中波红外三视场变焦光学系统设计

三视场变焦光学系统相对于其他形式的变焦系统具有机械结构简单、可靠性高、变焦时间短等优点。采用320240分辨率、像元尺寸30 m30 m制冷型探测器,二次成像方式设计了一种工作于3～5 m中波制冷型三视场红外光学系统,系统视场角1.4～23.8,F数为４,可实现焦距为30mm/100mm/500mm。设计中采用了硅和锗两种材料校正谱段内色差,采用了一个非球面校正系统球差,两个反射镜折转光路的方式实现系统轴向尺寸的缩减,整个系统外形尺寸小于210 mm160 mm120 mm,系统具有外形尺寸小、变焦结构简单、成像质量高等特点,在空间频率17 lp/mm处,系统调制传递函数（MTF）均在0.5以上,能量集中度大于70%。     

红外双焦10~×光学系统设计

与传统定焦系统相比,红外双焦光学系统具有宽视场搜索目标、窄视场跟踪目标的能力;与连续变焦系统相比,红外双焦光学系统机械结构简单,装调容易等优点成为近年来研究的热点。介绍了一种用于324×256中波致冷红外探测器双焦10×光学系统设计结果。系统焦距24～240 mm,F#2,采用切入式变焦方式,短焦宽视场的全视场角达到28.7°;长焦窄视场的全视场角仅为2.9°。二次成像技术的应用,可以有效的减小轴向尺寸。Code V光学设计软件进行优化得到在空间频率17 lp/mm处,宽视场和窄视场的MTF均大于0.5。     

高集成度四视场中波红外光学系统

为了实现超小型化、长焦距和超大视场,提出并设计了一种高集成度四视场中波红外光学系统。该系统采用双光路结构形式,包括超小视场光路和小/中/大视场光路,两支光路共用中继组;对超小视场光路进行了四次立体折叠,并对小/中/大视场光路进行了二次折叠。通过以上六次折叠,整个双光路光学系统的外形尺寸得到了有效约束,其外形包络在242 mm×150 mm×85 mm (局部125 mm)范围内,系统集成度高。这种双光路光学系统包括超小视场、小视场、中视场和大视场四个视场。其中,超小视场的焦距为688 mm,视场为0.8°;大视场的焦距为13.19 mm,视场为40°,实现了长焦距和超大视场并存,并获得了50×的变倍比;超小视场光学系统仅采用5片透镜,透过率高,并具有光学被动消热差设计;整个双光路光学系统结构紧凑,体积小,实现了超小型化。设计结果表明,该光学系统像质良好,可以满足高性能热像仪的使用要求。     

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波红外两档变焦光学系统,系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入两片透镜实现宽视场,宽视场时全视场角为31.4°,可用于跟踪和搜索目标;窄视场时全视场角为6.44°,可用于捕获和观察目标.通过引入二元面和非球面,大大提高了成像质量,在空间频率111p/mm处,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

一种高性能双视场长波红外光学系统

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统,该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠,有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束,外形包络在220 mm×95 mm(局部135 mm)×50 mm(局部110mm)范围内,系统紧凑,体积小。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置,在-40℃~70℃范围内,控制了光学系统热差,光学系统光轴稳定,小视场光轴稳定性<0.04 mrad,大/小视场转换光轴平行性<0.1 mrad;应用该光学系统的热像仪性能高,MRTD(3 cyc/mrad)=0.07 K,NETD=30 m K。设计结果表明光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

联合变换相关器远红外变焦距光学系统设计

根据光学系统的技术指标要求,设计了一种长波红外变焦光学系统.该系统选取红外材料锗和AMTIR1,适用于长波8～12μm的系统成像,具有15倍大变倍比,CCD像素尺寸为45 μm×45μm.通过对红外变焦光学系统的优化设计,当截止频率为11 lp/mm时,各视场的MTF曲线值>0.6,各视场点列图均方根半径与艾里斑半径接...     

非制冷热成像长波红外两档变焦光学系统

与红外连续变焦光学系统相比,红外两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.研究了红外两档变焦光学系统的设计方法并给出了具体设计实例,该系统采用轴向移动式变焦方式,设计结果表明,在20℃～40℃的温度范围内,空间频率141p/mm处,宽视场和窄视场都具有良好的成像质量.     

机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计

为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求,采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式,实现了30~660 mm的22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为244 mm,总长/最大焦距比为0.37,系统具有光学总长小、变倍比大的特点,适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后,后端连续变焦光学系统可以实现15~330 mm的22倍连续变焦光学系统,该系统的光学总长为138 mm,总长/最大焦距比为0.42,可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示,该系统在两种状态下均成像良好,在探测器对应的特征频率33 1p/mm处,中心视场的MTF值均在0.3附近,接近衍射极限,0.7视场的MTF值均在0.2附近,边缘视场的MTF均在0.15附近,能够满足应用需求。     

折衍混合红外双波段变焦光学系统设计

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在?40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

Design and development of multicolor MWIR/LWIR and LWIR/VLWIR detector arrays

Multicolor infrared (IR) focal planes are required for high-performance sensor applications. These sensors will require multicolor focal plane arrays (FPAs) that will cover various wavelengths of interest in mid wavelength infrared/long wavelength infrared (MWIR/LWIR) and long wavelength infrared/very long wavelength infrared (LWIR/VLWIR) bands. There has been significant progress in HgCdTe detector technology for multicolor MWIR/LWIR and LWIR/VLWIR FPAs.^1–3 Two-color IR FPAs eliminate the complexity of multiple single-color IR FPAs and provide a significant reduction of weight and power in simpler, reliable, and affordable systems. The complexity of a multicolor IR detector MWIR/LWIR makes the device optimization by trial and error not only impractical but also merely impossible. Too many different geometrical and physical variables need to be considered at the same time. Additionally, material characteristics are only relatively controllable and depend on the process repeatability. In this context, the ability of performing “simulation experiments” where only one or a few parameters are carefully controlled is paramount for a quantum improvement of a new generation of multicolor detectors for various applications.     

混合式长波线列TDI红外探测器改进互连工艺研究

根据目前混合式红外焦平面互连工艺以及对长波线列延时积分红外探测器产量增长的需求,结合现有的工艺设备能力,开发出"共片工艺",以最大限度地提高在互连工艺段的生产效率.     

一种长波红外光学消热差系统设计

介绍了长波红外消热差系统的种类,分析了温度对光学元件的影响,并列出光学参量随温度变化的公式。总结了红外消热差系统的设计原理,解出消热差消色差条件方程组并设计了一个工作波段为8～12 m,f=25mm,F数1.2,配384×288,像元大小25 m非制冷探测器的系统。结果表明,系统结构简单,在-40℃～80℃温度范围内系统调制传递函数,均方根弥散斑直径变化均很小,符合红外消热差系统的条件。     

长波红外偏振探测的数学模型分析与计算

为了分析研究长波红外偏振探测机理,根据实际的探测结构,建立了系统数学模型。运用相关公式对其中的各个因素进行了理论分析和数学计算,分析得出了整个模型中的元器件对最终偏振探测结果的影响。根据分析结果,提出了提高整个系统探测精度的相应方法与措施。本文的数学模型以及理论分析为整个长波红外偏振探测系统研究提供了一定的理论基础,并为进一步的实验验证及实际应用提供了有一定参考意义的数据。     

红外8～12μm 波段折射衍射光学系统的无热化设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外8μm～12μm 波段的红外折射/衍射混合无热化光学系统并进行了分析。设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点。     

HgCdTe negative luminescence devices for cold shielding and other applications

Negative luminescence (NL) refers to the suppression of infrared blackbody emission, and hence an apparent temperature reduction, due to free carrier extraction from a reverse-biased p-n junction. A number of applications are envisioned for NL devices, including cold shielding of background-limited uncooled and cryogenic focal-plane arrays, dynamic nonuniformity correction for ir imaging, and ir scene simulation. High-performance NL devices have recently been demonstrated. For example, a HgCdTe/CdZnTe photodiode with 4.8-μm cutoff wavelength achieved an internal NL efficiency of 95% at room temperature. This means that the blackbody emission was suppressed by a factor of 20 and that the apparent temperature of the device surface decreased by 60 K. The corresponding reverse-bias saturation current density was 0.11 A/cm². Even HgCdTe devices (λ _co=5.3 μm) grown on large-area silicon substrates with substantial lattice mismatch displayed 88% internal NL efficiency and saturation current densities no larger than 1.3 A/cm². These results indicate a clear path toward a negative-luminescence device technology that is efficient, operates at low power, and is inexpensive.     

A novel simultaneous unipolar multispectral integrated technology approach for HgCdTe IR detectors and focal plane arrays

In the last few years Rockwell has developed a novel simultaneous unipolar multispectral integrated HgCdTe detector and focal plane array technology that is a natural and relatively straightforward derivative of our baseline double layer planar heterostructure (DLPH) molecular beam epitaxial (MBE) technology. Recently this technology was awarded a U.S. patent. This simultaneous unipolar multispectral integrated technology (SUMIT) shares the high performance characteristics of its DLPH antecedent. Two color focal plane arrays with low-10¹³ cm⁻²s⁻¹ background limited detectivity performance (BLIP D^*) have been obtained for mid-wave infrared (MWIR, 3–5 m) devices at T>130 K and for long-wave infrared (LWIR, 8–10 m) devices at T∼80 K.     

采用叠盖电极的高级长波60元光导探测器

介绍一种采用叠盖电极制备高级长波60元探测器的方法，并进行了较深入的实验，证明此方法是一种行之有效的提高光导探测器的技术。并在此基础上，确定了器件的最佳工作条件，而且证明应用有叠盖电极的器件是有方向性的。     

一种折反二次成像式长波光学系统的杂散光抑制

讨论了一种折反二次成像式长波红外光学系统的杂散光抑制方法,该光学系统采用R-C反射式结构和二次成像光路,用于小型低成本红外成像制导系统。利用LightTools软件仿真找出光学系统中的主要杂散光来源和传输路径,结合仿真分析结果设计出了合适的机械拦光结构。然后在LightTools中建立了光学机械结构模型针对杂散光抑制进行了迭代设计,并对杂散光抑制效果进行了仿真验证。设计的光学系统加工、装配完成后进行了太阳杂散光抑制试验,仿真和试验结果表明:太阳夹角7以外不存在杂散光干扰,可以满足系统杂光抑制要求。     

Multi-heterojunction large area HgCdTe long wavelength infrared photovoltaic detector for operation at near room temperatures

This paper describes a new multi-heterojunction n ⁺pp photovoltaic infrared photodetector. The device has been developed specifically for operation at temperatures of 200–300K in the long wavelength (8–14 μm) range of the infrared spectrum. The new structure solves the perennial problems of poor quantum efficiency and low dynamic resistance found in conventional long wavelength infrared photovoltaic detectors when operated near room temperature. Computer simulations show that devices with properly optimized multiple heterojunctions are capable of achieving the performance limits imposed by the statistical nature of thermal generation-recombination processes. In order to demonstrate the technology, multiple heterojunction devices have been fabricated on epilayers grown by isothermal vapor phase epitaxy of HgCdTe and in situ As p-type doping. The detector structures were formed using a combination of conventional dry etching, angled ion milling, and angled thermal evaporation for contact metal deposition. These multi-junction n ⁺pp HgCdTe heterostructure devices exhibit performances which make them useful for many applications. D* of optically immersed multiple heterostructure photovoltaic detectors exceeding 10⁸cmHz^1/2/W were measured at λ=10.6 μm and T=300K.