1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100039
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±10 μm，探测器光学模组间配准偏差优于±15 μm。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。
光学设计 双波段红外探测器 杜瓦集成封装 冷光学 低温透镜组 高精度配准 中国激光
2023, 50(23): 2310003
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求，提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持，与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点，文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例，提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳，重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计，并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证，可实现最小温度梯度为37.22 K，绝热热阻为1142 K/W，误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能，对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证，试验结果表明实现了200 K低温窗口，探测器60 K工作，杜瓦漏热为544 mW，低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%，并通过了4 g的随机力学考核，验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行，对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。
波纹管 杜瓦 低温光学 低温隔热 热特性 bellows Dewar cryogenic optics heat insulation thermal properties 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220180
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
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10 μm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12.5 μm 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。
探测器 杜瓦组件 低温光学 低温系统集成 中国激光
2022, 49(21): 2110002
红外与激光工程
2020, 49(4): 0414002
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
在低温红外光学系统中，光学元件及其支撑结构的加工和装配温度与其实际工作环境温度之间存在较大差异。根据低温红外光学系统对光机结构设计的要求，设计和加工了一套适用于低温光学透镜的柔性支撑结构。透镜的径向定位与支撑采用一组周向均布的悬臂柔性支撑结构来实现；轴向则采用压圈定位和波形垫圈来为透镜提供轴向预紧，以避免由于温差以及材料的物理性能差异与变化而造成透镜面型无法满足指标要求。试验结果表明，这种透镜支撑结构在133 K低温下具有良好的成像效果。
低温光学 大温差 透镜支撑 cryogenic optics large temperature difference lens supporting
1 中国科学院理化技术研究所 空间功热转换技术重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声, 有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K, 采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小, 直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差, 影响成像质量, 为此设计了一种新型支撑结构, 一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变, 另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型, 来指导支撑结构热设计, 减小透镜内部温差。最后, 对透镜支撑的低温性能进行了测试, 实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至150 K, 支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时, 光学表面的最大变形小于1 λ(1 λ= 632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。
低温光学 透镜支撑 温度梯度 脉冲管制冷机 红外成像 cryogenic optics lens mount temperature difference pulse tube cryocooler IR imaging 红外与激光工程
2019, 48(2): 0218006
1 中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比, 低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统, 并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至设计温度150 K, 继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中, 透镜保持完好, 验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明, 当光学系统的温度从300 K降至215 K时, 其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致, 验证了低温光学降噪的有效性。
低温光学 脉冲管制冷机 内部热噪声 红外成像 cryogenic optics pulse tube cryocooler internal thermal noise infrared imaging
Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China
西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010
为了实现低温真空环境下红外材料热膨胀系数的高精度测量，提出了一种固体材料低温热膨胀系数的测量方案。本方案基于自准直原理，设计了一种测微结构，建立起了结构变形与角度的关系，并推导出热膨胀系数测量公式。利用测量公式，从理论上分析了该方案的测量误差传递函数关系，并利用误差灵敏度函数对红外材料低温热膨胀系数测量装置的设计精度进行了分析，最后通过计算得到了该方案的测量相对误差。结果表明，测量的热膨胀系数相对误差仅为0.76%，满足纳米级测量要求。
低温热膨胀系数测量 微变形测量 误差传递函数 低温光学 cryogenic thermal expansion coefficient measuremen micro deformation measurement error transfer function cryogenic optics
中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段, 由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因, 红外谱段的高光谱成像系统并不常见, 目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪, 它在8.0~12.5 μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息, 光谱分辨率优于44 nm, 光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°, 空间分辨率优于1 mrad, 噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定, 并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验, 获取了指定区域的红外高光谱图像, 处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率, 反演的发射率曲线可以用于地物识别.
红外高光谱成像 低温光学 光谱分辨率 焦平面组件 光谱定标 infrared hyperspectral imager cryogenic optics spectral resolution FPA array spectral resolution
