CN105372848A - 一种红外微辐射阵列 - Google Patents
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Abstract
一种红外微辐射阵列,属于红外动态仿真技术领域,涉及红外动态场景生成器件。本发明的红外微辐射阵列主要包括基底、微辐射元、导热层、封装窗口等,其微辐射元将可见光及近红外波段的动态图像,转换为具有一定帧频的中波红外和长波红外的动态图像,减少了衍射现象,提高了图像质量,可作为红外动态场景模拟系统的核心器件,解决了在中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围场景模拟技术的难题,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于红外动态仿真技术领域,涉及红外动态场景生成器件。
背景技术
目前,在国防领域,红外成像器大量应用于精确制导武器系统、空间侦察系统、临近空间预警系统、星载红外遥感系统等各类国家重大型号,随着相关型号技战术要求的不断提高,为了提高其抗干扰能力,使其适应复杂的战场环境,提升作战效能,需要进行大量的仿真验证试验,因此,对复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围红外场景模拟技术的需求也就越来越迫切。
在国外,一般采用红外动态场景模拟器进行复杂战场环境模拟、红外成像器性能测试及仿真,能够实现各类干扰因素、多目标、复杂战场环境等的模拟,可以在实验室内实现真实战场环境的模拟,减少外场试验次数,节约研究经费,以较高的效费比提高精确制导武器系统的复杂战场环境适应能力。
红外动态场景模拟器主要采用红外液晶光阀、红外电阻阵列、红外CRT、红外微镜阵列(红外DMD)等技术,另外,国外还有采用大屏幕方案的系统,即将红外光学景象投射到一个大屏幕上,供导引头进行测试,大屏幕方案测试效果较好,但占用空间较大,对光线遮挡要求比较严格,不利于在技术阵地开展测试工作。近年来,随着微机械学和大规模集成控制学的迅速发展和成熟,已经具备了由紫外到远红外不同种类的DMD器件。红外DMD是最新型的图像源技术,具有方便控制,动态仿真效果好的优点,国外的红外DMD器件的制作技术已经很成熟,达到了商品化的程度。
在国内,自红外成像器研制以来,针对红外成像器的红外测试装置及技术研究已广泛开展。利用机械刻靶作为图像源的红外测试装置,需要在机械靶后加上一个面源黑体,结构较简单,但不能实现复杂场景的动态模拟,不能满足红外成像导引头的动态测试需求。1998年,为满足红外成像导引头仿真试验需要,红外CRT动态场景模拟器被研制出来,其分辨率为256×256象素,但由于制备技术和工艺较难,同时红外CRT存在闪烁,帧频低等问题,不能满足高超声速导弹的高分辨率红外成像指导系统的需要。2004年,由上海技术物理研究所研制的红外电阻阵列动态场景模拟器,分辨率为256×256,帧频可以达到150Hz以上,但其辐射效率低,功耗大,而且控制系统过于庞大,目前还处于原理样机阶段,如要实现工程应用还要解决几个关键技术。2006年,哈工大等单位,对可见光DMD进行窗口改造,实现了DMD红外中波动态场景模拟器的研制,取得了一些很有用的研究成果和测试数据,并已投入到工程应用中,但是由于从国外进口的可见光DMD器件单元像素尺寸最大的为12um,应用到红外动态场景测试领域中时,像元的尺寸仅为工作波段的1~4倍,尤其在长波红外波段,产生严重的衍射现象,大大影响红外场景测试系统的成像质量。
为了减少衍射现象,提高成像质量,研制单位一般采用牺牲分辨率,通过DMD器件的binning技术来实现,即将可见光DMD器件中的一个阵列的像素合成为一个像素使用。虽然通过此技术,减少了衍射现象,提高了成像质量,但大大降低了红外动态场景测试装置的分辨率,而在长波红外范围内衍射现象更为严重,成像质量也更差,对比度很低,无法满足高分辨率长波红外成像器的测试及半实物仿真要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种红外微辐射阵列,作为中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围红外场景模拟系统的核心器件,能够减少衍射现象,提高成像质量,且具有较高的分辨率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:
一种红外微辐射阵列,其特征在于包括基底(1)、微辐射元(2)、导热层(3)、封装窗口(4),所述基底(1)用于承载微辐射元(2)并将多余的热量导出;所述微辐射元(2)用于吸收并积聚可见光及近红外波段的辐射,随着温度升高从而辐射中波红外和长波红外波段的红外辐射;所述导热层(3)位于基底(1)和微辐射元(2)之间,用于微辐射元(2)与基底(1)之间的热隔离及热耦合,所述封装窗口(4)位于微辐射元(2)前部,用于使微辐射元(2)处于真空环境。
所述红外微辐射阵列还包括制冷器(5),所述制冷器(5)位于基底(1)背面,用于接收基底(1)导出的多余热量,保证基底(1)的温度处于恒定值。
所述制冷器(5)的制冷方式包括半导体制冷、低温气体制冷或者压缩机制冷方式。
所述导热层(3)的形状柱体,其材料包括SiO2或者聚酰亚胺。
所述基底(1)采用高透光性和导热性好的材料制作,所述材料包括单晶硅、石英晶体或者蓝宝石。
所述红外微辐射阵列还包括温度控制系统(6),所述基底(1)内安装温度传感器,温度控制系统(6)通过控制温度传感器,用于精确控制基底(1)温度。
所述基底(1)与制冷器(5)之间涂敷导热脂。
所述微辐射元(2)的材料包括碳纳米复合材料、碳黑或者金属黑。
所述微辐射元(2)之间具有间隙,保证热隔离。
所述封装窗口(4)为光学材料构成的密封窗口,所述光学材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅或者石英。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明的红外微辐射阵列是一种微光机电系统,其微辐射元可将可见光及近红外波段的动态图像,转换为具有一定帧频的中波红外和长波红外的动态图像,减少了衍射现象。红外微辐射阵列可作为红外动态场景模拟系统的核心器件,解决了在中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围场景模拟技术的难题,具有广泛的应用前景。
(2)加装温控系统可精确控制微辐射元的辐照功率,进而精确控制其温度,使其产生不同帧频的红外图像,具有使用灵活、动态范围宽的特点。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分的从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明红外微辐射阵列结构图
图2为本发明红外微辐射阵列正面图
图3为本发明红外微辐射阵列背面图
图4为本发明红外微辐射阵列三维示意图
图5为本发明红外微辐射阵列形式1三维示意图
图6为本发明红外微辐射阵列形式2三维示意图
图7为本发明红外微辐射阵列形式3三维示意图
图8为本发明红外微辐射阵列形式4三维示意图
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明红外微辐射阵列,如图1所示,包括基底1、微辐射元2、导热层3、封装窗口4、制冷器5和温度控制系统6。
微辐射元2位于器件基底1上,数量为800×600,为了保证基底1温度均匀性,需要设计合理的基底1厚度,确定为5mm,其内安装温度传感器,为了与微辐射元2数量和尺寸匹配,其尺寸确定为45mm×25mm,基底1材料选择具有高透光性和导热性好的材料,可选材料包括K9光学玻璃、硅或者蓝宝石等。
在基底背面加装制冷器5,用于接收基底1导出的多余热量,保证基底1的温度处于恒定值。制冷器5采用双级帕尔贴半导体制冷器,功率为20W,两级温差可达60℃。采用程控电源对其制冷功率进行控制,可将基底1控制在一个恒定的温度上。上述制冷方式有易控制、易实现、体积小、重量轻、无活动部件等优点。为了保证散热良好,基底1与制冷器5之间可以涂敷导热脂。
导热层3位于基底1和微辐射元2之间,用于微辐射元2与基底1之间的热隔离及热耦合,导热层3为具有一定长度的柱体,可选材料包括SiO2、聚酰亚胺等,通过选择导热体的材料、设计不同的尺寸,可以调节导热层3的导热特性,控制微辐射元2的散热条件。封装窗口4位于微辐射元2前部,为光学材料构成的密封窗口,保证内部微辐射元2处于真空环境内,确保其热环境稳定,并保证微辐射元2的散热不存在对流散热,可选材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅、石英等。
加装温控系统6,通过设置在基底1内的温度传感器,精确控制微辐射元2的动态温度范围,实现大动态范围景象的模拟。
微辐射元2用于吸收并积聚可见光及近红外波段的辐射,随着温度升高从而辐射中波红外和长波红外波段的红外辐射,形成不同帧频的红外场景。选材料包括碳纳米复合材料及碳黑、金属黑(铂黑、金黑、镍磷黑等)等,微辐射元2之间设置一定的间隙,保证热隔离。
本发明红外微辐射阵列的结构有多种形式,其中形式一的三维示意图如图5所示,其中导热层3尺寸为10μm×10μm×10μm,微辐射元2尺寸为20μm×20μm×0.1μm。
形式二的三维示意图如图6所示,导热层3与微辐射元2可以采用相同材料,也可以采用不同材料,叠加在一起架设在V型槽上,尺寸为20μm×20μm×0.1μm。
形式三的三维示意图如图7所示,其中导热层3尺寸为20μm×20μm×20μm,微辐射元2尺寸为20μm×20μm×0.1μm。
形式四的三维示意图如图8所示,导热层3与微辐射元2可以采用相同材料,也可以采用不同材料,叠加在一起通过系带固定在基底1上,尺寸为20μm×20μm×0.1μm。
本发明的红外微辐射阵列能够达到的技术指标主要有:
(1)工作波段:3μm~5μm,8μm~12μm;
(2)最大分辨率:≥800×600;
(3)最大模拟温差:≥10K;
(4)帧频:≥80Hz;
(5)有效像素率:≥99%;
(6)温度非均匀性:≤1%。
对于红外微辐射阵列,其实现工艺主要基于微加工工艺,即MEMS工艺,其工艺流程为:
a.对单晶硅基片进行表面处理,使其满足器件制备要求;
b.在单晶硅基片上制备一定厚度的光刻胶;
c.利用高能X射线进行辐射曝光和显影,形成三维光刻胶结构;
d.通过金属蒸镀或电镀和二氧化硅生成技术,将二氧化硅和金属填充在光刻胶结构中;
e.去除光刻胶,得到独立的芯片结构;
f.进行封装,并与制冷器集成,形成红外微辐射阵列。
尽管已参照最佳实施方式描述了本发明的技术方案,但是本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式,在不偏离本发明的基本原理的情况下,可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征-例如各个模块进行拆分、组合或改变,拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红外微辐射阵列,其特征在于包括基底(1)、微辐射元(2)、导热层(3)、封装窗口(4),所述基底(1)用于承载微辐射元(2)并将多余的热量导出;所述微辐射元(2)用于吸收并积聚可见光及近红外波段的辐射,随着温度升高从而辐射中波红外和长波红外波段的红外辐射;所述导热层(3)位于基底(1)和微辐射元(2)之间,用于微辐射元(2)与基底(1)之间的热隔离及热耦合,所述封装窗口(4)位于微辐射元(2)前部,用于使微辐射元(2)处于真空环境。
2.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于还包括制冷器(5),所述制冷器(5)位于基底(1)背面,用于接收基底(1)导出的多余热量,保证基底(1)的温度处于恒定值。
3.根据权利要求2所述的红外微辐射阵列,其特征在于:所述制冷器(5)的制冷方式包括半导体制冷、低温气体制冷或者压缩机制冷方式。
4.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列器件,其特征在于:所述导热层(3)的形状柱体,其材料包括SiO2或者聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于:所述基底(1)采用高透光性和导热性好的材料制作,所述材料包括单晶硅、石英晶体或者蓝宝石。
6.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于还包括温度控制系统(6),所述基底(1)内安装温度传感器,温度控制系统(6)通过控制温度传感器,用于精确控制基底(1)温度。
7.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于:所述基底(1)与制冷器(5)之间涂敷导热脂。
8.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于:所述微辐射元(2)的材料包括碳纳米复合材料、碳黑或者金属黑。
9.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列,其特征在于:所述微辐射元(2)之间具有间隙,保证热隔离。
10.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列器件,其特征在于:所述封装窗口(4)为光学材料构成的密封窗口,所述光学材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅或者石英。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |