一種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及熱釋電非制冷長波紅外熱像儀技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種熱釋電非制 冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱釋電非制冷長波紅外熱像儀采用非制冷紅外焦平面探測(cè)器獲取目標(biāo)景物的紅 外熱輻射信息，按照探測(cè)器的工作溫度高低可以將器件分成兩個(gè)大的種類：工作時(shí)探測(cè)器 敏感元溫度在-100°C及以下的制冷型、工作時(shí)探測(cè)器敏感元溫度在室溫附近的非制冷型。 非制冷紅外焦平面探測(cè)器的原理如圖1所示，其將人眼不可見場(chǎng)景的紅外輻射1，經(jīng)過透鏡 2到達(dá)紅外焦平面探測(cè)器3轉(zhuǎn)化為不同大小電信號(hào)30,之后傳輸?shù)教綔y(cè)器外部提供其他電 子部件進(jìn)行處理得到紅外圖像。
[0003] 熱釋電紅外探測(cè)器是非制冷紅外探測(cè)器一種，由于探測(cè)器的材料只能工作在交流 耦合模式下，需要外界場(chǎng)景有間斷的變化。為了使采用熱釋電非制冷紅外焦平面探測(cè)器為 核心的熱像儀能夠正常工作，需要通過斬波器來完成外部場(chǎng)景的間斷變化。斬波器在熱像 儀中的位置是位于熱像儀的物鏡組件后面、探測(cè)器的前面。已有的斬波器遮擋部分的輪廓 線為圓形阿基米德螺旋線，通過螺旋線外輪廓的旋轉(zhuǎn)在行方向上遮擋敏感元實(shí)現(xiàn)外部場(chǎng)景 的遮擋和打開，得到間斷變化的圖像。
[0004] 遮擋型斬波器在遮擋期間，被探測(cè)景物的信號(hào)是全部切斷的，探測(cè)器得到的是斬 波器背面的溫度圖像。當(dāng)所觀察的場(chǎng)景溫度與斬波器背面的溫度相差較大時(shí)，就會(huì)使探 測(cè)器信號(hào)輸出飽和而失去探測(cè)能力，例如，當(dāng)環(huán)境溫度為10°c，而斬波器背面的溫度也是 KTC時(shí)，在觀察27°C的人可以清楚的話，目標(biāo)溫度與斬波器溫度存在的溫差為17°C。一旦 室外溫度為-l〇°C或者更低時(shí)，斬波器的溫度在穩(wěn)定后也將與室外環(huán)境溫度相同，此時(shí)觀 察人目標(biāo)溫度為27°C，目標(biāo)與斬波器溫差為37°C，使探測(cè)器的輸出信號(hào)飽和而失去探測(cè)能 力。因此限制了熱像儀的適用范圍，使之在高溫或低溫環(huán)境中無法使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種適用范圍廣，可極大提高熱像儀成 像溫度動(dòng)態(tài)范圍的熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器，包括斬波片，所述斬波片 上由阿基米德螺旋線分隔成打開區(qū)和遮擋區(qū)，其特征在于：在遮擋區(qū)面向光線入射面設(shè)置 有由衍射圖案形成的衍射面，所述衍射圖案為若干組陣列且無相交部分的同心環(huán)帶組。
[0008] 優(yōu)選的是，所述同心環(huán)帶組中各環(huán)帶的徑向?qū)挾葟闹行南蛲庖来芜f減，且環(huán)帶間 的寬度也從中心向外依次遞減。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 本發(fā)明通過在遮擋型斬波器的斬波片的遮擋面制備衍射圖案，使斬波片在遮擋期 間，也能使探測(cè)器接收到景物均勻輻射，獲得實(shí)時(shí)景物的平均溫度數(shù)值而不成像，而斬波片 在打開期間使探測(cè)器收到一個(gè)高分辨率的景物圖像，這樣就能獲得觀察場(chǎng)景中的溫度分布 與觀察場(chǎng)景的平均溫度信號(hào)，極大減小斬波片遮擋期間和打開期間的溫度差異，并且可以 利用實(shí)時(shí)場(chǎng)景的平均溫度進(jìn)行圖像校正，從而提高熱像儀的可成像的溫度動(dòng)態(tài)范圍，將熱 釋電非制冷熱像儀的成像溫度范圍由原來的50°C提高到500°C，使得熱像儀的應(yīng)用范圍大 幅度擴(kuò)展。
【附圖說明】
[0011] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0012] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2為斬波片的局部放大圖。
[0014] 圖3為電子顯微鏡下衍射面的結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明斬波片與未設(shè)置衍射面斬波片的透過率比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0017] 圖1-3所示熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器，
[0018] 包括殼體1和斬波片2,所述斬波片2由阿基米德螺旋線分隔成打開區(qū)3和遮擋區(qū) 4,所述遮擋區(qū)4面向光線入射的一面稱為遮擋面；所述遮擋面上設(shè)置有由衍射圖案形成的 衍射面，所述衍射圖案為若干組陣列且無相交部分的同心環(huán)帶組。
[0019] 其中，所述同心環(huán)帶組中各環(huán)帶的徑向?qū)挾葟闹行南蛲庖来芜f減，且環(huán)帶間的寬 度也從中心向外依次遞減。
[0020] 所述衍射圖案可以采用常規(guī)的微電子光刻、刻蝕工藝制備，也可以采用激光直寫 工藝和金剛石精密車床工藝，以及壓膜工藝制備。斬波片的材料包含Si、Ge、ZnS、ZnSe或 硫系玻璃，以及厚度在Ium~50um范圍內(nèi)的有機(jī)物薄膜。采用有機(jī)物薄膜的斬波片需要支 撐框架，其他的材料可以自支撐不用框架。
[0021] 衍射圖形的參數(shù)設(shè)計(jì)如下，尋找一組相位突變點(diǎn)坐標(biāo)集{aL，bL}使其滿足衍射譜 m在一 M到M級(jí)次內(nèi)，即2M - 1個(gè)光束的光強(qiáng)均勻分布，而且總衍射效率Pk足夠高，也就是 要求
[0022]
[0023] 的數(shù)值盡可能大，并且p(0) = p (±1) =......... =p(±m(xù))
[0024] 為評(píng)價(jià)優(yōu)化過程及其效果，定義誤差函數(shù)
[0025]
[0026] 公式中//〃）是各級(jí)強(qiáng)度分布的理論目標(biāo)值；α是在優(yōu)化過程中所取的假設(shè)自由 補(bǔ)償參數(shù)，α的值在0~1范圍內(nèi)變化；誤差函數(shù)的第一項(xiàng)是衡量設(shè)計(jì)值P(m)與目標(biāo)值的 差異，第二項(xiàng)是衡量衍射效率的，α的取值不同，誤差函數(shù)表達(dá)式中兩項(xiàng)所占權(quán)重的大小就 不同，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)對(duì)光束均勻性以及衍射效率要求的大小選取一定的α值；
[0027] 評(píng)價(jià)函數(shù)與突變坐標(biāo){aL，bL}以及相位角Θ之間是一個(gè)很復(fù)雜的非線性關(guān)系，一 般用非線性優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)優(yōu)化過程中第η次迭代的突變坐標(biāo)為{aL，n，bL，η}， 誤差函數(shù)為Ε 2,在η每次給定突變點(diǎn){aL，η，bL，η}的一個(gè)微量變化，帶到誤差函數(shù)里面以 后得到該函數(shù)的變化，η次迭代過程的坐標(biāo)修正量。這樣第η次迭代過程的誤差函數(shù)可以 表示成γ的函數(shù)，對(duì)γ進(jìn)行一維搜索，求出使En最小的γ值γηπι，就可以得到η+1次迭 代的突變點(diǎn)坐標(biāo)：
[0028]
[0029]
[0030] 如果對(duì)得到的{\，bj依然不滿意，再重復(fù)上述過程，直到得到滿意的設(shè)計(jì)參數(shù)為 止。
[0031] 非制冷焦平面探測(cè)器應(yīng)用在紅外長波波段，因此設(shè)計(jì)上采用的波長γ = 10 μ m， 衍射圖形外直徑：136611'環(huán)帶周期數(shù)為9,計(jì)算得到的焦距：f = 2591 (μπι);環(huán)帶半徑： r0= 161 ( μ m)、r 2= 227 ( μ m)，......r 16= 648 ( μ m) r 17= 669 ( μ m);最小環(huán)帶間距：v = 20. 3 ( μ m)；
[0032] 依據(jù)探測(cè)器像元中心間距48. 511?，列陣規(guī)模320X240,探測(cè)器有效面積長邊為 15. 5mm，寬邊為11.6mm，由此得到斬波器的曲線特征參數(shù)K = 10.0,有效曝光效率η = 45. 1 %，斬波器導(dǎo)致的探測(cè)器敏感元的行內(nèi)同步曝光誤差為23 %。
[0033] 斬波器整體采用特殊工藝的Si片，通過激光直寫刻蝕衍射片列陣成形，得到最終 的測(cè)試結(jié)果為：直接透過部分增加減反射（AR)膜后，在了 11"1~14…波段透過率優(yōu)于95%。 在FLA部分：分束比為I. 2X 103 ;衍射效率：η = 40% ;非均勻性：多點(diǎn)測(cè)試后優(yōu)于10%。
[0034] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器，包括斬波片，所述斬波片上 由阿基米德螺旋線分隔成打開區(qū)和遮擋區(qū)，其特征在于：在遮擋區(qū)面向光線入射面設(shè)置有 由衍射圖案形成的衍射面，所述衍射圖案為若干組陣列且無相交部分的同心環(huán)帶組。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器，其特征在 于：所述同心環(huán)帶組中各環(huán)帶的徑向?qū)挾葟闹行南蛲庖来芜f減，且環(huán)帶間的寬度也從中心 向外依次遞減。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器，旨在提供一種可極大提高熱像儀成像溫度動(dòng)態(tài)范圍的熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學(xué)斬波器。它包括斬波片，所述斬波片由阿基米德螺旋線分隔成打開區(qū)和遮擋區(qū)，所述遮擋區(qū)面向光線入射的一面稱為遮擋面；所述遮擋面為設(shè)置衍射圖案的衍射面，所述衍射圖案為若干組陣列且無相交部分的同心環(huán)帶組。本發(fā)明可極大減小斬波片遮擋期間和打開期間的溫度差異，從而提高熱像儀的可成像的溫度動(dòng)態(tài)范圍。
【IPC分類】G01J5/08, G02B26/04
【公開號(hào)】CN105158897
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510450130
【發(fā)明人】胡旭, 楊春麗, 李冉, 王微, 張甲, 姬榮斌, 李建林, 姬玉龍, 楊雪潔
【申請(qǐng)人】昆明物理研究所
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年7月28日