集成冷光学的双波段杜瓦组件技术

集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义,有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件,设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构,解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺,建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W,中波工作于73 K,冷面温度均匀性0.36 K,长波工作于65 K,冷面温度均匀性0.08 K,探测器与透镜组配准精度偏差优于±10μm,探测器光学模组间配准偏差优于±15μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证,成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。     

红外探测器杜瓦组件的力学薄弱结构优化设计方法

通过对探测器杜瓦组件的悬臂梁结构进行理论分析,提出了杜瓦组件力学薄弱结构的优化设计方法,并利用Ansys软件对优化前后的杜瓦组件结构进行了模拟分析。结果表明,杜瓦组件的模态一阶基频大幅提高,比平行支撑结构的组件增加了130%,比常规无支撑结构的组件增加了317%。通过试验验证后发现,杜瓦组件的抗振动性能也得到了大幅提高,可以抗住15g的耐久随机振动、17.6g的短时大量级随机振动以及2000g的机械冲击。     

红外探测器杜瓦的小型化设计方法

杜瓦小型化是制冷型红外探测器组件的发展方向之一,也是未来红外成像系统小型化、集成化发展的需要。由于杜瓦为探测器组件提供光、机、电接口,其小型化设计要综合考虑制冷机的制冷能力、探测性能、真空性能和系统应用等多方面因素。结合杜瓦的结构组成和工作原理,分析了小型化设计的方法及影响。该研究对杜瓦设计有较好的启发和指导作用。     

一种新型红外探测器／杜瓦瓶的热耗计算

扫积型红外探测器是目前大量使用的一种新型红外探测器,在研制这种红外探测器时,应对这种探测器/杜瓦瓶的热耗(漏热)进行计算,以便对制冷器的制冷功率等参数提出合理的要求。本文从一般传热学原理出发,对该探测器/杜瓦瓶所发生的辐射、传导、焦耳热等漏热进行了计算,从而得到了该探测器/杜瓦瓶所消耗的热量——热耗,并与国内外有关资料、数据进行了比较。     

红外探测器杜瓦组件的悬臂梁结构优化设计方法

在大量级振动应用场景中,红外探测器杜瓦组件的悬臂梁结构容易遭到破坏。设计了一种非接触式螺旋弹簧支撑环结构。在杜瓦外壳与冷指之间,通过非接触的方式大幅减小传统加强方案所增加的杜瓦漏热,并将振动能量转换成弹性势能,降低大量级振动对冷头的应力影响。经过Ansys软件模拟分析和优化后,铂铱丝的最大变形量为1.7 mm,比常规结构下降了57.5%;最大应力为307 MPa,下降了52%。试验结果表明,优化后的平均漏热仅增加了1%,同时具有显著提高的抗振性能。采用常规结构的组件在15 grms耐久随机振动后会出现铂铱丝断裂现象,而优化后的组件则能够承受15 grms耐久随机振动和17.6 grms短时大量级随机振动,并在17.6 grms随机振动过程中保持探测器焦温稳定,且其正常运行不受影响。     

冷光学用多波段长波红外探测器杜瓦封装技术

针对拼接型多波段长波红外探测器组件在冷光学系统中的应用要求,本文分析了低温光学用多波段长波红外探测器封装的难点。本团队通过研究4个512×12模块呈品字形拼接后与4个三波段集成滤光片的低温配准、组件在200 K低温光窗的支撑与隔热、探测器与制冷机耦合应力等封装技术,提出了可以实现三波段集成滤光片与探测器背套对中误差在10μm以下的配准方法以及红外探测器杜瓦组件柔性波纹外壳实现101 mW隔热的方案,同时在杜瓦冷平台上设计了物理隔离耦合应力的多层热层结构,解决了多波段长波红外探测器组件的低光串、低背景辐射、低功耗、冷平台高温度均匀性和探测器高可靠性等关键技术,成功研制了低温光学用12.5μm三波段长波2000×12元红外探测器制冷组件。一系列空间环境适应性试验验证结果表明,试验前后组件的性能未发生明显变化,能够满足工程化应用要求。     

640×512小型化红外探测器杜瓦组件可靠性研究

在SWaP3(Size,Weight,and Power,Performance and Price)概念的驱使下,第三代制冷红外探测器向着高性能、小型化和轻量化的方向发展.作为军用核心电子元器件,制冷红外探测器的可靠性成为研究的重点.以浙江珏芯微电子有限公司所研制的640×512/15μm小型化杜瓦组件为研究对象,开...     

中波2048元长线列碲镉汞焦平面杜瓦组件

2048元碲镉汞焦平面由8个中波256×1元芯片和8个光伏信号硅读出电路模块交错排列组成,与8个微型滤光片以桥式结构直接耦合后封装在全金属微型杜瓦内,形成了中波2048元长线列碲镉汞红外探测器件组件.基本解决了2048元焦平面杜瓦组件的关键技术,即高均匀性和一致性的焦平面模块技术、高精度的拼接技术、高可靠性的模块及其封...     

红外探测器封装微型杜瓦瓶结构与分析

本文分析了用于多元红外探测器封装的微型杜瓦瓶的三种结构形式，并分析了其漏热，电学性能和工艺性，通过比较对今后我国红外探测器封装技术作出预测。     

40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al₂O₃载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06 µm（RMS）、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55 μm、探测器与制冷机温度梯度为2.6 K。40 K长波双波段红外探测器冷箱杜瓦组件经过2 000 h通电老练和300次开关机试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。     

长波QWIP-LED量子阱红外探测器杜瓦研制

在用于封装长波QWIP-LED量子阱探测器的杜瓦研制中,详细阐明了一种用于封装长波QWIP-LED量子阱红外探测器的结构,结构采用侧罩式设计,光信号从红外窗口进入,近红外窗口透出,提出了一种探测器胶接在管座上,管座整体再螺接在冷头的方法,提高探测器的互换性,通过热适配设计,降低低温应力对探测器影响,选择低冷损的TC4材料,降低杜瓦漏热,基本解决了长波QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件的关键技术,性能指标达标,成像效果良好,达到工程封装要求。     

制冷型红外探测器杜瓦辐射漏热的精确计算

制冷型红外探测器杜瓦的热负载是表征杜瓦绝热能力的综合指标,辐射漏热是热负载的一部分,计算辐射漏热时,传统的方法一般将杜瓦简化为同轴圆筒模型,简化模型与实际模型相差较大且无法计算发射率、透射率和反射率随波长变化的表面之间的辐射换热。为提高杜瓦辐射漏热的计算精度,本文基于蒙特卡洛原理,采用3D Studio Max建模,提取模型信息开发程序,得到了一套基于辐射传递因子的杜瓦辐射漏热通用计算程序。为了初步检验计算程序的准确性,按灰体假设计算了两型实验杜瓦的冷端辐射漏热并与实验测量值进行比对,实验杜瓦1（典型1 K×1 K）冷端辐射漏热的理论计算值和实验测量值分别为155 mW和136 mW,两者的误差为19 mW;实验杜瓦2（典型640×512）冷端辐射漏热的理论计算值和实验测量值分别为87 mW和79 mW,两者的误差为8 mW。初步检验计算程序的准确性后,考虑材料表面发射率、透射率和反射率随波长的变化及温度对辐射波长的影响,理论计算和实验测量了工程用典型1 K1 K长波杜瓦在窗片面对发射率为0.9的灰体时的冷端辐射漏热,理论计算值为127 mW,实验测量值为110 mW,两者的误差为17 mW。     

基于朗缪尔吸附模型的杜瓦真空寿命评估研究

影响杜瓦真空寿命的主要是内部材料出气.针对红外探测器杜瓦的出气机理及密封前需长时间排气特点,提出了以满足朗缪尔吸附模型的脱附速率方程作为杜瓦出气率模型的真空寿命评估方法.创新性地提出排气结束时变温监测离子流的方法,获得同覆盖度下不同温度的出气率,消除覆盖度的影响,提取了杜瓦的整体出气激活能,推导出存储温度下初始出气率及出气率随时间变化的关系.实验发现三个杜瓦在不同测试条件下获得的激活能差异为8.8%.跟踪封装2年的杜瓦热负载,验证估算的寿命误差为7.2%.本研究为小批量、多样化杜瓦提供了便利的真空寿命无损检测评估方法.     

红外探测器杜瓦封装多余物的衍射分析及控制

红外探测器组件中一定尺寸大小多余物的存在,容易造成探测器服役状态下其光路中产生衍射现象,并改变焦平面局部光场分布,导致像面上形成“黑斑”或“泊松亮斑”。为了减少此类异常图像的出现,根据菲涅耳衍射原理,计算了几种典型探测器组件内不同位置处的多余物颗粒满足衍射斑形成条件时的尺寸范围,并分析了多余物尺寸、杜瓦结构、波长以及衍射斑之间的关系,结果表明,波长越长、多余物距离焦平面越近,越容易发生衍射;对于不同的探测器杜瓦组件,容易产生衍射的位置为距离焦平面距离LC的区域。此外结合生产实践提出了控制多余物的相应措施,研究结果对于红外探测器组件的设计和工程应用具有一定指导意义。     

低温光学系统辐射特性研究

文章从空间探测所广泛采用的三反光学系统入手,建立了一个研究光学系统玻璃自身辐射特性的模型,通过它计算得到低温光学系统的背景辐射量与温度之间的关系,并结合计算结果分析了典型红外空间望远镜的探测能力。     

超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究

为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5~2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明：对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。     

冷光学用大口径2 k×2 k 红外探测器组件封装技术

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行了研究,以中波红外2 k×2 k探测器组件为研究对象,通过200 K窗口低温光学设计和低形变窗口帽支撑方式实现组件低背景杂散光抑制设计和窗口形变控制。采用SiC基板实现探测器工作温度波动控制和噪声抑制,5 min内探测器温度波动小于0.1 K,噪声等效温差（NETD）小于20 mK。为了降低引线漏热和增强引线可靠性,采用铂铱丝键合工艺,引线漏热相较于金丝和硅铝丝下降至1/10,制冷机功率由72 W降至39 W。引线随组件通过随机和正弦力学试验考核。解决了大面阵探测器封装中杂散光、大口径窗口形变、探测器噪声、引线漏热和强度等一系列问题,该组件已成功运用于某项目2 k×2 k探测器封装中。     

红外成像系统及其应用

红外成像技术是一种通过摄取景物热辐射分布图像,并将其转换为人眼可见图像技术,近年来红外成像技术发展迅速,在军事、工业、农业、医学等各领域显示出越来越重要的应用。本文对红外成像系统的原理、组成及应用进行了分析,总结了其研究现状,并对其发展前景进行了展望。     

红外低温光学关键技术研究综述

随着红外探测技术的日趋成熟,以降低背景辐射为目的的低温光学技术已成为提高红外探测技术发展的主要途径。本文从工程应用的角度阐述了红外低温光学技术的各个要素,如低温光学系统构型选择、光学和机械结构设计、光学系统材料选择以及光学系统制冷方案设计等在低温光学处理中的设计要点。介绍了红外遥感相机和红外空间望远镜这两个红外低温光学的应用实例。最后对机载红外系统低温光学的应用提出了建议。