CN111551263A - 探测器的杜瓦组件及焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测器的杜瓦组件，包括冷盘、冷指气缸、冷屏及冷屏支架，所述冷屏支架安装于所述冷指气缸上，所述冷屏包括安装部和屏蔽部，所述安装部安装于所述冷屏支架上并将所述冷盘围护于内，所述屏蔽部自所述安装部的自由端向外侧延伸而成并且呈球形结构。另外还涉及一种焦平面探测器，包括如上所述的探测器的杜瓦组件，探测器芯片封装于所述冷盘上。本发明通过将冷屏的上部分设计为球形结构，能有效地提高对外部杂散光的屏蔽效果；在实现快速降温并保证探测器芯片正常工作的前提下，能使杜瓦组件的结构紧凑化。

Description

探测器的杜瓦组件及焦平面探测器

技术领域

本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种探测器的杜瓦组件及采用该杜瓦组件的焦平面探测器。

背景技术

红外焦平面探测器(IRFPA：Infrared Focal Plane Array)是二十世纪九十年代开始发展的一种新型探测器，红外焦平面探测器集红外辐射探测、信号转换与信号读出于一体，其灵敏度高、环境适应性好、工艺成熟因此在航天航空、国防、工业和医用成像等军用、民用领域得到了广泛应用。随着技术的发展，要求探测器系统具有更好更快的红外探测能力，从而对制冷焦平面探测器提出了快速制冷启动的要求，需要在短时间内制冷到位并稳定成像；然而，由于探测器系统的外部结构件表面温度远远高于制冷温度，这些外部结构件产生的红外辐射会在焦平面上形成背景辐射噪声，对性噪比产生极大的负面影响。

发明内容

本发明涉及一种探测器的杜瓦组件及采用该杜瓦组件的焦平面探测器，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种探测器的杜瓦组件，包括冷盘、冷指气缸、冷屏及冷屏支架，所述冷屏支架安装于所述冷指气缸上，所述冷屏包括安装部和屏蔽部，所述安装部安装于所述冷屏支架上并将所述冷盘围护于内，所述屏蔽部自所述安装部的自由端向外侧延伸而成并且呈球形结构。

作为实施方式之一，所述屏蔽部内表面为经光亮处理的光亮面。

作为实施方式之一，所述冷盘底部镂空处理。

作为实施方式之一，所述安装部呈自其安装端向其自由端渐缩的碗状，所述安装部与所述屏蔽部的连接处构成瓶颈结构。

本发明还涉及一种焦平面探测器，包括如上所述的探测器的杜瓦组件，探测器芯片封装于所述冷盘上。

作为实施方式之一，该焦平面探测器还包括陶瓷基板，所述陶瓷基板安设于所述冷屏支架上且与所述探测器芯片电连接。

作为实施方式之一，所述探测器芯片通过粘胶直接贴装于所述冷盘上。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过将冷屏的上部分设计为球形结构，能有效地提高对外部杂散光的屏蔽效果；在实现快速降温并保证探测器芯片正常工作的前提下，能使杜瓦组件的结构紧凑化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的杜瓦组件的安装结构示意图；

图2为本发明实施例提供的杜瓦组件的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的节流制冷器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的控温结构的示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2，本发明实施例提供一种探测器的杜瓦组件，包括冷盘14、冷指气缸12、冷屏11及冷屏支架15，所述冷屏支架15安装于所述冷指气缸12上，所述冷屏11包括安装部112和屏蔽部111，所述安装部112安装于所述冷屏支架15上并将所述冷盘14围护于内，所述屏蔽部111自所述安装部112的自由端向外侧延伸而成并且呈球形结构。

一般地，上述冷盘14上具有芯片安装位，用于探测器芯片2的封装，该冷盘14可将冷量高效地传导给探测器芯片2，使探测器芯片2快速降温而稳定工作。该冷盘14安设于冷指气缸12上，一般地，在冷指气缸12中设有制冷器，该制冷器与上述冷盘14连接，用于提供所需的冷量，制冷器产生的冷量经金属冷盘14后回流至冷指气缸12上，而由于冷屏支架15安装在该冷指气缸12上，因此冷量可经冷指气缸12通过冷屏支架15传导至上述冷屏11上，可将整个杜瓦组件冷却，在探测器芯片2周围形成一个稳定的低温场，以提高探测器芯片2工作的稳定性和准确度。

上述冷屏11除了能一定程度地降低探测器芯片2周围温度，主要的作用还在于屏蔽外部杂散光。一般地，冷屏11上开设有通光孔，以该杜瓦组件水平放置(冷盘14盘面与水平面平行)为例，该通光孔开设于冷屏11的顶部，则可以理解地，上述球形结构的屏蔽部111为球台结构。在其中一个实施例中，上述屏蔽部111的用于开设通光孔的顶端(即其远离安装部112的一端)和用于与安装部112连接的底端位于该屏蔽部111的球心的上下两侧，则该屏蔽部111的上部呈自下而上渐缩的结构，该屏蔽部111的下部呈自上而下渐缩的结构，对于外部杂散光的屏蔽效果较佳。

本实施例提供的杜瓦组件，通过将冷屏11的上部分设计为球形结构，能有效地提高对外部杂散光的屏蔽效果；在实现快速降温并保证探测器芯片2正常工作的前提下，能使杜瓦组件的结构紧凑化。

进一步优选地，所述屏蔽部111内表面为经光亮处理的光亮面。在进一步优选的实施例中，还可设置上述安装部112的内表面为经光亮处理的光亮面。通过对冷屏11内表面光亮处理，能减少冷屏11自身温度对探测器芯片2的热辐射影响，使得探测器芯片2能够在冷屏11处于较高温度时仍能成像工作，从而实现探测器的快速启动功能。

进一步优选地，如图2，所述安装部112呈自其安装端向其自由端渐缩的碗状，所述安装部112与所述屏蔽部111的连接处构成瓶颈结构，该结构一方面能达到上述提高对外部杂散光的屏蔽效果，另一方面，借助这种瓶颈结构，有利于锁定探测器芯片2周围的低温场(而且冷量是自下而上在冷屏11上传递的)，从而便于探测器的快速启动，另外，采用上述的碗状安装部112，能够将至少部分的冷屏支架15围护于内，从而进一步地便于探测器周围空气温度的降低。

进一步优选地，所述冷盘14底部镂空处理，例如将该冷盘14底部设计为多孔结构，可以增大冷盘14底部与制冷介质(例如制冷气体)的换热面积，使得冷量可以直接高效的传导至探测器芯片2上，使探测器芯片2快速降温。

实施例二

本发明实施例提供一种焦平面探测器，包括上述实施例一所提供的探测器的杜瓦组件，探测器芯片2封装于所述冷盘14上。显然地，该焦平面探测器还包括制冷器等结构，这是本领域的常规设计，此处不作一一详述。

在其中一个实施例中，上述探测器芯片2通过粘胶直接贴装于所述冷盘14上，能够进一步地提高探测器芯片2的降温速度。

进一步地，如图1，该焦平面探测器还包括陶瓷基板13，所述陶瓷基板13安设于所述冷屏支架15上且与所述探测器芯片2电连接，陶瓷基板13与探测器芯片2之间的电连接结构是本领域常规技术，此处不作赘述。在上述探测器芯片2直接贴装在冷盘14上的结构中，该陶瓷基板13可与冷盘14布置于同一水平面内；在另外的实施例中，也可采用常规的探测器芯片2、陶瓷基板13和冷盘14依次堆叠的方式。

实施例三

本发明实施例提供一种节流制冷器，可用于上述实施例二中作为其中的制冷器使用。

如图3，该节流制冷器包括芯轴31、冷指气缸12、法兰33和换热管32，所述换热管32上设有节流部，所述冷指气缸12套设于所述芯轴31外并且与所述芯轴31之间围设形成膨胀腔，所述换热管32缠绕于所述芯轴31外壁上并且通过所述节流部与所述膨胀腔导通，所述法兰33与所述冷指气缸12连接并且封闭所述膨胀腔，所述法兰33内设有与所述换热管32连通的进气通道以及与所述膨胀腔连通的排气通道37。其中，芯轴31和冷指气缸12为本领域常规组件，具体结构此处不作赘述；上述冷指气缸12的远离法兰33的一端设有冷盘14，探测器芯片2安设在该冷盘14上。上述换热管32一般是缠绕在芯轴31上，可采用如图3中所示的呈螺旋状缠绕在芯轴31上，以达到所需的制冷效果，上述节流部可以是开设在换热管32上的节流孔，也可以是设置在该换热管32上的节流元件，这是本领域常规设置，此处不作详述。高压气体经上述进气通道进入换热器内，再经节流部后膨胀，随后经膨胀腔和排气通道37回流，完成制冷循环。在其中一个实施例中，如图3，上述进气通道包括设置在法兰33内的进气管35，该进气管35通过过渡连接管36与换热管32连接，该过渡连接管36与进气管35及换热管32的连接处优选进行焊接。芯轴31/冷指气缸12通过法兰33与其它构件连接，并将进气通道和排气通道37设置于法兰33上，构件布局紧凑，可以相应地减小设备体积。在优选的实施方式中，上述冷指气缸12与法兰33之间密封装配，例如，在冷指气缸12上开设密封槽，并在该密封槽中设置密封圈34，法兰33装配至冷指气缸12上之后，通过该密封圈34可实现二者之间的密封装配。

在其中一个实施例中，上述冷指气缸12同轴套设于芯轴31外，保证冷却的均匀性，上述膨胀腔对应为环形腔。

在其中一个实施例中，如图3，上述芯轴31为锥台形芯轴31，所述冷指气缸12为锥台形冷指气缸12，采用锥形结构可实现快速制冷。

进一步优化上述节流制冷器的结构，如图3和图4，该节流制冷器还包括封盖381，所述封盖381通过弹性件382限制而可活动地盖合在所述排气通道37的出口端，所述弹性件382另一端连接于所述法兰33上。该弹性件382可采用弹簧382等常规弹性器件，本实施例中，优选采用弹簧382钢制作的弹簧382，具有较好的弹性；可以理解地，该弹性件382一端与封盖381连接而另一端即连接在上述法兰33上。在可选的实施例中，上述封盖381盖合在排气通道37的出口端但可与该出口端分离，即该封盖381可分离地盖合在排气通道37的出口端上，当未能克服弹性件382的弹性作用力的限制时，该封盖381即封堵该排气通道37的出口端，当克服弹性件382的弹性作用力的限制时，该封盖381即与该出口端分离而不与该出口端接触；在该方案中，优选为设置上述弹性件382收容于所述排气通道37内，不仅便于布置，而且对封盖381的限制效果较好。当然也可采用其他的结构，例如该封盖381铰接在法兰33上，上述弹性件382则可与铰轴相对设置而对封盖381的旋转运动进行限制。

本实施例在法兰33中设置排气通道37并通过弹性件382对封盖381进行限制，高压气体经由进气通道进入换热管32进行换热，预冷后的气体经节流部节流膨胀，膨胀后的气体在膨胀腔内进行积聚，当压力达到设定背压时，即克服弹性件382的弹性作用力的限制而使封盖381打开，此时膨胀腔内压力与弹性作用力之间保持平衡，封盖381即保持一定的开度，进而维持制冷器的背压，达到主动控制节流制冷温度的目的，当其应用于制冷型探测器时，可稳定控制探测器的焦温，保证芯片2成像的稳定性。

进一步优选地，所述排气通道37有多个，所述封盖381对应配置为多个，也即封盖381与排气通道37数量相同并且一一对应配置，各所述排气通道37均与所述膨胀腔导通；进一步优选为设置各排气通道37均匀间隔地环绕芯轴31的中轴线布置。采用多个排气通道37，一方面可保证节流制冷器均匀出气，提高节流制冷器的工作稳定性，另一方面，当其中一个或几个控温结构(即弹性件382+封盖381组成的结构)失灵时，另外的控温结构可正常工作，从而保证该节流制冷器的工作可靠性。

进一步优选地，如图3和图4，所述排气通道37内可拆卸地固定有安装块383，所述弹性件382一端与所述封盖381内表面固连而另一端与所述安装块383固连，该结构可便于设备的安装和维护，以及可根据需要更换不同的弹性件382等，在其中一个实施例中，该安装块383可通过螺栓等固定在排气通道37内。

可以理解地，通过调节弹性件382对封盖381的初始作用力，即可实现设定背压的调节，或者说实现不同制冷温度的控制。在其中一个实施例中，可通过调节上述弹性件382的弹性系数达到上述调节目的。在另外的实施例中，可通过调节上述弹性件382的初始变形量以达到上述调节目的，例如可设置上述弹性件382的安装位置可调；在其中一个具体的实施方案中，在排气通道37内滑设有安装块383，所述弹性件382一端与所述封盖381内表面固连而另一端与所述安装块383固连，所述安装块383上设有螺杆，于所述法兰33上对应开设有腰圆形槽并且该腰圆形槽的长度方向与弹性件382的伸缩方向平行，所述螺杆穿出所述腰圆形槽并且通过螺母锁紧，通过改变上述螺杆在腰圆形槽内的位置可实现对弹性件382的初始变形量的调节，当该螺杆调节至目标位置后，通过螺母锁紧即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种探测器的杜瓦组件，包括冷盘、冷指气缸、冷屏及冷屏支架，所述冷屏支架安装于所述冷指气缸上，其特征在于：所述冷屏包括安装部和屏蔽部，所述安装部安装于所述冷屏支架上并将所述冷盘围护于内，所述屏蔽部自所述安装部的自由端向外侧延伸而成并且呈球形结构。

2.如权利要求1所述的探测器的杜瓦组件，其特征在于：所述屏蔽部内表面为经光亮处理的光亮面。

3.如权利要求1所述的探测器的杜瓦组件，其特征在于：所述冷盘底部镂空处理。

4.如权利要求1所述的探测器的杜瓦组件，其特征在于：所述安装部呈自其安装端向其自由端渐缩的碗状，所述安装部与所述屏蔽部的连接处构成瓶颈结构。

5.一种焦平面探测器，其特征在于：包括如权利要求1至8中任一项所述的探测器的杜瓦组件，探测器芯片封装于所述冷盘上。

6.如权利要求5所述的焦平面探测器，其特征在于：还包括陶瓷基板，所述陶瓷基板安设于所述冷屏支架上且与所述探测器芯片电连接。

7.如权利要求5所述的焦平面探测器，其特征在于：所述探测器芯片通过粘胶直接贴装于所述冷盘上。

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