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(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器，主要應(yīng)用于深空冷背景半實(shí)物仿真系統(tǒng)，屬于半實(shí)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(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器裝置是低溫真空環(huán)境半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器裝置在實(shí)驗(yàn)室條件下開展低溫場(chǎng)景的生成、檢測(cè)、輻射測(cè)量模擬，可實(shí)現(xiàn)低溫紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(yáng)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(yàn)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)。空間環(huán)境模擬器可以模擬太空環(huán)境下獨(dú)有的超低溫、高真空等特征，是航天器的關(guān)鍵試驗(yàn)和測(cè)試設(shè)備之一，能夠?yàn)楹教炱魈峁┛臻g環(huán)境測(cè)試條件，也是航天器發(fā)射前的重要保障設(shè)施。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器主要有基于MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(dòng)無(wú)源MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器。

技術(shù)實(shí)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(dòng)態(tài)場(chǎng)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(wú)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(shí)現(xiàn)的。

一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(dòng)板，溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，溫度補(bǔ)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(qiáng)度對(duì)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(bǔ)償整體溫度，加入溫度補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)通過光纖連接，為溫度補(bǔ)償系統(tǒng)提供照明。驅(qū)動(dòng)板和電源為圖像寫入系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)和供電。寫入光系統(tǒng)與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)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(dòng)。

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(dú)立的吸收輻射區(qū)，每一個(gè)吸收輻射區(qū)相當(dāng)于一個(gè)象元。每一個(gè)象元靠?jī)蓚€(gè)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(duì)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?cè)鐾改ぁ?/p>

將防雜光光欄置于真空艙內(nèi)，且位于動(dòng)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(hào)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(bǔ)償系統(tǒng)為灰度圖像提供溫度補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)為溫度補(bǔ)償系統(tǒng)提供照明；寫入光系統(tǒng)與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)態(tài)紅外圖像；即最終達(dá)到在低溫真空環(huán)境下生成紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的作用。

有益效果

1)真空腔內(nèi)采用無(wú)熱源設(shè)計(jì)，減少了熱輻射對(duì)成像效果的影響，無(wú)線纜的結(jié)構(gòu)也使冷艙內(nèi)整體環(huán)境大為簡(jiǎn)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(dá)到640×512，MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的有效尺寸可以達(dá)到直徑100mm。

4)設(shè)計(jì)消雜光的光欄，涂抹消光漆消除表面對(duì)寫入光的反射，降低雜光輻射對(duì)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(bǔ)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(bǔ)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(jī)構(gòu)采用無(wú)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(dòng)板，4-溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)，5-溫度補(bǔ)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

一種能夠在低溫真空環(huán)境下工作的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(dòng)板3,溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4，溫度補(bǔ)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(qiáng)度對(duì)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(bǔ)償整體溫度，加入溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5進(jìn)行溫度補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5通過光纖連接，為溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4提供照明。驅(qū)動(dòng)板3為寫入光系統(tǒng)1與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5提供驅(qū)動(dòng)；電源9為寫入照明系統(tǒng)2和溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4供電，寫入光系統(tǒng)1與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)6進(jìn)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(gè)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(dòng)。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(tái)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?cè)鐾改ぃ焕渑搶懭牍獯翱谠趯懭牍馊ǘ畏秶鷥?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(dòng)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(hào)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(bǔ)償照明系統(tǒng)4為灰度圖像提供溫度補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4為溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4提供照明；溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5通過光纖連接，為溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4提供照明。驅(qū)動(dòng)板3為寫入光系統(tǒng)1與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5提供驅(qū)動(dòng)；電源9為寫入照明系統(tǒng)2和溫度補(bǔ)償照明系統(tǒng)4供電；寫入光系統(tǒng)1與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)5分別通過中繼光學(xué)系統(tǒng)6進(jìn)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(dòng)態(tài)紅外圖像；最終達(dá)到在低溫真空環(huán)境下生成紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的作用。

所述寫入光系統(tǒng)通過視頻信號(hào)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(hào)。

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(bǔ)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(bǔ)償。

驅(qū)動(dòng)板為和電源為圖像寫入裝置提供驅(qū)動(dòng)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?cè)鐾改?，在寫入光全波段范圍?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(gè)獨(dú)立的真空系統(tǒng)，保證在工作環(huán)境和存儲(chǔ)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。