紅外成像仿真的案例
【紅外仿真】艦船尾跡和海面紅外仿真成像
引 言
隨著紅外探測技術的快速發展，在農業、醫療、軍事領域都得到廣泛的應用。在 19 世紀中葉，紅外探測技術開始應用于天文學研究，到 20 世紀開始，紅外技術快速發展，逐漸引進至軍事應用，在多次軍事行動中表現突出。目前，美國研發的設備最高分辨率可達到 0.001 ℃。
由于艦船熱尾流所處環境比較復雜，需要考慮各種影響因素，采集大量的實驗數據，但時刻變化的環境很難實現在某一特定環境背景下進行多次實驗。因此，本文研究了粗糙海面紅外傳輸特性，建立紅外輻射傳輸模型，模擬仿真粗糙海面及潛艇尾跡高度場分布，綜合考慮輻射傳輸過程中多種影響因素，最終模擬出不同海洋背景及不同探測高度的紅外輻射亮度分布。
海面尾跡成像
潛艇尾跡
潛艇在航行中會對海面造成一定影響，形成一條范圍廣并且很難消去的尾跡，艦船的尾跡主要由海表尾跡、湍流尾跡和內波 3 種組成，其中海表尾跡可以最為直觀地被觀測到。本文利用 Kelvin尾跡模型模擬海面尾跡，該模型是目前尾跡模型中相對比較成熟的模型，將尾跡簡化為分歧波和橫斷波 2 類波組成，尾跡呈 V 字形展開，屬于重力波的一種，尾跡結構如圖 1 所示。
圖 1 Kelvin 尾跡波形特征
紅外成像映射模型
在針對某海域成像時為了圖像更加真實立體，需要建立仿真坐標系，并且需要進行坐標轉換。坐標系統示意圖如圖 2 所示。
圖 2 紅外成像模擬仿真坐標系統成像原理示意圖
熱尾流紅外成像仿真計算
如圖 3 所示，本文采用建模仿真的方法，基于尾流區海平面散度和高度特征，結合三維坐標變換和投影映射方法實現熱尾流目標的成像仿真過程。
展開 紅外物鏡設計難點突破？OAS 軟件仿真實現高性能成像
性能優化
通過 OAS 專項功能針對性解決紅外物鏡傳統設計痛點：針對紅外波段像差校正難題，啟用軟件像差自動校正與多配置優化算法，結合 MTF、點列圖、波前圖等分析工具，優化透鏡面形參數與紅外光學材料組合，實現色差、球差的精準抑制，邊緣視場成像清晰度顯著提升；
針對紅外雜散光干擾問題，利用 OAS 雜散光分析模塊，識別透鏡表面反射、鏡筒內壁散射及紅外熱輻射等干擾源，優化遮光結構設計并增設消雜光涂層，大幅降低雜散光對成像的影響；針對環境適應性弱問題，通過 OAS 光機熱耦合仿真，迭代優化透鏡與鏡筒的材料匹配及結構設計，有效抵消溫度變化帶來的結構變形，保障全溫域下的成像穩定性。
紅外物鏡
惠更斯PSF
點列圖
波像差圖
總結
本案例通過 OAS 光學軟件的光機熱一體化建模、多目標像差校正與雜散光優化功能，成功突破傳統紅外物鏡的設計瓶頸，實現了高分辨率、強環境適應性的紅外物鏡方案設計。相較于傳統設計流程，OAS 的跨尺度仿真能力大幅縮短了研發周期，降低了原型制作與測試成本，驗證了方案的可靠性與實用性。該方案為紅外物鏡的性能升級與場景化應用提供了高效、精準的技術支撐，助力紅外成像系統在各領域的技術迭代與應用拓展。
展開 紅外成像與微光成像的區別
微光成像技術
微光夜視技術又稱像增強技術，是通過帶像增強管的夜視鏡，對夜天光照亮的微弱目標像進行增強，以供觀察的光電成像技術。微光技術是光電高新技術中的重要組成部分。在微光夜視產品中，圖像增強器是核心器件，利用圖像增強器將夜空中微弱的自然光，如月光、星光、大氣灰光增強幾百倍、幾萬倍達到使人眼能夠進行遠距離觀察的程度。黃綠光是人眼最敏感的波長，因此，這種顏色的熒光屏常常被應用到增像器上。我們在電影電視里看特種部隊進行夜視成像時，夜視鏡頭里的圖景呈現黃綠色就是因為這個原因。
紅外成像技術
紅外夜視技術分為主動紅外夜視技術和被動紅外夜視技術。主動紅外夜視技術是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術，對應裝備為主動紅外夜視儀。被動紅外夜視技術是借助于目標自身發射的紅外輻射來實現觀察的紅外技術，它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發現目標。其裝備為熱成像儀。現階段監控攝像機裝備的都是主動紅外系統，對被動紅外系統的應用還較少。
微光成像技術優點
微光成像技術之所以被各國軍隊大量應用在夜視上，是因為它的全面性。該技術相比紅外技術，不需要紅外燈發射紅外線、不需要被觀測物體必須有熱量。從而很好的適應軍隊在不同環境下作戰。選擇紅外成像技術，第一得考慮紅外燈的損耗和維護，第二要考慮被觀測物體是否自身含有熱量。而微光成像技術不需要考慮這么多，只需借助自然光即可達成夜視效果。同時，微光夜視儀圖像清晰、體積小、重量輕、價格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，應用范圍廣，這些也是紅外夜視成像不可比擬的。
微光成像技術的缺點
微光成像技術的缺點在于易受周邊環境影響。如怕強光，具有暈光現象。在遇到強光的時候夜視儀無法進行觀測，觀測者會感到眩暈。
展開 紅外系統雜散光難管控？OAS精準助力高質量成像
OAS 光學軟件 | 紅外冷反射案例分析
01前言
在紅外光學系統中，冷反射現象是影響成像質量的關鍵因素之一。當系統內部低溫表面反射紅外輻射并干擾探測器正常接收信號時，會產生雜散光，導致圖像出現偽影、對比度下降等問題，嚴重影響紅外熱成像系統的探測精度與可靠性。
因此，有效分析和抑制紅外冷反射，對提升紅外光學系統性能至關重要。OAS 光學軟件憑借其強大的光學仿真與分析功能，為解決此類問題提供了高效的技術手段。
02案例描述
在制冷型紅外熱成像系統中，冷反射抑制面臨兩大核心難點：一是如何準確識別和量化各光學表面對冷反射的貢獻程度；二是在保證關鍵性能指標的前提下，對冷反射進行有效抑制。
針對這一難點，本文提出一種基于 OAS 光學軟件的紅外冷反射全鏈路分析方案：系統以長波紅外熱成像鏡頭為研究對象，涵蓋模型構建、光源精確配置、光線追跡、數據分析及優化設計等多個環節。
方案的核心在于利用 OAS 軟件的非序列光線追跡技術，建立從光源到探測器的全鏈路仿真模型，精準鎖定冷反射的主要貢獻面，進而對相關光學表面進行針對性優化。
03冷反射現象的形成機理
冷反射效應源于制冷型紅外系統中探測器與外殼之間的巨大溫差。在紅外熱成像系統中，制冷探測器通過前面光學表面的反射，使探測器探測到自身的像，形成邊緣亮而中心暗的黑斑現象，被稱為“冷反射”現象。
其物理機制可歸納為：制冷型探測器的探測度較非制冷型高出1至2個數量級，這使得系統對微弱信號變化極為敏感。當光學鏡片的鍍膜抗反射性能不完善時，殘留的熱輻射從每個鏡片表面返回，部分殼體熱輻射也到達探測器，從而形成可辨別的對比度差異。
探測器除了接收正常成像的景物輻射外，還通過光學鏡片表面的微弱反射，接收到本身及周圍低溫腔冷環境的影像，形成冷像。
展開 
紅外成像雜散光干擾強？OAS軟件深度解析破局
紅外雜散光案例分析
簡介
在紅外成像系統的設計中，雜散光始終是制約成像質量的核心問題。紅外波段的雜散光易源于光學元件反射、機械結構漫反射及遮光設計缺陷，直接導致成像對比度下降、信噪比降低，甚至出現偽影，影響目標識別精度。本案例基于 OAS 光學軟件，針對某緊湊型紅外成像系統開展雜散光模擬與分析，旨在定位關鍵干擾源、量化其影響，并為結構優化提供數據支撐，助力提升系統實用可靠性。
案例設置與操作
光源配置
采用 8-14μm 中波紅外平行光源，模擬遠距離目標輻射或環境紅外入射場景；光源半孔徑設為 15mm，與系統入射光瞳匹配；能量分布采用 300K 黑體輻射模型，貼合常溫環境背景，確保模擬場景的真實性。
模型構建
創建2片鍺材料紅外平凸透鏡，表面粗糙度 0.02μm。使用初始遮光罩、鋁合金鏡筒，通過布爾運算實現精準裝配。透鏡暫未鍍膜，鏡筒內壁未做遮光處理，暴露潛在雜散光風險。
探測器設置
選用紅外輻射探測器，采樣分辨率 512×512 像素；子光線代數設為 3，提升雜散光捕捉靈敏度；勾選 “雜散光路徑記錄” 與 “反向追跡” 功能，便于溯源干擾源頭。
遮陽板的三維追跡圖
總結
本案例借助 OAS 實現了紅外雜散光的精準分析：光機一體化建模確保幾何精度，反向追跡高效鎖定干擾源，可視化功能為優化提供方向。經優化，雜散光占比明顯下降，成像對比度提升。充分驗證了 OAS 在紅外系統設計中的實用性，為安防、遙感、醫療紅外設備研發提供可靠支撐。
展開 綜述: “近紅外-II”光學成像的最新進展
【引言】
生物成像能夠高度清晰的對各種生理和病理過程進行實時監測并使各種生物實體可視化，因此對于生命科學和醫學領域的發展是至關重要的。多年以來，生物成像在成像性能和不同功能的成像技術上都取得很大進展，利用某些生物分子和分子標志物來闡明各種疾病背后的各種復雜的分子和入胞機制，使得研究人員和臨床醫生能夠更深入地了解生命系統。同時，因為它可以進行更精確和有效的疾病診斷，從而改善患者的治療效果，所以生物成像對于臨床前研究和臨床應用也很重要。而近紅外就是目前最實用的一種。其中，“近紅外-II”波長在1000~1700 nm比可見光區（400~700 nm）以及“近紅外-I”（700~900 nm）存在著更高的空間分辨率、更深的穿透生物基質的深度、較低的光學吸收和散射和具有最小的組織自發熒光現象。目前，利用NIR-II熒光和光聲（PA）成像的無創成像技術，就體現了NIR-II光學成像的巨大吸引力。因此，NIR-II生物成像由于其在臨床前研究和臨床實用方面的巨大潛力而得到越來越多的探索。
【成果簡介】
近日，Adv. Mater. 在線刊登了新加坡國立大學的劉斌教授（通訊作者）等人總結的題為“Recent Advances of Optical Imaging in the Second Near-Infrared Window”綜述，報道了NIR-II光學成像的進展。文中從三個方面講述了NIR-II：首先強調NIR-II光譜區在生物成像中的重要性，然后討論各種NIR-II光譜區熒光成像和PA成像探針及其應用的出現和最新發展，最后給出了NIR-II光譜區生物成像的前景和所面臨的挑戰。
展開 紅外系統成像模糊不清？OAS 光學軟件精準攻克難題
紅外冷反射案例分析
簡介
在紅外光學系統中，冷反射現象是影響成像質量的關鍵因素之一。當系統內部低溫表面反射紅外輻射并干擾探測器正常接收信號時，會產生雜散光，導致圖像出現偽影、對比度下降等問題，嚴重影響紅外熱成像系統的探測精度與可靠性。因此，有效分析和抑制紅外冷反射，對提升紅外光學系統性能至關重要。OAS 光學軟件憑借其強大的光學仿真與分析功能，為解決此類問題提供了高效的技術手段。
OAS 軟件在案例中的應用
模型構建
利用 OAS 軟件的建模功能，建模出長波紅外熱成像鏡頭模型。該鏡頭作為研究對象，其結構參數與表面特性是建模的關鍵。隨后，在軟件材料庫中選擇或自定義簡單材料，并依據實際需求輸入詳細的光學參數，如折射率、吸收率等，將這些參數準確地定義在鏡頭表面，確保模型能夠真實反映實際光學系統的物理特性。
光源設置
創建適用于紅外冷反射分析的光源。鑒于案例聚焦于長波紅外波段，在軟件中設置紅外波長的光源，精確設定其波長范圍、輻射強度等參數。同時，對光線追跡的相關參數進行優化，包括追跡光線數量、追跡精度等，以保證光線追跡結果的準確性與可靠性。
光線追跡與數據采集
完成上述設置后，使用 OAS 軟件的光線追跡功能。軟件將依據設定的參數，模擬紅外光線在長波紅外熱成像鏡頭中的傳播路徑，精確計算光線在各個光學表面的反射、折射情況。在追跡過程中，軟件實時采集光線與光學系統相互作用的數據，為后續分析提供全面的數據基礎。
紅外系統的三位追跡圖
紅外系統的探測器結果圖（平滑兩次）
總結
本案例通過 OAS 光學軟件成功實現了對長波紅外熱成像鏡頭中紅外冷反射現象的模擬與分析，充分展示了該軟件在紅外光學系統設計與優化中的強大功能與應用潛力。
展開 中國地大《CEJ》：一種夜視成像系統用熒光粉的寬帶近紅外發射！
與近紅外芯片相比，近紅外熒光粉具有成本低、合成工藝成熟、組合可調等優點。
然而，目前氧化物近紅外熒光粉存在半高寬窄、熱穩定性差、光電效率低等缺點。來自中國地質大學（北京）和北京大學等單位的研究人員采用水熱法合成了立方結構的K3ScF6:Cr3+熒光粉。這些磷光體可被藍光（430nm）和紅光（630nm）有效激發，產生從650 nm到950 nm的寬帶Cr3+發射，最大半高寬為430 nm。在150°C下，它們還表現出良好的熱穩定性，并保持其初始強度的87.3%。在100 mA的驅動電流下，它們的光電效率可以達到制造的NIR發光二極管（NIR-LED）的9.315%。因此，基于該磷光體的NIR-LED器件可以在夜視成像系統中實現。相關論文以題目為“Broadband near-infrared emission of K3ScF6:Cr3+ phosphors for night vision imaging system sources”發表在Chemical Engineering Journal。
展開 第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
2.初始參數計算及分析
半像高h
h=(12×√(2×1024^2 ))/(2×1000)=8.689mm
可計算出半成像高h為8.689mm。
系統的焦距f
光學系統的半視場角w為3°，半像高h為8.689mm，根據焦距計算公式：f=h/tan w
可計算出焦距F為165.79mm。
系統入瞳的大小D
系統的F_#為1.65，光學系統的入瞳直徑為焦距與數的比值，則系統的入瞳直徑為：D=f/F_#
可以計算出系統的入瞳直徑D=100.48mm。。
系統要求口徑最大不超過110mm，因此采用二次成像系統，使系統的整體口徑不至于太大。系統的波段為3μm ~5μm，如果要想實現消色差，可能需要衍射元件來實現。而且系統需要實現在-40℃～+60℃無熱化，因此需要對系統進行消色差和消熱差兩種設計。
二次成像系統的構型圖如下圖所示
二次成像系統由物鏡組和中繼鏡組組成，其兩者之間的近軸初級關系為
將公式代入可以計算出系統物鏡組焦距為f_0為80.25mm，f_R為58.66mm，m為2.06。
物鏡的設計：
首先設置好材料，選用常用的硅和鍺材料，設置波段3~5um，入瞳直徑為100mm，控制系統的焦距為80mm，做初始優化。
優化后的物鏡的初始結構如下圖，作為系統物鏡組的初始結構。
目鏡的設計
根據近軸關系計算，目鏡m為2.06，可計算出中繼鏡組的物距為30.18mm，像距為62.18mm。系統口徑設置為物方數值孔徑，為了與物鏡組相匹配，物方數值孔徑為物鏡組的像方數值孔徑，為0.53，選取三片透鏡作為優化，優化后的結果為。
優化后的初始結構如下圖。
展開 唐本忠院士團隊：聚集誘導發光新突破，首次在非人靈長類動物實現1.5厘米深腋動脈血管近紅外二區熒光成像
圖3 隨機選取一只食蟹猴在靜脈注射AIE探針35天后主要器官的HE染色成像結果。
最后，研究了AIE探針在食蟹猴體內的近紅外二區熒光成像性能。靜脈注射AIE探針后，高清晰地觀察到了食蟹猴前肢、前臂內側、頭皮的血管脈絡，分辨率高達0.4 mm；腋窩皮下注射AIE探針，成功地觀測到食蟹猴的腋窩淋巴結。在此基礎上，挑選一根食蟹猴手臂深動脈血管，通過超聲多普勒成像確定了該血管位于皮下1.5 cm處。實驗結果發現：通過近紅外二區AIE探針可以清晰地觀測到深部靜脈血管，這是首次在靈長類動物上實現厘米級深部血管的近紅外二區熒光成像，對推動二區熒光成像的臨床應用研究具有重要意義。
圖4 AIE探針用于食蟹猴血管和淋巴結的NIR-II熒光成像
未來展望
本文報道了AIE探針在非靈長類動物體內的急性毒性和成像應用，對推動AIE探針的生物醫學應用和臨床轉化研究具有重要意義。
展開 紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術進行加熱的熱處理設備。它通過將電能轉化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉化為熱能，而無需通過傳導或對流來傳遞熱量。當物體暴露在紅外輻射源附近時，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內部溫度升高。
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
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基于comsol的超聲紅外裂紋摩擦發熱仿真分析
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</div>
</div><p><strong>超聲紅外熱探測技術的無損探傷基本原理：</strong></p><p>1、<strong>發射超聲振動：</strong>超聲紅外熱像技術是超聲波發生器產生電信號，產生短脈沖( 50 ～ 200 ms) 、低頻率( 20 ～ 40 kHz) 的超聲波作用于物體表面，超聲波經過界面耦合在物體中傳播。</p><p><strong>2、驅動損傷區域摩擦發熱：</strong>遇到裂紋、分層等損傷時，在超聲波的激勵下介質損傷兩界面間發生接觸碰撞，質點間的摩擦作用使超聲波產生的機械能轉化為熱能，從而使損傷處及相鄰區域的溫度明顯升高，</p><p><strong>3、紅外成像，發現熱區：</strong>其對應表面溫度場的變化可用紅外熱像儀觀察和記錄。</p><p><br></p><p> 此次采用comsol的固體力學和固體傳熱模塊復現 超聲致裂紋摩擦發熱基本原理。</p><p> 其中兩個模塊耦合采用的是固體力學的接觸-摩擦以及相應的摩擦耗散熱進行。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/d8ea00fe191141a2b3c48429e6dc7a32.gif"></p><p><br></p>
展開 起重機械金屬氣孔缺陷識別紅外熱波檢測仿真研究
焊接氣孔是較為常見的缺陷，紅外熱像檢測機理決定其對氣孔類缺陷檢測的優越性和有效性。鑒于紅外熱像法在焊縫缺陷檢測中的應用還很少見，故本文以氣孔缺陷為研究對象，利用workbench建立焊縫氣孔缺陷的紅外熱像檢測三維瞬態熱力學分析模型，從缺陷定性和定量分析的角度，研究激勵方式及激勵參數的選取對焊縫缺陷表面溫度的影響規律，為實際工程應用中焊縫缺陷的紅外熱像檢測提供可靠的檢測依據。
建模以及劃分網格
采用脈沖激勵方式，主要分為兩個過程，主動加熱和自然冷卻過程，持續時間為5s。
主動加熱過程：在0~0.02s內，對試件缺陷表面連續施加熱流密度為40000W/m2的脈沖熱流，脈沖寬度為20ms，由于脈沖時間較短，為了提高求解精度故應設置較小的載荷子步，此處設步長為0.0004s。自然冷卻過程：在0.02~5s 內，刪除脈沖熱流載荷，此時試件表面與環境空氣之間產生對流作用，由于對流時間相對較長，溫度變化較為緩慢，故載荷子步步長設為0.1s即可。結果如圖所示：
利用ANSYS Workbench瞬態熱力學模塊對整個熱波檢測過程進行了模擬，記錄了0~5s內試件表面的溫度場變化。不同時間區間獲取的脈沖紅外序列圖像如圖所示。圖中顯示了不同深度的缺陷表面溫度隨時間的變化，由于脈沖時間極短，能量較大，因此試件表面溫度上升比冷卻速率快。隨著時間的推移，熱波在試件內傳播并擴散到環境中，試件表面溫度在5秒時趨于平衡。
展開 Lumerical系列模塊聯合仿真中紅外硅基電光調制器
考慮到硅基電光調制器的成熟工藝，下文將展現仿真硅基電光調制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調制器和基于等離子共振色散的電光調制器。
在這里，硅基調制器的幾何結構以發表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數如下圖所示：
其中，不同區域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅動下硅材料的復數折射率的變化。當然，有些研究者比較理想化地考慮電驅動硅材料的摻雜載流子對其折射率的影響，往往采用下面的公式進行計算：
這樣的公式把摻雜硅材料理想花為具有電氣化過程的Drude材料模型。但是，我們希望計算薛定諤方程等方式，更加真實反應摻雜硅材料在電驅動下的折射率改變情況。因此，我們在charge模塊中構建了幾何模型，如下圖所示。
展開 Ansys成像鏡頭模組設計與仿真解決方案
Zemax光學設計產品集合
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Ansys光學–協同工作流程
成像鏡頭模組設計與仿真當前挑戰
1. 相機全鏈路級設計和仿真解決方案，包括鏡頭、傳感器、后處理和場景效果模擬
2. 場景雜散光模擬解決方案
3.
