張 璐，張 磊，付志凱，田 亞

紅外探測器集成光學(xué)系統(tǒng)低溫評價方法研究

張 璐，張 磊，付志凱，田 亞

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)是將部分成像光學(xué)系統(tǒng)集成在杜瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以保證F數(shù)較小、探測目標(biāo)信號能量大的同時，消除光學(xué)系統(tǒng)體積龐大和復(fù)雜帶來的不便因素。本文研究的紅外探測器集成光學(xué)低溫評價技術(shù)是在不反復(fù)拆除杜瓦的前提下，直接評估集成光學(xué)系統(tǒng)低溫MTF，縮短測試周期。進(jìn)行集成光學(xué)透鏡組精密裝配，在此基礎(chǔ)上開發(fā)獨立的集成光學(xué)系統(tǒng)低溫MTF評價裝置，并搭建MTF測試光路，獲得集成光學(xué)透鏡組溫度分布梯度，為集成光學(xué)透鏡組的裝配精度和光學(xué)性能提供可靠數(shù)據(jù)。

集成光學(xué)；光學(xué)透鏡組；低溫MTF測試

0 引言

紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)，是將紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與杜瓦光學(xué)設(shè)計相結(jié)合，通過精密裝調(diào)技術(shù)，將光學(xué)鏡頭集成在杜瓦內(nèi)部，使之處于恒定的低溫環(huán)境中。在不增加探測器組件體積的情況下，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的低溫化、無熱化和小型化，有效提高紅外成像系統(tǒng)的探測精度、靈敏度和對環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力。在基礎(chǔ)技術(shù)研究、國防戰(zhàn)略地位以及社會應(yīng)用需求方面，將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2010年法國Sofradir公司與法國國家航空航天研究院共同設(shè)計一款采用集成光學(xué)元件的新型紅外探測器[1]，該設(shè)計以Sofradir公司標(biāo)準(zhǔn)型640×512 15mm像元間距的紅外探測器為基礎(chǔ)，在紅外探測器旁邊置入一塊光學(xué)透鏡，可以對紅外探測器工作和性能參數(shù)進(jìn)行控制，從而將紅外成像系統(tǒng)中使用的光學(xué)元件和電子元件減少1/3左右。2013年，電子科技大學(xué)公開了一種紅外探測器集成光學(xué)封裝結(jié)構(gòu)[2]，探測器結(jié)構(gòu)中紅外窗口采用凸透鏡，減小光學(xué)系統(tǒng)體積。2013年，上海技物所公開了一種封裝在杜瓦內(nèi)的高精度裝配的多透鏡深低溫紅外探測器管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計思路[3]，它適用于紅外焦平面探測器杜瓦內(nèi)帶多個冷光學(xué)元件的深低溫管殼封裝技術(shù)，并未見其后續(xù)發(fā)表成果。

紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)存在諸多難點，低溫下鏡片的位置會隨冷屏等安裝基礎(chǔ)的變形而改變，鏡片的面形、折射率等參數(shù)也會發(fā)生變化，從而影響成像效果。目前，集成光學(xué)透鏡組沒有獨立的低溫MTF評價手段，需要將透鏡組與探測器芯片精密耦合后，借助于紅外探測器組件的制冷能力，通過紅外成像系統(tǒng)評價集成光學(xué)鏡頭組的裝配性能，若性能不滿足要求，需要解耦，重新裝配后，重復(fù)與探測器芯片耦合、測試，工藝周期長。本文開發(fā)了一種獨立的紅外集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試裝置，縮短測試周期，并設(shè)計了一種低溫評價方法，為光學(xué)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

1 紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)

1.1 紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)概述

常規(guī)的紅外探測器組件的成像光學(xué)系統(tǒng)與探測器本身是分離的，體積較大，杜瓦冷頭封裝示意圖如圖1所示，包括窗座、窗片、冷屏、濾光片。窗座內(nèi)部形成真空環(huán)境，探測器工作在80K左右的低溫環(huán)境中。

圖1 常規(guī)探測器杜瓦冷頭結(jié)構(gòu)

為有效減小前置光學(xué)透鏡組體積，紅外探測器集成光學(xué)技術(shù)通過精密裝調(diào)技術(shù)，將光學(xué)鏡頭集成在杜瓦內(nèi)部，使之處于恒定的低溫環(huán)境中。

以某長波集成光學(xué)組件為例，經(jīng)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計需有4片透鏡需集成在杜瓦內(nèi)部，如圖2所示，其中透鏡a設(shè)計在窗口上，替代原有平面窗口透鏡，工作在常溫狀態(tài)；透鏡b、c、d需要集成在杜瓦冷頭上，工作在低溫環(huán)境中。通過ANSYS仿真結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性，設(shè)置杜瓦冷頭溫度為77K，仿真得到溫度分布梯度見圖3。透鏡a溫度為292K，透鏡b、c、d溫度為77K。在透鏡光學(xué)設(shè)計中考慮透鏡的工作溫度對成像造成的影響，以優(yōu)化鏡頭光學(xué)設(shè)計。

圖2 集成光學(xué)透鏡組圖示

1.2 集成光學(xué)透鏡組裝配

圖4中的透鏡b、c、d裝配為一個整體的內(nèi)置光學(xué)透鏡組部件。為了保證成像效果，透鏡的偏心精度±15mm，透鏡間隔誤差±15mm，低溫下PV惡化量不超過0.06mm，而常規(guī)杜瓦冷屏裝配偏心誤差約±50mm，高度誤差約±100mm；受到制冷啟動時間、制冷機功耗、重量等指標(biāo)的限制，集成光學(xué)結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)可靠性的前提下應(yīng)盡量小型化；另外，低溫下材料的收縮和性質(zhì)的變化對光學(xué)系統(tǒng)影響較大。

針對以上困難，開展光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝調(diào)工藝的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合仿真分析、工藝可實現(xiàn)性等設(shè)計特殊的光機結(jié)構(gòu)，利用紅外中心偏測量儀、工具顯微鏡等精密測量設(shè)備開發(fā)精密裝配工藝。首先將光路設(shè)計中b、c、d透鏡裝配成一個冷頭部件，根據(jù)光路設(shè)計在相應(yīng)位置e、f處設(shè)計了兩個孔徑光闌，冷頭部件設(shè)計采用管殼結(jié)構(gòu)，鏡筒選用高強度、高導(dǎo)熱、低變形的金屬材料，精密加工裝配后透鏡的偏心精度±5mm，透鏡間隔誤差±10mm，符合項目要求。裝配后冷頭部件示意圖見圖5。

圖3 ANSYS仿真透鏡組溫度梯度分布

圖4 內(nèi)置整體光學(xué)透鏡組部件

Fig.4 Built-in optical lens group components

圖5 裝配后冷頭部件

2 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試方法研究

2.1 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計

為評價集成光學(xué)透鏡組的裝配精度和光學(xué)性能，本文設(shè)計了一種集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試杜瓦管殼結(jié)構(gòu)[3]，見圖6。具體冷頭結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖7。

圖6 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試杜瓦管殼結(jié)構(gòu)示意圖

注：1. 中測杜瓦；2.窗座壓環(huán)；3. 杜瓦冷臺；4. 窗座；5. 內(nèi)置集成光學(xué)透鏡組支架；6. 內(nèi)置光學(xué)透鏡組部件

Note: 1.Test dewar 2. Window seat ring 3. Dewar in cold 4. Window cup 5.Support 6. Built-in optical lens group components

結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)集成光學(xué)透鏡組光路圖，計算窗口透鏡到支撐架的距離，為窗口透鏡與集成光學(xué)透鏡組間距準(zhǔn)確，設(shè)計窗座時該距離要比光路圖給出的距離值略小0.1mm左右，裝調(diào)過程中通過加入適當(dāng)厚度的聚酰亞胺墊片以保證透鏡間隔。封口環(huán)設(shè)計需要考慮MTF檢測儀探頭的尺寸，封口環(huán)長度要根據(jù)光路圖透鏡組的最后一面透鏡到像面距離計算，為了使探測器到達(dá)光路圖中透鏡組的像面位置，需要保證平面透鏡到集成光學(xué)透鏡組最后一個透鏡距離小于光路圖中透鏡組的最后一個透鏡到像面的距離。由于封口透鏡為平面透鏡，無須考慮光軸與透鏡組光軸裝配精度，靠機加工保證封口環(huán)與窗座接觸面的平面度即可。具體裝調(diào)步驟在2.2節(jié)中說明。

圖7 集成光學(xué)MTF測試杜瓦冷頭結(jié)構(gòu)示意圖

注：1. 窗口透鏡；2. 調(diào)整環(huán)；3. 窗座；4. 內(nèi)置光學(xué)透鏡組部件；5. 支架；6. 封口環(huán)；7. 平面透鏡

Note: 1.Window group 2. Adjusting ring 3. Window cup 4. Built-in optical lens group components 5. Support 6. Sealed ring 7. Plano spherical lens

2.2 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試杜瓦裝配步驟

1）支架及測溫二極管安裝：將支架通過螺釘固定在冷臺上，將測溫二極管粘接在冷屏支架和冷屏側(cè)壁上，在支架和透鏡組兩端粘接測溫二極管，并通過漆包線引出至引線柱上，檢測冷頭的溫度，見圖8。

圖8 粘接二極管位置

2）集成光學(xué)鏡頭組安裝：將集成光學(xué)鏡頭組用螺釘固定在支撐架上，鏡頭組使用紅外中心偏設(shè)備調(diào)整各透鏡光軸一致。

3）窗座安裝：將窗座通過壓環(huán)固定在杜瓦上，其間有密封膠圈，裝配時大致使得窗座開口中心與內(nèi)置透鏡組光軸一致。

4）調(diào)整窗口透鏡光軸：將窗口透鏡焊接在金屬環(huán)上，然后放置在窗座上，使用紅外中心偏設(shè)備，調(diào)整窗座角度和金屬環(huán)外側(cè)3個螺釘至各透鏡光軸一致，在透鏡邊沿灌膠，確保透鏡中心限位。

5）調(diào)整窗口透鏡向位置：根據(jù)實際透鏡間距在窗座和金屬環(huán)間加墊片調(diào)整位置；位置確定后在窗座外殼和金屬環(huán)接縫處灌膠固定。

6）平面透鏡安裝：將平面透鏡焊接至封口環(huán)上，將封口環(huán)放置在窗座外殼內(nèi)，二者接縫處置入O型圈，保證內(nèi)部真空環(huán)境。

經(jīng)過上述裝配后，集成光學(xué)透鏡組裝調(diào)完畢。裝配后結(jié)構(gòu)見圖9。

3 集成光學(xué)透鏡組低溫評價系統(tǒng)搭建

3.1 集成光學(xué)透鏡組低溫測試結(jié)果

按圖9中測杜瓦結(jié)構(gòu)裝配完成后，進(jìn)行低溫驗證試驗。首先將中測杜瓦排氣2h，然后從中測杜瓦上方灌入液氮，實時標(biāo)定二極管引出的接線柱的電壓值，待電壓值穩(wěn)定不變后記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)本實驗3組，實驗數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)查閱二極管標(biāo)定手冊，可以得出3個位置對應(yīng)的溫度，分別為：91.934K，94.232K，96.226K，所以集成光學(xué)透鏡組實際低溫工作溫度約為95K。正式組件裝配時，組件外部工作溫度為室溫，啟動制冷機一段時間后組件內(nèi)部達(dá)到低溫條件，溫度梯度與中測杜瓦模擬數(shù)據(jù)基本一致，可以認(rèn)為實際使用過程中集成光學(xué)透鏡組工作溫度為95K。

圖9 MTF測試杜瓦結(jié)構(gòu)圖

3.2 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試

光學(xué)系統(tǒng)可以看成是線性不變的空間頻率濾波器，物體經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像，可視為物圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞后，其傳遞效果是頻率不變，但其對比度下降，相位發(fā)生推移，并在某一頻率處截止，即對比度為零。這種對比度的降低和相位推移是隨頻率不同而不同的，其函數(shù)關(guān)系我們稱之為光學(xué)傳遞函數(shù)。忽略相位變化，僅考慮各頻率經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞后其對比度的降低情況，則為調(diào)制傳遞函數(shù)。在評估光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量時，常用到MTF調(diào)制傳遞函數(shù)[4]。將實驗MTF測量結(jié)果與理論設(shè)計光學(xué)鏡頭組MTF評價值對比，可以指導(dǎo)后續(xù)低溫光學(xué)透鏡組光學(xué)設(shè)計。

為評估集成光學(xué)透鏡組實際低溫使用時的成像質(zhì)量，需要對集成光學(xué)透鏡組進(jìn)行低溫MTF測量[5]。測試原理如圖10所示時，光線首先經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)，后從中測杜瓦窗口透鏡入射，從平面透鏡出射，聚焦于MTF檢測儀上。

在測試時需要調(diào)整光源、光學(xué)前組與中測杜瓦上的集成光學(xué)透鏡組光軸垂直，光線經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)和集成光學(xué)透鏡組后聚焦于MTF傳函儀探測器上。

為進(jìn)行光路MTF測試，需耦合前置光學(xué)系統(tǒng)才能形成完整的成像光路，如圖11所示。設(shè)計中測杜瓦底部夾具，夾具上留出杜瓦限位結(jié)構(gòu)，以便限定中測杜瓦位置，底托夾具設(shè)計高度應(yīng)使得集成透鏡組光軸略小于前置光學(xué)系統(tǒng)光軸，通過在中測杜瓦下部加入墊片微調(diào)光軸的方向高度。

圖10 集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試原理圖

在光路搭建時，首先將前置光學(xué)系統(tǒng)固定在MTF測試系統(tǒng)的光學(xué)平臺[2]上，然后將中測杜瓦底部夾具與前置光學(xué)系統(tǒng)配合，預(yù)固定在光學(xué)平臺上，然后將中測杜瓦放置在底部夾具上，在測試前首先通過微調(diào)底部夾具和中測杜瓦位置使得系統(tǒng)光路匯聚效果最好，如圖11所示，在此狀態(tài)下進(jìn)行MTF測試[6]。

圖11 MTF測試光路搭建示意圖

本節(jié)設(shè)計實驗方法可搭建集成光學(xué)透鏡組低溫MTF測試的光路系統(tǒng)，有效保證前置光學(xué)系統(tǒng)與集成光學(xué)透鏡組光軸的一致性，并且根據(jù)MTF檢測儀探測器探頭尺寸設(shè)計了封口環(huán)，使探頭可以到達(dá)理論的光學(xué)系統(tǒng)焦面位置，并且可以完成探測時的微小位移運動，保證實驗精準(zhǔn)度。

4 結(jié)論

本文研究的紅外探測器杜瓦集成光學(xué)技術(shù)有利于系統(tǒng)的小型化、集成化和智能化，可以提高紅外成像系統(tǒng)的目標(biāo)識別探測能力和環(huán)境適應(yīng)能力，在基礎(chǔ)技術(shù)研究、國防戰(zhàn)略地位以及社會應(yīng)用需求方面，必將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文開發(fā)了一種可以集成光學(xué)透鏡組低溫獨立評價的方法，經(jīng)實驗得到集成光學(xué)透鏡組實際低溫工作溫度為95K，研究低溫MTF評價方法，可實現(xiàn)95K溫度下集成光學(xué)透鏡組的MTF測試，為集成光學(xué)透鏡組的光學(xué)性能評估和光學(xué)設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)。

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Low Temperature Evaluation Method of Infrared Detector Integrated with Optical System

ZHANG Lu，ZHANG Lei，F(xiàn)U Zhikai，TIAN Ya

(,100015,)

To test the low temperature MTF of infrared detectors integrated with an optical system inside a Dewar, a shell structure Dewar was designed. The inconvenient factors caused by the large size and complexity of the optical system is eliminated. The MTF test optical path was built to obtain the temperature distribution gradient of the integrated optical lens group, providing reliable data for the assembly accuracy and optical performance of the integrated optical lens group.

integrated optical technology, optical lens group, low-temperature MTF evaluation

TN216

A

1001-8891(2021)12-1188-05

2021-08-19；

2021-08-25.

張璐（1995-），女，工程師，主要研究紅外探測器杜瓦光機設(shè)計。E-mail：luzbit@163.com