CN104535193A - 一种红外焦平面探测器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面探测器组件。其中，包括：成像光学部件、冷屏、杜瓦，其中，所述成像光学部件包括物镜和冷光阑，集成在所述杜瓦内部；所述物镜设置在所述杜瓦的窗口，或者，所述物镜粘接在所述冷屏上；所述冷光阑设置在所述冷屏上；其中，所述冷屏和所述杜瓦的窗座是所述成像光学部件的支撑件。本发明解决了相关技术中红外光学***的低温化、小型化和无热化问题，将红外成像光学部件集成在探测器杜瓦组件之内，使之处于恒定的低温环境中，光学***的自身辐射得到了有效控制，对环境温度变化的适应能力大为提高，同时在体积、重量方面明显优于常规成像***。

Description

一种红外焦平面探测器组件

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种红外焦平面探测器组件。

背景技术

本专利的应用领域主要为航天用红外成像***以及无人机、导弹等小型平台搭载的红外成像***。

太空是一个高真空、约3K的低温环境，需要探测的目标信号十分微弱。在此情况下，红外光学***本身的背景辐射将严重影响红外成像***的灵敏度。为减少这一热噪声，发挥背景极限探测器的作用，必须把光学***及其相关部件冷却到一定程度.以有效地减少背景光子通量。同时，降低红外光学***的温度，也可屏蔽来自***外的热干扰，进一步提高探测精度和灵敏度。

另一方面，随着现代航天技术的发展,传统卫星开始向质量轻、体积小的小型卫星发展，这种小型卫星的任务单一、成本低廉、研制周期短、风险小，能快速灵活发射，已成为当前研究的重点之一。相应的，小型卫星对有效载荷也提出了小型化的要求。同样，无人机、导弹等平台对有效载荷的小型化也有迫切的需求。作为有效载荷的重要部分,红外成像***的小型化意义重大。红外光学***的体积和重量在整个红外成像***中占很大比例，但是红外光的波长比可见光大数倍，对于同等的地面分辨率，由于衍射限的限制，红外成像***的有效入瞳孔径比可见光成像***大数倍。因此，实现红外光学***的小型化是非常困难的。

与可见光光学材料相比，红外光学材料具有很高的折射率温度变化系数，温度变化对红外光学***性能的影响较为严重，将导致像质下降及离焦。要保证光学***在较宽的温度范围内稳定工作，必须消除温度对光学***的影响。而在常规设计理念下，只能采用复杂的无热化手段来加以校正和补偿。

针对相关技术中红外光学***的低温化、小型化和无热化问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中红外光学***的低温化、小型化和无热化问题，本发明提供了一种红外焦平面探测器组件，用以解决上述技术问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种红外焦平面探测器组件，其中，包括：成像光学部件、冷屏、杜瓦，其中，所述成像光学部件包括物镜和冷光阑，集成在所述杜瓦内部；所述物镜设置在所述杜瓦的窗口，或者，所述物镜粘接在所述冷屏上；所述冷光阑设置在所述冷屏上；其中，所述冷屏和所述杜瓦的窗座是所述成像光学部件的支撑件。

优选地，所述杜瓦的窗口采用平板窗片；所述物镜粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将所述物镜制冷到稳定温度。

优选地，所述物镜包括物镜1、物镜2、物镜3；所述杜瓦的窗口采用所述物镜1，以扩大光学***的视场角；所述物镜2、所述物镜3粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。

优选地，所述成像光学部件还包括低温滤光片，粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。

优选地，所述红外焦平面探测器组件还包括：红外成像光学元件，封装在所述杜瓦的窗座内的真空环境中。

优选地，所述冷光阑是孔径光阑，以保证100％的冷光阑效率。

优选地，所述红外焦平面探测器组件还包括：所述红外探测器，粘接在冷头上，以保证其正确的光学位置。

优选地，所述物镜的设计与所述杜瓦的外光学***相匹配设计。

本发明有益效果如下：

本发明将红外成像光学部件集成在探测器杜瓦组件之内，使之处于恒定的低温环境中，光学***的自身辐射得到了有效控制，对环境温度变化的适应能力大为提高，同时在体积、重量方面明显优于常规成像***。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是根据本发明实施例一的红外焦平面探测器组件的结构示意图；

图2是根据本发明实施例二的红外焦平面探测器组件的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中红外光学***的低温化、小型化和无热化问题，本发明提供了一种红外焦平面探测器组件，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例一

图1是根据本发明实施例一的红外焦平面探测器组件的结构示意图，如图1所示，红外焦平面探测器组件包括：成像光学部件、冷屏、杜瓦，其中，成像光学部件包括物镜和冷光阑，集成在上述杜瓦内部；物镜设置为上述杜瓦的窗口，或者，上述物镜粘接在上述冷屏上；冷光阑设置在上述冷屏上；其中，上述冷屏和上述杜瓦的窗座是上述成像光学部件的支撑件。

物镜的设置位置有两种实施方式，一种是物镜设置在杜瓦的窗口，另一种是物镜粘接在冷屏上。本发明分别以两种实施例进行介绍，实施例一以及图1是对第一种实施方式进行介绍。

在图1所示的结构中，杜瓦的窗口采用平板窗片；物镜粘接在上述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过上述冷屏的传导将上述物镜制冷到稳定温度。

优选地，上述红外焦平面探测器组件还包括：红外成像光学元件，封装在上述杜瓦的窗座内的真空环境中。上述冷光阑是孔径光阑，以保证100％的冷光阑效率。上述红外焦平面探测器组件还包括：上述红外探测器，粘接在冷头上，以保证其正确的光学位置。上述物镜的设计与上述杜瓦的外光学***相匹配设计。

在图1中：1.杜瓦窗片，2.杜瓦窗座，3.冷屏，4.冷光阑，5.物镜，6.红外焦平面探测器。红外焦平面探测器组件的具体结构如下：

(1)杜瓦窗口采用平板窗片。

(2)所有红外成像光学元件均封装在窗座内的真空环境中。

(3)将成像物镜粘接在冷屏上，保证其正确的光学位置，并通过冷屏的传导将物镜制冷到稳定的低温。

(4)冷屏上的冷光阑为***的孔径光阑，保证100％的冷光阑效率。

(5)红外探测器粘接在冷头上，保证其正确的光学位置。

(6)成像物镜的设计可以与杜瓦外光学***相匹配设计，减小边缘光线的入射角，提高红外焦平面探测器响应的均匀性。

实施例二

本实施例对上述物镜的第二种实施方式进行介绍。图2是本发明实施例二的红外焦平面探测器组件的结构示意图，如图2所示，物镜包括物镜1、物镜2、物镜3；杜瓦的窗口采用上述物镜1，以扩大光学***的视场角；物镜2、上述物镜3粘接在冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过上述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。成像光学部件还包括低温滤光片，粘接在上述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过上述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。

优选地，红外焦平面探测器组件还包括：红外成像光学元件，封装在上述杜瓦的窗座内的真空环境中。冷光阑是孔径光阑，以保证100％的冷光阑效率。红外焦平面探测器组件还包括：上述红外探测器，粘接在冷头上，以保证其正确的光学位置。上述物镜的设计与上述杜瓦的外光学***相匹配设计。

在图2中：1.物镜1，2.杜瓦窗座，3.物镜2，4.冷光阑，5.物镜3，6.冷屏，7.低温滤光片，8.红外焦平面探测器。红外焦平面探测器组件的具体结构如下：

(1)杜瓦窗口采用成像物镜1，可扩大光学***的视场角。

(2)所有红外成像光学元件均封装在窗座内的真空环境中。

(3)将成像物镜2、物镜3粘接在冷屏上，保证其正确的光学位置，并通过冷屏的传导将物镜制冷到稳定的低温。

(4)将低温滤光片粘接在冷屏上，保证其正确的光学位置，并通过冷屏的传导将物镜制冷到稳定的低温。

(5)冷屏上的冷光阑为***的孔径光阑，保证100％的冷光阑效率。

(6)红外探测器粘接在冷头上，保证其正确的光学位置。

(7)成像物镜的设计可以与杜瓦外光学***相匹配设计，减小边缘光线的入射角，提高红外焦平面探测器响应的均匀性。

本发明的目的是研制光学集成式红外焦平面探测器组件，将成像光学部件集成在杜瓦内部，减少光学***的热辐射，进而降低探测器背景噪声，提高***探测能力和灵敏度。同时，使光学***的工作温度保持稳定，并实现小型化设计。

本发明主要包括以下三方面内容：

1)低温光学设计

针对光学部件本身辐射对探测器信噪比的影响，设计低温光学***，使其能在低温环境下工作，以减小背景辐射，提高探测灵敏度。为满足空间尺寸要求，将光学***设计为短焦距、大视场***。***由物镜、冷光阑和低温滤光片组成，冷光阑为***的孔径光阑，保证100％的冷光阑效率，以很好地抑制背景噪声。

2)与杜瓦集成的光机结构设计

将光机结构设计和杜瓦结构设计结合起来，以冷屏和窗座作为光学镜片的支撑件，把光学元件安装在标准红外探测器杜瓦组件内部。保证各光学元件间有正确的相对位置关系，并保证不改变标准杜瓦的外形尺寸。在进行结构设计的同时，进行杜瓦内部热设计。本发明在热负载方面发生的变化包括：物镜热质量的增加、窗口辐射面积的增加。通过在杜瓦内部集成光学元件，减小边缘光线的入射角，由此可降低冷屏高度，进而减小冷屏的热质量和冷屏的辐射面积。将两方面因素结合起来，通过仿真分析与优化设计，保证本发明的总热耗不增加，实现共用原制冷机。最终，本发明的外形尺寸与标准红外探测器组件相同，增强了本发明的通用性。

3)低温光学***仿真分析

在低温状态下工作的光学***需要解决一系列问题，这些问题涉及材料特性变化、光学元件变形、光学***整体性能变化等等。为解决以上问题，本发明对处于低温环境下的光学部件进行仿真分析，首先采用有限元分析软件计算光学***在低温下的温度场、变形、位移，然后将其带入光学分析软件中，分析各种因素对光学***性能的影响。根据仿真分析结果对光学设计和结构设计进行改进，保证镜片温场均匀、位置稳定，最终使得整个***在低温下的成像质量最佳。

本发明将光学***集成在探测器杜瓦组件之内，同时解决了红外光学***的低温化、小型化和无热化问题。本发明可广泛应用于导弹预警、气象、资源遥感等星载红外探测***，并有利于在小卫星、红外导引头、小型无人机等多种平台上搭载，提高任务的灵活性，降低任务的成本。本发明还可用于宽视场红外成像领域，例如光电火控***、机载前视红外和侦察***、机载光电预警等领域。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种红外焦平面探测器组件，其特征在于，包括：成像光学部件、冷屏、杜瓦，其中，

所述成像光学部件包括物镜和冷光阑，集成在所述杜瓦内部；

所述物镜设置在所述杜瓦的窗口，或者，所述物镜粘接在所述冷屏上；

所述冷光阑设置在所述冷屏上；其中，所述冷屏和所述杜瓦的窗座是所述成像光学部件的支撑件。

2.如权利要求1所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，

所述杜瓦的窗口采用平板窗片；

所述物镜粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将所述物镜制冷到稳定温度。

3.如权利要求1所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，所述物镜包括物镜1、物镜2、物镜3；

所述杜瓦的窗口采用所述物镜1，以扩大光学***的视场角；

所述物镜2、所述物镜3粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。

4.如权利要求3所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，

所述成像光学部件还包括低温滤光片，粘接在所述冷屏上，以保证其正确的光学位置，并通过所述冷屏的传导将物镜制冷到稳定温度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，所述红外焦平面探测器组件还包括：红外成像光学元件，封装在所述杜瓦的窗座内的真空环境中。

6.如权利要求1至4中任一项所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，所述冷光阑是孔径光阑，以保证100％的冷光阑效率。

7.如权利要求1至4中任一项所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，所述红外焦平面探测器组件还包括：所述红外探测器，粘接在冷头上，以保证其正确的光学位置。

8.如权利要求1至4中任一项所述的红外焦平面探测器组件，其特征在于，所述物镜的设计与所述杜瓦的外光学***相匹配设计。