CN109297593A - 宽带红外光源与光谱调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带红外光源光谱调控方法，包含以下步骤：步骤S1：将混合波长红外光线准直为平行光；步骤S2：通过折射处理，使得混合波长红外光线形成多束单波长红外光线，不同波长的单波长红外光线沿不同方向出射；步骤S3：将单波长红外光线进行汇聚，相同波长的单波长红外光线汇聚在同一位置，不同波长的单波长红外光线的汇聚位置各不相同；步骤S4：对汇聚后的单波长红外光线进行选通，获得所需波长的单波长红外光线组成的目标光束。本发明还提供了一种宽带红外光源。本发明采用棱镜结构进行分光，分光后由微镜阵列对不同波长的光束进行选通，进而实现了对宽带红外光源出射光谱的控制。
Description
技术领域
本发明涉及半实物仿真、光电检测、光谱分析领域，具体地，涉及一种宽带红外光源与光谱调控方法，特别是一种光谱可控的宽带红外光源及光谱控制方法。
背景技术
在光学精确制导领域，为了提高制导系统对复杂战场环境的适应性，新型制导技术得到快速发展，如红外多谱段探测制导技术和红外多光谱/高光谱探测制导技术等。新型制导技术通过获取目标和干扰的光谱信息，能够有效提升对目标的探测、识别和跟踪能力，能够大幅提高制导系统的抗干扰能力。为了验证制导系统性能需要针对制导系统开展半实物仿真试验，在半实物仿真试验中要模拟制导系统所接收到的红外物理场景，必须使场景中的红外光谱分布与真实环境一致，为此需要一种光谱可控的宽带红外光源，用于产生不同光谱分布的红外物理场景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种宽带红外光源与光谱调控方法。
根据本发明提供的宽带红外光源光谱调控方法，包含以下步骤：
步骤S1：将混合波长红外光线准直为平行光束；
步骤S2：通过折射处理，使得混合波长红外光线形成多束单波长红外光线，不同波长的单波长红外光线沿不同方向出射；
步骤S3：将单波长红外光线进行汇聚，相同波长的单波长红外光线汇聚在同一位置，不同波长的单波长红外光线的汇聚位置各不相同；
步骤S4：对汇聚后的单波长红外光线进行选通，获得所需波长的单波长红外光线组成的目标光束。
优选地，还包含步骤S5：对所述目标光束进行匀光；
步骤S5中，通过匀光器对目标光束进行匀光，所述匀光器包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
优选地，步骤S1中，所述混合波长红外光线由黑体发出，使用准直凹面反射镜将多束混合波长红外光线准直为平行光束；
步骤S2中，使用棱镜结构对混合波长红外光线进行折射处理；
步骤S3中：使用成像凹面反射镜将单波长红外光线进行汇聚；
步骤S4中，使用微镜阵列对汇聚后的单波长红外光线进行选通。
本发明还提供了一种宽带红外光源，包含黑体、准直凹面反射镜、棱镜结构、成像凹面反射镜以及微镜阵列；
黑体发出的红外光线在传播路径上依次经过准直凹面反射镜、棱镜结构、成像凹面反射镜、微镜阵列。
优选地，黑体与准直凹面反射镜之间还设置有光栏。
优选地，其特征在于，还包含匀光器，红外光线在传播路径上经过微镜阵列后到达匀光器中；
所述匀光器包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
优选地，黑体高度h与微镜阵列工作区域的宽度a相等；
高温黑体宽度l与微镜阵列工作区域的长度b满足以下比例关系：
式中：f1为准直凹面反射镜的焦距，f2为成像凹面反射镜的焦距。
优选地，所述棱镜结构包含一个或多个棱镜；棱镜结构通光孔径B满足：
B≥D·cos(θ)
式中：D为到棱镜结构上的入射光束的直径，θ为到棱镜结构上的入射光束的入射角。
优选地，所述微镜阵列包含二维微镜阵列，所述二维微镜阵列中，单个微镜连接有偏转角度控制结构；或者所述微镜阵列包含一维微镜阵列，所述一维微镜阵列中，单个微镜偏转方向固定。
微镜阵列通过改变微镜空间排列布局实现不同光谱分布的控制。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用棱镜结构进行分光，分光后由微镜阵列对不同波长的光束进行选通，进而实现了对宽带红外光源出射光谱的控制；
2、本发明结构简单，易于实现，通过匀光器等结构的设置，能够得到均匀的宽带红外光源的发光面；
3、二维微镜阵列中，可通过电子方法控制微反射镜的偏转角度，从而控制入射光线的反射方向，操作简单；
4、对于一维微镜阵列，可通过更换不同结构布局的微镜阵列，实现不同光谱分布宽带红外光源的快速获取；
5、本发明采用宽带的红外材料实现棱镜结构，使宽带红外光源能够同时产生短波红外、中波红外和长波红外的红外辐射，且每个波段的光谱分布可控。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的宽带红外光源整体结构及工作原理示意图；
图2为二维微镜阵列结构及工作原理示意图；
图3为一维微镜阵列结构及工作原理示意图；
图4为黑体与微镜阵列尺寸关系示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的宽带红外光源，包含黑体1、准直凹面反射镜3、棱镜结构4、成像凹面反射镜5以及微镜阵列6；黑体1发出的红外光线在传播路径上依次经过准直凹面反射镜3、棱镜结构4、成像凹面反射镜5、微镜阵列6。优选地，黑体1与准直凹面反射镜3之间还设置有光栏2。优选地，宽带红外光源还包含匀光器7，红外光线在传播路径上经过微镜阵列6后到达匀光器7中；所述匀光器7包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
如图4所示，实施例中，黑体1高度h与微镜阵列6工作区域的宽度a相等；
高温黑体1宽度l与微镜阵列6工作区域的长度b满足以下比例关系：
式中：f1为准直凹面反射镜3的焦距，f2为成像凹面反射镜5的焦距。所述棱镜结构(4)包含一个或多个棱镜，实施例中采用了三个棱镜构成的棱镜组合。棱镜结构4通光孔径B满足：
B≥D·cos(θ)
式中：D为到棱镜结构4上的入射光束的直径，θ为到棱镜结构4上的入射光束的入射角。
如图2所示，所述微镜阵列6包含二维微镜阵列61，所述二维微镜阵列61中，单个微镜连接有偏转角度控制结构。或者，如图1所示，所述微镜阵列6包含一维微镜阵列62，所述一维微镜阵列62中，单个微镜偏转方向固定。优选地，多个微镜阵列6中包含有短波红外微镜阵列、中波红外微镜阵列以及长波红外微镜阵列。
本发明还提供了一种宽带红外光源光谱调控方法，包含以下步骤：步骤S1：将混合波长红外光线准直为平行光；步骤S2：通过折射处理，使得混合波长红外光线形成多束单波长红外光线，不同波长的单波长红外光线沿不同方向出射，优选地，相同波长的单波长红外光线平行出射；步骤S3：将单波长红外光线进行汇聚，相同波长的单波长红外光线汇聚在同一位置，不同波长的单波长红外光线的汇聚位置各不相同；步骤S4：对汇聚后的单波长红外光线进行选通，获得所需波长或波长范围的单波长红外光线组成的目标光束。宽带红外光源光谱调控方法还包含步骤S5：对所述目标光束进行匀光；步骤S5中，通过匀光器7对目标光束进行匀光，所述匀光器7包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
优选地，步骤S1中，所述混合波长红外光线由黑体1发出，使用准直凹面反射镜3将多束混合波长红外光线准直为平行光；步骤S2中，使用棱镜结构4对混合波长红外光线进行折射处理；步骤S3中：使用成像凹面反射镜5将单波长红外光线进行汇聚；步骤S4中，使用微镜阵列6对汇聚后的单波长红外光线进行选通。
优选实施方式：
高温黑体1输出全谱段的红外辐射，光谱分布复合普朗克定律。黑体1输出光波经过准直凹面反射镜3后变换为平行光束。平行光束经棱镜结构4反射后由成像凹面反射镜5成像至微镜阵列6。光束经过微镜阵列6反射并对不同光谱的光束进行选通后由匀光器7接收。匀光器7将不同谱段的光束匀化处理，形成可供后续使用的宽带红外光源的发光面。
棱镜结构4主要依靠不同波段光束在材料中传输路径的差异进行分光，使用棱镜结构4进行分光使得宽带红外光源具有较宽的工作波段和较高的能量利用率。根据材料在2～12μm波段内的折射率的差异，所制作的棱镜结构4能够实现入射光束的分光。但是由于红外材料折射率大，而且不同波段的折射率差异性小，单个棱镜的分光能力有限。考虑分光计的分光要求和空间尺寸，需要采用由三个棱镜拼接而成的棱镜组合对入射光束进行分光。三个分光棱镜采用不同材料制作，通过对三个棱镜的材料进行优化选择，可以弥补单种材料色散的非线性问题。入射光波长为λ1～λn，则出射光束里，波长为λ1和λn的光束夹角为Δδ，该值由棱镜材料折射率和棱镜折射角决定。
微镜阵列6采用半导体加工技术制作而成，其硅基面上制备精密的二维金属微反射镜阵列，采用电子方法控制微反射镜的偏转角度，从而控制入射光线的反射方向。通过设计入射光束和出射光束方向，控制不同位置的微反射镜偏转方向，可实现不同波长的光束的选通。对于光谱控制精度要求不高的场合，可选用镀有金属反射膜的条形棱镜结构，将其按照一定分布固定在基板上，形成一维微反射镜阵列。对于固定入射方向的光束具有选通功能。通过调整条形棱镜结构的布局可以实现不同波长光束的选通。二维微镜阵列61每个微镜的偏转方向可实时控制，可在光源工作时对光谱进行实时控制。一维微镜阵列62每个微镜的分布和偏转方向固定，因此在光源工作时光谱分布固定不变，但是可以通过更换具有不同结构分布微镜阵列6的达到控制光谱的目的。微镜阵列6如图2、图3所示。实际应用中，可选用基于MEMS工艺制作的微反射镜阵列，采用这种器件可在光源工作时实时控制出射光束的光谱分布。也可以选用常规光学元件拼接制作而成的一维反射镜阵列，该器件将镀有金属反射膜的条形棱镜结构按照一定分布固定在基板上，从而具有对固定入射方向的光束具有选通的功能。
匀光器7采用表面镀金属反射膜的匀光棒，光束入射匀光器7后经过多次反射从而实现匀光。准直凹面反射镜3和成像凹面反射镜5的焦距根据高温黑体1发热面和微镜阵列6工作区域而设计。高温黑体1发热面和微镜阵列6工作区域如图4所示。高温黑体1高度h与微镜阵列6工作区域的宽度a相同，即h＝a。高温黑体1宽度l与微镜阵列6工作区域的长度b成比例关系，存在：
f1为准直凹面反射镜3的焦距，f2为成像凹面反射镜5的焦距。
棱镜结构4通光孔径B大于入射光束直径D的余弦值，光束入射棱镜结构4的入射角为θ，即B≥D·cos(θ)。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种宽带红外光源光谱调控方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：将混合波长红外光线准直为平行光；
步骤S2：通过折射处理，使得混合波长红外光线形成多束单波长红外光线，不同波长的单波长红外光线沿不同方向出射；
步骤S3：将单波长红外光线进行汇聚，相同波长的单波长红外光线汇聚在同一位置，不同波长的单波长红外光线的汇聚位置各不相同；
步骤S4：对汇聚后的单波长红外光线进行选通，获得所需波长的单波长红外光线组成的目标光束。
2.根据权利要求1所述的宽带红外光源光谱调控方法，其特征在于，还包含步骤S5：对所述目标光束进行匀光；
步骤S5中，通过匀光器(7)对目标光束进行匀光，所述匀光器(7)包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
3.根据权利要求1所述的宽带红外光源光谱调控方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合波长红外光线由黑体(1)发出，使用准直凹面反射镜(3)将多束混合波长红外光线准直为平行光束；
步骤S2中，使用棱镜结构(4)对混合波长红外光线进行折射处理；
步骤S3中：使用成像凹面反射镜(5)将单波长红外光线进行汇聚；
步骤S4中，使用微镜阵列(6)对汇聚后的单波长红外光线进行选通。
4.一种宽带红外光源，其特征在于，包含黑体(1)、准直凹面反射镜(3)、棱镜结构(4)、成像凹面反射镜(5)以及微镜阵列(6)；
黑体(1)发出的红外光线在传播路径上依次经过准直凹面反射镜(3)、棱镜结构(4)、成像凹面反射镜(5)、微镜阵列(6)。
5.根据权利要求4所述的宽带红外光源，其特征在于，黑体(1)与准直凹面反射镜(3)之间还设置有光栏(2)。
6.根据权利要求5所述的宽带红外光源，其特征在于，还包含匀光器(7)，红外光线在传播路径上经过微镜阵列(6)后到达匀光器(7)中；
所述匀光器(7)包含表面镀金属反射膜的匀光棒。
7.根据权利要求4所述的宽带红外光源，其特征在于，黑体(1)高度h与微镜阵列(6)工作区域的宽度a相等；
高温黑体(1)宽度l与微镜阵列(6)工作区域的长度b满足以下比例关系：
式中：f1为准直凹面反射镜(3)的焦距，f2为成像凹面反射镜(5)的焦距。
8.根据权利要求4所述的宽带红外光源，其特征在于，所述棱镜结构(4)包含一个或多个棱镜；棱镜结构(4)通光孔径B满足：
B≥D·cos(θ)
式中：D为到棱镜结构(4)上的入射光束的直径，θ为到棱镜结构(4)上的入射光束的入射角。
9.根据权利要求4所述的宽带红外光源，其特征在于，所述微镜阵列(6)包含二维微镜阵列(61)，所述二维微镜阵列(61)中，单个微镜连接有偏转角度控制结构；或者所述微镜阵列(6)包含一维微镜阵列(62)，所述一维微镜阵列(62)中，单个微镜偏转方向固定。
10.根据权利要求4所述的宽带红外光源，其特征在于，微镜阵列(6)通过改变微镜空间排列布局实现不同光谱分布的控制。
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