CN101398331A - 带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，包括密闭的封装壳体，封装壳体设置有锗玻璃窗口和光学玻璃窗口，壳体内为真空，壳体中间自上而下设置有一个双材料梁阵列，双材料梁阵列为梳齿状阵列，由多个均匀间隔分布的梳齿条构成，每个梳齿条均由热膨胀系数相差很大的两种材料构成，双材料梁阵列一侧安装有一个反光板，双材料梁阵列和锗玻璃窗口之间设置有一个微透镜阵列，所述微透镜阵列的排布方式为每个透镜的焦点落在双材料梁上。它是一种新型的基于光读出的红外焦平面阵列，彻底地解决了电读出的电流噪声问题，且制造工艺简单、成本低，具有高红外灵敏度、高填充因子和低噪声的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外探测和成像系统的核心元件红外焦平面阵列，特别涉及一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列。
背景技术
红外成像及遥感技术在军事、医疗、工程上有着广泛的应用。焦平面阵列简称FPA(Focal Plane Arrays)，是红外探测和成像系统的核心元件，其功能是将红外辐射转化成其它我们能够识别的电、光等信号。
红外焦平面阵列因其工作方式不同可以分为制冷型和非制冷型。装备非制冷型焦平面的红外成像系统的主要优点是结构简单、便携、价格便宜，因此不论在军事上还是在民用上都拥有巨大的市场和潜力。
非制冷型红外焦平面的种类很多，其原理基本都是利用焦平面吸收红外辐射产生温度变化，再由焦平面将温度变化转化为电压、电阻、光等信号的变化。
目前市场上主流的非制冷型红外焦平面阵列主要以电读出为主，所谓电读出就是由焦平面阵列将红外辐射引起的温度变化转化成电信号，由于电流流过本身就会有热量产生，这种热量也会导致温度变化，最终转化成噪声信号，这是电读出型红外焦平面的先天不足。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，它是一种新型的基于光读出的红外焦平面阵列，是用光信号来显示红外辐射引起的温度变化，它彻底地解决了电读出的电流噪声问题，且制造工艺简单、成本低，具有高红外灵敏度、高填充因子和低噪声的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，包括密闭的封装壳体，所述封装壳体一面为锗玻璃窗口，另一面为光学玻璃窗口，所述封装壳体内为真空，封装壳体中间自上而下贯穿设置有一个双材料梁阵列，所述双材料梁阵列为梳齿状阵列，由多个均匀间隔分布的梳齿条构成，每个梳齿条均由热膨胀系数相差很大的两种材料构成，双材料梁阵列靠近光学玻璃窗口的一侧安装有一个反光板，双材料梁阵列和锗玻璃窗口之间设置有一个微透镜阵列，所述微透镜阵列的排布方式为每个透镜的焦点落在双材料梁上，使得每个透镜对应的红外辐射被汇聚到双材料梁上。
每个梳齿条均由氮化硅和铝或氮化硅和金构成。
梳齿条靠近锗玻璃窗口的一侧为氮化硅，靠近光学玻璃窗口的一侧为铝或金，铝或金与氮化硅复合为一体。
本发明在双材料梁阵列和锗玻璃窗口之间加入微透镜阵列，从而形成带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，其优点是：1、相对于没有波前校正的红外焦平面阵列本发明带波前校正功能的红外焦平面阵列具有更高的填充系数，所谓填充系数就是焦平面阵列内红外敏感区域面积所占总焦平面阵列面积的比例。2、减少反光板吸热而产生的弯曲和热串扰。3、具有更高的红外探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列结构示意图。
图2是本发明带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列工作原理图。
图3是本发明所述焦平面阵列成像单元结构示意图。
图中：1、封装壳体；2、锗玻璃窗口；3、光学玻璃窗口；4、双材料梁阵列；41、氮化硅；42、铝或金；5、反光板；6、微透镜阵列；7、LED灯；8、小孔；9、平行光；10、反射光；11、傅立叶变换透镜；12、半反镜；13、滤波器；14、CCD相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，包括密闭的封装壳体1，所述封装壳体一面为锗玻璃窗口2，另一面为光学玻璃窗口3，锗玻璃窗口用来透过红外光，光学玻璃窗口用来透过可见光，所述封装壳体内为真空，封装壳体中间自上而下贯穿设置有一个双材料梁阵列4，所述双材料梁阵列为梳齿状阵列，由多个均匀间隔分布的梳齿条构成，每个梳齿条均由热膨胀系数相差很大的两种材料构成，双材料梁阵列靠近光学玻璃窗口的一侧安装有一个反光板5，双材料梁阵列和锗玻璃窗口之间设置有一个微透镜阵列6，所述微透镜阵列的排布方式为每个透镜的焦点落在双材料梁上，使得每个透镜对应的红外辐射被汇聚到双材料梁上。
每个梳齿条均由氮化硅和铝或氮化硅和金构成。
梳齿条靠近锗玻璃窗口的一侧为氮化硅41，靠近光学玻璃窗口的一侧为铝或金42，铝或金与氮化硅复合为一体。
本发明所述微透镜阵列起到了波前校正的功能。红外辐射通过锗玻璃窗口、经过微透镜阵列汇聚之后再辐射到双材料梁阵列上，可以使每个透镜的焦点落在双材料梁上。
由于透镜的汇聚功能，每个透镜对应的红外辐射被汇聚到双材料梁上，而不是按面积的比例均匀地分配到双材料梁和反光板上。加入波前校正之后，辐射到反光板上的红外辐射被汇聚到双材料梁上了，这样就把浪费在反光板上的红外辐射汇聚到双材料梁上，因为反光板的主要作用是反射从光学玻璃窗口方向射入的可见光，而双材料梁才是用来吸收红外辐射的红外敏感单元，因此辐射到反光板上的红外辐射可以说是浪费。很明显，本发明带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列具有更高的灵敏度和填充因子，而且由于波前校正的作用，反光板不再吸收红外辐射，也就不会有温度变化，从而解决了没有波前校正带来反光板吸收红外辐射产生的热串扰。
本发明所述带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列的工作原理如图2所示，当红外辐射发生时，红外辐射通过锗玻璃窗口、经过微透镜阵列汇聚之后再辐射到双材料梁阵列上，由于热膨胀系数不一样导致双材料梁产生了弯曲，带动反光板弯曲，反光板的弯曲可以通过多种光学方法来转化为图像，例如光干涉法，刀口滤波法。图2给出的是刀口滤波读出：LED灯7发出的可见光经小孔8形成点光源，再经由透镜形成平行光9照射到反光板上，反射形成反射光10，其反射光通过傅立叶变换透镜11和半反镜12再在滤波器13处滤波，最后在CCD相机14处成像。
综上所述，本发明带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列是一种具有高红外灵敏度、高填充因子、低噪声的新型非制冷红外探测焦平面阵列。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1、一种带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，包括密闭的封装壳体，所述封装壳体一面为锗玻璃窗口，另一面为光学玻璃窗口，其特征在于：所述封装壳体内为真空，封装壳体中间自上而下贯穿设置有一个双材料梁阵列，所述双材料梁阵列为梳齿状阵列，由多个均匀间隔分布的梳齿条构成，每个梳齿条均由热膨胀系数相差很大的两种材料构成，双材料梁阵列靠近光学玻璃窗口的一侧安装有一个反光板，双材料梁阵列和锗玻璃窗口之间设置有一个微透镜阵列，所述微透镜阵列的排布方式为每个透镜的焦点落在双材料梁上，使得每个透镜对应的红外辐射被汇聚到双材料梁上。
2、如权利要求1所述的带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，其特征在于：每个梳齿条均由氮化硅和铝或氮化硅和金构成。
3、如权利要求2所述的带波前校正功能的双材料梁非制冷红外焦平面阵列，其特征在于：梳齿条靠近锗玻璃窗口的一侧为氮化硅，靠近光学玻璃窗口的一侧为铝或金，铝或金与氮化硅复合为一体。
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