基于红外成像光学系统的光源设计研究

论文摘要

红外成像系统主要往小型化、高清晰度、低照明功率、便携且廉价的方向发展。随着红外半导体发光材料的出现及其发光性能的提高,为主动式红外成像系统提供了很有价值的解决方案。主动式红外成像系统主要由红外光源、红外光学系统、红外变像管、高压转换器和电池组5部分组成。本文主要针对目前节能省耗的环境下,结合我国大力发展半导体照明的号召,国内红外光源的发展远远不能满足经济的发展需要。为此确立了本文的研究方向。本文在红外辐射的传输理论上,首先研究了红外辐射在大气中的传输特性以及对光学材料的选择,比较了几种通常使用的红外辐射光源;然后通过对半导体发光材料的机理进行学习,找到了一种以GaAlAs材料作为发光芯片的LED。研究了红外LED的特性,研究了近红外LED作为远距离照明光源时使照明系统增大输出功率的三点措施,提出一种红外LED阵列组成的光源系统的设想;最后设计了一种新型的准直光学系统,使红外LED光源实现更远距离的照明。同时研究了红外LED阵列光源的散热解决方案。正确地设计、使用光源,是主动红外成像取得满意效果的关键。通过对红外辐射理论的学习,本文主要完成了这些研究:熟练掌握红外辐射理论基础以及红外光谱知识,研究红外信号在大气中的传输的特性,同时得出适合近红外成像的光谱段;研究大气近红外传输特性、物体红外透射特性和红外光学材料的选择,选出适合透镜和抛物面反射镜的制作材料,设计出抛物面反射镜;熟悉各种红外光源,了解并比较几种通常使用的红外光源,研究红外LED的各种特性;研究满足实验室内监测的要求及稳定性的红外LED面阵式光源的系统设计,设计出一种新型的准直光学系统,可使红外LED面阵式光源实现远距离照明;提出了红外LED阵列光源的散热解决方案,使系统工作在尽量低温和稳压恒流的环境下。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 红外成像光学系统概述
• 1.2 课题背景和意义
• 1.2.1 国内外现状
• 1.2.2 课题意义
• 1.3 本文的研究内容和主要任务
• 2 红外辐射的传输特性
• 2.1 红外辐射及红外光谱
• 2.2 红外辐射在大气中的传输特性
• 2.2.1 大气的折射
• 2.2.2 大气消光及大气窗口
• 2.3 红外光学材料
• 2.3.1 红外晶体材料
• 2.3.2 红外玻璃
• 2.3.3 塑料
• 3 红外辐射源
• 3.1 热辐射红外光源的原理
• 3.2 几种红外辐射源的比较
• 3.2.1 白炽灯光源
• 3.2.2 氙灯
• 3.2.3 红外激光（LD）
• 3.2.4 LED 光源
• 4 红外LED 光源的模块设计
• 4.1 主动红外成像系统框架设计概述
• 4.2 红外LED 的工作原理
• 4.2.1 LED 的发光原理
• 4.2.2 红外LED 工作原理
• 4.2.3 红外LED 外型和结构
• 4.3 红外LED 的特性
• 4.3.1 红外LED 的响应时间
• 4.3.2 电光特性
• 4.3.3 红外LED 的温度特性
• 4.3.4 红外LED 的半功角
• 4.3.5 红外LED 与卤素灯性能比较
• 4.4 红外LED 光源的模块设计
• 4.4.1 设计红外LED 光源系统结构
• 4.4.2 增加个体LED 输出功率
• 4.4.3 红外LED 灯头电路设计
• 4.5 红外LED 光源的准直系统设计
• 4.5.1 抛物面反射镜的设计
• 4.5.2 红外LED 光源的准直系统设计
• 4.6 散热系统设计
• 4.6.1 红外LED 阵列的散热设计
• 4.6.2 风扇的安装设计
• 4.6.3 红外光源壳体整体结构散热与防热设计
• 5 红外LED 光源参数估算
• 5.1 红外LED 光源参数估算理论
• 5.1.1 红外LED 光源的光束散射角
• 5.1.2 红外光源的全发光距离
• 5.1.3 红外光源的轴向光强
• 5.1.4 红外光源的光强分布
• 5.2 红外光源参数确定
• 6 结束语
• 6.1 主要研究内容及完成工作
• 6.2 改进与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录