一種在低溫真空環境下工作的紅外動態場景模擬器的製作方法

2023-07-22 08:46:56

本發明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，主要應用於深空冷背景半實物仿真系統，屬於半實物仿真技術和光電信息系統技術領域。

背景技術：

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,用於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、高真空等特徵，是太空飛行器的關鍵試驗和測試設備之一，能夠為太空飛行器提供空間環境測試條件，也是太空飛行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於MEMS紅外圖像轉換晶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，由於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複雜的保溫措施才能正常工作。所以本發明提出一種基於被動無源MEMS紅外圖像轉換晶片的紅外動態場景模擬器。

技術實現要素：

本發明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紅外圖像轉換晶片位置的調整、腔內無熱源、消除雜光輻射幹擾、大像元尺寸，輻射波段包含了從3μm到14μm的連續光譜等技術。

本發明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，合束稜鏡，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。中繼成像經過合束稜鏡合束後照射到冷艙寫入光窗口；合束稜鏡在系統中的作用是作為兩路不同波段目標的合束裝置，由兩塊直角稜鏡膠合而成。

紅外轉換系統包括：寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉換晶片，紅外窗口，蝸輪蝸杆，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紅外圖像轉換晶片，需保證寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉換晶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杆，通過蝸輪蝸杆和齒輪齒條結構調整真空腔在光軸方向上的移動。

MEMS紅外圖像轉換晶片生成方式包括且不限於物理氣相沉積、化學氣相沉積基於MEMS工藝生成的薄膜；基於化學液相鍍膜；旋塗、延展、流延、拉伸等物理方式生成的薄膜。

MEMS紅外圖像轉換晶片的材料由襯底、吸收輻射區、抑制輻射區和支撐腿等部分組成。襯底作為MEMS紅外圖像轉換晶片的支撐結構，材料採用矽、二氧化矽。通過MEMS工藝在襯底上製作獨立的吸收輻射區，每一個吸收輻射區相當於一個象元。每一個象元靠兩個支撐腿連接到襯底上，支撐腿材料採用矽或聚醯亞胺。象元端面製備有支撐層和吸收輻射層，支撐材料採用聚醯亞胺或碳纖維，吸收輻射材料採用鉻、鎢、鎳鉻、鈦合金、鈦的氮化物、金屬黑、碳化矽、氮化矽、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紅外圖像轉換晶片像元升溫。抑制輻射區採用通孔結構，一方面寫入光的直接透射使MEMS紅外圖像轉換晶片對能量的吸收具有了選擇性，提高了MEMS紅外圖像轉換晶片的成像解析度。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。

將防雜光光欄置於真空艙內，且位於動態紅外圖像的出射方向。

工作過程：圖像寫入系統置於冷艙外部；紅外轉換系統置於冷艙內部；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徵的灰度圖像；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。中繼成像經過合束稜鏡合束後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紅外圖像轉換晶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)真空腔內採用無熱源設計，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乾淨。

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，空間解析度可達到640×512，MEMS紅外圖像轉換晶片的有效尺寸可以達到直徑100mm。

4)設計消雜光的光欄，塗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)冷艙外採用MEMS紅外圖像轉換晶片溫度補償技術(光加熱)，保證MEMS紅外圖像轉換晶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紅外圖像轉換晶片由於溫度變化而產生的偏移，調整機構採用無油系統，避免汙染真空環境。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

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-合束稜鏡，8-冷艙寫入光窗口，9-電源，10-寫入光窗口，11-MEMS紅外圖像轉換晶片，12-紅外窗口，13-蝸輪蝸杆，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發明做進一步說明。

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，合束稜鏡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。中繼成像經過合束稜鏡7合束後照射到冷艙寫入光窗口8；合束稜鏡7在系統中的作用是作為兩路不同波段目標的合束裝置，由兩塊直角稜鏡膠合而成。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，MEMS紅外圖像轉換晶片11，紅外窗口12，蝸輪蝸杆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紅外圖像轉換晶片11，需保證寫入光窗口10，MEMS紅外圖像轉換晶片11和紅外窗口12同軸放置，即形成一個光線通道；真空腔14的側壁上安裝有真空閥門，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杆13，通過蝸輪蝸杆13和齒輪齒條結構調整真空腔14在光軸方向上的移動。整套紅外轉換系統17安裝在冷艙18內部的光學平臺上，在低溫真空(100K，2×10-5Pa)環境下工作。

真空腔14的外殼為散熱片形狀。

冷艙寫入光窗口雙面鍍增透膜；冷艙寫入光窗口在寫入光全波段範圍內具有高透過率，保證寫入光圖像的低損耗透射。

將防雜光光欄置於真空艙內，且位於動態紅外圖像的出射方向。

工作過程：圖像寫入系統16置於冷艙18外部；紅外轉換系統17置於冷艙18內部；寫入照明系統2為寫入光系統1提供均勻光源照明；寫入光系統1通過視頻信號接口接收視頻圖像源輸出帶有紅外特徵的灰度圖像；溫度補償照明系統4為灰度圖像提供溫度補償；溫度補償照明系統4為溫度補償照明系統4提供照明；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。中繼成像經過合束稜鏡7合束後照射到冷艙寫入光窗口8；

圖像寫入系統16生成的中繼成像依次經過冷艙寫入光窗口8、寫入光窗口10、MEMS紅外圖像轉換晶片11和紅外窗口12生成動態紅外圖像；最終達到在低溫真空環境下生成紅外動態場景的作用。

所述寫入光系統通過視頻信號接口接收視頻圖像源輸出的帶有紅外特徵的視頻圖像信號。

所述寫入照明系統提供均勻光源照明，通過寫入光系統產生相應的灰度圖像。

寫入照明系統和溫度補償系統，由控制系統控制，為生成的灰度圖像提供照明和溫度補償。

驅動板為和電源為圖像寫入裝置提供驅動和供電。

中繼光學系統用於將寫入光系統生成的寫入圖像成像至MEMS紅外圖像轉換晶片的入射面。

合束稜鏡將光源和加熱控制系統合束到中繼光學系統中。

冷艙寫入光窗口雙面鍍增透膜，在寫入光全波段範圍內具有高透過率，保證寫入光圖像的低損耗透射。

MEMS紅外圖像轉換晶片是模擬器的核心，它接收寫入光圖像後，將寫入光圖像轉換成紅外圖像並輸出。

真空腔為圖像轉換器創造一個獨立的真空系統，保證在工作環境和存儲環境轉換過程中MEMS紅外圖像轉換晶片不出現不可逆的損壞。