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
杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光，利用点源透过率（PST）与杂散光系数（VGI）的函数关系计算了VGI，并分别用VGI和杂散比（NSR）作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研究。结果表明：采用冷光学设计能有效抑制系统背景辐射，此时系统工作的三个波段NSR从4.5以上降低至0.35以下。制冷机制冷是冷光学设计和探测器工作的基础，研究了杜瓦窗口和冷屏设计对VGI、NSR和制冷机功耗的影响，进而优化了窗口和冷屏的设计参数。拟合实验数据明确了杜瓦漏热与制冷机功耗的函数关系，提出了一种低制冷功耗和高杂散光抑制的冷屏设计，此时杜瓦漏热为1.7 W，制冷机功耗为103.72 W，系统的VGI从1.95%降低至1.92%，窗口的NSR下降了60%，满足项目要求。研究结果解决了低温光学设计、制冷机功耗和杂散光抑制等一系列问题，组件通过力学试验，已成功运用于某项目用光谱成像仪中。
光学设计 杂散光 杜瓦窗口 冷光学设计 杂散光系数 制冷功耗
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
红外谱段（8~12.5 μm）作为红外对地光学载荷的主要探测谱段，在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象，宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界，分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射，利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计，滤光片为三波段集成，同时在考虑装配和加工精度的情况下，冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好，成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。
红外探测 波纹管隔热设计 杂散光 杜瓦组件 infrared detection bellows insulation design stray light Dewar components 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220823
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
为了提高大口径红外长波相机光学系统的成像质量，对红外长波杜瓦的温度场在不同窗口温度下进行了有限元分析和实验验证，明确了杜瓦窗口温度对探测器杂散光和冷屏热辐射的影响。结果表明，当窗口温度为200 K时，可有效抑制窗口引入的背景杂散光，满足设计需求。结合窗口工作温度，分析了力、热和力-热耦合对杜瓦窗口厚度、口径等设计参数的影响，并利用Zernike多项式对杜瓦窗口的形变量进行拟合，以调制传递函数和波像差作为评价指标，实现了大口径长波红外杜瓦组件的窗口变形控制。为了减小低温窗口引起的漏热以及确保窗口的可靠性，采用钛合金外壳实现杜瓦的低漏热以及更高强度的力学支撑。分析了厚度和口径分别为4 mm和58 mm的杜瓦窗口在三种工况下的形变对红外相机系统成像质量的影响。
光学设计 红外探测 杜瓦窗口 冷光学设计 力-热耦合 成像质量 中国激光
2023, 50(14): 1410003
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
