本發(fā)明涉及一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動態(tài)場景模擬器，主要應(yīng)用于深空冷背景半實物仿真系統(tǒng)，屬于半實物仿真技術(shù)和光電信息系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

紅外動態(tài)場景模擬器裝置是低溫真空環(huán)境半實物仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。紅外動態(tài)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(xiàn)低溫紅外動態(tài)場景的模擬功能。

低溫真空環(huán)境是用來模擬太空中的真空環(huán)境、太陽輻射環(huán)境、冷黑環(huán)境,用于衛(wèi)星組件或材料熱真空熱試驗的設(shè)備,是真空技術(shù)的重要組成部分,為在空間環(huán)境或模擬空間環(huán)境中應(yīng)用真空技術(shù)的派生技術(shù)?？臻g環(huán)境模擬器可以模擬太空環(huán)境下獨有的超低溫、高真空等特征，是航天器的關(guān)鍵試驗和測試設(shè)備之一，能夠為航天器提供空間環(huán)境測試條件，也是航天器發(fā)射前的重要保障設(shè)施。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的紅外動態(tài)場景模擬器主要有基于MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的紅外動態(tài)場景模擬器，數(shù)字微鏡陣列和熱電阻陣列三種類型，由于數(shù)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(huán)境下需要做復(fù)雜的保溫措施才能正常工作。所以本發(fā)明提出一種基于被動無源MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的紅外動態(tài)場景模擬器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動態(tài)場景模擬器。該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片位置的調(diào)整、腔內(nèi)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(xù)光譜等技術(shù)。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動態(tài)場景模擬器，由圖像寫入系統(tǒng)和紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，圖像寫入系統(tǒng)放置在罐狀冷艙外部，工作在常溫常壓環(huán)境下，紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)放置在罐狀冷艙內(nèi)部，工作在低溫真空環(huán)境下。

其中，圖像寫入系統(tǒng)包括：寫入光系統(tǒng)，寫入照明系統(tǒng)，驅(qū)動板，溫度補償系統(tǒng)，溫度補償照明系統(tǒng)，中繼光學(xué)系統(tǒng)，合束棱鏡，冷艙寫入光窗口，電源；由寫入光系統(tǒng)產(chǎn)生與紅外輻射強度對應(yīng)的灰度圖像，與寫入照明系統(tǒng)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(tǒng)進行溫度補償；溫度補償照明系統(tǒng)與溫度補償系統(tǒng)通過光纖連接，為溫度補償系統(tǒng)提供照明。驅(qū)動板和電源為圖像寫入系統(tǒng)提供驅(qū)動和供電。寫入光系統(tǒng)與溫度補償系統(tǒng)分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)進行中繼成像。中繼成像經(jīng)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(tǒng)中的作用是作為兩路不同波段目標(biāo)的合束裝置，由兩塊直角棱鏡膠合而成。

紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片，紅外窗口，蝸輪蝸桿，真空腔和齒輪組。真空腔為內(nèi)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(zhuǎn)換芯片，需保證寫入光窗口，MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)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(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)調(diào)整真空腔在光軸方向上的移動。

MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片生成方式包括且不限于物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積基于MEMS工藝生成的薄膜；基于化學(xué)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(zhuǎn)換芯片的材料由襯底、吸收輻射區(qū)、抑制輻射區(qū)和支撐腿等部分組成。襯底作為MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的支撐結(jié)構(gòu)，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(qū)，每一個吸收輻射區(qū)相當(dāng)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(zhuǎn)化為熱能，促使MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片像元升溫。抑制輻射區(qū)采用通孔結(jié)構(gòu)，一方面寫入光的直接透射使MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片對能量的吸收具有了選擇性，提高了MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的成像分辨率。另一方面，通孔結(jié)構(gòu)可以隔離像元，降低像元之間的熱串?dāng)_。

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(nèi)，且位于動態(tài)紅外圖像的出射方向。

工作過程：圖像寫入系統(tǒng)置于冷艙外部；紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)置于冷艙內(nèi)部；寫入照明系統(tǒng)為寫入光系統(tǒng)提供均勻光源照明；寫入光系統(tǒng)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(tǒng)為灰度圖像提供溫度補償；溫度補償照明系統(tǒng)為溫度補償系統(tǒng)提供照明；寫入光系統(tǒng)與溫度補償系統(tǒng)分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)進行中繼成像。中繼成像經(jīng)過合束棱鏡合束后照射到冷艙寫入光窗口；圖像寫入系統(tǒng)生成的中繼成像依次經(jīng)過冷艙寫入光窗口、寫入光窗口、MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片和紅外窗口生成動態(tài)紅外圖像；即最終達到在低溫真空環(huán)境下生成紅外動態(tài)場景的作用。

有益效果

1)真空腔內(nèi)采用無熱源設(shè)計，減少了熱輻射對成像效果的影響，無線纜的結(jié)構(gòu)也使冷艙內(nèi)整體環(huán)境大為簡化和干凈。

2)輻射波段包含了從3μm到14μm的連續(xù)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(zhuǎn)換芯片的有效尺寸可以達到直徑100mm。

4)設(shè)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(tǒng)成像的影響。

5)冷艙外采用MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片溫度補償技術(shù)(光加熱)，保證MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)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(huán)境下的焦面補償結(jié)構(gòu)可以調(diào)整MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片由于溫度變化而產(chǎn)生的偏移，調(diào)整機構(gòu)采用無油系統(tǒng)，避免污染真空環(huán)境。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖像寫入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-寫入光系統(tǒng)，2-寫入照明系統(tǒng)，3-驅(qū)動板，4-溫度補償照明系統(tǒng)，5-溫度補償系統(tǒng)，6-中繼光學(xué)系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(tǒng)，17-紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，18-冷艙。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例1

一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動態(tài)場景模擬器，由圖像寫入系統(tǒng)16和紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)17組成；如圖1所示；

其中，圖像寫入系統(tǒng)16，如圖2所示，包括：寫入光系統(tǒng)1，寫入照明系統(tǒng)2，驅(qū)動板3,溫度補償照明系統(tǒng)4，溫度補償系統(tǒng)5，中繼光學(xué)系統(tǒng)6，合束棱鏡7，冷艙寫入光窗口8；由寫入光系統(tǒng)1產(chǎn)生與紅外輻射強度對應(yīng)的灰度圖像，與寫入照明系統(tǒng)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(tǒng)5進行溫度補償；溫度補償照明系統(tǒng)4與溫度補償系統(tǒng)5通過光纖連接，為溫度補償照明系統(tǒng)4提供照明。驅(qū)動板3為寫入光系統(tǒng)1與溫度補償系統(tǒng)5提供驅(qū)動；電源9為寫入照明系統(tǒng)2和溫度補償照明系統(tǒng)4供電，寫入光系統(tǒng)1與溫度補償系統(tǒng)5分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)6進行中繼成像。中繼成像經(jīng)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(tǒng)中的作用是作為兩路不同波段目標(biāo)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(huán)境下工作。

紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)17，如圖3所示，包括：寫入光窗口10，MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)換芯片11，需保證寫入光窗口10，MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片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(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)調(diào)整真空腔14在光軸方向上的移動。整套紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)17安裝在冷艙18內(nèi)部的光學(xué)平臺上，在低溫真空(100K，2×10^-5Pa)環(huán)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范圍內(nèi)具有高透過率，保證寫入光圖像的低損耗透射。

將防雜光光欄置于真空艙內(nèi)，且位于動態(tài)紅外圖像的出射方向。

工作過程：圖像寫入系統(tǒng)16置于冷艙18外部；紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)17置于冷艙18內(nèi)部；寫入照明系統(tǒng)2為寫入光系統(tǒng)1提供均勻光源照明；寫入光系統(tǒng)1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；溫度補償照明系統(tǒng)4為灰度圖像提供溫度補償；溫度補償照明系統(tǒng)4為溫度補償照明系統(tǒng)4提供照明；溫度補償照明系統(tǒng)4與溫度補償系統(tǒng)5通過光纖連接，為溫度補償照明系統(tǒng)4提供照明。驅(qū)動板3為寫入光系統(tǒng)1與溫度補償系統(tǒng)5提供驅(qū)動；電源9為寫入照明系統(tǒng)2和溫度補償照明系統(tǒng)4供電；寫入光系統(tǒng)1與溫度補償系統(tǒng)5分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)6進行中繼成像。中繼成像經(jīng)過合束棱鏡7合束后照射到冷艙寫入光窗口8；

圖像寫入系統(tǒng)16生成的中繼成像依次經(jīng)過冷艙寫入光窗口8、寫入光窗口10、MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片11和紅外窗口12生成動態(tài)紅外圖像；最終達到在低溫真空環(huán)境下生成紅外動態(tài)場景的作用。

所述寫入光系統(tǒng)通過視頻信號接口接收視頻圖像源輸出的帶有紅外特征的視頻圖像信號。

所述寫入照明系統(tǒng)提供均勻光源照明，通過寫入光系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的灰度圖像。

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

驅(qū)動板為和電源為圖像寫入裝置提供驅(qū)動和供電。

中繼光學(xué)系統(tǒng)用于將寫入光系統(tǒng)生成的寫入圖像成像至MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的入射面。

合束棱鏡將光源和加熱控制系統(tǒng)合束到中繼光學(xué)系統(tǒng)中。

冷艙寫入光窗口雙面鍍增透膜，在寫入光全波段范圍內(nèi)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(zhuǎn)換芯片是模擬器的核心，它接收寫入光圖像后，將寫入光圖像轉(zhuǎn)換成紅外圖像并輸出。

真空腔為圖像轉(zhuǎn)換器創(chuàng)造一個獨立的真空系統(tǒng)，保證在工作環(huán)境和存儲環(huán)境轉(zhuǎn)換過程中MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片不出現(xiàn)不可逆的損壞。