一種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學斬波器的制造方法
【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器獲取目標景物的紅 外熱輻射信息，按照探測器的工作溫度高低可以將器件分成兩個大的種類：工作時探測器 敏感元溫度在-100°C及以下的制冷型、工作時探測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器的原理如圖1所示，其將人眼不可見場景的紅外輻射1，經(jīng)過透鏡 2到達紅外焦平面探測器3轉(zhuǎn)化為不同大小電信號30,之后傳輸?shù)教綔y器外部提供其他電 子部件進行處理得到紅外圖像。
[0003] 熱釋電紅外探測器是非制冷紅外探測器一種，由于探測器的材料只能工作在交流 耦合模式下，需要外界場景有間斷的變化。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現(xiàn)外部場景 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，被探測景物的信號是全部切斷的，探測器得到的是斬 波器背面的溫度圖像。當所觀察的場景溫度與斬波器背面的溫度相差較大時，就會使探 測器信號輸出飽和而失去探測能力，例如，當環(huán)境溫度為10°c，而斬波器背面的溫度也是 KTC時，在觀察27°C的人可以清楚的話，目標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，斬波器的溫度在穩(wěn)定后也將與室外環(huán)境溫度相同，此時觀 察人目標溫度為27°C，目標與斬波器溫差為37°C，使探測器的輸出信號飽和而失去探測能 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，提供了一種適用范圍廣，可極大提高熱像儀成 像溫度動態(tài)范圍的熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學斬波器。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學斬波器，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：
[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，也能使探測器接收到景物均勻輻射，獲得實時景物的平均溫度數(shù)值而不成像，而斬波片 在打開期間使探測器收到一個高分辨率的景物圖像，這樣就能獲得觀察場景中的溫度分布 與觀察場景的平均溫度信號，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 利用實時場景的平均溫度進行圖像校正，從而提高熱像儀的可成像的溫度動態(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，使得熱像儀的應用范圍大 幅度擴展。
【附圖說明】
[0011] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(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)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，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)明斬波片與未設置衍射面斬波片的透過率比較圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[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)的有機物薄膜。采用有機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)設計如下，尋找一組相位突變點坐標集{aL，bL}使其滿足衍射譜 m在一 M到M級次內(nèi)，即2M - 1個光束的光強均勻分布，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] 為評價優(yōu)化過程及其效果，定義誤差函數(shù)
[0025]
[0026] 公式中//〃）是各級強度分布的理論目標值；α是在優(yōu)化過程中所取的假設自由 補償參數(shù)，α的值在0~1范圍內(nèi)變化；誤差函數(shù)的第一項是衡量設計值P(m)與目標值的 差異，第二項是衡量衍射效率的，α的取值不同，誤差函數(shù)表達式中兩項所占權(quán)重的大小就 不同，設計時根據(jù)對光束均勻性以及衍射效率要求的大小選取一定的α值；
[0027] 評價函數(shù)與突變坐標{aL，bL}以及相位角Θ之間是一個很復雜的非線性關(guān)系，一 般用非線性優(yōu)化算法進行優(yōu)化。假設優(yōu)化過程中第η次迭代的突變坐標為{aL，n，bL，η}， 誤差函數(shù)為Ε 2,在η每次給定突變點{aL，η，bL，η}的一個微量變化，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γ進行一維搜索，求出使En最小的γ值γηπι，就可以得到η+1次迭 代的突變點坐標：
[0028]
[0029]
[0030] 如果對得到的{\，bj依然不滿意，再重復上述過程，直到得到滿意的設計參數(shù)為 止。
[0031] 非制冷焦平面探測器應用在紅外長波波段，因此設計上采用的波長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)探測器像元中心間距48. 511?，列陣規(guī)模320X240,探測器有效面積長邊為 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 %，斬波器導致的探測器敏感元的行內(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：多點測試后優(yōu)于10%。
[0034] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學斬波器，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斬波器，旨在提供一種可極大提高熱像儀成像溫度動態(tài)范圍的熱釋電非制冷長波紅外熱像儀用二元光學斬波器。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態(tài)范圍。
【IPC分類】G01J5/08, G02B26/04
【公開號】CN105158897
【申請?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
【申請人】昆明物理研究所
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月28日