CN105372848B - 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

一种红外微辐射阵列
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 (7)

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；
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；
所述导热层(3)与微辐射元(2)叠加在一起通过系带固定在所述基底(1)上；
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；
所述红外微辐射阵列的加工工艺为：
a.对单晶硅基片进行表面处理，使单晶硅基片满足器件制备要求；
b.在单晶硅基片上制备光刻胶；
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.通过二氧化硅生成技术，将二氧化硅填充在光刻胶结构中，通过金属蒸镀或电镀技术将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；
所述导热层(3)的形状柱体，其材料包括SiO2或者聚酰亚胺。
2.根据权利要求1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。
3.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。
4.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。
5.根据权利要求1所述的红外微辐射阵列，其特征在于：所述微辐射元(2)的材料包括碳纳米复合材料、碳黑或者金属黑。
6.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。
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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