一種在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器制造技術

本發明專利技術涉及一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，屬于半實物仿真技術和光電信息系統技術領域。該裝置由放置在冷艙外常溫常壓環境工作的圖像寫入系統和放置在冷艙內低溫真空環境工作的紅外圖像轉換系統組成，圖像寫入系統生成的中繼成像依次經過冷艙寫入光窗口、寫入光窗口、MEMS紅外圖像轉換芯片和紅外窗口生成紅外動態圖像，生成紅外動態場景。本發明專利技術能夠在實驗室條件下開展低溫環境下紅外動態場景的生成、檢測、輻射測量模擬的要求。裝置基于一種被動MEMS紅外圖像轉換芯片，輻射波段包含了從3μm到14μm的連續光譜，能夠有效消除雜光輻射的影響，可以在低溫真空環境下生成所需的紅外動態場景圖像。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，主要應用于深空冷背景半實物仿真系統，屬于半實物仿真技術和光電信息系統

技術介紹
紅外動態場景模擬器裝置是低溫真空環境半實物仿真系統中的關鍵部件。紅外動態場景模擬器裝置在實驗室條件下開展低溫場景的生成、檢測、輻射測量模擬，可實現低溫紅外動態場景的模擬功能。低溫真空環境是用來模擬太空中的真空環境、太陽輻射環境、冷黑環境,用于衛星組件或材料熱真空熱試驗的設備,是真空技術的重要組成部分,為在空間環境或模擬空間環境中應用真空技術的派生技術。空間環境模擬器可以模擬太空環境下獨有的超低溫、高真空等特征，是航天器的關鍵試驗和測試設備之一，能夠為航天器提供空間環境測試條件，也是航天器發射前的重要保障設施。目前國內現有的紅外動態場景模擬器主要有基于MEMS紅外圖像轉換芯片的紅外動態場景模擬器，數字微鏡陣列和熱電阻陣列三種類型，由于數字微鏡陣列和熱電阻陣的電子器件部分都需要在低溫真空環境下需要做復雜的保溫措施才能正常工作。所以本專利技術提出一種基于被動無源MEMS紅外圖像轉換芯片的紅外動態場景模擬器。
技術實現思路
本專利技術提供一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器。該模擬器能夠實現MEMS紅外圖像轉換芯片位置的調整、腔內無熱源、消除雜光輻射干擾、大像元尺寸，輻射波段包含了從3μm到14μm的連續光譜等技術。本專利技術的目的是通過下述技術方案實現的。一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，由圖像寫入系統和紅外圖像轉換系統組成，圖像寫入系統放置在罐狀冷艙外部，工作在常溫常壓環境下，紅外圖像轉換系統放置在罐狀冷艙內部，工作在低溫真空環境下。其中，圖像寫入系統包括：寫入光系統，寫入照明系統，驅動板，溫度補償系統，溫度補償照明系統，中繼光學系統，合束棱鏡，冷艙寫入光窗口，電源；由寫入光系統產生與紅外輻射強度對應的灰度圖像，與寫入照明系統通過光纖連接，為其提供照明。為了矯正背景溫度的非均勻性和補償整體溫度，加入溫度補償系統進行溫度補償；溫度補償照明系統與溫度補償系統通過光纖連接，為溫度補償系統提供照明。驅動板和電源為圖像寫入系統提供驅動和供電。寫入光系統與溫度補償系統分別通過中繼光學系統進行中繼成像。中繼成像經過合束棱鏡合束后照射到冷艙寫入光窗口；合束棱鏡在系統中的作用是作為兩路不同波段目標的合束裝置，由兩塊直角棱鏡膠合而成。紅外轉換系統包括：寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉換芯片，紅外窗口，蝸輪蝸桿，真空腔和齒輪組。真空腔為內部中空的圓柱形狀，圓柱頂部安裝有紅外窗口，圓柱底部安裝有寫入光窗口；紅外窗口與寫入光窗口之間安裝有MEMS紅外圖像轉換芯片，需保證寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉換芯片和紅外窗口同軸放置，即形成一個光線通道；真空腔的側壁上安裝有真空閥門，通過齒輪組控制真空閥門的開啟和關閉；真空腔與齒輪組通過固定板固定在支架上；所述支架上安裝有蝸輪蝸桿，通過蝸輪蝸桿和齒輪齒條結構調整真空腔在光軸方向上的移動。MEMS紅外圖像轉換芯片生成方式包括且不限于物理氣相沉積、化學氣相沉積基于MEMS工藝生成的薄膜；基于化學液相鍍膜；旋涂、延展、流延、拉伸等物理方式生成的薄膜。MEMS紅外圖像轉換芯片的材料由襯底、吸收輻射區、抑制輻射區和支撐腿等部分組成。襯底作為MEMS紅外圖像轉換芯片的支撐結構，材料采用硅、二氧化硅。通過MEMS工藝在襯底上制作獨立的吸收輻射區，每一個吸收輻射區相當于一個象元。每一個象元靠兩個支撐腿連接到襯底上，支撐腿材料采用硅或聚酰亞胺。象元端面制備有支撐層和吸收輻射層，支撐材料采用聚酰亞胺或碳纖維，吸收輻射材料采用鉻、鎢、鎳鉻、鈦合金、鈦的氮化物、金屬黑、碳化硅、氮化硅、氧化鉿。吸收輻射層的表面稀疏多孔，可以將寫入光能量轉化為熱能，促使MEMS紅外圖像轉換芯片像元升溫。抑制輻射區采用通孔結構，一方面寫入光的直接透射使MEMS紅外圖像轉換芯片對能量的吸收具有了選擇性，提高了MEMS紅外圖像轉換芯片的成像分辨率。另一方面，通孔結構可以隔離像元，降低像元之間的熱串擾。冷艙寫入光窗口雙面鍍增透膜。將防雜光光欄置于真空艙內，且位于動態紅外圖像的出射方向。工作過程：圖像寫入系統置于冷艙外部；紅外轉換系統置于冷艙內部；寫入照明系統為寫入光系統提供均勻光源照明；寫入光系統通過視頻信號接口接收視頻圖像源輸出帶有紅外特征的灰度圖像；溫度補償系統為灰度圖像提供溫度補償；溫度補償照明系統為溫度補償系統提供照明；寫入光系統與溫度補償系統分別通過中繼光學系統進行中繼成像。中繼成像經過合束棱鏡合束后照射到冷艙寫入光窗口；圖像寫入系統生成的中繼成像依次經過冷艙寫入光窗口、寫入光窗口、MEMS紅外圖像轉換芯片和紅外窗口生成動態紅外圖像；即最終達到在低溫真空環境下生成紅外動態場景的作用。有益效果1)真空腔內采用無熱源設計，減少了熱輻射對成像效果的影響，無線纜的結構也使冷艙內整體環境大為簡化和干凈。2)輻射波段包含了從3μm到14μm的連續光譜。3)模擬器成像的像元尺寸為100μm，空間分辨率可達到640×512，MEMS紅外圖像轉換芯片的有效尺寸可以達到直徑100mm。4)設計消雜光的光欄，涂抹消光漆消除表面對寫入光的反射，降低雜光輻射對系統成像的影響。5)冷艙外采用MEMS紅外圖像轉換芯片溫度補償技術(光加熱)，保證MEMS紅外圖像轉換芯片的襯底溫度可以保證模擬的最低溫度為-23℃。6)低溫環境下的焦面補償結構可以調整MEMS紅外圖像轉換芯片由于溫度變化而產生的偏移，調整機構采用無油系統，避免污染真空環境。附圖說明圖1為本專利技術的結構示意圖；圖2為圖像寫入系統結構示意圖；圖3為紅外轉換系統系統結構示意圖。其中，1-寫入光系統，2-寫入照明系統，3-驅動板，4-溫度補償照明系統，5-溫度補償系統，6-中繼光學系統，7-合束棱鏡，8-冷艙寫入光窗口，9-電源，10-寫入光窗口，11-MEMS紅外圖像轉換芯片，12-紅外窗口，13-蝸輪蝸桿，14-真空腔，15-齒輪組,16-圖象寫入系統，17-紅外轉換系統，18-冷艙。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步說明。實施例1一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，由圖像寫入系統16和紅外圖像轉換系統17組成；如圖1所示；其中，圖像寫入系統16，如圖2所示，包括：寫入光系統1，寫入照明系統2，驅動板3,溫度補償照明系統4，溫度補償系統5，中繼光學系統6，合束棱鏡7，冷艙寫入光窗口8；由寫入光系統1產生與紅外輻射強度對應的灰度圖像，與寫入照明系統2通過光纖連接，為其提供照明。為了矯正背景溫度的非均勻性和補償整體溫度，加入溫度補償系統5進行溫度補償；溫度補償照明系統4與溫度補償系統5通過光纖連接，為溫度補償照明系統4提供照明。驅動板3為寫入光系統1與溫度補償系統5提供驅動；電源9為寫入照明系統2和溫度補償照明系統4供電，寫入光系統1與溫度補償系統5分別通過中繼光學系統6進行中繼成像。中繼成像經過合束棱鏡7合束后照射到冷艙寫入光窗口8；合束棱鏡7在系統中的作用是作為兩路不同波段目標的合束裝置，由兩塊直角棱鏡膠合而成。整套裝置在冷艙18外部，在常溫常壓環境下工作。紅外轉換系統17，如圖3所示，包括：寫入光窗口10本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，其特征在于：由圖像寫入系統(16)和紅外圖像轉換系統(17)組成，紅外轉換系統(17)放置在罐狀冷艙(18)外部，工作在常溫常壓環境下，紅外轉換系統(17)放置在罐狀冷艙(18)內部，工作在低溫真空環境下；其中，圖像寫入系統(16)包括：寫入光系統(1)，寫入照明系統(2)，驅動板(3)，溫度補償照明系統(4)，溫度補償系統(5)，中繼光學系統(6)，合束棱鏡(7)，冷艙寫入光窗口(8)，電源(9)；寫入光系統(1)與寫入照明系統(2)通過光纖連接，為其提供均勻光源照明；溫度補償照明系統(4)與溫度補償系統(5)通過光纖連接，為溫度補償系統(5)提供均勻光源照明；兩塊驅動板(3)分別為寫入光系統(1)與溫度補償系統(5)提供驅動；電源(9)為寫入照明系統(2)和溫度補償照明系統(4)供電，寫入光系統(1)與溫度補償系統(5)分別通過中繼光學系統(6)進行中繼成像；中繼成像經過合束棱鏡(7)合束后照射到冷艙寫入光窗口(10)。紅外圖像轉換系統(17)包括：寫入光窗口(10)，MEMS紅外圖像轉換芯片(11)，紅外窗口(12)，蝸輪蝸桿(13)，真空腔(14)和齒輪組(15)；真空腔(14)為內部中空的圓柱形狀，圓柱頂部安裝有紅外窗口(12)，圓柱底部安裝有寫入光窗口(10)；紅外窗口(12)與寫入光窗口(10)之間安裝有MEMS紅外圖像轉換芯片(11)，需保證寫入光窗口(10)，MEMS紅外圖像轉換芯片(11)和紅外窗口(12)同軸放置；真空腔(14)的側壁上安裝有真空閥門，電機通過齒輪組(15)控制真空閥門的開啟和關閉；真空腔(14)與齒輪組(15)通過固定板固定在支架上；所述支架上安裝有蝸輪蝸桿(13)，通過蝸輪蝸桿(13)和齒輪齒條結構調整真空腔(14)在光軸方向上的移動距離和方向。...

【技術特征摘要】
1.一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，其特征在于：由圖像寫入系統(16)和紅外圖像轉換系統(17)組成，紅外轉換系統(17)放置在罐狀冷艙(18)外部，工作在常溫常壓環境下，紅外轉換系統(17)放置在罐狀冷艙(18)內部，工作在低溫真空環境下；其中，圖像寫入系統(16)包括：寫入光系統(1)，寫入照明系統(2)，驅動板(3)，溫度補償照明系統(4)，溫度補償系統(5)，中繼光學系統(6)，合束棱鏡(7)，冷艙寫入光窗口(8)，電源(9)；寫入光系統(1)與寫入照明系統(2)通過光纖連接，為其提供均勻光源照明；溫度補償照明系統(4)與溫度補償系統(5)通過光纖連接，為溫度補償系統(5)提供均勻光源照明；兩塊驅動板(3)分別為寫入光系統(1)與溫度補償系統(5)提供驅動；電源(9)為寫入照明系統(2)和溫度補償照明系統(4)供電，寫入光系統(1)與溫度補償系統(5)分別通過中繼光學系統(6)進行中繼成像；中繼成像經過合束棱鏡(7)合束后照射到冷艙寫入光窗口(10)。紅外圖像轉換系統(17)包括：寫入光窗口(10)，MEMS紅外圖像轉換芯片(11)，紅外窗口(12)，蝸輪蝸桿(13)，真空腔(14)和齒輪組(15)；真空腔(14)為內部中空的圓柱形狀，圓柱頂部安裝有紅外窗口(12)，圓柱底部安裝有寫入光窗口(10)；紅外窗口(12)與寫入光窗口(10)之間安裝有MEMS紅外圖像轉換芯片(11)，需保證寫入光窗口(10)，MEMS紅外圖像轉換芯片(11)和紅外窗口(12)同軸放置；真空腔(14)的側壁上安裝有真空閥門，電機通過齒輪組(15)控制真空閥門的開啟和關閉；真空腔(14)與齒輪組(15)通過固定板固定在支架上；所述支架上安裝有蝸輪蝸桿(13)，通過蝸輪蝸桿(13)和齒輪齒條結構調整真空腔(14)在光軸方向上的移動距離和方向。2.如權利要求1所述的一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，其特征在于：MEMS紅外圖像轉換芯片(11)的生成方式包括且不限于物理氣相沉積，化學氣相沉積基于MEMS工藝生成的薄膜；基于化學液相鍍膜；旋涂、延展、流延、拉伸等物理方式生成的薄膜。3.如權利要求1所述的一種能夠在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器，其特征在于：所述MEMS紅外圖像轉換芯片(11)由襯底、吸收輻射區、抑制輻射區和支撐腿等部分組成。襯底作為MEMS紅外圖像轉換芯片的支撐結構，材料采用硅、二氧化硅。通過MEMS工藝在襯底上制作獨立的吸收輻射區，每一個吸收輻射區相當于一個象元。每一個象元靠兩個支撐腿連接到襯底上，支撐腿材料采用硅或聚酰亞...

【專利技術屬性】
技術研發人員：時慶峰，李卓，王欣，施蕊，石諾，周朗，高彥澤，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11