CN102969325A - 一种用于多波段动态场景生成的芯片 - Google Patents

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李卓
王欣
周丽丽
孔文华
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本发明涉及一种用于多波段动态场景生成的芯片。属于动态红外图像生成以及可见光/红外场景复合领域。本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，包括衬底和红外成像象元阵列；衬底的一侧制作有若干高可见光吸收物质，高可见光吸收物质成阵列排列。红外成像象元阵列是由高可见光吸收物质制作而成。本发明的芯片，将可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段场景的产生集中在一个芯片上，避免了多个转换器复合的复杂结构。

Description

一种用于多波段动态场景生成的芯片
技术领域
本发明涉及一种用于多波段动态场景生成的芯片。属于动态红外图像生成以及可见光/红外场景复合技术领域。
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红外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图像转换器和辐射调制型图像转换器。
对于直接辐射型图像转换器来说，其成像象元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制。直接辐射型图像转换器主要有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和热电器件等。
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，辐射调制型图像转换器主要有液晶光阀、可变形反射镜阵列、薄膜空间光调制器等。
在上述这些转换器中，只有液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、可变形反射镜阵列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。
随着半实物仿真技术的要求不断提高，提出了自然场景真实模拟的要求，即真实模拟自然界的场景。这不仅仅要求模拟器能够完全模拟目标的红外辐射特征，还能够模拟目标的可见光成像特征。这其中涉及了红外波段的近红外辐射、中红外辐射、远红外辐射的复合，以及红外波段和可见光波段场景的复合。
对于红外波段的复合，有的转换器自身就可以实现，这是因为某些靠自身像素发热辐射的转换器(如电阻阵列)，其辐射出的图像自身就包含了近红外、中红外、远红外所有波段的辐射。而有些不能包含所有辐射波段的转换器则是选择多个波段的转换器同时工作，然后将产生的场景通过光学系统进行复合。这就大大增大了场景模拟器的复杂程度和体积。
对于红外波段和可见光波段场景的复合，通常报道的依然是采取与红外各波段复合相同的方法，使用红外波段场景模拟器和可见光波段模拟器进行光学耦合。目前，还没有报道能够使一个转换器产生可见光、近红外、中红外、远红外所有波段的场景，实现多波段的一体化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中无法实现多波段的一体化的问题，提供了一种用于多波段动态场景生成的芯片。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，包括聚酰亚胺薄膜制作而成的衬底和高可见光吸收物质构成的红外成像象元阵列；衬底表面周期性排列高可见光吸收物质则构成红外成像象元阵列。
所述衬底是由聚酰亚胺薄膜制作而成，衬底的一侧制作了红外成像象元阵列；
所述红外成像象元是经过微机械加工工艺得到的，微机械加工工艺包括涂覆光刻胶、对板、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶。
所述红外成像象元阵列是由高可见光吸收物质制作而成，高可见光物质可以是金黑或炭黑具有高可见光吸收率的材料；
所述周期性排列是指面积、形状一致的红外成像象元等距离排列。
所述衬底的面积根据需要生成场景的空间分辨率来选定：需要生成场景的空间分辨率越高，设计衬底的面积越大；
所述衬底的厚度根据需要生成场景的红外图像的最高温度来选定：需要生成的红外图像的温度越高，设计的衬底的厚度越小；但是衬底厚度不能低于0.1μm，否则芯片机械强度太差，无法正常工作；衬底的厚度也不能太厚，衬底厚度超过2μm时，芯片不能正常工作；
所述红外成像象元的面积大小根据需要生成场景的红外图像的转换温度选定：需要生成场景的红外图像的转换温度越高，设计红外成像象元的面积越大；
所述红外成像象元间距根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定：需要生成场景的红外图像的温度分辨率越高，设计红外成像象元间距越大；
所述红外成像象元间距根据可见光图像的亮度来选定：需要产生的可见光图像的亮度越大，设计的红外成像象元间距越大；
所述红外成像象元的厚度与构成象元的材料的可见光吸收率有关，材料的吸收率越大，需要的厚度越小。
有益效果：
1)本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，该芯片在很薄的聚酰亚胺薄膜上制作红外波段成像象元，象元的间距处为透明的聚酰亚胺层。芯片采用可见光图像直接驱动的方式，当可见光图像照射在芯片上时，红外成像象元部分吸收可见光能量温度升高，同时向外进行红外辐射，所以包含了近红外、中红外和远红外三个波段的辐射。而红外成像象元的间距部分，由于是透明的介质层，所以可见光可以透过芯片生成可见光图像。此芯片将可见光波段和红外波段的图像进行了完美的复合，且体积小，成本低，可操作性好。
2)本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，将可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段场景的产生集中在一个芯片上，避免了多个转换器复合的复杂结构。
3)本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，该转换芯片未采用电子器件，结构简单，成本低。
4)本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，采用涂覆光刻胶、对板、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等微机械加工工艺得到的红外成像象元，可以保证转换红外图像的均匀性。
附图说明
图1为本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片的示意图；
图2为本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片的工作示意图。
其中，1-衬底，2-红外成像象元，3-红外成像象元间距，4-可见光图像，5-可见光光线，6-红外辐射光线，7-透射可见光光线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1、
本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，如图1所示，该芯片包括衬底1、红外成像象元2和红外成像象元间距3。衬底1为整个芯片的支撑层，在衬底1的表面制作高可见光吸收物质，周期性排列的高可见光吸收物质构成红外成像象元2阵列。
衬底1是由聚酰亚胺薄膜制作而成，衬底1的一侧制作了红外成像象元2阵列。
衬底1的厚度为0.5μm，衬底1的面积为直径50mm，红外成像象元2采用金黑，红外成像象元2的面积为30μm×30μm，红外成像象元2的厚度为0.5μm，红外成像象元间距为20μm。
本发明的工作示意图，如图2所示；该芯片被密封于真空制冷环境中，可见光图像4入射，当可见光光线5投射到衬底1时，投射到红外成像象元2上的能量被红外成像象元2吸收，同时红外成像象元2温度升高并辐射出红外辐射光线6，投射到红外成像象元间距3处的可见光光线5通过红外成像象元间距3透射，形成可见光光线7。这样就在衬底1的另一侧形成了新的可见光图像和红外图像，其中红外图像由于是红外成像象元2发热辐射产生，所以包含了近红外、中红外和远红外三个波段的辐射。
经图2所示的工作方式实验后得到芯片的空间分辨率达到512×512，在最高温度为150℃时，红外图像的图像刷新频率可达100Hz，温度分辨率可达0.05℃，具有良好的空间一致性，采用全白图入射时，全视场转换温度的非均匀性低于2％，可见光图像的分辨率与入射的可见光图像分辨率相同，只是由于一部分能量转化为红外波段辐射，所以亮度有了降低。芯片生成红外图像在最高温度为150℃时，红外图像的图像刷新频率可达100Hz；芯片辐射波段范围广，包括可见和红外波段；而且芯片的结构简单、可靠性高、成本低。
实施例2、
本发明的一种用于多波段动态场景生成的芯片，如图1所示，该芯片包括衬底1、红外成像象元2和红外成像象元间距3。衬底1为整个芯片的支撑层，在衬底1的表面制作高可见光吸收物质，周期性排列的高可见光吸收物质构成红外成像象元2阵列。
衬底1是由聚酰亚胺薄膜制作而成，衬底1的一侧制作了红外成像象元2阵列。
衬底1的厚度为0.8μm，衬底1的面积为直径50mm，红外成像象元2采用碳黑，红外成像象元2的面积为20μm ×20μm，红外成像象元2的厚度为0.3μm，红外成像象元间距为12μm。
本发明的工作示意图，如图2所示；该芯片被密封于真空制冷环境中，可见光图像4入射，当可见光光线5投射到衬底1时，投射到红外成像象元2上的能量被红外成像象元2吸收，同时红外成像象元2温度升高并辐射出红外辐射光线6，投射到红外成像象元间距3处的可见光光线5通过红外成像象元间距3透射，形成可见光光线7。这样就在衬底1的另一侧形成了新的可见光图像和红外图像，其中红外图像由于是红外成像象元2发热辐射产生，所以包含了近红外、中红外和远红外三个波段的辐射。
经图2所示的工作方式实验后得到芯片的空间分辨率达到800×800，在最高温度为130℃时，红外图像的图像刷新频率可达120Hz，温度分辨率可达0.05℃，具有良好的空间一致性，采用全白图入射时，全视场转换温度的非均匀性低于2％，可见光图像的分辨率与入射的可见光图像分辨率相同，只是由于一部分能量转化为红外波段辐射，所以亮度有了降低。芯片生成红外图像在最高温度为130℃时，红外图像的图像刷新频率可达120Hz；芯片辐射波段范围广，包括可见和红外波段；而且芯片的结构简单、可靠性高、成本低。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：包括聚酰亚胺薄膜制作而成的衬底和高可见光吸收物质构成的红外成像象元阵列；衬底表面周期性排列高可见光吸收物质则构成红外成像象元阵列；衬底的一侧制作有红外成像象元阵列。
2.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述红外成像象元是经过微机械加工工艺得到的，微机械加工工艺包括涂覆光刻胶、对板、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶。
3.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述高可见光物质为金黑或炭黑材料。
4.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述衬底厚度不能低于0.1μm，衬底厚度不能高于2μm。
5.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述衬底的面积根据需要生成场景的空间分辨率来选定。
6.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述衬底的厚度根据需要生成场景的红外图像的最高温度来选定。
7.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述红外成像象元的面积大小根据需要生成场景的红外图像的转换温度选定。
8.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述红外成像象元间距根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定。
9.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述红外成像象元间距根据可见光图像的亮度来选定。
10.如权利要求1所述的一种用于多波段动态场景生成的芯片，其特征在于：所述红外成像象元的厚度与构成象元的材料的可见光吸收率有关。
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