本发明涉及一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，属于半实物仿真技术和光电信息系统技术领域。该装置由放置在冷舱外常温常压环境工作的图像写入系统和放置在冷舱内低温真空环境工作的红外图像转换系统组成，图像写入系统生成的中继成像依次经过冷舱写入光窗口、写入光窗口、MEMS红外图像转换芯片和红外窗口生成红外动态图像，生成红外动态场景。本发明能够在实验室条件下开展低温环境下红外动态场景的生成、检测、辐射测量模拟的要求。装置基于一种被动MEMS红外图像转换芯片，辐射波段包含了从3μm到14μm的连续光谱，能够有效消除杂光辐射的影响，可以在低温真空环境下生成所需的红外动态场景图像。
1.一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：由图像写入系统(16)和红外图像转换系统(17)组成，图像写入系统(16)放置在冷舱(18)外部，工作在常温常压环境下，红外转换系统(17)放置在冷舱(18)内部，工作在低温真空环境下；
其中，图像写入系统(16)包括：写入光系统(1)，写入照明系统(2)，驱动板(3)，温度补偿照明系统(4)，温度补偿系统(5)，中继光学系统(6)，合束棱镜(7)，冷舱写入光窗口(8)，电源(9)；写入光系统(1)与写入照明系统(2)通过光纤连接，为其提供均匀光源照明；温度补偿照明系统(4)与温度补偿系统(5)通过光纤连接，为温度补偿系统(5)提供均匀光源照明；两块驱动板(3)分别为写入光系统(1)与温度补偿系统(5)提供驱动；电源(9)为写入照明系统(2)和温度补偿照明系统(4)供电，写入光系统(1)与温度补偿系统(5)分别通过中继光学系统(6)进行中继成像；中继成像经过合束棱镜(7)合束后照射到冷舱写入光窗口(8)；
红外图像转换系统(17)包括：写入光窗口(10)，MEMS红外图像转换芯片(11)，红外窗口(12)，蜗轮蜗杆(13)，真空腔(14)和齿轮组(15)；真空腔(14)为内部中空的圆柱形状，圆柱顶部安装有红外窗口(12)，圆柱底部安装有写入光窗口(10)；红外窗口(12)与写入光窗口(10)之间安装有MEMS红外图像转换芯片(11)，需保证写入光窗口(10)，MEMS红外图像转换芯片(11)和红外窗口(12)同轴放置；真空腔(14)的侧壁上安装有真空阀门，电机通过齿轮组(15)控制真空阀门的开启和关闭；真空腔(14)与齿轮组(15)通过固定板固定在支架上；
所述支架上安装有蜗轮蜗杆(13)，通过蜗轮蜗杆(13)和齿轮齿条结构调整真空腔(14)在光轴方向上的移动距离和方向。
2.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：MEMS红外图像转换芯片(11)的生成方式包括物理气相沉积，化学气相沉积基于MEMS工艺生成的薄膜；基于化学液相镀膜；旋涂、延展、流延、拉伸的物理方式生成的薄膜。
3.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：所述MEMS红外图像转换芯片(11)由衬底、吸收辐射区、抑制辐射区和支撑腿部分组成；衬底作为MEMS红外图像转换芯片的支撑结构，材料采用硅、二氧化硅；通过MEMS工艺在衬底上制作独立的吸收辐射区，每一个吸收辐射区相当于一个象元；每一个象元靠两个支撑腿连接到衬底上，支撑腿材料采用硅或聚酰亚胺；象元端面制备有支撑层和吸收辐射层，支撑材料采用聚酰亚胺或碳纤维，吸收辐射材料采用铬、钨、镍铬、钛合金、钛的氮化物、金属黑、碳化硅、氮化硅、氧化铪；吸收辐射层的表面稀疏多孔，可以将写入光能量转化为热能，促使MEMS红外图像转换芯片像元升温；抑制辐射区采用通孔结构，一方面写入光的直接透射使MEMS红外图像转换芯片对能量的吸收具有了选择性，提高了MEMS红外图像转换芯片的成像分辨率；另一方面，通孔结构可以隔离像元，降低像元之间的热串扰。
4.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：通过蜗轮蜗杆(13)和齿轮齿条结构调整真空腔(14)在光轴方向上的位置调整，来补偿由于低温环境下图像MEMS红外图像转换芯片(11)位置的偏移。
5.如权利要求3所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：所述吸收辐射区和抑制辐射区的辐射波段包含了从3μm到14μm的连续光谱。
6.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：选用低温真空步进电机，固体润滑剂，和弹簧螺钉结构来保证模拟器可以在低温环境下正常工作。
7.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：温度补偿照明系统(4)和温度补偿系统(5)为图像写入系统(16)提供温度补偿功能。
8.如权利要求1所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：将防杂光光栏置于真空舱内，且位于所述红外转换系统(17)的动态红外图像的出射方向。
9.如权利要求1至8任意一项所述的一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，其特征在于：所述模拟器的工作过程：图像写入系统(16)置于冷舱(18)外部；红外转换系统(17)置于冷舱(18)内部；写入照明系统(2)为写入光系统(1)提供均匀光源照明；
写入光系统(1)通过视频信号接口接收视频图像源输出带有红外特征的写入光灰度图像；
温度补偿系统(5)为写入光灰度图像提供温度补偿；温度补偿照明系统(4)为温度补偿系统(5)提供照明；驱动板(3)为写入光系统(1)与温度补偿系统(5)提供驱动；电源(9)为写入照明系统(2)和温度补偿照明系统(4)供电，写入光系统(1)与温度补偿照明系统(4)分别通过中继光学系统(6)进行中继成像；中继成像经过合束棱镜(7)合束后照射到冷舱写入光窗口(8)；图像写入系统(16)生成的中继成像依次经过冷舱写入光窗口(8)、写入光窗口(10)、MEMS红外图像转换芯片(11)和红外窗口(12)生成红外动态场景；即最终达到在低温真空环境下生成红外动态场景的作用。
一种在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，主要应用于深空冷背景半实物仿真系统，属于半实物仿真技术和光电信息系统技术领域。
背景技术
[0002] 红外动态场景模拟器装置是低温真空环境半实物仿真系统中的关键部件。红外动态场景模拟器装置在实验室条件下开展低温场景的生成、检测、辐射测量模拟，可实现低温红外动态场景的模拟功能。
[0003] 低温真空环境是用来模拟太空中的真空环境、太阳辐射环境、冷黑环境,用于卫星组件或材料热真空热试验的设备,是真空技术的重要组成部分,为在空间环境或模拟空间环境中应用真空技术的派生技术。空间环境模拟器可以模拟太空环境下独有的超低温、高真空等特征，是航天器的关键试验和测试设备之一，能够为航天器提供空间环境测试条件，也是航天器发射前的重要保障设施。
[0004] 目前国内现有的红外动态场景模拟器主要有基于MEMS红外图像转换芯片的红外动态场景模拟器，数字微镜阵列和热电阻阵列三种类型，由于数字微镜阵列和热电阻阵的电子器件部分都需要在低温真空环境下需要做复杂的保温措施才能正常工作。所以本发明提出一种基于被动无源MEMS红外图像转换芯片的红外动态场景模拟器。
发明内容
[0005] 本发明提供一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器。该模拟器能够实现MEMS红外图像转换芯片位置的调整、腔内无热源、消除杂光辐射干扰、大像元尺寸，辐射波段包含了从3μm到14μm的连续光谱等技术。
[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007] 一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，由图像写入系统和红外图像转换系统组成，图像写入系统放置在罐状冷舱外部，工作在常温常压环境下，红外图像转换系统放置在罐状冷舱内部，工作在低温真空环境下。
[0008] 其中，图像写入系统包括：写入光系统，写入照明系统，驱动板，温度补偿系统，温度补偿照明系统，中继光学系统，合束棱镜，冷舱写入光窗口，电源；由写入光系统产生与红外辐射强度对应的灰度图像，与写入照明系统通过光纤连接，为其提供照明。为了矫正背景温度的非均匀性和补偿整体温度，加入温度补偿系统进行温度补偿；温度补偿照明系统与温度补偿系统通过光纤连接，为温度补偿系统提供照明。驱动板和电源为图像写入系统提供驱动和供电。写入光系统与温度补偿系统分别通过中继光学系统进行中继成像。中继成像经过合束棱镜合束后照射到冷舱写入光窗口；合束棱镜在系统中的作用是作为两路不同波段目标的合束装置，由两块直角棱镜胶合而成。
[0009] 红外转换系统包括：写入光窗口，MEMS红外图像转换芯片，红外窗口，蜗轮蜗杆，真空腔和齿轮组。真空腔为内部中空的圆柱形状，圆柱顶部安装有红外窗口，圆柱底部安装有写入光窗口；红外窗口与写入光窗口之间安装有MEMS红外图像转换芯片，需保证写入光窗口，MEMS红外图像转换芯片和红外窗口同轴放置，即形成一个光线通道；真空腔的侧壁上安装有真空阀门，通过齿轮组控制真空阀门的开启和关闭；真空腔与齿轮组通过固定板固定在支架上；所述支架上安装有蜗轮蜗杆，通过蜗轮蜗杆和齿轮齿条结构调整真空腔在光轴方向上的移动。
[0010] MEMS红外图像转换芯片生成方式包括且不限于物理气相沉积、化学气相沉积基于MEMS工艺生成的薄膜；基于化学液相镀膜；旋涂、延展、流延、拉伸等物理方式生成的薄膜。
[0011] MEMS红外图像转换芯片的材料由衬底、吸收辐射区、抑制辐射区和支撑腿等部分组成。衬底作为MEMS红外图像转换芯片的支撑结构，材料采用硅、二氧化硅。通过MEMS工艺在衬底上制作独立的吸收辐射区，每一个吸收辐射区相当于一个象元。每一个象元靠两个支撑腿连接到衬底上，支撑腿材料采用硅或聚酰亚胺。象元端面制备有支撑层和吸收辐射层，支撑材料采用聚酰亚胺或碳纤维，吸收辐射材料采用铬、钨、镍铬、钛合金、钛的氮化物、金属黑、碳化硅、氮化硅、氧化铪。吸收辐射层的表面稀疏多孔，可以将写入光能量转化为热能，促使MEMS红外图像转换芯片像元升温。抑制辐射区采用通孔结构，一方面写入光的直接透射使MEMS红外图像转换芯片对能量的吸收具有了选择性，提高了MEMS红外图像转换芯片的成像分辨率。另一方面，通孔结构可以隔离像元，降低像元之间的热串扰。
[0012] 冷舱写入光窗口双面镀增透膜。
[0013] 将防杂光光栏置于真空舱内，且位于动态红外图像的出射方向。
[0014] 工作过程：图像写入系统置于冷舱外部；红外转换系统置于冷舱内部；写入照明系统为写入光系统提供均匀光源照明；写入光系统通过视频信号接口接收视频图像源输出带有红外特征的灰度图像；温度补偿系统为灰度图像提供温度补偿；温度补偿照明系统为温度补偿系统提供照明；写入光系统与温度补偿系统分别通过中继光学系统进行中继成像。中继成像经过合束棱镜合束后照射到冷舱写入光窗口；图像写入系统生成的中继成像依次经过冷舱写入光窗口、写入光窗口、MEMS红外图像转换芯片和红外窗口生成动态红外图像；
即最终达到在低温真空环境下生成红外动态场景的作用。
[0015] 有益效果
[0016] 1)真空腔内采用无热源设计，减少了热辐射对成像效果的影响，无线缆的结构也使冷舱内整体环境大为简化和干净。
[0017] 2)辐射波段包含了从3μm到14μm的连续光谱。
[0018] 3)模拟器成像的像元尺寸为100μm，空间分辨率可达到640×512，MEMS红外图像转换芯片的有效尺寸可以达到直径100mm。
[0019] 4)设计消杂光的光栏，涂抹消光漆消除表面对写入光的反射，降低杂光辐射对系统成像的影响。
[0020] 5)冷舱外采用MEMS红外图像转换芯片温度补偿技术(光加热)，保证MEMS红外图像转换芯片的衬底温度可以保证模拟的最低温度为-23℃。
[0021] 6)低温环境下的焦面补偿结构可以调整MEMS红外图像转换芯片由于温度变化而产生的偏移，调整机构采用无油系统，避免污染真空环境。
附图说明
[0022] 图1为本发明的结构示意图；
[0023] 图2为图像写入系统结构示意图；
[0024] 图3为红外转换系统系统结构示意图。
[0025] 其中，1-写入光系统，2-写入照明系统，3-驱动板，4-温度补偿照明系统，5-温度补偿系统，6-中继光学系统，7-合束棱镜，8-冷舱写入光窗口，9-电源，10-写入光窗口，11-MEMS红外图像转换芯片，12-红外窗口，13-蜗轮蜗杆，14-真空腔，15-齿轮组,16-图象写入系统，17-红外转换系统，18-冷舱。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0027] 实施例1
[0028] 一种能够在低温真空环境下工作的红外动态场景模拟器，由图像写入系统16和红外图像转换系统17组成；如图1所示；
[0029] 其中，图像写入系统16，如图2所示，包括：写入光系统1，写入照明系统2，驱动板3,温度补偿照明系统4，温度补偿系统5，中继光学系统6，合束棱镜7，冷舱写入光窗口8；由写入光系统1产生与红外辐射强度对应的灰度图像，与写入照明系统2通过光纤连接，为其提供照明。为了矫正背景温度的非均匀性和补偿整体温度，加入温度补偿系统5进行温度补偿；温度补偿照明系统4与温度补偿系统5通过光纤连接，为温度补偿照明系统4提供照明。驱动板3为写入光系统1与温度补偿系统5提供驱动；电源9为写入照明系统2和温度补偿照明系统4供电，写入光系统1与温度补偿系统5分别通过中继光学系统6进行中继成像。中继成像经过合束棱镜7合束后照射到冷舱写入光窗口8；合束棱镜7在系统中的作用是作为两路不同波段目标的合束装置，由两块直角棱镜胶合而成。整套装置在冷舱18外部，在常温常压环境下工作。
[0030] 红外转换系统17，如图3所示，包括：写入光窗口10，MEMS红外图像转换芯片11，红外窗口12，蜗轮蜗杆13，真空腔14和齿轮组15。真空腔14为内部中空的圆柱形状，圆柱顶部安装有红外窗口12，圆柱底部安装有写入光窗口10；红外窗口12与写入光窗口10之间安装有MEMS红外图像转换芯片11，需保证写入光窗口10，MEMS红外图像转换芯片11和红外窗口12同轴放置，即形成一个光线通道；真空腔14的侧壁上安装有真空阀门，通过齿轮组15控制真空阀门的开启和关闭；真空腔14与齿轮组15通过固定板固定在支架上；所述支架上安装有蜗轮蜗杆13，通过蜗轮蜗杆13和齿轮齿条结构调整真空腔14在光轴方向上的移动。整套红外转换系统17安装在冷舱18内部的光学平台上，在低温真空(100K，2×10-5Pa)环境下工作。
[0031] 真空腔14的外壳为散热片形状。
[0032] 冷舱写入光窗口双面镀增透膜；冷舱写入光窗口在写入光全波段范围内具有高透过率，保证写入光图像的低损耗透射。
[0033] 将防杂光光栏置于真空舱内，且位于动态红外图像的出射方向。
[0034] 工作过程：图像写入系统16置于冷舱18外部；红外转换系统17置于冷舱18内部；写入照明系统2为写入光系统1提供均匀光源照明；写入光系统1通过视频信号接口接收视频图像源输出带有红外特征的灰度图像；温度补偿照明系统4为灰度图像提供温度补偿；温度补偿照明系统4为温度补偿照明系统4提供照明；温度补偿照明系统4与温度补偿系统5通过光纤连接，为温度补偿照明系统4提供照明。驱动板3为写入光系统1与温度补偿系统5提供驱动；电源9为写入照明系统2和温度补偿照明系统4供电；写入光系统1与温度补偿系统5分别通过中继光学系统6进行中继成像。中继成像经过合束棱镜7合束后照射到冷舱写入光窗口8；
[0035] 图像写入系统16生成的中继成像依次经过冷舱写入光窗口8、写入光窗口10、MEMS红外图像转换芯片11和红外窗口12生成动态红外图像；最终达到在低温真空环境下生成红外动态场景的作用。
[0036] 所述写入光系统通过视频信号接口接收视频图像源输出的带有红外特征的视频图像信号。
[0037] 所述写入照明系统提供均匀光源照明，通过写入光系统产生相应的灰度图像。
[0038] 写入照明系统和温度补偿系统，由控制系统控制，为生成的灰度图像提供照明和温度补偿。
[0039] 驱动板为和电源为图像写入装置提供驱动和供电。
[0040] 中继光学系统用于将写入光系统生成的写入图像成像至MEMS红外图像转换芯片的入射面。
[0041] 合束棱镜将光源和加热控制系统合束到中继光学系统中。
[0042] 冷舱写入光窗口双面镀增透膜，在写入光全波段范围内具有高透过率，保证写入光图像的低损耗透射。
[0043] MEMS红外图像转换芯片是模拟器的核心，它接收写入光图像后，将写入光图像转换成红外图像并输出。
[0044] 真空腔为图像转换器创造一个独立的真空系统，保证在工作环境和存储环境转换过程中MEMS红外图像转换芯片不出现不可逆的损坏。
