高分辨率热像仪主要参数优化研究

        1　概　述

　　高分辨率热像仪在军用、民用领域有着广泛的应用,如遥感、侦察、监视、无损工业检测等。受国内红外探测器水平的限制,大画幅的高分辨率红外相机通常采用扫描成像方案,热像仪的通光孔径和摆动角度都是有限的,高分辨率意味着长焦距,系统相对小的通光口径意味着采用大F/#光学系统。目前大多数高灵敏度热像仪的F/#在1~2之间,增大F/#意味着相对通光口径减少,带来的结果是热像仪灵敏度下降,热像仪的灵敏度是用NETD参数度量的,我们设计高分辨率热像仪参数选择时,需要在分辨率和灵敏度之间进行折衷处理。

　　2　高分辨率热像仪初步试验

　　我们采用F/#为4的光学系统和长波288×4碲镉汞(F/#=1. 67)标准红外探测器,组成一个简单的试验系统,验证采用大F/#光学系统的热像仪分辨力和灵敏度能够达到的水平。

　　2. 1　试验结果

　　(1)分辨力(热像仪中习惯上仍用分辨率)可清晰分辨缝宽25μm的光栅,即焦面分辨力达到每毫米20线对(1p/mm)。

　　(2)NETD:接近0. 3℃(探测器积分时间20μs)

　　2. 2　结果分析

　　F/#=4的光学系统的衍射斑尺寸约为:

　　σ=2. 44λ·F/#≈88μm(波长按9μm估算)。

　　F/#=4的光学系统分辨力,根据瑞利判据有:σ/2=1. 22λ·F/#≈44μm

　　对敏感元尺寸为25μm×28μm探测器,分辨力到达衍射限水平。NETD小于0. 3℃可能的原因是:我们系统中探测器F/#为1. 67与光学系统F/#为4不匹配造成的,探测器F/#为4的探测率比F/#为1. 67高许多,详细分析见后。

　　3　热像仪的NETD

　　热像仪的NETD计算公式为:

　　4　D*与F/#的关系

　　由于F/#=4的光学系统比F/#=1. 67系统的通光面积减少约5. 74倍: (4/1. 67)2=5. 737。

　　对于F/#为4的光学系统,探测器的冷屏F/#也应该与之匹配,探测器的冷屏F/#由1. 67变成4,冷屏角减少,探测器的探测率将会随着提高。

　　一般探测器给出冷屏限制的视场角,这里为讨论方便使用了F/#数,探测器冷屏角与F/#的关系为:

　　理论上,大F/#探测器可以降低背景辐射sin2(θ/2)倍,不仅可以减少杂散光激发光生载流子的数目,而且可以增加载流子寿命,从而提高探测器的D*。

　　4. 1　不同F/#与D*关系

　　计算结果见表1。

　　表中K1为sin(θ/2)与F/#=1. 67的sin(θ/2)的比值;

　　我们的试验系统中探测器F/#与光学系统F/#匹配时, NETD会优于0. 13℃,满足NETD小于0. 2℃的要求,由此看出试验光学系统与探测器F/#不匹配是NETD较大的主要原因,验证了本文第二节的分析。