譚淞年，于 瀟，張洪偉，李全超

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變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)

譚淞年，于 瀟，張洪偉，李全超

（中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對夜間進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、偵察及監(jiān)視的迫切需求，紅外光學(xué)系統(tǒng)在國防領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。與變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)相比，基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行大視場搜索與極小視場監(jiān)視的轉(zhuǎn)換，提高通光孔徑利用率，提高成像質(zhì)量。隨著對視場范圍、圖像質(zhì)量、系統(tǒng)小型化等需求的不斷提高，變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)逐漸凸顯其優(yōu)勢。對變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的原理進(jìn)行了研究，概述了國內(nèi)外在變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。通過分析，提出了系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可變冷光闌實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。最后簡要分析了可變冷光闌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

紅外光學(xué)系統(tǒng)；變F數(shù)；可變冷光闌；視場轉(zhuǎn)換

0 引言

紅外相機(jī)與可見光相機(jī)相比，可以探尋到可見目標(biāo)不具備的信息，極大地增強(qiáng)了對背景和干擾信息的抗干擾特性，使觀察者可以全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行觀測，因此紅外光學(xué)系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用在跟蹤、偵察、監(jiān)視等軍事領(lǐng)域。隨著對紅外相機(jī)性能要求的不斷提高，對紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器提出了越來越高的要求[1-2]。變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，特別是觀察目標(biāo)的距離，選用合適的F數(shù)，靈活的進(jìn)行大視場與極小視場的切換，實(shí)現(xiàn)大視場范圍內(nèi)搜索目標(biāo)，極小視場范圍內(nèi)識別與跟蹤目標(biāo)，滿足對軍事目標(biāo)偵察和監(jiān)視需求，有廣泛的應(yīng)用前景。

本文在變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析，介紹了國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展，提出了紅外光學(xué)系統(tǒng)可變冷光闌實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，并提出了可變冷光闌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，對變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究有借鑒意義。

1 基于可變冷光闌的變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)原理

在紅外探測器中，冷光闌（即光學(xué)系統(tǒng)的視場光闌）是決定紅外探測器F數(shù)的重要組件，其只允許需要的紅外輻射進(jìn)入，阻止所有其他不需要的雜光輻射。同時(shí)本身溫度很低，減少自身的輻射，達(dá)到更好的成像效果[3]。一般情況下，由于紅外探測器冷光闌的大小是固定不變的，所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)近似設(shè)計(jì)為紅外探測器的F數(shù)值，即光闌匹配。

光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)與探測器的F數(shù)相匹配是獲得高質(zhì)量圖像的必要條件。探測器的F數(shù)與冷光闌大小直接相關(guān)，當(dāng)探測器冷光闌過大時(shí)，會(huì)有不需要的輻射進(jìn)入，降低成像效果；當(dāng)冷光闌過小時(shí)，會(huì)擋住成像所需要的輻射，引起漸暈現(xiàn)象，如圖1所示[4]。

(a)F數(shù)匹配 ?????? ?????? (b)F數(shù)不匹配

圖1 冷光闌匹配

Fig.1 Cold aperture matching

在傳統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)中，F(xiàn)數(shù)通常是固定的，僅通過改變焦距大小來對光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑進(jìn)行改變，進(jìn)而對所觀察的視場進(jìn)行切換。但當(dāng)所觀察視場變化較大時(shí)，在同一F數(shù)下，由于最大通光孔徑一定，僅通過改變焦距大小很難滿足對成像質(zhì)量的要求。因此，在這種情況下，變F數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)凸顯出其優(yōu)勢。變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)可以同時(shí)改變焦距和通光孔徑來對遠(yuǎn)近視場進(jìn)行切換，同時(shí)滿足對成像質(zhì)量的要求。

傳統(tǒng)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。在對紅外成像系統(tǒng)體積有限制的時(shí)候，成像系統(tǒng)應(yīng)最小化系統(tǒng)的孔徑光闌，這時(shí)只有一個(gè)視場占用了整個(gè)通光孔徑。如圖所示，窄視場時(shí)占用了整個(gè)通光孔徑，但是寬視場時(shí)僅占用了整個(gè)通光孔徑的一少部分，大部分能量都損失掉了。當(dāng)窄視場決定了通光孔徑大小的情況下，目標(biāo)寬視場只能通過改變焦距大小來獲得。在此情況下，想提高通光孔徑利用率，就必須改變光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)。

變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。在系統(tǒng)處于寬視場情況下，保持焦距不變，通過改變冷光闌大小，改變系統(tǒng)的F數(shù)，使系統(tǒng)獲得在最大通過孔徑范圍內(nèi)的更大的通光孔徑，提高通光量，提高成像質(zhì)量。

圖2 傳統(tǒng)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)

圖3 變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)

因此可以看出，變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是改變紅外探測器的冷光闌大小。保證冷光闌匹配是變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，即當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)變化時(shí)，通過改變探測器冷光闌大小，保證探測器的F數(shù)隨之變化。

通過對變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)分析，有其獨(dú)特的優(yōu)勢：

通過改變紅外探測器冷光闌大小，可以做到與光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)匹配，提高光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

通過改變冷光闌大小，可以進(jìn)行大視場搜索/極小視場監(jiān)視的轉(zhuǎn)換，提高在寬視場觀察時(shí)通光口徑的利用率，提高成像質(zhì)量。

在極小視場觀察時(shí)，通過改變F數(shù)與焦距大小，在一定程度上，可以解除光學(xué)通光口徑對系統(tǒng)的限制，減小光學(xué)系統(tǒng)的體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

2 國內(nèi)外可變冷光闌研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

HALO（高空觀測系統(tǒng)）是美國彈道導(dǎo)彈防御局（BMDO）的彈道導(dǎo)彈測試監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集與跟蹤平臺(tái)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)大體積杜瓦，將長波與中波紅外焦平面、分光鏡、濾光片封裝在其中，分別有制冷器對焦平面進(jìn)行制冷。每個(gè)焦平面之前包括一個(gè)6位置的濾光片轉(zhuǎn)盤，6位置的濾光片轉(zhuǎn)盤包括5個(gè)帶通濾光片和1個(gè)用于背景測試的空白片。每個(gè)焦平面有單獨(dú)的冷屏來減小背景輻射，同時(shí)在杜瓦內(nèi)設(shè)置一個(gè)溫度為155K的內(nèi)擋板來降低背景輻射。紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

圖4 雙波段紅外系統(tǒng)

Mitchell等人設(shè)計(jì)了焦距為0.5m（F/2.8）以及1.5m（F/8.4）的紅外望遠(yuǎn)鏡，兩個(gè)視場分別是0.9°×0.9°和0.3°×0.3°。兩視場的切換是通過次鏡互換的方法實(shí)現(xiàn)的。窄視場的次鏡永久地固定在光學(xué)平臺(tái)，寬視場的次鏡安裝在一副導(dǎo)軌上，能夠允許通過機(jī)電杠桿系統(tǒng)將次鏡移出光路。插入寬視場次鏡時(shí)，杠桿系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鏡片重新回到光路上。如圖5所示為紅外檢測系統(tǒng)的光路圖[6]。其將焦平面、冷光闌及分光鏡封裝在杜瓦內(nèi)。短波與中波紅外焦平面封裝在液氦制冷的杜瓦中，長波紅外焦平面封裝在液氮制冷的杜瓦中。短波紅外和中波紅外公用一個(gè)光闌，被放置在分光器之前，溫度保持在65K。長波紅外的Lyot光闌保持在4.2K。

2007年，Nahum等人通過設(shè)計(jì)外置式的可變冷光闌機(jī)構(gòu)[7]，實(shí)現(xiàn)了F數(shù)為10.5的光學(xué)系統(tǒng)與F數(shù)為4.1的紅外探測器的連接。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是在設(shè)計(jì)了低溫可變冷光闌的同時(shí)，進(jìn)行比例為1.25:1的縮小，滿足了成像要求。如圖6所示，透鏡組1和透鏡組2用于放置可變冷光闌，透鏡組3實(shí)現(xiàn)1.25:1的比例縮小。

可變冷光闌置于透鏡3與4之間，空間密封無窗口，兩側(cè)使用兩個(gè)透鏡在兩側(cè)進(jìn)行真空密封，透鏡的形狀被設(shè)計(jì)成可以用于O型圈真空密封。冷光闌使用1W的斯特林制冷機(jī)進(jìn)行制冷，冷光闌的大小通過數(shù)字千分表顯示調(diào)節(jié)的蝸輪蝸桿來進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)?？勺兝涔怅@如圖7所示。

圖5 紅外檢測系統(tǒng)光路圖

2013年，Nahum等人發(fā)表了一篇名為基于調(diào)整刀片虹膜的前式紅外相機(jī)的連續(xù)可變冷光闌的專利，提出了一種內(nèi)置式的可變冷光闌結(jié)構(gòu)。可變冷光闌結(jié)構(gòu)整體很小，集成在紅外探測器杜瓦當(dāng)中?？勺兝涔怅@結(jié)構(gòu)為刀片虹膜調(diào)整式，冷光闌由4個(gè)刀片虹膜組成，刀片放置在驅(qū)動(dòng)板與基板之間，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)板即可以對光闌的大小進(jìn)行調(diào)整。如圖8所示。刀片虹膜的厚度很薄，表面鍍聚四氟乙烯，保證刀片在滑動(dòng)過程中摩擦力很小，可以自由移動(dòng)，同時(shí)刀片虹膜表面附著一層材料，具有低反射性[8]。

2014年，雷神公司Eric等人在Nahum的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于低溫環(huán)境的可變冷光闌機(jī)構(gòu)[9]。Eric同樣采用了刀片虹膜式調(diào)整機(jī)構(gòu)，但在控制上使用了雙穩(wěn)態(tài)螺線管電機(jī)，保證了控制的精度[10]。同時(shí)考慮了在調(diào)整光闌過程中的熱傳導(dǎo)問題，設(shè)計(jì)了光闌僅在調(diào)整過程中與外界接觸，在探測器工作過程中冷光闌與調(diào)整機(jī)構(gòu)分離的結(jié)構(gòu)，保證了冷光闌在工作過程中自身沒有溫差，提高了成像效果[11]。在材料的選擇上，刀片虹膜材料為鈹銅合金，表面鍍金，進(jìn)一步減小刀片虹膜調(diào)整過程中的摩擦。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Fig.6 Optical system design

圖7 可變冷光闌結(jié)構(gòu)

圖8 刀片虹膜式可變冷光闌

美國軍方設(shè)計(jì)的第三代前視紅外探測器系統(tǒng)是變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的典型[12-15]，其主要特點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)擁有4個(gè)視場、雙F數(shù)和可變冷光闌。第三代前視紅外探測器設(shè)計(jì)了F/3和F/6的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了11.5的放大倍數(shù)，最大焦距達(dá)609.6mm。系統(tǒng)同樣采用刀片虹膜式調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)構(gòu)集成在紅外杜瓦內(nèi)，整體尺寸小，集成度高。集成可變冷光闌的紅外探測器如圖9所示。

圖9 第三代前視紅外探測器系統(tǒng)

第三代前視紅外探測器系統(tǒng)在極窄視場下采用F/6的光學(xué)系統(tǒng)，在其他視場下采用F/3的光學(xué)系統(tǒng)。通過改變焦距與F數(shù)，保證了光學(xué)系統(tǒng)在極窄視場與窄視場有近似相同的通光孔徑，減小了光學(xué)系統(tǒng)的體積。如圖10為光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)視場下拍攝的MWIR圖像[16]。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

2014年長春光機(jī)所提出了一種可以改變紅外相機(jī)冷光闌與成像波段的裝置專利[17]，專利中將紅外探測器、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、濾光片盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通孔徑光闌盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸和濾光片盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)，孔徑光闌盤裝有不同孔徑大小的光闌，濾光片盤裝有不同波段的濾光片，如圖11所示。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是通過可變式的固定光闌來對紅外光闌大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

WFOV ????????? MFOV

NFOV ????????? UFOV

圖10 中波紅外圖像

Fig.10 MWIR infrared images

圖11 可變式的固定光闌

昆明物理研究所賈星蕊等人設(shè)計(jì)了一個(gè)大變倍比長波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，變倍比為25: 1，系統(tǒng)使用8片透鏡實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦[18]。洛陽光電設(shè)備研究所研究出了長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，全焦距范圍內(nèi)傳遞函數(shù)在0.35以上[19]。長春理工大學(xué)設(shè)計(jì)了可以同時(shí)在白天與夜間工作的可見光與紅外光波段的變焦光電瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，滿足了紅外系統(tǒng)的小型化應(yīng)用需求[20]。長春光機(jī)所設(shè)計(jì)了雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，可以以60ms的變倍速率實(shí)現(xiàn)視場的高速切換，結(jié)構(gòu)緊湊[21]。

綜上所示，國外對于變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究比較成熟，已經(jīng)成功研發(fā)第三代前視紅外成像系統(tǒng)，并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。國內(nèi)實(shí)現(xiàn)紅外視場切換主要是通過變焦技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，對變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展較快，已經(jīng)具備連續(xù)平滑變焦、高變倍比、小型化等特點(diǎn)，并且具有高分辨率，但是對于變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究較少，還處于理論階段。

3 可變冷光闌實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

通過對國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)研究進(jìn)展分析發(fā)現(xiàn)，可變冷光闌是實(shí)現(xiàn)變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)得出有以下3點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可變冷光闌的技術(shù)路線。

1）對紅外探測器進(jìn)行改裝，將可變冷光闌機(jī)構(gòu)放置于紅外探測器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置式的可變冷光闌。這種內(nèi)置式可變冷光闌實(shí)現(xiàn)難度大，需要考慮制冷、探測器改造封裝等各方面的問題，但是集成度最高，是可變冷光闌未來發(fā)展的方向。

2）將紅外探測器（或焦平面）、可變冷光闌及部分光學(xué)系統(tǒng)封裝在一個(gè)杜瓦中，對杜瓦進(jìn)行密封與制冷，實(shí)現(xiàn)可變冷光闌的調(diào)節(jié)，例如國外HALO中設(shè)計(jì)的杜瓦裝置，可以在焦平面前加裝可變冷光闌，實(shí)現(xiàn)探測器變F數(shù)的設(shè)計(jì)。該技術(shù)路線是實(shí)現(xiàn)可變冷光闌的一個(gè)有效方法，其本質(zhì)是設(shè)計(jì)一個(gè)大的紅外探測器，該方法會(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)的體積與功耗，同時(shí)涉及到對杜瓦的封裝與制冷，實(shí)現(xiàn)難度相對較高。但是隨著杜瓦及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型化與輕量化，可以制造出高集成度的可變冷光闌紅外探測器。

3）通過光學(xué)設(shè)計(jì)，將紅外探測器冷光闌的位置前置，在光路中通過對冷光闌局部制冷的方式實(shí)現(xiàn)可變冷光闌的設(shè)計(jì)。該技術(shù)路線增加了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，整個(gè)系統(tǒng)的體積與功耗也有一定程度的增加，但是不涉及對紅外探測器部分的改造，可行性高。

以美國軍方設(shè)計(jì)的第三代前視紅外探測器系統(tǒng)為例，介紹變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。第三代前視紅外探測器系統(tǒng)是通過第一條技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)的。其具體實(shí)施方案是設(shè)計(jì)了雙F數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，研制了內(nèi)置式可變冷光闌組件，在通過改變冷光闌實(shí)現(xiàn)探測器F數(shù)變換時(shí)，保證了光學(xué)系統(tǒng)的冷闌匹配。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制和圖像處理電路和冷光闌調(diào)整組件的小型化，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)紅外探測器系統(tǒng)的高度集成化。紅外探測器組成如圖12所示。

圖12 紅外探測器系統(tǒng)組成

4 可變冷光闌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)關(guān)鍵是基于國內(nèi)現(xiàn)有變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的成熟技術(shù)，確定可變冷光闌實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，完成可變冷光闌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)完成可變冷光闌工作環(huán)境的搭建。需要突破4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1）可變冷光闌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇合理的結(jié)構(gòu)形式對可變冷光闌的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。對國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)可變冷光闌的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要分為刀片虹膜調(diào)整式和可變式固定冷光闌兩種。刀片虹膜調(diào)整式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積空間小，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來難度較大。可變式固定冷光闌優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是體積空間占用大。冷光闌的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)等[22]。傳動(dòng)方式的選擇對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的影響,可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)形式。

在可變冷光闌的設(shè)計(jì)過程中，不同材料的選擇對紅外成像有很大的影響。在刀片虹膜調(diào)整式的內(nèi)置可變冷光闌結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵件刀片虹膜的材料及其表面鍍膜材料的選擇對整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。通過研究，刀片虹膜材料可以選擇鈹銅合金，刀片表面鍍金，可以保證冷光闌的自由調(diào)整，不需要依靠油脂及其他會(huì)散發(fā)氣體的潤滑劑，同時(shí)具有低反射性。

2）高精度穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)技術(shù)

可變冷光闌的驅(qū)動(dòng)方式有多種選擇，一般分為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。手動(dòng)調(diào)節(jié)精度較低，同時(shí)應(yīng)用有很大的局限性，僅可應(yīng)用在測試階段。磁驅(qū)動(dòng)相比于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制難度高，且需要考慮屏蔽問題，所以應(yīng)用范圍較窄。電機(jī)驅(qū)動(dòng)有在真空狀態(tài)穩(wěn)定工作、大功率輸出等優(yōu)點(diǎn)，可以作為驅(qū)動(dòng)方式的首選。不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)對光闌的調(diào)整有很大影響，可以選用壓電陶瓷電機(jī)或雙穩(wěn)態(tài)螺線管電機(jī)來對冷光闌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以提供大功率輸出的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生外物損傷，保證真空環(huán)境無雜質(zhì)。

3）紅外探測器及冷光闌的溫控技術(shù)

在確定具體可變冷光闌結(jié)構(gòu)方案之后，如何搭建可變冷光闌的工作環(huán)境是保證設(shè)計(jì)成功的另一關(guān)鍵因素。

紅外探測器工作時(shí)要求嚴(yán)格的低溫環(huán)境。常溫光闌會(huì)給紅外成像帶來較強(qiáng)的熱背景噪聲，降低紅外探測系統(tǒng)的靈敏度，影響成像質(zhì)量，在遠(yuǎn)距離弱目標(biāo)的紅外探測等領(lǐng)域上應(yīng)用是不適宜的。紅外探測器工作溫度越低，光譜截止波長越長，背景噪聲越小，其分辨率和信噪比也越高。冷光闌與探測器溫度在77K左右，光闌與其驅(qū)動(dòng)部件有至少200K的溫差，要求光闌的溫度變化范圍在10K以內(nèi)。所以在冷光闌大小調(diào)整之后，要保證冷光闌制冷的速度與效率，保證在紅外成像過程中，冷光闌與探測器溫度相差不大且自身無溫差。溫控是影響紅外成像效果最直接的因素，所以合理的溫控方案對可變冷光闌的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通常選用閉式機(jī)械循環(huán)制冷系統(tǒng)，斯特林制冷機(jī)就可以滿足可變冷光闌的制冷要求。

4）動(dòng)密封技術(shù)

在可變冷光闌設(shè)計(jì)過程中，另一個(gè)重要問題是對整個(gè)紅外系統(tǒng)的真空密封問題。將可變冷光闌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)封裝在杜瓦內(nèi)，會(huì)造成整個(gè)杜瓦空間變大。為了實(shí)現(xiàn)杜瓦結(jié)構(gòu)的小型化與輕量化，可以應(yīng)用直線導(dǎo)入器等動(dòng)密封裝置解決真空狀態(tài)下杜瓦與外界的連接問題[23]。

5 結(jié)論

本文對基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析，與變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)相比，變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)有著大視場搜索與極小視場監(jiān)視轉(zhuǎn)換，提高通光孔徑利用率，提高成像質(zhì)量等優(yōu)勢。通過研究國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對于變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究較少，尚處于理論階段。為了實(shí)現(xiàn)變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)，提出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可變冷光闌實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，最后提出了可變冷光闌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，對變F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用起到很好的指導(dǎo)作用。

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Progress and Key Technologies of Infrared Optical System with Variable F-number

TAN Songnian，YU Xiao，ZHANG Hongwei，LI Quanchao

(,,,,130033,)

According to the modern warfare urgent needs on target tracking, reconnaissance and surveillance at night, infrared optical system has been widely used in the national defense field. Compared with zoom infrared optical system, variable F-number infrared optical system which is based on variable cold aperture could achieve the switch of large-scale search and minimum-scale surveillance, the increase of aperture efficiency and the improvement of the image quality. With the increasing demand on the field of view, image quality and system miniaturization, the infrared optical system with variable F-number gradually highlights its advantages. The principle of infrared optical system with variable F-number is studied and the research progress in the field of which is summarized. Via analysis, the technical routes to achieve the key structure variable cold aperture are proposed. In the end, a brief analysis on the key technologies of the available cold aperture is given. It is useful for the development of infrared optical system.

infrared optical system，variable F-number，variable cold aperture，zoom

TN216

A

1001-8891(2016)05-0367-07

2015-12-15；

2015-12-21.

譚淞年（1989-），男，吉林省通化市人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)楹娇展怆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)及分析。E-mail：tansongnian@126.com。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（61405192），中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CXJJ-15S158）。