孫鴻生，陳曉屏，夏 明，陳 軍，黃一彬，甘游宇，李淑芬

可變冷光闌紅外探測器研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)分析

孫鴻生，陳曉屏，夏 明，陳 軍，黃一彬，甘游宇，李淑芬

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

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(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)。本文對變F數(shù)與變焦之間的關(guān)系進(jìn)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(jìn)展，并對主流技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析。

紅外探測器；可變冷光闌；變F數(shù)；變焦

0 引言

紅外探測是戰(zhàn)場信息獲取的一種有效和可靠的途徑，其抗干擾能力強(qiáng)，可全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行探測；屬于被動(dòng)探測，不易暴露自身。與雷達(dá)、激光等探測手段相同，看得更遠(yuǎn)、更全面、更清晰是紅外探測技術(shù)發(fā)展永恒的追求。為了解決定焦光學(xué)系統(tǒng)大視場和高分辨率的矛盾，人們引入了變焦光學(xué)系統(tǒng)，可通過改變焦距實(shí)現(xiàn)大小視場的切換[1-2]。但是由于探測器的F數(shù)固定不變，因此光學(xué)系統(tǒng)變焦時(shí)，要么無法利用整個(gè)通光孔徑，要么會(huì)引入大量雜散輻射，無法達(dá)到最佳的狀態(tài)。而具有變F數(shù)功能的紅外探測器，則可配合變焦光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)場景需求，靈活地選用合適的F數(shù)，兼顧大視場目標(biāo)搜索和小視場目標(biāo)識(shí)別與跟蹤兩個(gè)功能[3]，在地面防空、機(jī)載光電吊艙等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

本文將從變焦和變F數(shù)的關(guān)系出發(fā)，分析二者的區(qū)別和聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上介紹國內(nèi)外變F數(shù)紅外探測器的相關(guān)研究進(jìn)展，最后對變F數(shù)紅外探測器的技術(shù)路線進(jìn)行分析，并針對目前國外成熟的技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，對于變F數(shù)紅外探測器的研究具有借鑒意義。

1 變焦和變F數(shù)的關(guān)系

1.1 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)的視場角、空間分辨率等關(guān)鍵性能。就視場角大小來說，有[2]：

式中：和分別為和方向的視場角；d和d分別為焦平面在和方向的尺寸；為光學(xué)系統(tǒng)的焦距?？梢钥闯?，當(dāng)芯片焦面尺寸固定不變時(shí)，焦距越小，視場角越大，有利于大范圍地對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行觀察，因此，在進(jìn)行目標(biāo)搜索時(shí)，多采用短焦距的大視場模式。

另一方面，紅外系統(tǒng)的空間分辨率由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器以及圖像重構(gòu)系統(tǒng)等共同決定。對于紅外探測器來說，決定其空間分辨率的截止頻率為[4]：

式中：0,det為紅外探測器截止頻率；為瞬時(shí)視場角；為探測器像元尺寸?？梢钥闯觯?dāng)限制系統(tǒng)空間分辨率的因素為紅外探測器時(shí)，較大的焦距可以提升紅外探測器的截止頻率，從而提高系統(tǒng)的空間分辨率。因此，在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)，多采用長焦距的模式。

由上述分析可知，定焦光學(xué)系統(tǒng)不能同時(shí)滿足大視場和高空間分辨率的要求，因此目前的搜索跟蹤系統(tǒng)大都使用變焦光學(xué)系統(tǒng)，其可根據(jù)需求在大視場和高空間分辨率之間進(jìn)行切換，以達(dá)到最佳的成像效果。

1.2 變F數(shù)與變焦的關(guān)系

F數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，是相對孔徑值的倒數(shù)，其公式為[5]：

式中：/#為F數(shù)。對于光學(xué)系統(tǒng)而言，為入瞳直徑（入瞳是孔徑光闌對前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像，其大小與孔徑光闌位置、孔徑光闌尺寸、焦距等相關(guān)），入瞳直徑不大于物鏡的尺寸，為焦距；對于紅外探測器而言，為冷屏開口直徑，為冷屏開口距焦平面的距離。

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(jìn)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(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)由最長焦距和物鏡尺寸的比值決定，此時(shí)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?fàn)顟B(tài)時(shí)，孔徑光闌及其尺寸均保持不變，入瞳由原來占滿整個(gè)物鏡逐步等比例縮小[5]。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。

但是，系統(tǒng)從長焦?fàn)顟B(tài)切換到短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，通光孔徑利用率將會(huì)大幅降低。假設(shè)變倍比為10的系統(tǒng)，短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的通光孔徑面積僅為長焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的1%，造成系統(tǒng)在短焦大視場狀態(tài)下能量很大的浪費(fèi)。如圖1所示[6]，探測器的F數(shù)固定不變，為F/3，在長焦窄視場時(shí)，通光孔徑被完全利用，見圖中淺藍(lán)色部分；當(dāng)系統(tǒng)切換至短焦大視場狀態(tài)時(shí)，通光孔徑大幅減小，見圖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[6]

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)由短焦向長焦切換時(shí)，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(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，并大于探測器的F數(shù)，造成冷屏效率的下降。

如圖2所示[6]，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(jìn)入焦平面，大幅增加系統(tǒng)的NETD，干擾成像。

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。

而對于變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)來說，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器冷光闌，則當(dāng)系統(tǒng)由長焦變換到短焦時(shí)，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[6]。

圖2 25%冷屏效率系統(tǒng)的輻射示意圖[6]

圖3 變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑利用率示意圖[6]

當(dāng)系統(tǒng)由短焦變?yōu)殚L焦時(shí)，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(jìn)入焦平面，如圖4所示[6]。

圖4 100%冷屏效率系統(tǒng)的輻射示意圖[6]

由上述分析可知，變焦光學(xué)系統(tǒng)可兼顧大視場搜索目標(biāo)和極小視場識(shí)別目標(biāo)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(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。

2 可變冷光闌紅外探測器的研究進(jìn)展

2.1 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(shí)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(gè)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(gè)F數(shù)可以選擇[7-8]，或者只能在某兩個(gè)接近的F數(shù)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]，而可變冷光闌紅外探測器可實(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器，只需針對探測器杜瓦封裝結(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。長春光機(jī)所的常松濤等人[9]研究了球面溫闌對中波640×512（15mm）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(shí)，溫闌引入的NETD達(dá)到3.6mK，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(jìn)一步降低。

2.2 可變冷光闌紅外探測器的研究進(jìn)展

美國彈道導(dǎo)彈防御局（BMDO）在2000年為高空觀測系統(tǒng)（high altitude observatory, 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)[10]。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(gè)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。通過轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)盤，可以切換不同的濾光片進(jìn)入光路中。理論上，使5片濾光片的通光孔徑各不相同，則該系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)不同波段探測的同時(shí)，對中波和長波分別進(jìn)行5個(gè)不同F(xiàn)數(shù)的切換。但是通過濾光片轉(zhuǎn)盤來實(shí)現(xiàn)F數(shù)的改變會(huì)帶來系統(tǒng)體積龐大、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問題，對于系統(tǒng)的小型化和可靠性不利。

美國OKSI公司的Nahum Gat[11]等人先后開發(fā)了兩套中繼光學(xué)系統(tǒng)，均采用外置可變冷光闌的方式解決光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器F數(shù)不匹配的問題。外置的可變冷光闌通過單獨(dú)的制冷機(jī)進(jìn)行制冷，并通過蝸輪蝸桿或電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該方式雖然可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間F數(shù)的匹配，但是光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜且體積較大（其中一套中繼光學(xué)系統(tǒng)長度為363.42mm，共11片透鏡），此外，還需單獨(dú)為可變冷光闌結(jié)構(gòu)配備大冷量的制冷機(jī)，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的體積和重量。兩套中繼光學(xué)系統(tǒng)的外置冷光闌分別如圖6、圖7所示。

圖5 HALO的雙色紅外系統(tǒng)[10]

圖6 帶可變冷光闌的真空密封結(jié)構(gòu)[11]

圖7 外置可變光闌與濾光片轉(zhuǎn)盤的集成結(jié)構(gòu)[11]

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)，可變冷光闌采用與可見光相機(jī)光圈相同的刀片虹膜式結(jié)構(gòu)，通過光闌片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變冷光闌的孔徑大小，光闌片厚度很薄，材料為摩擦力較小的聚四氟乙烯，且在表面鍍制了減小輻射率的潤滑膜[12]。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8所示[12]。

圖8 刀片虹膜式可變冷光闌[12]

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)。其采用雙穩(wěn)態(tài)螺線管電機(jī)進(jìn)行控制，光闌片材料為鈹銅合金，并在表面鍍金以減小摩擦力。此外，還考慮了可變冷光闌的溫度均勻性問題[13-15]。但是該結(jié)構(gòu)的體積太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于正式產(chǎn)品使用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示[13]。

圖9 雙穩(wěn)態(tài)螺線管驅(qū)動(dòng)的可變冷光闌示意圖[13]

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。其可變冷光闌采用的同樣為刀片虹膜式的結(jié)構(gòu)，并將具有斷電自鎖、大功率體積比特性的壓電電機(jī)作為可變冷光闌的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。冷光闌結(jié)構(gòu)如圖10所示[16]。

圖10 雷神公司可變冷光闌杜瓦俯視圖[16]

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(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)的體積和重量相對于第二代長波標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)杜瓦組件（SADA Ⅱ）來說反而更小。典型的指標(biāo)如表1所示[16-17]。

包含中長雙波段探測器芯片、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11所示。

表1 雷神公司第三代前視紅外系統(tǒng)的部分指標(biāo)[16-17]

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[18]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12所示）。在中測杜瓦的冷屏頂端集成了一個(gè)可變光闌機(jī)構(gòu)，采用齒輪和撥桿對光闌動(dòng)圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)光闌片運(yùn)動(dòng)。通過該機(jī)構(gòu)，可以對同一個(gè)芯片在不更換中測杜瓦的前提下，實(shí)現(xiàn)不同F(xiàn)數(shù)下芯片性能的測試和篩選。

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(shí)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(jī)所[19]發(fā)明了一種與濾光片轉(zhuǎn)盤相似的可變光闌機(jī)構(gòu)（如圖13所示）。該機(jī)構(gòu)將紅外探測器、孔徑光闌盤與濾光片盤集成在紅外相機(jī)杜瓦中，孔徑光闌盤上有不同孔徑大小的圓孔，濾光片盤上有不同透過波段的濾光片，二者均通過與之相連的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同孔徑光闌和不同濾光片的切換。該結(jié)構(gòu)利用不同固定孔徑的光闌之間的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)F數(shù)改變，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且F數(shù)的選擇比較受限。

圖12 用于中測杜瓦的可變冷光闌[18]

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)探測器的中波大視場光學(xué)系統(tǒng)[20]；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)，使用具有可變冷光闌功能的中波640×512探測器組件，但是未見探測器的詳細(xì)報(bào)道[21]。

圖13 可變式的固定光闌[19]

可以看出，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(jìn)行深入研究，目前產(chǎn)品已進(jìn)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(shí)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(diǎn)優(yōu)勢：

1）集成度高：針對640×480（20mm）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(jìn)行1萬次的開合運(yùn)動(dòng)，在非制冷狀態(tài)下可進(jìn)行10萬次的開合運(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，無需單獨(dú)為其再配備制冷機(jī)，因此功耗不大于75W，且常溫降溫時(shí)間小于10min；

4）響應(yīng)時(shí)間快：雖然雷神的報(bào)道中沒有明確說明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)視場切換時(shí)間的要求。

3 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(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)的長期可靠性以及運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力，同時(shí)影響驅(qū)動(dòng)功率的大??；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期可靠性。

3）微型電機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)

對于可變冷光闌來說，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(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)的力矩不能過小。因此需通過電機(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，解決快速制冷的問題。此外，可變冷光闌通過電機(jī)與杜瓦外殼熱連接，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，從而精確控制探測器的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。

4 結(jié)論

本文從變焦和變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(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，并對該技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)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。

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Research Progress and Key Technology Analysis of Variable Cold Aperture Infrared Detector

SUN Hongsheng，CHEN Xiaoping，XIA Ming，CHEN Jun，HUANG Yibin，GAN Youyu，LI Shufen

(,650223,)

Variable F/number-cooled infrared detectors, which are based on variable cold aperture technology, are urgently needed because they can improve the performance of zoom infrared optical systems and consider both spatial resolution and sensitivity. Compared with the traditional zoom infrared optical system, the variable F/number zoom infrared optical system can balance the resolution and sensitivity when the system switches between large and minimum scales. Furthermore, the variable F/number zoom infrared optical system can improve the aperture utilization rate of the optical system and reduce its radial dimensions, which is beneficial for improving the imaging quality and miniaturization design of the infrared optical system. In this paper, we discuss the relationship between the variable F/number and zoom and summarize the research progress in the field of variable cold-aperture infrared detectors. Finally, we analyze the key technical challenges of the mainstream technology approach.

infrared detector, variable cold aperture, variable F/ number, zoom

TN215

A

1001-8891(2024)04-0376-08

2023-02-22；

2023-04-10.

孫鴻生（1990-），男，工程師，博士研究生，主要從事紅外探測器杜瓦研究工作。E-mail:1565014246@qq.com。

夏明（1977-），男，博士，研究員，主要從事斯特林制冷機(jī)研究。E-mail:15969586435@163.com。