数后能较好地保证探测器性能,但是改造冷光阑的方式需要考虑制冷、探测器改造、封装等各方面的问题,对冷阑通光孔径调节结构的要求也较高,会导致结构复杂、成本高、系统可靠性降
11、低,不利于杜瓦结构的小型化和轻量化.另一种改变探测器f数的方法是在探测器前加入光阑,可以限制入射孔径角,从而改变探测器的f数.通常这类光阑不进行制冷处理,其温度与光学系统所处的环境同,这时光阑对于制冷后的探测器(77 K)是高温辐射源.通常将红外系统中所有不制冷的光阑称为温阑,以便与冷阑区分.普通的温阑为环形薄片(称为普通平面温阑),中心圆孔透光,其余部分遮光.若将普通平面温阑用于改变制冷型红外探测器f数,温阑自身辐射和对环境辐射的反射能量都会直接到达探测器,从而引入大量的杂散辐射,直接导致红外探测器动态范围和图像对比度降10-12.另外,这种普通平面温阑引入的杂散辐射量受环境温度波动影响较大
12、,引起探测器接收到的辐射能变化,导致探测器输出图像中产生大量随时间变化的噪声.为简便、低成本地改变制冷型红外探测器f数,本文提出一种基于球面反射温阑的探测器变f数设计方法.通过对温阑的表面形状和发射特性进行特殊设计,能够在改变探测器f数的同时尽量少地引入杂散辐射,保持制冷型红外探测器性能.首先介绍了制冷型红外探测器的杜瓦、冷阑结构及探测器变f数原理;建立普通平面温阑对探测器的影响模型,阐述了普通温阑改变f数的缺陷,并分析了常用的几种改进方法;在述模型的基础提出球面反射温阑设计方法,并用于改变探测器f数,理论分析可知得到的变f数系统引入杂散辐射和噪声都远小于普通平面温阑;根据现有的一个f/2制冷
13、型红外探测器参数,分别设计平面温阑和球面反射温阑改变探测器f数,并将加工完成的平面温阑和球面反射温阑分别安装于冷阑前,进行辐射定标实验测量温阑引入的杂散辐射,分析了两种温阑对探测器噪声等效温差(NETD)和动态范围的影响.分析和实验结果表明本文的设计能够有效改变探测器f数,引入的杂散辐射远小于普通平面温阑,且受环境温度变化的影响小,能够很好地保持探测器性能.本文提出的探测器变f数方法比可变冷光阑法的成本低、灵活性强,并且球面反射温阑对探测器性能的影响远小于平面温阑,因此在红外变焦变视场系统的设计、红外系统装调和杂散光抑制等方面具有一定的理论和应用价值.2红外探测器冷阑结构及变f数原理2.1红外
14、探测器冷阑结构制冷型红外焦平面阵列探测器结构如图1所示,以斯特林制冷为例.制冷机通过冷指(cold n-ger)接触探测器(detector)进行制冷.制冷后的探测器温度远低于外部环境,为保持探测器温度稳定,通常将其置于杜瓦瓶内.杜瓦瓶起保温作用,腔内温度与探测器表面制冷温度接近,腔外温度与外部环境近似等13.入射红外光线(红外辐射)可以透过杜瓦瓶窗口到达探测器,该窗口可作为光阑.杜瓦瓶内壁有多个挡光环(van),可阻挡入射光线经杜瓦瓶内一次散射后直接到达探测器的路径,从而抑制外部杂散光14.冷阑外部有两个玻璃窗口,材料分别为锗和硅,镀红外增透膜.探测器杜瓦瓶冷阑冷指入射光线Ge Si挡光环图
15、1制冷型红外探测器冷阑位置示意图Fig. 1. Position of cold shield in a cooled infrared de-tector.如图1所示,冷阑限制了入射光的孔径角 ,进而决定探测器f数.在红外成像领域,通常将制冷型红外探测器的f数定义为fdetector = ScsDcs; (1)其中Scs为冷阑到红外探测器表面的距离, Dcs为冷阑通光口径(直径). f数与入射光孔径角 的关系为fdetector = 12tan : (2)150701-2万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701由此可见,制冷型
16、红外探测器的f数由杜瓦瓶结构和冷阑直接决定.在进行制冷型红外成像系统光学设计时,通常认为探测器f数不变,要求光学系统具有100%的冷阑效率(也称为f数匹配),即光学系统的f数与探测器f数等.现有的制冷型红外探测器产品的f数一般为2或4,对于焦距较长系统而言, f数过小意味着通光孔径较大,会导致系统的体积和重量也较大.对多档或连续变焦的红外系统而言,焦距变化后必须通过更改通光孔径才能保证f数的恒定,这就使得只有在长焦时能够充分利用光学系统通光孔径,短焦时通光孔径较小,导致红外成像系统探测灵敏度的降.另外, f数决定着光学系统的视场, f数可变的红外光学系统可以实现大视场、小视场的切换,利于军事目
17、标的跟踪和安防.2.2普通平面温阑改变探测器f数对制冷型红外探测器而言,目前主要有两种方式改变f数:一是改变杜瓦瓶或冷阑结构;二是在探测器前加光阑限制通光孔径角 .根据(1)式,探测器f数由冷阑通光孔径和冷阑到探测器的距离决定.因此改变制冷型红外探测器f数最直接的方式是将现有探测器的杜瓦瓶替换为更长的或者冷阑出口更小的杜瓦瓶.这种方式耗费时间长、成本高,无法实现多f数,不适用于变焦红外系统.第二种方式是在探测器前合适位置加温阑限制通光孔径角,可以增大红外探测器f数.温阑安装于冷阑窗口前,如图2所示,温阑到探测器的距离Sws是考虑图1中的Si和Ge窗口折射率后的光程, Ddet为探测器对角线长度
18、.ScsDdet探测器冷阑Sws温阑背景环境辐射温阑自身辐射Dcs Dws图2温阑改变探测器f数原理Fig. 2. Principle of changing f number of a detectorby using a warm shield.红外光学系统中的光阑(温阑)通常为环形薄片,如图2所示.温阑中心孔通光,孔径为Dws,本文将这类温阑统称为普通平面温阑.加入图2所示的温阑后,探测器的f数由Scs/Dcs变为f(1)detector = SwsDws; (3)其中Sws为温阑到红外探测器表面的距离, Dws为温阑通光口径.由(3)式可见,调节温阑与探测器的距离或者更换不同口径的温阑
19、即可改变探测器的f数.如图2所示,用温阑改变探测器f数时,由于其中心孔对应的入射光线孔径角小于冷阑对应的孔径角,因此探测器能够接收到来自通光孔附近温阑面的辐射能.温阑引入的杂散辐射包括两部分:一是温阑自身辐射;二是温阑对外部环境辐射的反射.温阑自身辐射可以经冷阑窗口直接到达探测器.温阑对周围的环境辐射有一定的反射,该部分能量同样会直接到达探测器.为计算温阑引入的杂散辐射和NETD,建立如图3所示的模型.由温阑、冷阑与探测器探测元之间的位置关系和表面辐射特性计算温阑对探测器的影响.若不对温阑制冷,则可认为其表面温度Tws与环境温度Tamb等.普通平面温阑面向探测器的一侧为平面环形,外径D0,内孔
20、直径Dws.采用普通平面温阑改变探测器f数时,温阑对探测器的直接辐射会被冷阑阻挡一部分.去除冷阑遮挡部分,计算温阑对探测器的辐射能,即可得到温阑自身辐射对探测器引入杂散辐射. A1为探测器观测到的温阑区域,探测器阵列A0与温阑面A1距离为Sws,与冷阑面A2距离为Scs.设红外探测器单个探测元面积dA0 = a2.xydA0dA1A0xyO1O2A2A1O0l温阑探测器x10z背景环境冷阑y图3制冷型红外焦平面探测器与温阑位置Fig. 3. Location of the warm shield and the cooledinfrared focal plane array.以温阑中心O1为
21、原点建立直角坐标系O1xyz,那么冷阑中心O2坐标为(0;0;Sws Scs),探测元150701-3万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701dA0坐标为(x;y;Sws).根据似三角形原理,得到探测元观测到的温阑面A1外圆圆心坐标为(x;y;0),直径Dws = Sws/Scs Dcs.温阑面位于(x;y;0)的微元面dA1与探测元dA0之间的距离为l,由几何关系l =S2ws + (x x)2 + (y y)2: (4)0和 1分别为l与两平面法线的夹角, cos 0 =cos 1 = Sws/l.问题转换为有限面对微元面的
22、辐射换热, A1对dA0的角系数为dFA1-dA0,则根据定义有dFA1-dA0 = A1-dA0(x;y) A1: (5)(5)式中 A1为温阑向半球空间发射的总辐射通量,A1-dA0为dA0接收到的辐射通量. A1为温阑自身辐射能 A1;e与对环境辐射反射 A1;r的总和,即A1 = A1;e + A1;r= Lws A1 + (1 ) Lamb A1: (6)式中Lws为温阑的辐射亮度:Lws = L(Tws) = 21W( ;Tws)d ; (7)其中, Tws为温阑温度, L(Tws)是温度为Tws的理想黑体辐射亮度; 1 2为探测器工作波段,单位为 m; W( ;Tws)为由普朗克
23、公式得到的光谱辐射力,单位为W/(m2 m);温阑表面的发射率为.同样方法可计算环境辐射亮度.设FdA0-A1为dA0对A1的角系数,由角系数的对性得到15;16dFA0-dA0 = dA0A1FdA0-A1= dA0A1A1cos 0 cos 1l2 dA1= dA0A1A1S2ws S2ws + (x x)2 + (y y)22 dxdy; (8)其中,积分区域A1为探测器能够观测到的温阑面范围,可表示为8:x2 +y2 D2ws4 ;(x+ Sws ScsScsx)2+(y + Sws ScsScsy)2(SwsScs)2D2cs4 :(9)联立(5)(9)式,得到dA0接收到来自温阑面
24、A1的辐射通量为A1-dA0(x;y)= A1 dFA1-dA0= L(Tws) + (1 ) L(Tamb) a2A1S2wsS2ws + (x x)2 + (y y)22 dxdy:(10)为直观地表述温阑对探测器的影响,将述杂散辐射量转换为等效温度.等效温度T对应着探测器冷阑出口直接面对温度为T的黑体时受到的辐照能量,通过对探测器直接进行辐射定标可以得到不同辐射能对应的等效温度.由(10)式计算温阑引入的杂散辐射通量,再由辐射定标得到探测器对辐射通量的响应率,从而可计算温阑引入杂散辐射的等效温度.以某制冷型红外探测器为例, f数为2,探测器尺寸15 m15 m,冷阑口径10 mm,冷阑距
25、离探测器20 mm.温阑口径10 mm,距离探测器40 mm,则探测器的f数由2变为4.通过(10)式计算20 C黑体覆盖杜瓦瓶窗口时,探测器中心像元接收到的辐射通量为4:05 10-11 W/(m2sr).而采用温阑变f数后,探测器中心像元接收的温阑辐射通量为2:99 10-11 W/(m2sr),约为述情况的74%,温阑引入的杂散辐射等效温度为12.2 C,可见温阑引入了大量的杂散辐射.当环境温度变化0.5 C时,引入的NETD为0.36 C,即为360 mK,可见温阑引入了较大的NETD,远大于制冷型红外探测器自身的25 mK.理论分析和实验结果表明,采用普通平面温阑进行探测器变f数设计
26、时,引入的大量杂散辐射会大大降低红外系统的动态范围并引入大量的噪声.因此要想得到较为理想的红外探测器变f数方案,需要对普通温阑进行改造,大幅降低其引入的杂散辐射.对温阑及其附近环境降温是降低其杂散辐射较为直接的手段.假设环境温度为20 C,对应的中波(3.74.8 m)辐射亮度为0:97 W/(m2sr).那么温阑降温到0 C时,对应的辐射亮度为0:43 W/(m2sr),此时温阑杂散辐射降低到原来的44%.经计算,要想将杂散辐射降低到10%左右,需将温阑和其附近环境降低到30 C左右.由此可见,这种降温方式的杂散辐射抑制效果并不明显,而且温度越低制冷成本越高,温度稳定性也就150701-4万
27、方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701越难以保证,可能会引入较大的NETD.另一种方式是只对温阑自身降温,可在温阑背离探测器的面贴制冷片,该方法可以降低温阑的自身辐射,但是温阑对外部热背景的反射会引入大量杂散辐射,而且温阑与环境之间不断换热会导致温度的非均匀性,引起较大的噪声.因此,采用普通平面温阑改变探测器f数时会引入大量杂散辐射,并且通过降温的方式抑制杂散辐射效果不明显、成本高、非均匀性噪声大.本文研究通过改变温阑结构和发射特性的方法,以得到一种杂散辐射小、受环境温度变化影响小、低成本、易实现的探测器变f数方法.3基于球面反
28、射温阑的探测器变f数设计采用温阑实现制冷型红外焦平面阵列探测器变f数设计,要求在改变探测器f数的同时尽可能保持其性能,关键在于大幅减小温阑引入的杂散辐射(包括温阑的自身辐射和对环境辐射的反射).本文设计一种球面反射温阑,旨在抑制这两部分能量,将其用于制冷型探测器的变f数设计.3.1球面反射温阑设计原理温阑引入的杂散辐射包括自身辐射和对环境的反射两部分,需要同时抑制.由(7)式可知,减小温阑自身辐射有两种方式:一是降低温阑表面温度Tws,这种方式的效果不明显、成本高,并且可能引入较大的噪声;二是降低温阑表面发射率,是一种成本较低的方式,可以通过合理选择温阑材质、对温阑表面抛光或镀高反膜等方法实现
29、.然而提高温阑表面发射率必然导致(6)式中温阑对环境辐射反射量的增大.由2.2节的分析可知,温阑与环境温度等时,只减小温阑表面发射率并不会改变温阑引入的总杂散辐射量.如果能够在降低发射率的同时使得环境辐射能无法通过温阑反射到达探测器,就可以实现降低温阑引入的杂散辐射的目的.这就意味着一方面要降低温阑面向探测器一侧的表面发射率,使得温阑自身辐射极小;另一方面,要对温阑表面结构进行特殊设计,使得外部辐射能无法通过温阑面的反射到达探测器.温阑对环境辐射的反射无法到达探测器,也就是说探测器无法通过温阑反射看到外部的热背景,而只能看到冷阑内的低温环境(77 K). 77 K温度的黑体对应中波(3.74.
30、8 m)红外辐射亮度为7:7310-14 W/(m2sr),而20 C黑体的辐射亮度0:97 W/(m2sr),因此冷阑窗口以内的辐射能可忽略.如图4所示,设计一种球面反射温阑,要求表面光洁度好,近似为镜面反射,通过合理设计其曲率半径、反射面球心位置和温阑外形尺寸,使得探测器无法由温阑反射接收到冷阑窗口以外的环境辐射.探测器冷阑温阑DwsDdetABO1 O2O xyCD0DE图4球面反射温阑设计原理Fig. 4. Principle of spherical reecting warm shielddesign.球面反射温阑内表面经抛光、镀反射膜后,反射率一般大于90%,那么表面发射率小于0
31、.1,从而使得温阑自身辐射引入的杂散辐射降低到普通平面温阑的10%以.提高表面反射率可以进一步降低自身辐射的影响,例如将反射率提高到99%以,温阑自身辐射的影响会降低到1%以,对探测器性能的影响更小.在工程应用中通常根据系统性能需求、工艺难度和表面膜系稳定性综合考虑,多数情况并不一味追求过高的表面反射率.球面反射温阑的外形结构主要由两个参数决定,即反射球面曲率半径R和外部轮廓直径D0,如图4所示.温阑通光孔在球冠中心处,距离探测器Sws,由通光孔中心位置来定义温阑安装位置.以探测器中心位置为原点建立直角坐标系oxy, x轴方向由探测器指向温阑.那么温阑反射面球心位置(xc;0)和曲率半径R的关
32、系可以表示为R =(Sws xc)2 +D2ws/4: (11)球面反射温阑在oxy的截面为中心开口的圆弧面,对应圆的方程可以表示为x (Sws R2 D2ws/4)2 +y2 = R2: (12)球面半径R在一定范围内才能保证外部辐射无法通过温阑反射到达探测器,选取临界光线进行150701-5万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701分析以确定该范围.根据光路可逆原理,外部热背景能量到达探测器,就意味着探测器可以“看到”冷阑以外的环境背景.采用逆向追迹方法,假设光线从探测器的各像元出发,透过冷阑窗口后,经球面温阑反射到达冷阑以外
33、的环境背景.探测器为矩形,只要保证四个顶点发出的光线无法到达热环境背景即可.光学系统旋转对称、探测器具有轴对称性,因此只需要对探测器其中一个顶点A进行分析.图4中Ddet为探测器对角线长度.由球面反射原理以及各部分几何关系分析可知, AB方向光线经D反射到达边缘点B对应反射球面的最大曲率半径Rmax, AC方向光线经E反射到达边缘点B的光路则对应最小曲率半径Rmin.3.1.1温阑反射球面最大和最小曲率半径外部热背景红外辐射光线沿BDBA路径到达探测器,由此路径确定温阑反射球面的最大曲率半径Rmax. A点坐标为(0;Ddet/2), B点坐标为(Scs;Dcs/2),那么直线AB的方程为y
34、= Dcs +Ddet2Scsx Ddet2 : (13)为方便后续表述,将(13)式简写为y = k1 x+b1.由球面反射原理,线段AB与ox轴的交点即为球心,那么球心O1(x1;0)坐标为(Scs Ddet/(Dcs Ddet);0),代入(12)式得到温阑反射球面的最大曲率半径为Rmax=(Sws DdetDcs +DdetScs)2+D2ws/4: (14)外部热背景红外辐射光线沿BECA路径到达探测器,由此路径确定温阑反射球面的最小曲率半径Rmin. C点坐标为(Scs;Dcs/2),那么AC方程为y = Dcs +Ddet2Scsx Ddet2 : (15)为方便后续表述, (1
35、5)式简写为y = k2x+b2.AC与反射面的交点为E,联立(12)和(15)式即可得到E点坐标(xE(Rmin);yE(Rmin),坐标与反射面的曲率半径有关.那么直线BE的方程为y = yE(Rmin) Dcs/2xE(Rmin) Scs (xScs)+Dcs/2: (16)为方便后续表述, (16)式简写为y = k3x+b3.由对称性原理,球心在ox轴.设球心坐标O2(xc;0),那么由球面的反射原理可知O2E是AEB的平分线.由角平分线的性质可知,点O2到直线AC和直线BE的距离等,即|k2 xc +b2|k22 + 1 =|k3 xc +b3|k23 + 1 : (17)联立(1
36、5)(17)式求解得到E点坐标(xE(Rmin);yE(Rmin),然后代入(11)式,即可解出Rmin.在针对实际探测器进行温阑设计时,可以根据现有探测器参数和想要实现的f数变化范围,结合(15)(17)式采用数值解法获得Rmin.那么球面温阑的曲率半径R取值范围为R Rmin;Rmax.温阑反射面曲率半径在述取值范围内,可以保证探测器无法通过球面温阑反射接收到外部热背景能量.3.1.2球面反射温阑外部轮廓直径制冷型红外探测器每个探测元的视场由其位置和冷阑口径决定,为防止外部热背景辐射直接到达探测器,首先要求温阑的反射球面覆盖所有探测元的视场.由图4中的几何关系可知,温阑的反射面必须包含D(
37、xD;yD)点,即在oy轴方向的半径需要大于或等于yD.联立(12)式和(13)式解方程组即可得到yD,进而得到温阑外边缘的最小直径D0;min = 2yD.而反射球面的半径为R,直径2R,温阑外边缘最大直径小于反射球面直径,因此得到温阑外边缘直径范围为D0 2yD;2R.根据现有制冷型探测器尺寸、冷阑参数以及需要实现的f数,即可确定温阑反射面的曲率半径可选范围,再根据所选择的曲率半径确定温阑外形尺寸即可完成本文球面反射温阑的设计.按照以方法设计的温阑可以有效避免外部杂散辐射通过温阑面的反射到达探测器.由于温阑反射面的发射率较低,球面反射温阑自身辐射量对于普通温阑而言大大减小.由2.2节温阑引
38、入杂散辐射的计算方法可知,温阑面引入的杂散辐射与温阑到探测器的距离无关.根据这一原理,采用微积分方法将温阑面划分为环形微元区域计算温阑自身辐射,得到温阑自身引起的杂散辐射为e(x;y) = L(Tws) a2A1S2wsS2ws + (x x)2 + (y y)22 dxdy:(18)150701-6万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701因此,若球面反射温阑表面反射率90%、发射率约为10%,则能够将温阑引入的杂散辐射降低到普通平面温阑的10%,其效果当于将温阑降低到30 C.若将反射率提高到99%以,温阑引入的杂散辐射降低到
39、1%,效果更为明显.球面反射温阑对制冷型红外探测器引入的杂散辐射只与温阑表面发射率有关,表面发射率越低温阑的效果越理想.另外,对于合理设计的球面反射温阑,外部热背景辐射无法直接到达探测器、也无法通过温阑面的反射到达探测器,因此环境温度对温阑的影响仅限于温阑自身辐射的变化.对于表面发射率较低的球面反射温阑,自身辐射小,因而这类温阑受环境温度影响小,也能够有效地抑制环境变化引起的噪声量.与普通平面温阑比,采用本文方法设计的球面反射温阑引入的杂散辐射大幅减小,因此不会导致红外探测器动态范围的大幅降低以及图像对比度的严重劣化.当环境温度变化或温阑表面温度不均匀时,引入的非均匀性噪声较小,有利于保持探测
40、器输出图像的均匀性和成像系统整体的NETD.该方法实现简单、效果明显、不需要降温处理,是一种较为理想的探测器变f数方案.3.2制冷型红外探测器变f数设计为验证本文球面反射温阑设计方法及其在制冷型红外探测器变f数设计中的应用效果,针对现有某f#2制冷型红外探测器进行变f数设计.探测器参数如表1所列.表1制冷型红外探测器参数Table 1. Parameters of a cooled infrared detector.参数取值探测器f数2响应波段范围/ m 3.74.8动态范围/bit 14探测器像元数640 512像元大小/ m 15 15探测器尺寸/mm 9.60 7.68冷阑直径/mm
41、10冷阑到探测器距离/mm 20探测器温度/K 77NETD/mK 2520 C要求设计球面反射温阑,使探测器的f数变为4.考虑到实际光学系统的后工作距(即光学系统镜组到探测器的最小距离)有限,我们取温阑中心孔口径为8 mm,与探测器焦平面阵列的距离(光程)为32 mm.考虑图1中的Ge和Si窗口,折射率分别为4.0216和3.4244,厚度0.3 mm和1 mm,可计算温阑与探测器的实际距离应该为28.67 mm.实际安装时,可以探测器窗口作为基准面,安装球面反射温阑,使得其通光孔距离探测器窗口约为8.67 mm,调节温阑位置实现所需的f数.为减小温阑自身辐射,可对其表面抛光并镀高反射率的铝
42、膜或金膜,反射率可达到90%以,发射率小于0.1.根据本文的球面反射温阑设计方法,为使外部背景辐射无法通过温阑反射直接到达探测器,可将探测器参数代入(13)(17)式,计算得到温阑反射面曲率半径范围为R 14:45 mm,21.35 mm.也就是说当曲率半径在述范围内时才能满足球面反射温阑的设计要求.为留出加工、装调余量,使探测器f数有一定的可用变化范围,不妨取曲率半径为18 mm.进一步可由(12)和(13)式得到温阑外边缘尺寸限制范围为D0 20:36 mm, 36.00 mm,因此可以选取D0 = 28 mm.最终设计的球面反射温阑参数为:中心孔直径8 mm,反射球面曲率半径18 mm,
43、温阑外边缘直径28 mm.同样的计算方法可知,该曲率半径R、中心孔径Dws能满足f数为3.64.5的变f数设计.另外,当满足f数为3.64.5时,计算得到D0取值范围为23.4836 mm,因此设计的28 mm外径也能满足要求.综,设计的球面反射温阑可以满足f数3.64.5内的变f数设计.4实验以制冷型红外探测器的参数为输入量,根据本文提出的球面反射温阑设计原理,设计并加工了温阑.为对比本文设计的球面反射温阑与普通平面温阑改变探测器f数的效果,加工了普通平面温阑,具体参数如表2所列.考虑到成本和工程实用性,球面反射温阑表面镀较为稳定的铝反射膜,检测后得到其反射率为0.90,发射率约为0.10.
44、平面温阑表面进行染黑处理,其表面发射率约为0.95.加工后的两种温阑如图5所示.为定量测量两种温阑对探测器引入的杂散辐射,设计了可控环境温度的辐射定标实验.将整个150701-7万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701定标实验设备置于温度可调的高低温试验箱内,控温范围为1050 C,控温精度为0.5 C,实验装置如图6所示.通过辐射定标建立辐射能与探测器响应灰度之间的关系,测量温阑引入的探测器灰度变化,代入辐射定标方程后得到温阑引入的杂散辐射.温阑对某个探测元的杂散辐射即为到达探测元的辐射通量,也可直接由温阑导致的探测元输出灰度
45、表示杂散辐射量.表2温阑参数Table 2. Parameters of warm shields.类型参数取值球面反射温阑中心孔直径/mm 8外径/mm 28反射面曲率半径/mm 18可实现f数3.64.5表面反射率0.9普通平面温阑中心孔直径/mm 8外径/mm 28表面发射率 0:95球面反射温阑普通平面温阑图5球面反射温阑与普通平面温阑Fig. 5. The spherical reecting warm shield and anordinary planar warm shield.制冷型红外探测器$YPOUE4$4F-(j图6高低温试验箱内的辐射定标装置Fig. 6. Radio
46、metric calibration in a temperature testchamber.在高低温试验箱内进行辐射定标实验,定标辐射源为CI公司的SR-800R-4A高精度面源黑体,辐射面尺寸为100 mm 100 mm,工作温度范围为0125 C,温度精度0.02 C,发射率0.97.通过调节试验箱内的温度来改变红外机所处的环境温度,实验时箱内温度分别设置为10, 20, 30, 40和50 C,测量不同环境温度两种温阑引入的杂散辐射.两种温阑引入杂散辐射的测量过程如:1)将黑体定标源和制冷型红外探测器置于可控温的高低温试验箱内(控温精度0.5 C),设置箱内温度为Tamb;0;2)黑
47、体辐射面充满探测器冷阑视场角,分别设置定标黑体温度为T1;T2; ;Tn,采集红外图像,进行辐射定标,得到探测器的响应灰度值与探测元接收到的辐射通量的定量关系;3)分别将两种温阑安装于探测器窗口前的合适位置,重复步骤2进行辐射定标,该温阑位置决定加入温阑以后的探测器f数,要求温阑的安装位置确定的探测器f数在3.64.5范围内,以保证设计的球面温阑达到预期效果;4)由带温阑和不带温阑的定标结果可直接得到环境温度Tamb;0两种温阑对探测器引入的杂散辐射;5)改变高低温试验箱内的环境温度为Tamb,重复以过程,得到不同环境温度不同温阑引入的杂散辐射,并计算温度变化对温阑及探测器性能的影响.高低温试
48、验箱内温度分别设置为10, 20, 30, 40和50 C,在各温度分别进行辐射定标实验.带温阑定标时选取的定标黑体温度为30, 40和50 C,不带温阑定标时,由于探测器f数较大、响应率高,为防止像元灰度饱和,选择对较低的温度20, 30和40 C进行辐射定标.该制冷型红外探测器响应为线性,定标方程为DN = GL(Tbb) +B; (19)其中DN为探测器输出灰度值, Tbb为黑体温度,L(Tbb)为辐射亮度, G为探测器对辐射亮度的响应率, B为偏置,即红外探测器的本底灰度.4.1两种温阑引入杂散辐射对比定标实验包括三种:不带温阑的定标、带球面反射温阑的定标和带普通平面温阑的定标.根据辐射定标原理17,直接对没安装温阑的探测器进行定标,获得增益和偏置.然后在探测器前的合适150701-8万方数据物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 15 (2017) 150701位置安装温阑后进行辐射定标,同样得到增益和偏置.由(10)式积