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。     

红外光源辐射效率分析及其改进

常用红外光源类似灰体辐射源,其辐射的能量仅有部分处于红外大气窗口内,从而极大地影响其应用范围。在分析红外光源的波段辐射功率密度和辐射效率基础上,提出通过控制光源的光谱发射率来提高其辐射功率密度和辐射效率;进一步分析了当前发射率控制的相关方法,利用相关原理初步设计了一种光子晶体薄膜,实现了发射率的波段选择。相关方法和结论对于改进红外光源、提高其波段效能具有指导意义。     

红外光源辐射特性的蒙特卡洛模拟

为满足红外跟踪仿真的高精度、高稳定性设计要求,本文基于蒙特卡洛算法针对红外光源的辐射特性进行了模拟仿真研究。首先,介绍了系统结构和工作原理。接着,以蒙特卡洛方法为基础,对钨丝灯圆柱体光源进行建模,给出光阑处的辐照度精确分布,为建立光阑通光口径的非线性控制函数提供依据。然后,分析了不同条件下蒙特卡洛算法的准确度,并研究了装配位置对系统光能利用率的影响。仿真结果表明:在旋转抛物面反射镜的焦点外存在一个最佳的光源装配位置;在装配过程中,允许的轴向偏移为0.1 mm,垂轴偏移为0.1 mm,角度偏移为2°。该系统满足了红外跟踪仿真的稳定可靠、高精度要求。同时,本文所采用的分析方法对其他红外光源的优化设计也有借鉴作用。     

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。     

基于双DMD的红外场景投影仪光学系统设计

为提高中波红外场景投影仪的帧速和灰度等级,提出了一种基于双数字微反射镜器件(DMD)的光学系统方案。该光学系统包括照明系统和准直投影光学系统,照明系统采用可提供均匀照明的柯勒照明系统,利用2个非球面透镜简化结构,采用3片式全内反(TIR)棱镜来实现光路的折转衔接以及2个DMD调制的叠加;准直投影光学系统采用二次成像结构,通过合理分配各透镜组光学参数,并采用非球面透镜进行优化设计,得到的光学系统F数为094,入瞳距为850mm,角分辨率为019mrad。投影仪的测试与仿真结果表明此光学系统完全满足红外场景投影仪的使用要求。     

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。     

用于辅助驾驶汽车的红外照明系统

为了解决在现有道路照明条件下，因环境照度不够、环境光强快速变化等原因，造成车辆对周边物体自动识别的准确率低的问题，本文通过软件仿真，设计了一种车载红外补充照明系统。使用红外LED作为光源，光源发出的光线经抛物面反射镜准直后，通过单排复眼透镜，在距离光源25 m处得到均匀性大于90%的矩形光斑，系统的辐射能利用率达到98%，通过30个照明模块组成平面阵列，目标照明面的平均辐照度大于0.8 W/m²。结果表明，采用单排复眼透镜实现匀光，其结构简单，装配公差宽松；本设计方法适用于其他照明系统。     

用粒子群算法设计非球面准直透镜的方法

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法,该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜,为了证明准直透镜的准直效果,用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示,点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60,0.8 mm0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91,表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比,该设计方法意义更直观,实施更简单。     

基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现

介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法,并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜。对初始结构不断进行逼近,最终得到准直透镜的模型。透镜外径为35 mm,总高为21.5 mm。透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟,效率高达84.8%,K值高达125.8 cd/lm。模拟应用于35 W的探照灯时,在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑,光斑中心照度高达60 lux。透镜实际样品被制作出后,经过测试,实际透镜的光束角为3.2°。此款透镜被用于实际探照灯灯具中。     

一种离轴抛物面准直光管的设计

论述了一种用于为某可靠性测试设备提供红外模拟目标源的离轴抛物面准直光管系统的结构选择.按照焦距f=960mm,相对孔径1:6,视场0.6°,工作谱段0.8～1.4μm的技术要求,对准直光管的光学系统进行了设计.反射式光学系统,能做到大口径和无色差及轻量化设计,系统光利用率高.因系统要求中心无遮拦,故选用离轴抛物面式准直系统.为进一步改善系统像质,采用了离轴高次抛物面式主反射镜与次反射镜以及补偿透镜组的设计方案.模拟实验表明,此准直光管的主要性能满足使用要求.     

Design of a novel LED collimating element based on freeform surface

A novel element for collimating LED light is designed based on non-imaging optics. It is composed of a refraction lens and a reflector. The upper surface of the lens is freeform and calculated by geometrical optics and iterative process. The lens makes the rays in the range of 0°-45°from the optical axis collimated. The rays in the range of 45°-90°from the optical axis are collimated by the reflector. The inner surface of the reflector is parabolic with its focus located in the LED chip. The designed element is applicable to LED source of any emitting type. For a certain application, the simulation results of the designed element in Tracepro show that it has a very compact structure and good collimating performance. Just investigating the loss in the lens surfaces, this element has high light output efficiency of nearly 99%. Most lighting area radii are no more than 20 mm when the illuminated plane is 5 m away from the LED source.     

MEMS红外探测器响应时间测量方法研究

传统地,MEMS红外探测器响应时间的测量需要基于黑体辐射源、斩波器、水冷装置等设备搭建一套复杂的测量系统,然而斩波器的遮挡区域和透光区域具有一定的面积,其按某频率工作时会消耗一定的时间,而测试所得的器件响应时间无法排除斩波器的工作耗时,导致测试结果存在较大误差,所测响应时间为14.46ms。为解决这一问题,提出了一种以钛宝石激光器为辐射光源,利用声光调制器构建纳秒级激光脉冲,MEMS红外探测器响应激光脉冲的作用输出脉冲电信号,很好地规避了测量系统中设备工作耗时引入的时间参数,所测响应时间仅为3.13ms。由此可见,传统方法中斩波器工作耗时引入的时间误差甚至超过器件响应时间的300%,充分证明了此方法可以有效解决这一问题,进而为MEMS红外探测器以及其它光学探测器性能参数的测试与计量提供了一种新的方法。     

基于边缘权重分析的水面弱目标红外增强

为了提高水面环境下的弱目标红外图像的视觉质量,本文基于红外辐射理论,结合边缘分析与透射率等参数获取,实现了复原增强。通过辐射理论分析获得了原始场景图像关于透射率与路径辐射光的函数表达。利用暗通道先验,获取粗糙的透过率,结合边缘权重分析与导向滤波,获取精细透过率。在边缘分析基础上,确定了路径辐射。观测实验证明本文增强结果的潜在目标区域的局部对比好,突出了边缘与纹理特征。测试结果表明,本文方法运行速度快,增强的视觉效果好,客观评价值高,为后期的目标探测、识别等应用奠定了基础。     

一种实现均匀照明的LED平凸透镜设计

为实现均匀圆形光斑的照明,提出了一种自由曲面平凸透镜的算法。依据非成像光学核心理论:光学扩展量守恒和能量守恒,根据Snell定律,建立透镜轮廓曲线所满足的常微分方程,采用Matlab中的DDE(动态传输)技术与Tracepro中的Scheme语言完成动态数据的链接,从而完成透镜的3D建模,省去了导入3D软件拟合曲线所带来的误差,让建模变得更加精确。结果表明,该种算法可在特定区域实现均匀照明,透镜直径23 mm,材质为光学级PC,且在透镜距离光源10 mm时光学效率可达51.99%     

LED照明的光学器件设计与仿真

大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多,但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题,根据非成像光学理论,设定合适的初始参数,利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射,设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真,均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜,随着发光光源面积增大,照度均匀性都降低,当光源尺寸均设置为1 mm1 mm时,照明面上照度均匀性都达到95%以上,当光源尺寸增大10 mm10 mm时,照明面的照度均匀性下降到85%,符合对均匀性很高的室内照明设计标准。     

基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

基于透镜侧面棱镜和前后膜芯添加微透镜设计一款出光角度可变的均匀混光照明透镜。采用棱镜和微透镜结合的新型方法,分别对透镜外侧棱镜和模芯微透镜进行新的设计。对目标角度进行映射关系的计算及推导,得到全反射棱镜的轮廓曲线图,中心内外部分采用折射型的微透镜阵列,通过Solidworks建立透镜模型,然后导入光学仿真软件Lighttools中进行光线追迹。采用12颗30 mm×30 mm贴片式不同色温的LED作为光源,设计了一款高度20 mm,直径52 mm的单颗实用型投射透镜。仿真与实测结果表明：所设计的透镜匹配该阵列光源后,光学效率高于87%,半光强角为40.6°,可以实现均匀混光投射照明。     

基于MEMS的红外动态图像生成技术

提出了一种基于MEMS技术的红外动态图像生成技术。利用热传导方程,建立了可见光/红外图像转换膜的理论模型;介绍了可见光/红外图像转换膜制作的工艺流程,制作了一张像元数为512512、像元尺寸为35m的可见光/红外图像转换膜。并利用转换膜构造了红外动态图像生成装置,通过实验对红外动态图像生成装置的性能进行了研究。利用MEMS技术制作的可见光/红外图像转换膜可以工作在红外3~5m和8~12m两个波段。根据实验测得红外图像生成装置的空间分辨率为14 lp/mm,在3~5m波段,所生成红外图像的温度范围为250~440 K,在8~12m波段,所生成红外图像的温度范围为250~400 K。     

共振吸收在微桥电阻阵列中的应用

红外武器系统的快速发展，对红外仿真系统提出了更高的要求。微桥电阻阵列作为红外仿真系统的核心器件，其性能的提高对红外仿真系统的发展至关重要。微桥电阻是利用电阻加热微辐射元来产生红外辐射的，根据微桥电阻的工作原理可知，提高微桥电阻阵列单元辐射效率是微桥电阻性能提高的关键技术之一。利用以Al为反射层电阻、空气为中间介质层和TiNx为吸收层电阻组成的谐振腔结构可以明显提高所需波段的红外辐射效率．从而提高微桥电阻的性能。共振吸收结构为微桥电阻阵列的进一步低功耗、大面阵化提供了有效的设计和制作途径。     

动态热释电传感器网络目标跟踪技术研究

提出了一种动态热释电红外辐射传感器网络的目 标 跟踪方法,使热释电传感器在运动状态下进行目标探测,通过采集、分析 动态热释电传感器输出的信号特征可得到目标的角度信息;使用传感器网络目标定位数 学模型, 对多个节点的信息进行融合即可实现运动目标的定位及跟踪,并有效解决了热释电 探测距离及探测角度的矛盾问题。实验表明,所提方法可在大范围对目标进行定时监控及自 主跟踪,在探测范围及灵敏度、定位精度 等方面具有很大优势。