面向MEMS红外光源的辐射增强结构设计

针对常规TO封装下红外光源辐射量在一定光程下严重衰减的不足,基于自研的MEMS红外光源结构,提出了用于红外辐射增强的反射镜及用于光束准直的透镜封装结构,以期大幅提高光源有效辐射效率。本文基于Zemax软件对红外光源在光路中的辐射特性进行了模拟仿真。仿真结果表明:红外光源放置于9.52 mm口径、9.41 mm深度的抛物面反射镜的焦点位置,辐射能量提高了15.5倍;采用2.2 mm厚的BaF2材料的双凸曲面辐射透镜,红外光线呈准直收敛辐射,辐射效率最大可以达到27.42%。本工作研究成果为红外光学气体传感器光源提供了合理的红外辐射增强结构尺寸参数,有效提高了系统的稳定性和光源的辐射效率。     

MEMS红外光源可调制驱动电路设计

针对MEMS红外光源的驱动控制问题,提出了一种基于FPGA和稳压集成电路ADP3336的可调制驱动系统。通过对MEMS红外光源的辐射光谱和驱动特性研究,确定基于可调脉冲方波的直接驱动控制方式;采用FPGA对数字脉冲信号进行占空比和频率的复合调制;采用ADP3336对光源精密稳压驱动,使驱动电压偏差不大于0.1 V,驱动效率达80.1%。该驱动电路实现了对MEMS红外光源大功率、高精度、高效率供能驱动以及深度调制,为这种新型红外光源器件的应用提供了技术基础。     

狭缝光阑面积高精度测量技术

为了达到在0.4 ? 1.0 ?m波段实现绝对不确定度0.05%以内、相对稳定性0.03%/年的太阳绝对光谱辐照度观测,在太阳绝对光谱辐照度仪研制过程中,入射狭缝光阑的面积需要实现高精度的测量。设计了激光扫描法和通量比较法相结合的测量方法。测量中以激光-积分球系统作为光源,用高精度Trap探测器接收信号,无需基准光阑,同时突破了激光扫描法测量中对小尺度光阑的限制。对标称为7 mm×0.1 mm光阑面积的测量中,相对不确定度为4.5× 10-4。     

基于光纤传感的工业生产线智能装配系统

工业生产线的智能装配技术是提高生产线工作效率,保证产品统一性的关键手段。日趋复杂的工业产品结构对智能装配控制精度的要求也越来越高,其中,基于实时在线测量的反馈校正技术成为了研究热点。为了实现工业生产线智能装配过程的柔性测量,提出了基于光纤传感的反馈式装配控制方法。该系统采用多FBG传感器获取装配结构实时应变,由不同封装FBG传感器完成温度应变解耦。最终通过神经网络学习的方式完成对位置偏移程度进行换算,实现装配位置实时校正。采用Matlab对螺钉结构装配过程进行仿真,模拟了不同长度和施力大小的螺钉应力分布,结果显示螺钉长度越长,相同作用力下应变越大。并且螺钉的主要应变集中在螺孔边缘位置。实验分别采用悬臂梁应变标定实验获取不同封装状态的拟合曲线,采用温度标定实验消除应变测试数据中的温漂效应,采用位置偏移实验获取校正参数。结果显示,对于长度为15.0 mm的螺钉,系统平均解算精度约为0.012 3 mm/N,对于长度为20.0 mm的螺钉,系统平均解算精度约为0.022 1 mm/N,并且具有很好的线性度。     

红外光源在有害气体检测中的应用研究

研究了红外光源在有害气体检测中的地位和作用。介绍了三类 不同红外光源的结构原理,比较了它们相互之间的优缺点,并对其应用情况进行了综述。然后详细分析 了气体检测技术对红外光源性能的要求以及在光源选型时的注意事项。最后,根据有害气 体检测的发展需求,阐明了红外光源的发展趋势。     

MEMS红外光源研究及其应用

首先介绍了红外光源的类型,从波长范围、调制频率、输出功率以及制作成本等方面比较了三种不同类型红外光源的优缺点。分析了基于微机电系统(MEMS)加工技术的红外光源工作原理和类型。系统综述了MEMS红外光源的国内外研究现状,包括不同辐射层材料和不同结构的MEMS红外光源。详细描述了MEMS红外光源在红外气体传感器、目标识别装置、红外通信装置中的应用。讨论了其在结构设计和加工过程中存在的高辐射率发光材料的制作、红外光源薄膜热应力的释放以及机械强度低等技术瓶颈问题,并简单展望了MEMS红外光源的未来发展趋势。     

MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析

红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键,准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对MEMS红外光源设计CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射;由MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径r=6.48 mm,透镜焦距f=7.2 mm,透镜厚度d'≤2 mm,用Zemax光学软件仿真优化,得出中间层厚度d=0.309 mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证,为定向辐射MEMS红外光源研发提供最优的原型尺寸参数,极大提高设计效率。     

红外光源辐射强度测试的初步研究

随着红外光源在光电对抗领域的广泛应用，光源测试技术飞速发展，红外辐射强度作为红外光源的典型特性而成为研究的主要内容。本文着重介绍了红外辐射强度测试技术及其应用的典型器件。     

MEMS红外光源光谱特性及温度特性测试研究

MEMS红外光源是基于微机电系统(MEMS)制造工艺的红外光源器件,为明确MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性,采用SR5000光谱辐射计对MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试,所得数据表明所选光源的红外光谱分布主要在3~5μm之间,中心波长位于3.6μm,该波段红外光具有接近90%的大气透过率;采用红外测温仪和热敏电阻对光源辐射体温度进行测试,结果显示所选MEMS红外光源温度特性优良,适用范围广泛。     

半导体制冷器作为标定物的红外成像仪隐式标定

为了快速、精确地定位红外光斑的二维空间位置,提出利用半导体制冷器(TEC)作为标定点源的红外成像仪隐式标定方法.首先采用高分辨率的可见光CCD相机和已知空间坐标的高精度网格,用直接线性变换标定法求得热源的高精度空间坐标,然后利用质心型增长法分割红外图像得到其中心亮点坐标,再求解出红外图像像素坐标与空间坐标之间的转换矩阵.实验研究表明:用探测器320×240,波段8～12μm的红外成像仪拍摄200mm×100 mm的空间视场,使用直接线性法标定带有8个TEC的靶标,标定误差小于0.4mm.该方法简单、精度高,为红外成像仪的二维标定探索了一种低成本、高精度的途径.     

基于空间机构学的Coude光路装调方法

库德光路光学元件多且空气间隔长，导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加，因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模，然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用，通过分析各个镜面的影响权重，确定了系统装调顺序；最后，将蒙特卡洛法作为优化算法，得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真，证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明:该方法简单、快速，而且精度高，对于全反射光路的装调是可行有效的。     

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外，基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比，应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰，增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力，采用分孔径同时偏振成像方式，完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析，保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明，光学系统的MTF接近衍射极限，各类像差得到了有效校正，成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外，最终完成的光学系统结构紧凑，透过率高，避免了非球面的使用，具有良好的加工和装配工艺性。     

低温红外目标源控温技术

低温红外目标源是测试和标定低温红外传感器的响应线性度和非均匀性的关键测试设备.对所研制的低温红外目标源设备的工作原理进行了论述,同时基于有限元分析方法,以ANSYS 软件为载体对黑体面源控温方式及温度场分布进行模拟分析,并进行了测温实验.结果表明:所研制的低温红外目标源结构设计合理,仿真温度场与实测温度场分布规律一致,控温精度不大于0.5 K,黑体面源温度分布均匀,表面温差不大于0.2 K,稳定性好(0.1 K/min),可以满足低温红外系统的测试和检定要求.     

无线光通信系统误码性能分析及方法研究

误码率(BER)是衡量无线光通信系统设计优劣的重要指标,如何正确统计误码性能显得尤为重要。利用Matlab软件,研究基于蒙特卡罗仿真实现无线光通信系统误码性能分析的方法。介绍了无线光通信系统以及利用蒙特卡罗仿真进行性能估计的原理;研究了误码性能仿真方法,详细地给出了仿真中的信源产生方法、信道模型、信噪比参数计算方法、误码率统计方法等,并给出了部分核心Matlab程序;给出了基于低密度奇偶校验(LDPC)码、脉冲位置调制(PPM)的无线光通信系统仿真图,详细介绍了各仿真参数的设置,并在不同天气和不同信噪比条件下统计了系统性能。统计结果表明,此性能分析方法准确可行。     

手机镜头的光学系统设计及杂散光模拟

为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5106像素的手机镜头。同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析。结果表明,该镜头的F数为2.6,全视场角为72.9,系统总长为3.1mm。最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光。     

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路消热差设计

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路是仿真系统的关键组成部分。设计了一种准直投影光学系统,利用不同材料热性能互补的无热化光学设计方法,得到系统的初始结构,将某一面设计为二元面,降低了系统像差,提高了光学传递性能,达到系统的消热差设计。投影光路采用折射式结构,工作在8～12 m长波红外波段,焦距为113 mm,半视场角为4.5,F数为1.3。利用ZEMAX软件对光学系统进行了优化,满足了仿真系统的使用要求。     

单光子测距系统性能优化研究和实现

为了实现单光子测距系统的最佳性能接收,积分时间一定,分别研究激光功率对该系统的信噪比和距离精度的影响。首先,基于单光子探测机理,引入雪崩触发概率到固定频率的多脉冲累计探测系统线性信噪比模型中,蒙特卡洛仿真和理论模拟一致验证随着激光发送功率的增大,信噪比先增大再趋于稳定数值。其次,建立距离值的方差理论模型,蒙特卡洛仿真研究随着激光功率的增大,距离值精度提高并且趋于稳定数值,死时间增大可降低时间记录点的方差。实验结果表明,在积分时间50 ms和高背景噪声下,发射功率400W左右信噪比可达到最大值,距离精度可达到6 mm的最优值。最终,理论和实验共同验证该系统可以实现单光子测距系统的信噪比和距离精度的最佳性能接收。     

应用于校正扩展视场偏差的红外成像测量方法

介绍了一种可扩展视场红外光学系统的工作原理,针对系统初始化后由于楔形镜装配误差引起的视场偏差对成像的影响,设计了一种校正该光学系统视场偏差的红外成像测量方法。通过计算机视觉技术在目标运动轨迹测量中的应用,把该技术与红外成像系统进行结合;用红外成像系统对运动目标成像,将目标的运动轨迹视为序列离散点,利用计算机视觉技术对这些离散点进行轨迹检测,并采集这些目标连续运动过程中的离散点图像。后期通过对采集的目标运动轨迹原始图像进行像图像处理,运用编程仿真构造目标的实际运动轨迹,最终完成了可扩展视场红外光学系统视场偏差的校正。结果表明,基于计算机视觉技术的红外成像测量方法能够很好地实现运动目标的轨迹测量。     

小功率LED光源封装光学结构的Monte Carlo模拟及实验分析

采用MonteCarlo方法对不同光学封装结构的LED进行模拟,建立了小功率LED的仿真模型,应用空间二次曲面方程描述LED的封装结构,对其光强分布进行模拟和统计.通过测量实际样品,并与模拟结果进行比较和分析,表明计算机模拟值与实验测量值比较吻合.