CN102520334A - 一种基于mems工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，属于动态红外场景生成技术领域；本方法能够实现可见光图像到红外图像的转换，达到大幅度提高动态红外图像生成装置的性能指标并降低成本的目的；该装置包括衬底、由像素立柱构成的光纤阵列和像素立柱顶端的可见光吸收红外辐射层。衬底的材料根据设计光路不同可以采用透明玻璃或者硅；光纤阵列是利用MEMS工艺在衬底上制作而成，构成光纤阵列的每个像素立柱相互独立，作为一个成像像元；可见光吸收红外辐射膜制作在每个像素立柱的顶端，可见光吸收红外辐射膜吸收入射来的可见光图像的能量，温度升高后向外辐射红外光，产生与可见光图像对应的红外图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，属于动态红外场景生成技术领域。
背景技术
红外场景产生技术是红外成像制导半实物仿真系统的核心技术，对红外成像制导技术半实物系统仿真有及其重要的作用。动态红外场景产生技术在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外图像传感器提供实时红外目标和背景的红外图像源。
动态红外图像生成技术可归纳为直接辐射型和辐射调制型两种类型。
对于直接辐射型图像转换器来说，其成像像元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制，主要转换器件有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和基于光纤的红外图像生成器等。
对于辐射调制型图像转换器来说，其实际上是空间光调制器，计算机图像生成系统控制对器件的读出光进行空间强度调制，主要转换器件有液晶光阀、数字微镜器件(DMD)、薄膜空间光调制器等。
在上述这些转换器件中，液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、数字微镜器件(DMD)和激光二极管阵列在红外图像系统半实物仿真试验中得到实际应用。
电阻阵列通过电阻单元内的控制电路控制流过每个电阻的电流就可以控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的。但是，硅桥电阻阵列的缺陷是像元尺寸大，占空比低，难以发展较大尺寸的电阻阵列，空间分辨率低。
数字微镜器件(DMD)的每个像素点就是一个微小镜片，每个镜片都可以通过电路控制偏转来调整反射光线的强弱。基于数字微镜器件(DMD)技术的红外场景产生器件在最近几年得到了迅猛发展，目前报道的最高分辨率已经达到了1920×1080[17]。该红外图像发生器优点是可以对较宽光谱的读出光进行调制，生成图像对比度高，技术成熟且已经有了广泛的应用，但它加工工艺相当复杂，这阻碍了它的进一步发展。
Bly元件是一种镀金黑的薄膜，它吸收可见光图像的辐射，引起薄膜发热，金黑薄膜上产生与可见光图像相对应的红外图像。薄膜越薄响应速度越快，但是薄膜太薄(20～200nm)时机械性能就很差，不能做成大面积，因此空间分辨率低；通常不能承受500K以上的温度。
基于光纤的红外图像生成器是将光纤做成光纤束，然后将光纤束切成需要的面板形式并固定于玻璃基板上，最后在光纤端面制作可见光吸收膜层和红外发射膜层。基于光纤的红外图像生成器的工作原理和Bly cell相同，只是用光纤做“空间采样”从而提高了空间分辨率，但是玻璃基板的制冷效果差影响了转换图像质量，且其制作工艺复杂，制作过程可控性差。
发明内容
本发明为解决现有技术中基于光纤的红外图像生成器玻璃基板的制冷效果差、制作工艺复杂的问题，提出一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置。本装置利用MEMS工艺在衬底上制作光纤阵列并在光纤阵列的每个像素立柱顶端形成可见光吸收红外辐射层，可见光吸收红外辐射层吸收入射的可见光图像能量温度升高，同时向外辐射产生红外图像。
本发明装置是通过下述技术方案实现的：
一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，包括衬底、光纤阵列和可见光吸收红外辐射层，其中：光纤阵列是利用MEMS工艺在衬底上加工制作而成，由周期性分布的像素立柱矩阵构成，光纤阵列与衬底紧密结合，每个像素立柱顶端制作有可见光吸收红外辐射层。
所述的衬底为整个装置的支撑层，起到保证整个装置机械强度和散热的作用。
衬底的面积和厚度的设计尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的衬底的面积越大；需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底的厚度越大。
衬底的材料根据光路设计和需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：可以为透光材料也可以为不透光材料，如果设计的光路需要透过衬底则衬底材料必须为透光材料；如果需要生成的红外动态场景的背景温度要求低(低于室温20℃)或者需要生成的红外动态场景的帧频大于50Hz则需要选用不透光材料硅为衬底。
所述的光纤阵列由像素立柱构成，像素立柱的结构尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：
像素立柱的数量根据红外动态场景的空间分辨率来选定，需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱的数量越多。
像素立柱的截面积根据红外动态场景的空间分辨率和像素占空比来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱的截面积越小；需要生成的红外动态场景的像素占空比越大，像素立柱的截面积越大。
像素立柱的间距根据红外动态场景的空间分辨率、像素占空比和温度分辨率来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱的间距越小；需要生成的红外动态场景的像素占空比越大，像素立柱的间距越小。需要生成的红外动态场景的温度分辨率越高，像素立柱的间距越大。
像素立柱的高度根据红外动态场景的最高温度和帧频选定：需要生成的红外动态场景的最高温度越高，像素立柱的高度越大；需要生成的红外动态场景的帧频越大，像素立柱的高度越小。
所述阵列的材料根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：需要生成的红外动态场景的最高温度越高，则选择的材料的导热性需要越差，同时要求所选材料的MEMS工艺加工时的宽深比越大；需要生成的红外动态场景的帧频越高，则选择的材料的导热性需要越好。
光纤阵列与衬底结合部位的材料厚度大小根据像素立柱的高度和截面积来选定：像素立柱高度越高，光纤阵列与衬底结合部位的材料厚度越厚；像素立柱截面积越大，光纤阵列与衬底结合部位的材料厚度越小。
所述的可见光吸收红外辐射层被制作在光纤阵列的每个像素立柱顶端，是吸收可见光图像能量和辐射红外图像的关键部分；其面积与相应的像素立柱截面积一致。
可见光吸收红外辐射层的材料根据光纤阵列的材料来选定：可见光吸收红外辐射层的材料必须具有很好的与光纤阵列材料的粘附性，且能通过MEMS工艺与像素立柱结合为一体。
有益效果
本发明提出的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，对比已有技术，具有以下有益效果：
1)利用MEMS工艺制作，工艺简单，制作过程可控性高。
2)衬底可以使用透明玻璃和不透明硅片两种形式，使得光路设计更加灵活。
3)衬底使用硅片时衬底温度可精确控制，使得产生的红外动态场景背景温度稳定。
4)衬底使用硅时，硅的超高导热性使得装置在产生红外动态场景时像素间没有串扰，同时具有高分辨率和高帧频的性能。
5)利用MEMS工艺制作的光纤阵列尺寸控制精确，使得设计与产品有很高的契合性，大大提高了不同性能要求的装置参数计算的可靠性。
6)利用MEMS工艺将可见光吸收红外辐射层仅制作在像素立柱的顶端，采用这种加工方式大大提高了产生的红外动态场景的空间分辨率、串扰、温度分辨率。
附图说明
图1为本发明一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置的结构示意图；
图2为本发明一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置的剖面示意图；
图3为具体实施方式中采用透光玻璃衬底的装置工作光路图；
图4为具体实施方式中采用硅衬底的装置工作光路图。
标号说明：
1-衬底，2-像素立柱，3-可见光吸收红外辐射层，4-可见光反射红外透射膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明，
图1为一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置的示意图，如图所示，装置包括衬底1、由像素立柱2构成的光纤阵列以及像素立柱2顶端的可见光吸收红外辐射层3。
其中，衬底1为整个装置的支撑层，起到保证整个装置机械强度和散热的作用。
衬底1的面积和厚度的设计尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：
衬底1的面积根据需要生成的红外动态场景的空间分辨率来选定：需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的衬底的面积越大。
衬底1的厚度根据需要生成的红外动态场景的温度分辨率来选定：需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底的厚度越大。
衬底1的材料根据光路设计和需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：如果设计的光路需要透过衬底则衬底1材料必须为透光材料；如果需要生成的红外动态场景的背景温度要求低(低于室温20℃)或者需要生成的红外动态场景的帧频大于50Hz则需要选用不透光材料硅为衬底1。
在实际制作时使用的衬底1为单面抛光的硅材料，其中硅衬底的面积为φ50mm，厚度为300μm。采用单面抛光的硅为衬底1材料，在抛光面上进行MEMS工艺操作，使得装置的有很好的均匀性，并且面积为φ50mm，厚度为300μm的硅片有很好的机械性。
光纤阵列是利用MEMS工艺加工在衬底1上制作而成，是由周期性分布的像素立柱2矩阵构成，光纤阵列与衬底1紧密结合。
像素立柱2的结构尺寸根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：
像素立柱2的数量由红外动态场景的空间分辨率来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱2的数量越多。
像素立柱2的截面积由红外动态场景的空间分辨率和像素占空比来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱2的截面积越小；需要生成的红外动态场景的像素占空比越大，像素立柱2的截面积越大。
像素立柱2的间距由红外动态场景的空间分辨率、像素占空比和温度分辨率来选定：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，像素立柱2的间距越小；需要生成的红外动态场景的像素占空比越大，像素立柱2的间距越小。需要生成的红外动态场景的温度分辨率越高，像素立柱2的间距越大。
像素立柱2的高度由红外动态场景的最高温度和帧频来选定：需要生成的红外动态场景的最高温度越高，像素立柱2的高度越大；需要生成的红外动态场景的帧频越大，像素立柱2的高度越小。
光纤阵列与衬底1结合部位的材料厚度与像素立柱2的高度和截面积来选定：像素立柱2高度越高，光纤阵列与衬底1结合部位的材料厚度越厚；像素立柱2截面积越大，光纤阵列与衬底1结合部位的材料厚度越小。
光纤阵列的材料根据需要生成的红外动态场景的性能指标来选定：
需要生成的红外动态场景的最高温度越高，则选择的材料的导热性需要越差，同时要求所选材料的MEMS工艺加工时的宽深比越大。
需要生成的红外动态场景的帧频越高，则选择的材料的导热性需要越好。
在实际制作时，综合以上各影响因素，选用了聚酰亚胺作为光纤阵列的材料。聚酰亚胺材料为粘稠液态，在加热后可以亚胺化，即固化，所以可很好的控制其制作厚度，同时聚酰亚胺适合MEMS工艺的加工工艺，方便了下一步光纤阵列的成型。
光纤阵列由像素立柱2周期性排列而成，像素立柱2的截面积为20μm×20μm，间距为5μm，像素立柱2的高度为35μm，光纤阵列与衬底1结合部位的聚酰亚胺层厚度为5μm。此结构能够保证光纤阵列的均匀性，使得像素立柱2保持直立状态。
可见光吸收红外辐射层3被制作在光纤阵列的每个像素立柱2顶端，是吸收可见光图像能量和辐射红外图像的关键部分。
可见光吸收红外辐射层3的面积与光纤阵列的像素立柱2截面积相同，为20μm×20μm，布满整个像素立柱2的截面，材料使用碳化后的光刻胶，这有利于可见光吸收红外辐射层3的制作。
本装置的具体工作过程如图3所示，具体工作过程为：
整个装置置于真空室中，可见光图像经置于装置前面的反射镜面反射后入射到装置上，图像的聚焦面为可见光吸收红外辐射层3的制作面。可见光吸收红外辐射层3吸收入射来的可见光图像能量，温度升高，然后通过辐射膜向外辐射与可见光图像相对应的红外图像，当可见光图像连续动态变化时，则可产生对应的动态红外场景。
采用光纤阵列的形式，使得装置的每一个像素实现了物理隔离，即一个像素在发热时不会影响其周围的像素的温度，这就杜绝了像素间的串扰，提高了装置的分辨率。
像素立柱2的顶端吸收入射来的可见光图像能量时，温度同时向衬底1传递，当可见光图像能量停止入射时，像素立柱2顶端积累的热量迅速向衬底传递，使得每个像素立柱2所代表的像素能够快速回复背景温度，这就保证了背景温度的始终稳定和红外图像的帧频性能。
衬底1与光纤阵列紧密结合，衬底1采用硅材料，硅的超高热导率保证了衬底1温度的稳定。
采用如上所述的材料和参数制作完成的动态红外图像生成装置，其空间分辨率达到了1280×1024，最高温度达到了60℃，帧频达到了100Hz，空间均匀性为95％。
Claims (9)
1.一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：包括衬底、光纤阵列和可见光吸收红外辐射层，其中：光纤阵列利用MEMS工艺在衬底上加工制作而成，由周期性分布的像素立柱矩阵构成，光纤阵列与衬底紧密结合，每个像素立柱顶端制作有可见光吸收红外辐射层；
所述的保证整个装置机械强度和散热的衬底为整个装置作支撑，其面积和厚度根据需要生成的红外动态场景的性能指标确定；其材料为透光材料或者不透光材料；
所述光纤阵列的像素立柱截面积根据红外动态场景的空间分辨率和像素占空比确定；其数量根据红外动态场景的空间分辨率确定；其间距根据红外动态场景的空间分辨率、像素占空比和温度分辨率确定；其高度根据红外动态场景的最高温度和帧频选定；光纤阵列与衬底结合部位的材料厚度大小根据像素立柱的高度和截面积确定；
需要生成的红外动态场景的最高温度越高，则光纤阵列材料的导热性需要越差，同时要求所选光纤阵列材料的MEMS工艺加工时的宽深比越大；需要生成的红外动态场景的帧频越高，则光纤阵列材料的导热性需要越好；
所述的可见光吸收红外辐射层吸收可见光图像能量和辐射红外图像；其面积与相应的像素立柱截面积一致；其材料具有很好的与光纤阵列材料的粘附性。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外图像的空间分辨率越高，所述衬底的面积越大；需要生成的红外图像的温度分辨率越高，所述衬底的厚度越大。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外动态场景的背景温度要求低于室温20℃或者帧频大于50Hz，则衬底材料选用硅。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高，所述像素立柱的数量越多。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高或者像素占空比越小，所述像素立柱的截面积越小。
6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外动态场景的空间分辨率越高或者像素占空比越大或者温度分辨率越低，则所述像素立柱的间距越小。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：需要生成的红外动态场景的最高温度越高或者帧频越小，像素立柱的高度越大。
8.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：所述像素立柱高度越高或者像素立柱截面积越小，光纤阵列与衬底结合部位的材料厚度越大。
9.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，其特征在于：在实际制作中选用聚酰亚胺作为光纤阵列的材料。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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