本發(fā)明涉及一種輕小型消熱差紅外高靈敏度相機結(jié)構，屬于空間相機，特別是搭載于平流層浮空平臺、航空機載平臺的輕小型消熱差紅外多譜段相機，工作譜段中波紅外3.7um～4.8um，長波譜段8um～12.5um。

背景技術：

1、平流層對地紅外高分辨率成像是目前研究的熱點。平流層的環(huán)境特點是低溫、低氣壓，在平流層飛行浮空器的承載能力、供電能力有限，搭載于其上的設備必須具備體積小、重量輕、功耗低的特點。目前的星載相機不能滿足平流層浮空器平臺的溫度高靈敏度成像的要求。主要原因如下：

2、(1)紅外光學材料在不同的溫度下折射率不同，這就導致在實驗室環(huán)境裝調(diào)、測試的相機，在高溫或低溫環(huán)境下，焦距發(fā)生變化，相機不能清晰成像，空間分辨率和溫度分辨率降低。因此，目前的星載、機載相機都擁有完善的溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)由熱控儀、加熱設備、輻射散熱設備組成，整套系統(tǒng)重量大、功耗大、體積大、系統(tǒng)復雜。當環(huán)境溫度低于相機正常工作溫度范圍時，熱控儀控制加熱片加熱，為相機升溫；當相機自身溫度高于正常工作溫度范圍時，輻射散熱設備啟動將熱量輻射出去，保證相機溫度不超過許用溫度范圍。在平流層環(huán)境，因為供電能力的限制，平臺層浮空平臺不能為相機提供足夠的加熱電功耗；同時由于浮空器吊艙重量和體積的限制，相機不能攜帶輻射散熱設備。因此，目前星載相機不能適配當前的平流層浮空器吊艙。

3、(2)相機紅外成像譜段中波紅外3.7um～4.8um、8um～12.5um，譜段較寬，紅外探測器在該譜段范圍響應不靈敏，目前同類型星載紅外相機在中波譜段紅外噪聲等效溫差(netd)約30mk，長波譜段紅外噪聲等效溫差(netd)約100mk，溫度分辨率低。

4、(3)目前星載紅外相機不具備濾光片分光及十譜段成像能力。

5、(4)目前星載紅外相機不具備-55℃～+60℃溫度區(qū)間正常工作能力。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種輕小型消熱差紅外高靈敏度相機結(jié)構，利用分色片將入射光分成中波譜段和長波譜段，每個譜段再用濾光輪細分成五個子譜段，實現(xiàn)紅外十譜段成像。

2、本發(fā)明的技術解決方案是：一種輕小型消熱差紅外高靈敏度相機結(jié)構，包括：

3、雙層框架的基板，為相機承力結(jié)構，用于安裝分色片組件、中波通道和長波通道，包括上層板和下層板；上層板用于安裝相機電子學設備，下層板設置入光口；分色片組件吊裝于上層板；

4、分色片組件，表面鍍膜層，用于將入射光線的中波、長波譜段分光，反射中波譜段光線進入中波通道，透射長波譜段光線進入長波通道；

5、中波通道，安裝于基板上，接收分色片組件反射的中波譜段的入射光，通過中波濾光輪將該譜段細分成5個子譜段，實現(xiàn)中波5譜段成像；

6、長波通道，安裝于基板上，接收分色片組件透射的長波譜段的入射光，通過長波濾光輪將該譜段細分成5個子譜段，實現(xiàn)長波波5譜段成像。

7、進一步地，所述基板還包括豎板；所述豎板將基板雙層框架結(jié)構隔離成不同區(qū)域，用于加強雙層框架結(jié)構剛度，同時遮擋外來雜散光。

8、進一步地，所述下層板的下表面為相機的基準面，相機光學件的裝調(diào)、測試均以下層板的下表面為基準，基板的機械加工以下層板的下表面作為基準。

9、進一步地，所述分色片組件包括分色片、分色片支架、粘接膠斑；所述分色片固定連接于分色片支架上，通過分色片支架側(cè)面小孔注入二者的間隙形成圓形粘接膠斑，所述粘接膠斑厚度0.3mm，直徑3mm，共八個，圓周分布于分色片外側(cè)面；分色片的入光面鍍膜層，用于反射中波譜段、透射長波譜段，分色片的出射面鍍增透膜。

10、進一步地，所述分色片為圓形平面透鏡，直徑55mm，厚3mm；分色片材料為錫化鋅，分色片支架材料為鋁合金，粘接于分色片支架上，粘接膠為低溫硅橡膠，用于補償二者熱脹冷縮的失配。

11、進一步地，所述中波通道包括中波前透鏡組、中波折鏡、中波調(diào)焦透鏡組、中波后透鏡組、中波濾光輪組件、中波探測器制冷機組件；

12、中波前透鏡組包括中波前透鏡筒、中波前透鏡支架以及第一中波前透鏡和第二中波前透鏡，兩塊中波前透鏡固定連接于中波前透鏡筒內(nèi)；中波前透鏡筒安裝于中波前透鏡支架上；中波前透鏡支架吊裝于上層板；第一中波前透鏡和第二中波前透鏡表面鍍透過中波譜段的增透膜；中波前透鏡筒、中波前透鏡支架表面黑色陽極化處理；中波前透鏡組吊裝安裝于上層板；

13、中波折鏡為反射鏡，其鏡體與支架為一體化結(jié)構，材料為空間反射鏡用鋁合金材料，反射面鍍鋁膜，其他部位表面黑色陽極化處理；反射鏡的支架通過3個螺釘固定于下層板，螺釘孔切0.5mm卸載槽；

14、中波調(diào)焦透鏡組件3-3包括中波調(diào)焦球面透鏡、中波調(diào)焦透鏡框、中波調(diào)焦透鏡支架、調(diào)焦機構、調(diào)焦機構安裝座；中波調(diào)焦球面透鏡粘接于中波調(diào)焦透鏡框內(nèi)，粘接膠為低溫硅橡膠；中波調(diào)焦透鏡框外側(cè)加工螺紋，通過螺紋副固定于中波調(diào)焦透鏡支架上；調(diào)焦機構通過4個螺釘固定于調(diào)焦機構安裝座上；中波調(diào)焦球面透鏡材料為單晶硅，表面鍍透過中波譜段的增透膜；中波調(diào)焦透鏡框、中波調(diào)焦透鏡支架、調(diào)焦機構安裝座均為鋁合金材料，表面黑色陽極化處理；調(diào)焦機構為一維升降臺，用于中波調(diào)焦球面透鏡沿著中心軸方向一維運動，運動量程±6mm；

15、中波后透鏡組包括第一中波后透鏡、第二中波后透鏡、第三中波后透鏡、中波后透鏡筒、中波后透鏡支座；第一中波后透鏡、第二中波后透鏡、第三中波后透鏡粘接于中波后透鏡筒內(nèi)腔對應位置，粘接膠為低溫硅橡膠；中波后透鏡筒外側(cè)加工螺紋，通過螺紋副安裝于中波后透鏡支座上；三個中波后透鏡均為球面鏡，材料單晶硅，表面鍍透過中波譜段的增透膜；中波后透鏡筒、中波后透鏡支座為鋁合金材料，表面黑色陽極化處理；中波后透鏡支座通過4個螺釘安裝于下層板上；

16、中波濾光輪組件包括濾光片、濾光片框、轉(zhuǎn)盤、電機、齒輪副、軸承、中波濾光輪安裝座；濾光片粘接于濾光片框內(nèi)，粘接膠為低溫硅橡膠；濾光片框通過3個螺釘固定于轉(zhuǎn)盤上；齒輪副通過軸承安裝于中波濾光輪安裝座上；電機通過齒輪副帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)；濾光片材料為單晶鍺，共5片，安裝在轉(zhuǎn)盤上，每片濾光片膜層互不相同，用于透過不同譜段的光線；

17、中波探測器制冷機組件包括杜瓦、制冷機、中波探測器制冷機支架；中波探測器制冷機支架為鋁合金材料，表面黑色陽極化處理；杜瓦、制冷機安裝于支架上，支架安裝于基板下層板上；

18、中波折鏡、中波調(diào)焦透鏡組、中波后透鏡組、中波濾光輪組件安裝于下層板。

19、進一步地，所述兩塊中波前透鏡粘接于中波前透鏡筒內(nèi)，粘接膠為低溫硅橡膠；中波前透鏡筒外側(cè)加工螺紋，通過螺紋副安裝于中波前透鏡支架上；第一中波前透鏡、第二中波前透鏡材料為單晶硅，中波前透鏡筒、中波前透鏡支架為鋁合金材料；中波前透鏡支架通過4個螺釘?shù)跹b于上層板。

20、進一步地，長波通道包括長波調(diào)焦透鏡組件、長波折鏡組件、長波透鏡組件、長波濾光輪組件、長波探測器制冷機組件；

21、長波調(diào)焦透鏡組件包括長波調(diào)焦透鏡、長波調(diào)焦透鏡框、長波調(diào)焦透鏡支架、一維升降平臺、長波調(diào)焦透鏡基座；長波調(diào)焦透鏡為球面鏡，固定連接于長波調(diào)焦透鏡框內(nèi)，粘接膠為低溫硅橡膠；長波調(diào)焦透鏡框安裝于長波調(diào)焦透鏡支架上；長波調(diào)焦透鏡支架安裝于一維升降平臺；升降平臺安裝于長波調(diào)焦透鏡基座上；長波調(diào)焦透鏡基座安裝于下層板上；長波調(diào)焦透鏡透鏡表面鍍透過長波譜段的增透膜；

22、長波折鏡組件包括長波折鏡、長波折鏡支架；長波折鏡的數(shù)量為2，用于折轉(zhuǎn)光路，通過3個螺釘安裝于長波折鏡支架；長波折鏡支架通過4個螺釘安裝于下層板上；長波折鏡表面鍍鋁反射膜，長波折鏡支架表面黑色陽極化處理；

23、長波透鏡組件包括第一長波透鏡、第二長波透鏡、第三長波透鏡、內(nèi)透鏡筒、外透鏡筒、長波透鏡基座；第一長波透鏡粘接于內(nèi)透鏡筒內(nèi)側(cè)，粘接膠為低溫硅橡膠；第二長波透鏡、第三長波透鏡粘接于外透鏡筒內(nèi)側(cè)，粘接膠為低溫硅橡膠；內(nèi)透鏡筒兩端開口大小不同，大開口一側(cè)加工內(nèi)螺紋，外透鏡筒大開口一側(cè)加工與之配合的外螺紋，二者通過螺紋副固定；外透鏡筒中部外側(cè)加工外螺紋，與長波透鏡基座內(nèi)螺紋配合，通過螺紋副固定于長波透鏡基座；長波透鏡基座通過4個螺釘安裝于下層板上；第一長波透鏡、第二長波透鏡、第三長波透鏡的材料均為單晶鍺，表面鍍透過長波譜段的增透膜；內(nèi)透鏡筒、外透鏡筒、長波透鏡基座均為鋁合金材料，表面黑色陽極化處理；長波透鏡組件吊裝安裝于上層板；

24、長波濾光輪組件與中波濾光輪組件的結(jié)構除5片濾光片表面膜層是用于增透長波譜段的增透膜外均相同；長波調(diào)焦透鏡組件、長波折鏡組件、長波濾光輪組件安裝于下層板；

25、長波探測器制冷機組件包括杜瓦組件、制冷機組件，二者獨立安裝于基板的豎板上。

26、進一步地，所述長波調(diào)焦透鏡粘接于長波調(diào)焦透鏡框內(nèi)，粘接膠為低溫硅橡膠；長波調(diào)焦透鏡框外側(cè)加工螺紋，通過螺紋副安裝于長波調(diào)焦透鏡支架上；長波調(diào)焦透鏡支架通過4個螺釘安裝于一維升降平臺；長波調(diào)焦透鏡基座通過4個螺釘安裝于下層板上；長波調(diào)焦透鏡透鏡的材料為單晶鍺，表面鍍透過長波譜段的增透膜；長波調(diào)焦透鏡框、長波調(diào)焦透鏡支架、長波調(diào)焦透鏡基座均為鋁合金材料，表面黑色陽極化處理；一維升降平臺帶動長波調(diào)焦透鏡沿中心軸線方向運動，行程±6mm。

27、進一步地，所述基板的材料為鋁合金材料，采用3d打印一體化成型，基頻大于600hz；所述中波譜段為3.7um～4.8um，所述長波譜段為8um～12.5um。

28、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

29、1、與同類型紅外多光譜相機相比，本相機采用無熱控設計方案，無熱控儀、加熱設備、輻射散熱設備等配套設備，相機電功耗需求低于70w，比當前同類型設備功耗降低20w～30w；相機總重13kg，比同類型設備輕4kg；體積310mm×310mm×150mm，可適配直徑350mm的平流層浮空器吊艙、航空機載光電吊艙；

30、2、與同類型紅外多光譜相機相比，本發(fā)明所有部組件均安裝與同一個基板上，加工、裝調(diào)、測試基準統(tǒng)一，有利于保證相機各個重要光學元件的嚴格位置關系，利用提高相機像質(zhì)，同時減小相機裝調(diào)難度；

31、3、基板采用雙層復式結(jié)構，上層板、下層板、豎板均可提供安裝接口，分色片組件、中波前透鏡組件、長波透鏡組件吊裝于上層板，中波探測器制冷機組件、長波探測器制冷機組件安裝于基板中部墻板上，其他設備安裝于下層板上，解決了相鄰光學件最小間隙5mm帶來的安裝空間不足的困難，利于相機緊湊化、輕小型化設計；豎板對光線有遮擋作用，降低了雜光帶來的背景噪聲，有助于提高系統(tǒng)信噪比；

32、4、基板結(jié)構一體成型，適用于3d激光打印技術研制，研制周期短；基板中部墻板將基板分隔成不同艙體，增加了整體剛度，同時也具有遮光、防止多余物進入光路；一體式構型利于熱傳導，光機溫度均勻性好，熱應力對光學件面形影響小，有利于提高像質(zhì)；

33、5、分色片、透鏡、濾光片與結(jié)構框之間均采用低溫硅橡膠粘接，該款硅橡膠能適應-55℃～+60℃的溫度變化，且不影響透鏡的光學性能；

34、6、采用濾光輪分光技術，實現(xiàn)了紅外十譜段細分成像，譜段范圍3.7um～4.8um、8um～12.5um；中波濾光輪、長波濾光輪獨立工作，可根據(jù)需求將對應濾光片切入光路，獲取目標的不同譜段圖像信息，工作模式靈活；中波濾光輪組件、長波濾光輪組件的電機均采用成熟的電機產(chǎn)品，能適應-55℃～+60℃的工作環(huán)境，可靠性高；

35、7、相機中波通道、長波通道獨立成像，也可對同一目標同時成像；中波探測器、長波探測器規(guī)格一致，像元規(guī)模640×512，像元尺寸25um，便于中波長波圖像融合處理，提高了目標識別準確性；

36、8、經(jīng)測試，中波紅外通道溫度分辨率18mk，長波通道溫度分辨率59.8mk，指標優(yōu)于在軌星載紅外相機溫度分辨率(30mk、100mk)，達到國內(nèi)領先水平。