CN111238658B - 具有抑制外部件杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器，冷屏一端设有肩部，冷屏一端设有环状的肩部，肩部上设有通光孔，设定通光孔的下端点为C点，肩部的下端点为M点，焦平面的上端点为B点，连接BC并进行延长至与位于探测器外壁壳体一端的窗片相交且相交点为G点，过G点作垂线GO垂直于CM，再过G点作直线GM’并令GM’与GB关于垂线GO对称，且M’点位于CM上，其中CM≥CM’。本发明通过加宽冷屏的肩部，并保证CM≥CM’，经过探测器外壁壳体上任一点热辐射发出的一次反射杂散光由于肩部的阻挡，不可能直接到达焦平面，因此这样的冷屏肩部加宽处理进一步彻底抑制了杂散光的干扰。

Description

具有抑制外部件杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器

技术领域

本发明涉及红外热成像制冷技术的技术领域，特别是涉及一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器。

背景技术

制冷型红外探测器探测背景和目标是通过分析背景、目标辐射的辐射率以及温度差值来实现的。在制冷探测器系统中，探测器组件处于较低的制冷温度下工作，工作温度约77K。红外探测器组件是一种红外辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射转换为便于测量或识别的电能、热能等其他形式。而杂散光是指红外探测成像系统中除了目标的成像光线以外，辐射到探测器或成像表面上的其他非目标成像光线，以及经非正常传输路径到达探测器的目标光线。

然而在现有技术中，探测器系统的外部结构件表面温度远远高于制冷温度，其产生的部分红外辐射通过冷屏挡光环侧壁一次反射直接到达焦平面，其他非目标(比如红外探测器的外壁壳体)辐射到探测器成像表面上所产生的成像光线，这之类的外部杂散光，在系统焦平面上形成背景辐射噪声的同时，对性噪比产生极大的负面影响，轻者，会使探测目标的信噪比、像面的对比度和调制传递函数降低，使整个像面的层次减少、清晰度变差、能量分布混乱甚至形成杂散光斑点；重者，被探测的目标信号完全湮没在杂散光背景中，系统无法识别目标，或因像面杂散光分布不均匀，在系统探测器上形成虚假信号，致使系统探测到伪目标，甚至导致整个探测系统失效。在现有技术中红外探测器的外壁壳体所产生杂散光的问题无法得到有效解决，因此就非常有必要提出一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，解决了现有技术中红外探测器的外壁壳体所产生杂散光对红外辐射参数造成极大不良影响的技术问题。

实现本发明的目的之一的方案如下：

本发明提供了一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，所述冷屏一端设有肩部，所述冷屏一端设有环状的肩部，所述肩部上设有通光孔，设定所述通光孔的下端点为C点，所述肩部的下端点为M点，焦平面的上端点为B点，连接BC并进行延长至与位于探测器外壁壳体一端的窗片相交且相交点为G点，过G点作垂线GO垂直于CM，再过G点作直线GM’并令GM’与GB关于垂线GO对称，且M’点位于CM上，其中CM≥CM’。

进一步，所述通光孔位于所述肩部的中心处。

进一步，所述冷屏的内壁设有至少1个挡光环，各所述挡光环上设有环状的倒角斜面，所述倒角斜面的下端与挡光环端面之间的夹角为α，所述倒角斜面下端的尖端顶点与探测器本体的焦平面的上端点的连线和焦平面之间的夹角为β，所述挡光环的端面与焦平面相平行，以挡光环端面或焦平面方向顺时针旋转0度～180度为正，以挡光环端面或焦平面方向逆时针旋转0度～180度为负，其中α≤β。

进一步，所述挡光环的个数为3个，所述倒角斜面为第一斜面，各所述第一斜面面向通光孔。

进一步，所述挡光环的个数为3个，其中2个所述倒角斜面为面向通光孔的第一斜面，另1个所述倒角斜面为背向通光孔的第二斜面。

进一步，所述挡光环的个数为3个，所述倒角斜面为第二斜面，各所述第二斜面背向通光孔。

进一步，所述挡光环的个数为多个。

进一步，所述冷屏的内壁上涂有黑化膜。

进一步，所述挡光环的材料为镍钴合金。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，具有以下优点：

1、通过在冷屏的通光孔处设计肩部，用来屏蔽红外探测器的外壁壳体所产生的杂散光；

2、通过加宽冷屏的肩部，并保证CM≥CM’，经过探测器外壁壳体上任一点热辐射发出的一次反射杂散光由于肩部的阻挡，不可能直接到达焦平面，因此这样的冷屏肩部加宽处理进一步彻底抑制了杂散光的干扰，完全屏蔽掉探测器外壁壳体通过窗片一次反射到达焦平面的杂散光，可大幅减少窗片一次反射杂散光对性噪比造成的负面影响。

本发明的目的之二在于提供了一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏。

实现本发明的目的之二的方案如下：

本发明提供了一种制冷型红外探测器，包括探测器本体、探测器外壁壳体及具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，所述探测器外壁壳体设置于所述冷屏的外围，所述探测器本体与所述冷屏同轴设置，所述探测器本体位于所述冷屏右侧的出光口，所述探测器本体上设有焦平面，所述焦平面与出光口相对，所述探测器外壁壳体的一端上设有窗片。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏(外部设有探测器外壁壳体)的结构示意图；

图2为图1提供的一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏中两条极限位置杂散光的光路图；

图3为本发明实施例2提供的一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏中一条极限位置杂散光的光路图。

图4为本发明实施例3提供的一种具有抑制杂散光功能的冷屏的结构示意图；

图5为图4提供的一种具有抑制杂散光功能的冷屏中挡光环内壁 N1、N2、N3三点处杂散光的极限光路的局部放大图；

图6为图4提供的一种具有抑制杂散光功能的冷屏中沿着挡光环内壁斜面的反射光路的示意图；

图7为图4提供的一种具有抑制杂散光功能的冷屏中沿着挡光环内壁斜面的反射光路及N1、N2、N3三点分别与焦平面上边缘连线的示意图；

图8为图4提供的一种具有抑制杂散光功能的冷屏中N3处斜面朝向焦平面时的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、冷屏；11、挡光环；111、第一斜面；112、第二斜面；12、通光孔；13、肩部；2、探测器本体；21、焦平面；3、第一光路；4、第二光路；5、第三光路；6、探测器外壁壳体；61、窗片；7、第四光路；8、第五光路。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

如图1-2所示，本发明提供了一种制冷型红外探测器，包括探测器本体2、冷屏1以及探测器外壁壳体6，探测器外壁壳体6设置于冷屏1的外围，探测器本体2与冷屏1同轴设置，探测器本体2位于冷屏1右侧的出光口，探测器本体2上设有焦平面21，焦平面21与出光口相对，探测器外壁壳体6的一端上设有窗片61。

如图1-2所示，所述冷屏1一端设有环状的肩部13，所述肩部 13上设有通光孔12，设定所述通光孔12的下端点为C点，所述肩部13的下端点为M点。所述焦平面21的上端点为B点，所述焦平面21的下端点为F点，焦平面21为BF，接收红外热辐射。从主剖视图来看，AN、CM分别为冷屏1的肩部13的两端，AC为冷屏1 的通光孔12。

连接焦平面21的极限点B与冷屏1的通光孔12极限点C，作虚线BC并延长至窗片，与窗片相交于点G，以GB为极限反射光线光路，作其法线，并作出入射光线光路GQ，Q为外部件表面上的一点。 QG、GB组成一条极限杂散光光路。

过CM中点与CM相垂直再作一条法线，法线交窗片与点G’，连接G’C并延长至焦平面交于点B’，连接G’M并延长至外部件表面上的一点Q’。Q’G’、G’B’组成另一条极限杂散光光路。 QG到GB为第四光路7，Q’G’到G’B’为第五光路8。

温度远高于制冷温度的探测器外壁壳体6表面QQ’发射的红外杂散光辐射经过窗片GG’处的一次反射可直接到达焦平面2，窗片反射率可近似为5％，然而5％的一次反射杂散光会对性噪比产生极大的不良影响。

实施例2

如图3所示，在图2基础上，加宽冷屏肩部CM、AN后，连接 BC并延长与窗片相交G，过G作垂线GO垂直于CM，GM’与GB 关于此垂线对称，且M’在CM上。

综上可知，为使肩部挡住外部件热辐射产生的一次反射杂散光，此时只需要CM的长度大于或等于CM’，即CM≥CM’(加宽肩部13，以保证CM≥CM’)。

当CM≥CM’，则可以使冷屏结构屏蔽掉所有外部件产生的热辐射通过一次反射到达焦平面的杂散光，从而提高探测器的性能。

因此可知，如图3所示的具体方案为本发明所提供的一个优选实施方式，可概括总结为：

所述冷屏1一端设有肩部13，所述冷屏1一端设有环状的肩部 13，所述肩部13上设有通光孔12，设定所述通光孔12的下端点为C 点，所述肩部13的下端点为M点，焦平面21的上端点为B点，连接BC并进行延长至与位于探测器外壁壳体6一端的窗片61相交且相交点为G点，过G点作垂线GO垂直于CM，再过G点作直线GM’并令GM’与GB关于垂线GO对称，且M’点位于CM上，其中CM≥CM’。

上述实施例中通过在冷屏1的通光孔12处设计肩部13，用来屏蔽红外探测器的外壁壳体所产生的杂散光；通过加宽冷屏1的肩部 13，并保证CM≥CM’，经过探测器外壁壳体6上任一点热辐射发出的一次反射杂散光由于肩部13的阻挡，不可能直接到达焦平面，因此这样的冷屏1肩部13加宽处理进一步彻底抑制了杂散光的干扰，完全屏蔽掉探测器外壁壳体6通过窗片61一次反射到达焦平面的杂散光，可大幅减少窗片61一次反射杂散光对性噪比造成的负面影响。

优选的，如图1-3所示，所述通光孔12位于所述肩部13的中心处，以保证环状的肩部13各处的宽度相同，更加便于使冷屏1结构屏蔽掉对探测器外壁壳体6所产生的热辐射通过一次反射到达焦平面的杂散光，从而提高探测器的性能。

实施例3

在如图4-8所示的实施例3中，本发明提供了一种制冷型红外探测器，包括探测器本体2及一种具有抑制杂散光功能的冷屏1，所述探测器本体2上设有焦平面21，所述焦平面21朝对所述冷屏1的出光口。

所述冷屏1的一侧设有通光孔12，所述冷屏1的内壁设有至少1 个挡光环11，各所述挡光环11上设有环状的倒角斜面，所述倒角斜面的下端与挡光环11端面之间的夹角为α，所述倒角斜面下端的尖端顶点与探测器本体2的焦平面21的上端点的连线和焦平面21之间的夹角为β，所述挡光环11的端面与焦平面21相平行，以挡光环 11端面或焦平面21方向顺时针旋转0度～180度为正，以挡光环11 端面或焦平面21方向逆时针旋转0度～180度为负，其中α≤β。为了便于结合附图解释说明，可以设定挡光环11端面或焦平面21方向为竖直方向。

目前光线通过冷屏1内壁(粗糙表面)反射一般默认为漫反射。

上述实施例中提供了一种具有抑制杂散光功能的冷屏，具有以下优点：

1、通过对挡光环11内壁进行倒角处理，用来屏蔽内壁杂散光；

2、通过设计α≤β，经过倒角斜面上任一点一次反射的外部光线由于倒角斜面的阻挡，不可能直接到达焦平面，因此这样的倒角处理进一步彻底抑制了杂散光的干扰，完全屏蔽掉通过挡光环11内壁一次反射到达焦平面的杂散光，可大幅减少挡光环11内壁一次反射杂散光对性噪比造成的负面影响。

具体的，如图4-5所示，本专利中涉及到的探测器结构为焦平面、冷屏、窗口以及外部件。BF为焦平面，接收红外热辐射。N1、N2、 N3分别是挡光环11的内壁上的任意一点。连接极限光路AN1、N1B， AN2、N2B，AN3、N3B，为从冷屏外部通过冷屏挡光环内壁一次反射到达焦平面BF的杂散光光路图。AN1到N1B为第一光路，AN2 到N2B为第二光路，AN3到N3B为第三光路。

图5为图4中挡光环内壁的局部放大图像，由此可知，由点N1 及N2一次反射的外部光线不可能直接到达焦平面。而点N3一次反射的外部光线能直接到达焦平面。

如图6-7所示，已知挡光环内壁的倒角角度分别为α1、α2、α3。分别过点N1、N2、N3作平行于挡光环内壁的辅助线。三条辅助线如图所示，前两条不能与焦平面相交，最后一条可以到达焦平面。定义α1、α2、α3……中的任意一个为αi，其中i＝1、2、3……

分别连接倒角尖端顶点与焦平面端点B的连线，与焦平面的夹角分别为β1、β2、β3。定义β1、β2、β3……中的任意一个为βi，其中i＝1、2、3……

当挡光环内壁的倒角角度足够小，即αi角度足够小，此时过点 Ni作平行于挡光环内壁的辅助线，不与焦平面BF相交时，外部光线通过挡光环内壁的一次反射，不能直接到达焦平面。

优选的，所述挡光环11的个数为3个，各所述挡光环11上设有倒角斜面，所述倒角斜面为第一斜面111，各所述第一斜面111面向通光孔12。以竖直方向顺时针旋转0度～180度为正，以竖直方向逆时针旋转0度～180度为负。

因此，只需要控制挡光环11的倒角角度，使αi≤βi，就可以在挡光环11内壁做到对外部一次反射杂散光的完全屏蔽。

通过将第一斜面111设计为面向通光孔12，可以将大部分杂散光的光线反射回去或者射到焦平面21之外。

优选的，如图5所示，所述挡光环11的个数为3个，各所述挡光环11上设有倒角斜面，其中2个所述倒角斜面为面向通光孔的第一斜面111，另1个所述倒角斜面为背向通光孔的第二斜面112。由于另1个所述倒角斜面为背向通光孔的第二斜面112且以竖直方向逆时针旋转0度～180度为负，此时α3＜0，即挡光环11倒角方向发生转向，使得绝大部分杂散光光线只能在挡光环11之间发生反射，无法到达焦平面，更加能保证在挡光环内壁做到对外部一次反射杂散光的完全屏蔽。

优选的，所述挡光环11的个数为3个，各所述挡光环11上设有倒角斜面，所述倒角斜面为第二斜面112，各所述第二斜面112背向通光孔12，以此完全屏蔽了通过挡光环内壁反射到焦平面的一次杂散光，提高了探测器的性能，此时效果最佳。

优选的，所述冷屏1的内壁上涂有黑化膜。

通过在冷屏1的内壁上涂有黑化膜，黑化膜可以是油漆材料，黑化膜具有大量吸收杂散光辐射的功能，进一步提高其屏蔽功能。

优选的，所述挡光环11的材料为镍钴合金，具有极强的抗锈和耐腐蚀能力。

优选的，所述挡光环11的个数可设计为多个。

本发明中实施例3的具体工作原理及使用方法为：

1.为了完全屏蔽掉挡光环1内壁的一次反射杂散光，需要对其倒角大小做出相应调整，使αi≤βi；

2.通过改变挡光环1的倒角角度，完全屏蔽了通过挡光环11的内壁反射到焦平面的一次杂散光，提高了探测器本体2的性能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述冷屏(1)一端设有肩部(13)，所述冷屏(1)一端设有环状的肩部(13)，所述肩部(13)上设有通光孔(12)，设定所述通光孔(12)的下端点为C点，所述肩部(13)的下端点为M点，焦平面(21)的上端点为B点，连接BC并进行延长至与位于探测器外壁壳体(6)一端的窗片(61)相交且相交点为G点，过G点作垂线GO垂直于CM，再过G点作直线GM’并令GM’与GB关于垂线GO对称，且M’点位于CM上，其中CM≥CM’，所述通光孔(12)位于所述肩部(13)的中心处，所述冷屏(1)的内壁设有至少1个挡光环(11)，各所述挡光环(11)上设有环状的倒角斜面，所述倒角斜面的下端与挡光环(11)端面之间的夹角为α，所述倒角斜面下端的尖端顶点与探测器本体(2)的焦平面(21)的上端点的连线和焦平面(21)之间的夹角为β，所述挡光环(11)的端面与焦平面(21)相平行，以挡光环(11)端面或焦平面(21)方向顺时针旋转0度～180度为正，以挡光环(11)端面或焦平面(21)方向逆时针旋转0度～180度为负，其中α≤β。

2.根据权利要求1所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述挡光环(11)的个数为3个，所述倒角斜面为第一斜面(111)，各所述第一斜面(111)面向通光孔(12)。

3.根据权利要求1所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述挡光环(11)的个数为3个，其中2个所述倒角斜面为面向通光孔的第一斜面(111)，另1个所述倒角斜面为背向通光孔的第二斜面(112)。

4.根据权利要求1所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述挡光环(11)的个数为3个，所述倒角斜面为第二斜面(112)，各所述第二斜面(112)背向通光孔(12)。

5.根据权利要求1所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述挡光环(11)的个数为多个。

6.根据权利要求3所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述冷屏(1)的内壁上涂有黑化膜。

7.根据权利要求3所述一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏，其特征在于，所述挡光环(11)的材料为镍钴合金。

8.一种制冷型红外探测器，其特征在于，包括探测器本体(2)、探测器外壁壳体(6)及根据权利要求1-7任一所述的一种具有抑制外部件杂散光功能的冷屏(1)，所述探测器外壁壳体(6)设置于所述冷屏(1)的外围，所述探测器本体(2)与所述冷屏(1)同轴设置，所述探测器本体(2)位于所述冷屏(1)右侧的出光口，所述探测器本体(2)上设有焦平面(21)，所述焦平面(21)与出光口相对，所述探测器外壁壳体(6)的一端上设有窗片(61)。

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