可變冷光闌紅外探測器研究進展和關鍵技術分析

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展和關鍵技術分析

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）

為了進一步提高紅外變焦光學系統的性能，兼顧其空間分辨率和靈敏度的要求，基于可變冷光闌技術的制冷型變F數紅外探測器需求迫切。相較于傳統的紅外變焦光學系統，變F數紅外變焦光學系統可在大視場和小視場切換時保持分辨率和靈敏度的平衡，提高光學系統的孔徑利用率，進而縮小光學系統的徑向尺寸，有利于紅外光學系統成像質量的提升和小型化設計。本文對變F數與變焦之間的關系進行研究，概述了國內外在可變冷光闌紅外探測器技術領域的研究進展，并對主流技術路線的關鍵技術難點進行了分析。

紅外探測器；可變冷光闌；變F數；變焦

0 引言

紅外探測是戰場信息獲取的一種有效和可靠的途徑，其抗干擾能力強，可全天候對目標進行探測；屬于被動探測，不易暴露自身。與雷達、激光等探測手段相同，看得更遠、更全面、更清晰是紅外探測技術發展永恒的追求。為了解決定焦光學系統大視場和高分辨率的矛盾，人們引入了變焦光學系統，可通過改變焦距實現大小視場的切換[1-2]。但是由于探測器的F數固定不變，因此光學系統變焦時，要么無法利用整個通光孔徑，要么會引入大量雜散輻射，無法達到最佳的狀態。而具有變F數功能的紅外探測器，則可配合變焦光學系統，根據任務場景需求，靈活地選用合適的F數，兼顧大視場目標搜索和小視場目標識別與跟蹤兩個功能[3]，在地面防空、機載光電吊艙等領域具有較大的應用潛力。

本文將從變焦和變F數的關系出發，分析二者的區別和聯系，在此基礎上介紹國內外變F數紅外探測器的相關研究進展，最后對變F數紅外探測器的技術路線進行分析，并針對目前國外成熟的技術路線的關鍵技術進行總結，對于變F數紅外探測器的研究具有借鑒意義。

1 變焦和變F數的關系

1.1 變焦光學系統的理論依據

光學系統的焦距是一項重要的設計指標，其關系到系統的視場角、空間分辨率等關鍵性能。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；為光學系統的焦距。可以看出，當芯片焦面尺寸固定不變時，焦距越小，視場角越大，有利于大范圍地對目標區域進行觀察，因此，在進行目標搜索時，多采用短焦距的大視場模式。

另一方面，紅外系統的空間分辨率由光學系統、紅外探測器以及圖像重構系統等共同決定。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；為瞬時視場角；為探測器像元尺寸。可以看出，當限制系統空間分辨率的因素為紅外探測器時，較大的焦距可以提升紅外探測器的截止頻率，從而提高系統的空間分辨率。因此，在進行目標識別時，多采用長焦距的模式。

由上述分析可知，定焦光學系統不能同時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大都使用變焦光學系統，其可根據需求在大視場和高空間分辨率之間進行切換，以達到最佳的成像效果。

1.2 變F數與變焦的關系

F數是光學系統的重要指標，是相對孔徑值的倒數，其公式為[5]：

式中：/#為F數。對于光學系統而言，為入瞳直徑（入瞳是孔徑光闌對前方光學系統所成的像，其大小與孔徑光闌位置、孔徑光闌尺寸、焦距等相關），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數的關系，首先對傳統的紅外變焦系統進行分析。傳統變焦系統中，探測器的F數是固定不變的，而光學系統（為方便討論，將冷屏作為光學系統的一部分）的F數則分以下幾種情況：

①假設系統在最長焦距時入瞳尺寸與物鏡尺寸相等：該種情況下，光學系統的F數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的孔徑光闌。在系統由最長焦距切換到短焦狀態時，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[5]。由F數的公式可知，此時光學系統的F數保持不變。

但是，系統從長焦狀態切換到短焦狀態時，通光孔徑利用率將會大幅降低。假設變倍比為10的系統，短焦狀態時的通光孔徑面積僅為長焦狀態時的1%，造成系統在短焦大視場狀態下能量很大的浪費。如圖1所示[6]，探測器的F數固定不變，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；當系統切換至短焦大視場狀態時，通光孔徑大幅減小，見圖1中深藍色部分。

圖1 傳統變焦紅外光學系統的孔徑利用率示意圖[6]

②假設系統在最短焦距時入瞳尺寸與物鏡尺寸相等：該種情況下，系統的F數由最短焦距和物鏡尺寸的比值決定。在系統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，使得光學系統的F數逐步增加，并大于探測器的F數，造成冷屏效率的下降。

如圖2所示[6]，光學系統的F數為F/6，探測器的F數為F/3，光學系統的F數大于探測器，光學系統自身產生的紅外輻射大量的進入焦平面，大幅增加系統的NETD，干擾成像。

實際的變焦光學系統設計時，往往是上述兩種情況的平衡，通常不會只考慮某一個狀態的性能。

而對于變F數光學系統來說，在設計時保證系統在各個焦距下的孔徑光闌均為探測器冷光闌，則當系統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[6]。

圖2 25%冷屏效率系統的輻射示意圖[6]

圖3 變F數紅外光學系統的孔徑利用率示意圖[6]

當系統由短焦變為長焦時，變F數光學系統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數變大，從而保持100%的冷屏效率，避免系統自身的雜散輻射進入焦平面，如圖4所示[6]。

圖4 100%冷屏效率系統的輻射示意圖[6]

由上述分析可知，變焦光學系統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量。而變F數光學系統則可以很好地解決上述問題。因此理論上，凡是紅外變焦光學系統應用的場合，變F數光學系統均可應用，具有廣泛的應用前景。

2 可變冷光闌紅外探測器的研究進展

2.1 可變冷光闌的優勢

可變冷光闌紅外探測器技術是目前實現變F數紅外系統的重要技術路線。相對于溫闌來說，其具有以下幾個優勢：

F數調節范圍大且可連續調節。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數調節范圍小，通常只有兩個F數可以選擇[7-8]，或者只能在某兩個接近的F數之間進行調節[9]，而可變冷光闌紅外探測器可實現系統F數的連續可調，且調節范圍較大。

可降低系統的復雜度。在傳統變焦光學系統中增加溫闌設計，將大幅增加光學系統的復雜度和成本。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構進行設計和裝配，可大幅降低系統的復雜度。

可提升系統的靈敏度。長春光機所的常松濤等人[9]研究了球面溫闌對中波640×512（15mm）紅外探測器的NETD的影響，假設球面溫闌的溫度為20℃，球面溫闌的發射率為0.01，當溫闌發生0.5℃的溫度變化時，溫闌引入的NETD達到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可進一步降低。

2.2 可變冷光闌紅外探測器的研究進展

美國彈道導彈防御局（BMDO）在2000年為高空觀測系統（high altitude observatory, HALO）進行更新時設計了一個雙波段紅外分光系統[10]。如圖5所示，該系統在中波和長波的焦平面前端分別設置濾光片轉盤，每個轉盤上可放置5片不同帶通的濾光片以及一片用于背景測試的空白片。通過轉動濾光片轉盤，可以切換不同的濾光片進入光路中。理論上，使5片濾光片的通光孔徑各不相同，則該系統可在實現不同波段探測的同時，對中波和長波分別進行5個不同F數的切換。但是通過濾光片轉盤來實現F數的改變會帶來系統體積龐大、運動機構復雜等問題，對于系統的小型化和可靠性不利。

美國OKSI公司的Nahum Gat[11]等人先后開發了兩套中繼光學系統，均采用外置可變冷光闌的方式解決光學系統和紅外探測器F數不匹配的問題。外置的可變冷光闌通過單獨的制冷機進行制冷，并通過蝸輪蝸桿或電機進行驅動。該方式雖然可以實現光學系統和紅外探測器之間F數的匹配，但是光學系統復雜且體積較大（其中一套中繼光學系統長度為363.42mm，共11片透鏡），此外，還需單獨為可變冷光闌結構配備大冷量的制冷機，這進一步增加了系統的體積和重量。兩套中繼光學系統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[10]

圖6 帶可變冷光闌的真空密封結構[11]

圖7 外置可變光闌與濾光片轉盤的集成結構[11]

2013年Nahum Gat等人提出了與杜瓦集成封裝的內置式可變冷光闌結構，可變冷光闌采用與可見光相機光圈相同的刀片虹膜式結構，通過光闌片的旋轉運動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]。該結構相較于外置可變冷光闌結構來說，結構緊湊，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的基礎上改進了刀片虹膜式的可變冷光闌結構。其采用雙穩態螺線管電機進行控制，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]。但是該結構的體積太大，結構復雜，不利于正式產品使用。其結構示意圖如圖9所示[13]。

圖9 雙穩態螺線管驅動的可變冷光闌示意圖[13]

雷神公司的第三代前視紅外系統是可變冷光闌探測器技術的集大成者。其可變冷光闌采用的同樣為刀片虹膜式的結構，并將具有斷電自鎖、大功率體積比特性的壓電電機作為可變冷光闌的驅動結構。冷光闌結構如圖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數可變冷光闌、制冷機、制冷機驅動電路、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，該系統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。典型的指標如表1所示[16-17]。

包含中長雙波段探測器芯片、雙F數可變冷光闌、制冷機、成像控制電路、冷光控制電路等均在內的第三代前視紅外系統的組成以及實物如圖11所示。

表1 雷神公司第三代前視紅外系統的部分指標[16-17]

國內對基于可變冷光闌的變F數紅外探測器研究較少。上海技物所[18]于2001年發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可變光闌機構，采用齒輪和撥桿對光闌動圈進行驅動，從而帶動光闌片運動。通過該機構，可以對同一個芯片在不更換中測杜瓦的前提下，實現不同F數下芯片性能的測試和篩選。

上海技物所的可變冷光闌結構用于芯片的中測篩選，對結構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[19]發明了一種與濾光片轉盤相似的可變光闌機構（如圖13所示）。該機構將紅外探測器、孔徑光闌盤與濾光片盤集成在紅外相機杜瓦中，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動軸進行轉動，從而實現不同孔徑光闌和不同濾光片的切換。該結構利用不同固定孔徑的光闌之間的轉換來實現F數改變，機構復雜，體積龐大，且F數的選擇比較受限。

圖12 用于中測杜瓦的可變冷光闌[18]

在光學系統設計方面，613所于2017年設計了可以匹配不同F數探測器的中波大視場光學系統[20]；中電科11所于2022年設計了F/2和F/4可調的變F數光學系統，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報道[21]。

圖13 可變式的固定光闌[19]

可以看出，目前國內對于可變冷光闌紅外探測器的研究較少，相關產品不夠成熟；國外也只有美國雷神公司對該技術進行深入研究，目前產品已進行小批量試制。

通過對國內外研究現狀的對比，可以發現雷神公司采用的與杜瓦集成封裝的內置式可變冷光闌是實現變F數紅外探測器的可行的技術路線。該技術路線有如下幾點優勢：

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下可進行1萬次的開合運動，在非制冷狀態下可進行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75W，且常溫降溫時間小于10min；

4）響應時間快：雖然雷神的報道中沒有明確說明F數的切換時間，但是根據其使用的壓電電機的特性，F數的切換時間可滿足光學系統視場切換時間的要求。

3 可變冷光闌紅外探測器的關鍵技術

采用刀片虹膜式的可變冷光闌結構，并將其與杜瓦進行集成封裝，存在以下關鍵技術：

1）可變冷光闌杜瓦的整體設計技術

可變冷光闌杜瓦與傳統的固定光闌杜瓦在設計上有很大的不同，需從整體設計上來保證功能的實現。主要需考慮整體結構設計、光闌片的設計、驅動方式的選擇、結構的溫度控制、整體裝配集成、小型化以及可靠性等多方面的技術。

2）可變冷光闌精密裝配技術

可變冷光闌涉及到光闌片的精密裝調、驅動電機的隔熱裝配以及整體結構的精密封裝等裝配步驟，由于其結構比傳統冷屏結構復雜得多，且存在運動部件，其裝配更加困難。而光闌片的裝配精度關系到運動機構的長期可靠性以及運動過程中的摩擦力，同時影響驅動功率的大小；而驅動電機的裝配精度關系到光闌片的受力均勻性以及溫控效果；整體結構的裝配精度關系到成像的質量。因此需從設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）微型電機設計和制造技術

對于可變冷光闌來說，壓電陶瓷電機是一種比較適合的驅動方式。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。因此需通過電機結構設計優化、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。

4）杜瓦熱固耦合設計技術

可變冷光闌由于引入了復雜的運動機構，冷頭熱質量大幅增加，因此，需從結構設計以及材料選擇等多方面進行研究和考慮，減小杜瓦熱質量，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，需通過結構設計減小杜瓦的漏熱。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

探測器的F數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。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，這關鍵在于選擇合適的小型化位置傳感器，并結合可變冷光闌的結構設計，將傳感器安裝固定在合適的位置。

6）光闌片表面鍍膜技術

光闌片表面需進行鍍膜處理，膜層需滿足摩擦系數小、耐磨以及反射率低3個條件。摩擦系數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的可靠性，防止出現膜層脫落干擾成像的現象；反射率低則可以防止芯片的冷反射。

4 結論

本文從變焦和變F數的關系出發，闡述了變F數光學系統的優勢。與傳統的變焦光學系統相比，具有可變F數功能的變焦光學系統可兼顧系統的空間分辨率和靈敏度需求，提高系統的孔徑利用率，有利于成像質量的提升和系統的小型化。

對可變冷光闌的研究進展進行了分析，發現雷神公司的內置刀片虹膜式可變冷光闌是可行性高、性能優異的技術路線，并對該技術路線的關鍵技術進行了詳細分析。對可變冷光闌紅外探測器的研究和應用提供了參考。

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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研究。E-mail:15969586435@163.com。