红外制冷探测器高效冷屏的设计与优化

摘要

随着红外光学技术的发展以及机械工艺的提升，各个领域对红外探测器的需求也日益提升，尤其是高灵敏度和高温度分辨率的大面阵红外探测器。但是，红外探测器的实际性能易受工作环境中各种杂散辐射的影响，从而造成红外探测器信噪比和成像质量的大幅降低。为了提高大面阵高灵敏度的红外制冷探测器的冷光阑效率，其杂散辐射的分析和抑制就变得非常重要。
　　本论文首先介绍了国内外红外制冷探测器冷光阑效率的研究现状以及杂散辐射的基本理论，并且分析了杂散辐射的产生原因以及常用的抑制方法，为后续的杂散辐射分析与抑制工作奠定了充分的理论基础。
　　其次阐述了红外探测器常用的杂散辐射抑制方法，详尽地讨论了对冷屏内挡光环结构的设计原则和计算方法，并在此基础上对挡光环的形状进行了改进，提出了新型的方形圆角挡光环结构，且给出了具体的数学推导。另外，根据数学方法对改进前后的挡光环结构做了理论上的对比，为提高红外制冷探测器冷光阑效率提供了技术基础。
　　然后对红外制冷探测器模型仿真的软件、原理和技术做了详细的介绍，包括光机结构、表面特性和光源的建模等。使用ASAP软件对装配各个挡光环结构及对照组（无挡光环结构）的冷屏结构进行仿真，验证挡光环的数量、位置和形状以及冷屏的外形对红外探测系统冷光阑效率影响;同时，还采用平行光光源模型分别对各个角度的杂散辐射进行仿真，验证了挡光环结构对不同角度入射的杂散辐射的抑制效果，并针对仿真结果中的异常值进行分析，再次改进了挡光环结构;另外，通过Matlab验证了立体角及黑体辐射特性对探测器焦平面成像均匀性的影响，并且通过ASAP软件对采用Emitting光源的冷屏系统验证了挡光环对探测器焦平面成像均匀性的影响。通过上述仿真验证了挡光环对提升系统冷光阑效率的有效性。
　　最后，通过实验验证了挡光环结构对提升红外探测系统冷光阑效率的有效性，以及方形圆角挡光环结构在抑制杂散辐射上比圆环型挡光环结构更有优势。另外，结合仿真与实验结果，对冷屏及挡光环结构设计提出了一些建设性意见。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 红外探测技术

1．2 概述

1．3 研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 研究内容

第2章 红外探测器杂散辐射分析的基本理论

2．1 基本理论

2．1．1 双向散射分布函数

2．1．2 基本辐射量

2．1．3 基本能量传输方程

2．1．4 黑体辐射

2．1．5 立体角

2．2 杂散辐射的产生及抑制

2．2．1 杂散辐射的来源与分类

2．2．2 杂散辐射的常用计算方法

2．3 冷光阑及冷光阑效率

第3章 红外探测器杂散辐射抑制技术的研究

3．1 红外系统杂散辐射的抑制方法

3．1．1 采用光阑组合抑制杂散辐射

3．1．2 采用挡光环结构抑制杂散辐射

3．1．3 采用消杂散辐射涂料抑制杂散辐射

3．1．4 采用温阑和冷屏相结合的方式抑制杂散辐射

3．1．5 采用温度控制法抑制杂散辐射

3．2 理想圆环型挡光环结构的推导

3．2．1 理想圆环型挡光环结构的设计原则

3．2．2 理想圆环型挡光环结构的数学过程

3．3 理想挡光环形状的数学推导

第4章 红外制冷探测器杂散辐射抑制的仿真与实验

4．1 ASAP软件的介绍

4．2 红外探测系统的仿真模型

4．3 红外探测系统的表面模型

4．4 光源的模型建立及仿真

4．4．1 采用双光源模型验证冷屏与挡光环结构对杂散辐射的抑制效果

4．4．2 采用平行光光源模型验证挡光环结构对不同入射方向杂散辐射的抑制效果

4．5 探测器焦平面成像均匀性的分析

4．5．1 立体角对探测器焦平面成像均匀性的影响

4．5．2 黑体辐射源对探测器焦平面成像均匀性的影响

4．5．3 探测器焦平面的均匀性分析

4．5．4 采用Emitting光源验证挡光环结构对探测器焦平面成像均匀性的仿真和分析

4．6 红外探测器杂散辐射抑制的实验结果与分析

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果