CN109830491A - 一种热红外光探测器阵列、热红外成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热红外光探测器阵列、红外成像系统及方法，所述热红外光探测器阵列由若干个探测器单元排列组合而成，每个探测器单元由从上至下由三层叠加而成，第一层为热红外吸收材料(31)，用于在吸收热红外线后温度发生变化；第二层为热应变材料(32)，用于在感知到温度变化后产生变形；第三层为柔性可见光透明材料(33)，用于透过热应变材料(32)反射的可见光。基于该热红外光探测器阵列，本发明还提供了一种基于材料热应变的热红外成像系统及其方法。本发明的系统极大地降低了热红外成像仪的制造成本。

Description

一种热红外光探测器阵列、热红外成像系统及方法

技术领域

本发明涉及红外成像领域，具体涉及一种热红外光探测器阵列、热红外成像系统及方法。

背景技术

由于黑体辐射的存在，任何物体都依据温度的不同对外进行电磁波辐射。波长为2.0～1000微米的部分称为热红外线。热红外成像通过对热红外敏感的传感器阵列与成像光学系统对物体进行成像，能反映出物体表面的温度场分布，用于在黑暗环境下发现和识别目标物体。热红外在军事、工业、汽车辅助驾驶、医学领域都有广泛的应用。

现有的热红外成像系统都采用透镜加热红外传感器阵列的技术方案，如图1所示。制冷型红外成像系统探测灵敏度高，但其需要液氮冷却，系统成本偏高，且体积较大，限制了其应用。传统的非制冷型红外成像系统已经应用非常广泛，其探测信号是由热红外辐射的热阻效应产生，读出方式都是电读出，但基于传统热红外辐射的热阻效应的非制冷型红外成像系统存在原理性限制和制造技术的不足，限制了其分辨率和探测灵敏度的进一步提高。常温下工作的热成像仪主要采用非致冷焦平面热红外探测阵列技术，集成数千个乃至上万个电信号放大器，将热红外探测阵列芯片置于光学系统的焦平面上。

现有的热红外传感器阵列都采用热红外辐射的热阻效应传感器的电信号读出，由于基于热红外辐射的热阻效应的传感器阵列需要采用特殊的半导体材料和复杂的器件制造工艺、制造成本和技术门槛很高、价格很贵，使得热红外成像仪的价格在几万元到十几万元。而常规可见光成像模组和摄像头，由于基于硅集成电路技术的大规模生产，价格已经在百元以下。

发明内容

本发明的目的是针对现有热红外成像技术存在的原理瓶颈、技术瓶颈、结构复杂、技术门槛高、制造成本高的问题，提出了一种基于材料热应变的热红外探测成像系统，极大地降低现有热红外成像仪的制造成本。

为实现上述目的，一种热红外光探测器阵列，所述热红外光探测器阵列由若干个探测器单元排列组合而成，每个探测器单元由从上至下由三层叠加而成，第一层为热红外吸收材料31，用于在吸收热红外线后温度发生变化；第二层为热应变材料32，用于在感知到温度变化后产生变形；第三层为柔性可见光透明材料33，用于透过热应变材料32反射的可见光。

作为上述装置的一种改进，所述热红外吸收材料31为掺入碳纳米管的聚N、掺入石墨烯的聚N或者N-二甲基丙烯酰胺。

作为上述装置的一种改进，所述热应变材料32包括蒽基梯度交联聚合物。

作为上述装置的一种改进，所述可见光透明材料33包括聚二甲基硅氧烷。

本发明还提供了一种热红外成像系统，所述系统包含上述的热红外光探测器阵列，所述系统利用热红外线吸收材料31在吸收热红外线后的温度变化使热应变材料32发生变形，从而使可见光的反射率发生变化，将热红外信号转换成可见光信号并进行成像。

作为上述系统的一种改进，所述系统包括：光学系统2、热红外光探测器阵列3、平面光波导4、可见光光源5和可见光相机6；

所述光学系统2，用于将热红外线焦平面成像在热红外光探测器阵列3的正表面；

所述可见光光源5，用于发射可见光7；

所述平面光波导4，用于将可见光7导入到热红外光探测器阵列3的背表面；

所述热红外光探测器阵列3，用于在受到热红外照射时，其探测器单元的微纳结构发生变形，从而使入射的可见光7的反射率发生改变，生成反射光强度的图像；

所述可见光相机6，用于对热红外光探测器阵列3输出的反射光强度的图像进行成像，输出热红外图像。

作为上述系统的一种改进，所述可见光光源5为单色或多色可见光光源。

基于上述系统，本发明还提供了一种热红外成像方法，所述方法包括：

步骤1所述平面光波导4将可见光光源5发射的可见光7导入到热红外光探测器阵列3的背表面；

步骤2所述光学系统2将热红外线焦平面成像在热红外光探测器阵列3的正表面；

步骤3所述热红外光探测器阵列3在受到热红外照射时，其探测器单元的微纳结构发生变形，使其对入射的可见光7的反射率发生改变，生成反射光强度的图像；

步骤4可见光相机6对反射光强度的图像进行成像，输出热红外图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：

步骤3-1当热红外光探测器阵列3受到热红外照射时，其探测器单元的热红外吸收材料31吸收热红外线，温度上升，温度传递到热应变材料32；

步骤3-2热应变材料32发生变形，改变其与柔性可见光透明材料33的接触界面特性，导致该接触界面对入射的可见光7的反射率发生改变，从而改变反射光8的强度；生成反射光强度的图像。

本发明的优势在于：

1、本发明的基于材料热应变的热红外成像系统采用热应力敏感材料，器件的结构简单，能够采用微纳压印工艺低成本规模化制备，材料和器件制造成本远低于现有的氧化矾和多晶硅热堆热红外探测器件；

2、本发明的系统采用商品化相机读出热红外热应变图像，省略了现有热红外成像阵列复杂的信号处理系统；现在的产品化的常规可见光成像模组和摄像头价格在百元以下，比较现有热红外成像仪在几万元以上，本发明的系统极大地降低了热红外成像仪的制造成本。

附图说明

图1为现有的热红外成像系统的示意图；

图2为本发明的基于材料热应变的热红外成像系统的示意图；

图3(a)为热红外光探测器件3没有受到热红外照射时的示意图；

图3(b)为热红外光探测器件3受到热红外照射时的示意图；

图3(c)为热红外光探测器件3恢复没有受到热红外照射时的示意图。

附图标识：

11、热红外光学系统 12、热红外焦平面探测阵列 13、信号处理系统

14、显示器 1、热红外目标 2、光学系统

3、热红外光探测器阵列 4、平面光波导

5、可见光光源 6、可见光相机 7、可见光

8、反射光 9、热红外线

31、热红外吸收材料 32、热应变材料

33、柔性可见光透明材料

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的设计原理包括二层：

第一层：现有的常规摄像头的探测器无法探测到热红外线，所以需要本发明的热红外热形变传感器，但形变非常微小，需要用本发明的特殊器件结构和形变信号读出技术。本发明是通过光学方法用可见光来读出微小形变。

第二层：对于焦平面的热红外图像，本发明采用热形变探测器阵列，并采用本发明的平面波导，采用可见光来整体读出热形变探测器阵列的形变图像。

而获得的可见光信号阵列图像可以用常规摄像头来获得图像，从而实现了热红外可见光成像。

实施例1

如图2所示，本发明的实施例1提供了一种基于材料热应变的热红外成像系统，用于对热红外目标1进行成像，所述系统包括：光学系统2、热红外光探测器阵列3、平面光波导4、可见光光源5和可见光相机6；

热红外目标1，用于发射热红外线9；

光学系统2，用于将热红外线9在热红外光探测器阵列3的正表面上产生热应力图像；所述热红外光探测器阵列3布设在光学系统2的焦平面上；

可见光光源5，为单色或多色可见光光源，用于发射可见光7；

平面光波导4，用于将可见光7导入到热红外光探测器阵列3的背表面；

热红外光探测器阵列3，用于将热应力图像转换为反射光强度的图像(可见光图像)，实现对热红外信号的探测；热红外光探测器阵列3由若干个探测器单元排列组合而成，每个探测器单元由从上至下由三层叠加而成，第一层为：热红外吸收材料31，包括但不仅仅是：掺入碳纳米管或者石墨烯的聚N，N-二甲基丙烯酰胺(PDMA)；第二层为热应变材料32，优选的，其材料包括但不仅仅是蒽基梯度交联聚合物；第三层为柔性可见光透明材料33，优选的，其材料包括但不仅仅是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

当热红外吸收材料31吸收热红外线9后，热应力导致的微纳结构变化使可见光7的反射率发生变化，从而将热红外信号转换成可见光信号。

可见光相机6，用于对热红外光探测器阵列3输出的反射光强度的图像进行成像，从而获得焦平面热红外图像。优选的，所述可见光相机6为电荷耦合器件(CCD)。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种热红外成像方法，所述方法包括：

步骤1)所述光学系统将热红外目标1发射的热红外线9成像在热红外光探测器阵列3的正表面，产生热应力图像；

步骤2)所述热红外光探测器阵列3的探测器单元将热应力图像转换为反射光强度的图像(可见光图像)，实现对热红外信号的探测；

如图3(a)所示，当热红外光探测器件3没有受到热红外照射时，热红外光探测器阵列3的热应变材料32不发生变化。

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)可见光光源5发射可见光7，可见光7通过平面光波导4导入到热红外光探测器阵列3的背表面；

步骤2-2)当热红外光探测器阵列3受到热红外照射时，其探测器单元的热红外吸收材料31吸收热红外线，温度上升，温度传递到热应变材料32；

步骤2-3)热应变材料32产生皱纹，改变其与柔性可见光透明材料33的接触界面特性，导致该接触界面对入射的可见光7的反射率发生改变，从而改变反射光8；

热红外光探测器件3探测到反射光8的变化，从而探测出光学系统2焦平面热图像对应的像元的热红外强度；如图3(b)所示，

如图3(c)所示，当热红外光探测器件3恢复到没有受到热红外照射时，热红外光探测器阵列3的热应变材料32不发生变化。

步骤3)可见光相机6对反射光强度的图像进行成像，从而获得热红外图像。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种热红外光探测器阵列，其特征在于，所述热红外光探测器阵列由若干个探测器单元排列组合而成，每个探测器单元由从上至下由三层叠加而成，第一层为热红外吸收材料(31)，用于在吸收热红外线后温度发生变化；第二层为热应变材料(32)，用于在感知到温度变化后产生变形；第三层为柔性可见光透明材料(33)，用于透过热应变材料(32)反射的可见光。

2.根据权利要求1所述的基于材料热应变的热红外成像系统，其特征在于，所述热红外吸收材料(31)为掺入碳纳米管的聚N、掺入石墨烯的聚N或者N-二甲基丙烯酰胺。

3.根据权利要求1所述的基于材料热应变的热红外成像系统，其特征在于，所述热应变材料(32)包括蒽基梯度交联聚合物。

4.根据权利要求1所述的基于材料热应变的热红外成像系统，其特征在于，所述可见光透明材料(33)包括聚二甲基硅氧烷。

5.一种热红外成像系统，其特征在于，所述系统包含权利要求1-4之一所述的热红外光探测器阵列，所述系统利用热红外线吸收材料(31)在吸收热红外线后的温度变化使热应变材料(32)发生变形，从而使可见光的反射率发生变化，将热红外信号转换成可见光信号并进行成像。

6.根据权利要求5所述的热红外成像系统，其特征在于，所述系统包括：光学系统(2)、热红外光探测器阵列(3)、平面光波导(4)、可见光光源(5)和可见光相机(6)；

所述光学系统(2)，用于将热红外线焦平面成像在热红外光探测器阵列(3)的正表面；

所述可见光光源(5)，用于发射可见光(7)；

所述平面光波导(4)，用于将可见光(7)导入到热红外光探测器阵列(3)的背表面；

所述热红外光探测器阵列(3)，用于在受到热红外照射时，其探测器单元的微纳结构发生变形，从而使入射的可见光(7)的反射率发生改变，生成反射光强度的图像；

所述可见光相机(6)，用于对热红外光探测器阵列(3)输出的反射光强度的图像进行成像，输出热红外图像。

7.根据权利要求6所述的热红外成像系统，其特征在于，所述可见光光源(5)为单色或多色可见光光源。

8.一种热红外成像方法，基于权利要求5-7之一所述的系统实现，所述方法包括：

步骤1)所述平面光波导(4)将可见光光源(5)发射的可见光(7)导入到热红外光探测器阵列(3)的背表面；

步骤2)所述光学系统(2)将热红外线焦平面成像在热红外光探测器阵列(3)的正表面；

步骤3)所述热红外光探测器阵列(3)在受到热红外照射时，其探测器单元的微纳结构发生变形，使其对入射的可见光(7)的反射率发生改变，生成反射光强度的图像；

步骤4)可见光相机(6)对反射光强度的图像进行成像，输出热红外图像。

9.根据权利要求8所述的热红外成像方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)当热红外光探测器阵列(3)受到热红外照射时，其探测器单元的热红外吸收材料(31)吸收热红外线，温度上升，温度传递到热应变材料(32)；

步骤3-2)热应变材料(32)发生变形，改变其与柔性可见光透明材料(33)的接触界面特性，导致该接触界面对入射的可见光(7)的反射率发生改变，从而改变反射光(8)的强度；生成反射光强度的图像。