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摘要∶红外成像系统的性能检测是产品质量的重要保证。 文章介绍了一种红外成像系统的检测设备的设计。通过设计定特征的红外目标图像，检测红外成像系统的成像功能，同时检测红外成像系统的分辨率、成像坏元等关键性指标，通过检测系统控制设计保证检测系统输出的红外图像的温度阈值范围和质量满足被测对象的要求，并能够提供可设置的图像，实现了对红外成像系统的功能和性能检测;检测系统温度分辨率不大于0.2 度，图像相对畸变2%，目标运动精度不大于 0.05 度，光能分布不均匀度不大于10%，视场角不小于8度。
红外成像具有抗干扰能力强、成像距离远、分辨率高等优点，红外成像技术检验验证需要专用的红外仪器设备，国内普遍采用的红外成像系统的检验检测手段包括设置红外靶标，借助热像仪等设备对红外目标图像进行校准，然后利用红外目标图像对红外成像系统进行静态测试，这种方法往往局限于试验室内，对红外成像系统进行静态测试和功能性测试，主要缺点是每次对目标图像的设置需要相对专业人员完成，保障要求高，专业性强。
本文提出一种红外成像系统检测系统的设计，通过分析被测对象的需求，针对性的设计了红外目标图像，通过红外光学镜组的设计满足被测红外成像系统不同视场、不同景深的测试需求，检测系统中设计了温度自动监测和控制装置，用于完成红外目标图像和背景温度设置，检测系统属于自动控制检测系统，能够自动设置温度、自动根据被测系统的需要变换目标图像，从而完成红外成像系统的自动化检测。
1、检测原理
被测红外成像系统属于机电一体的复杂光电设备，主要性能指标包括成像质量、分辨率等，在产品生产和出厂环节需要对其功能性能进行检测以保证产品在各个环节的质量，原检测设备为手动检测，分步检测，效率低，数据一致性差。新一代的检测系统实现了对被测对象主要功能及性能指标检测，检测系统设计了满足被测对象要求的红外目标图像、光学耦合组件、控制组件及机械对接系统，实现了自动化测量、数据分析处理等功能。
检测系统的机械对接系统用于检测系统与被测系统检测自动对接，保证两个系统之间的光路耦合及匹配，同时用于靶标红外目标图像和灰度目标图像之间的切换以及目标运动范围的控制与保护。
检测系统的红外目标图像用于检测被测对象的成像功能、分辨率和成像器件的维护，红外目标图像通过红外光学耦合组件后能够使被测对象观察到清晰、亮度均匀、高成像质量的红外景象图像，红外目标图像通过光学耦合系统处理后完成短距离条件下对远距离的红外目标图像的模拟，满足被测对象对不同景深目标的成像需求;背景均匀的灰度目标图像用于对被测系统 CCD 成像坏元情况进行检查，通过灰度图成像分析检测被测对象成像元件的质量;检测系统可以对设计的红外目标图像进行移动，通过移动的红外目标图像，检测被测对象的成像视场角及对图像的识别追踪能力，检测系统还可以控制红外目标图像及背景的温度，用以检测被测对象的温度分辨率和适应范围。
检测系统的控制组件通过与被测对象交互可以获得被测对象的成像参数，根据相关参数的比较判断被测对象成像质量及成像元件的坏元情况，温度控制部分在一定精度条件下控制红外目标及背景的温度，实现被测系统红外目标成像的温度要求，完成对被测系统温度适应性及分辨率的检测。控制系统运动控制部分按一定精度控制运动机构运动，保证机械系统的对接和红外目标图像的运动。
光学耦合组件完成红外光路的变换，通过光学光路及焦距的设置将红外目标图像精确投放到被测对象的视场并模拟出被检测系统需要的景深。
2、检测系统设计
2.1 系统组成
检测系统主要由红外光学成像系统、控制系统和结构系统组成，系统组成框图如图1所示。
结构系统包括对接、平移、支撑、运动等机构，对接结构可以保证检测系统与被测系统快速对接，保证检测设备光路部分与被测设备的镜头对准，使两部分光路出入耦合，保证被测系统的红外探测器通过镜头可探测到检测系统产生的红外目标图像。运动机构用于红外目标图像的二维平面运动，在运动控制组件的控制下能够使红外目标图像在二维平面内进行运动。
红外光学成像系统包括红外目标图像产生装置、红外照明模块和红外光学耦合组件。红外照明模块提供红外目标图像的照明及背景温度的控制，配合红外目标图像产生装置生成设定的红外目标图像，红外光学耦合组件将红外目标图像按照被测系统探测器的要求调整红外目标图像的光路及焦距，使其与被检测系统的探测器镜头光路耦合，保证红外成像的视距和范围。
自动控制系统包括温度控制装置、运动控制装置和系统控制装置，温度控制装置负责设定和控制红外目标图像与背景的温度，保证被测系统探测器能够清晰成像，并完成探测器成像温度范围检测。运动控制系统负责图像的运动及不同目标图像间的切换，为被测系统探测器提供不同的目标图像和运动图像，检测被测系统探测器 CCD的性能和系统的动态成像功能。系统控制装置负责检测系统与被测系统及上位控制计算机的通信，接收上位机控制命令、反馈执行状态和结果，提供用户接口控制，对获取的数据进行分析处理等;根据控制需要发送控制指令到温度控制装置和运动控制装置并接收反馈执行信息，完成温度控制和运动控制。
2.2 红外光学成像系统设计
红外光学系统是检测系统的关键组成部分，由红外光学耦合系统、红外目标图像产生装置、红外照明模块组成。红外光学成像系统的主要功能性能参数如下∶
可以调节光强变化，能够模拟产生目标图像，红外目标图像能够在靶标图和灰度图之间进行切换，目标图像能够在二维平面内进行运动;
目标图形的工作波段满足被测对象要求，温度分辨率不大于0.2℃，图像最大相对畸变不大于2%;视场角不小于8°，目标运动范围不大于15°，速度精度不大于 0.01°/s，响应时间不大于20 ms。
红外红外光学成像系统设计时受以下因素约束∶
1）满足被测对象较大视场口径要求;
2）红外图像高像质，小畸变;
3）消除红外光学系统成像时温度影响。
根据上述要求和参数进行光学系统设计，结构组成如图2所示。
红外照明模块负责红外图像及背景的红外照明;红外图像产生装置用于生成功能检测图像、灰度图象及分辨率检测图像，分别用于不同的检测环节;耦合系统对红外目标图像光路进行控制以保证被测系统探测器成像的视距和范围。经光学结构优化设计，红外光学耦合系统最终由数片透镜组成。检测系统的红外光学成像系统形成了一个完整的红外光学投射系统，红外光学投射系统的设计依据光学特征进行设计并根据工程化需要对光学系统中影响成像质量的因素进行了针对性的设计处理，保证了红外目标图像稳定度、清晰度和质量。
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发表于 2022-5-8 11:00:00
