CN110307905B - 一种红外焦平面阵列及基于该红外焦平面阵列的红外热成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外焦平面阵列及基于该红外焦平面阵列的红外热成像系统，属于红外热成像领域。所述红外焦平面阵列，包括若干个周期性排布的阵列单元，每个阵列单元包括衬底、绝热支撑层、亚波长光栅结构和红外吸收层。基于红外焦平面阵列的红外热成像系统包括波长转换模块、读出信号产生模块和成像显示模块；所述波长转换模块的核心元件为红外焦平面阵列；来自目标的红外辐射聚焦到焦平面上，将目标的红外图像信息转换成焦平面阵列上温度分布信息；所述读出信号产生模块用于产生线偏振窄带近红外光并使其经红外焦平面阵列反射后进入成像显示模块实现目标物体可视化。本发明实现了大面阵、高像素、低成本、快响应的热成像系统设计。
Description
技术领域
本发明属于红外热成像技术领域，具体涉及一种红外焦平面阵列及基于该红外焦平面阵列的红外热成像系统。
背景技术
红外热成像技术在军事、航天、医学诊断、自动驾驶、侦查等领域有着越来越多的应用。传统的红外热成像器件可分为：测辐射热计、热释电探测器。测辐射热计的工作原理是基于材料的热敏特性，即材料的电阻值会随温度的变化而发生变化，基于此当在材料两端外部施加电压时，可通过测量电压的变化来读取材料上温度变化的信息；热释电探测器的工作原理是基于材料的热释电效应，即热释电材料在变化的温度情况下产生电流响应。两种红外成像器件的共同点都是采用电读出方式，需要将红外焦平面阵列和读出电路相集成，增加制作难度和制作成本，并且不易于制备大面阵、高像素分辨率的焦平面阵列，同时读出电路会引入大量的噪声，增加后续的图像信号处理难度。
上世纪九十年代，由美国斯坦福大学研究人员提出一种采用光读出方式实现红外热成像的方法，并成功制备了由双材料悬臂梁阵列组成的红外探测器(见Manalis S R,Minne S C, Quate C F,et al.Two-dimensional micromechanical bimorph arrays fordetection of thermal radiation[J].Applied Physics Letters,1997,70(24):3311-3313.)。2002年，美国加州大学伯克利分校Mao等人成功研制了双材料悬臂梁结构的红外焦平面阵列，同样是基于光读出热成像的方式，成功实现人体红外成像(见Zhao Y,Mao M,Horowitz R,et al.Optomechanical uncooled infrared imaging system:design,microfabrication,and performance[J].Journal of MicroelectromechanicalSystems,2002,11(2):136-146.)。基于光读出方式的热成像器件与传统的微测辐射热计相比，简化了器件制备的难度，有效避免了读出电路引入的大量噪声。但是基于双材料悬臂梁结构设计的红外热成像器仍然存在工艺制备难度高，工艺步骤复杂以及器件盲元率高等问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种新型红外焦平面阵列及相关红外热成像系统，该红外焦平面阵列采用具有窄带滤波特性的亚波长光栅结构来实现长波红外光到近红外光波长转换功能，并且基于光栅材料的热光效应和亚波长光栅结构滤波光谱随光栅折射率可调谐的特性进一步设计实现了大面阵、高像素、低成本、快响应的红外热成像系统。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种红外焦平面阵列，包括若干个周期性排布的阵列单元，其特征在于，每个阵列单元包括衬底(121)、绝热支撑层(122)、亚波长光栅结构和红外吸收层(124)；所述衬底 (121)的正面设置有绝热支撑层(122)，所述绝热支撑层(122)的正面设置有亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构的表面覆盖红外吸收层(124)，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口以使得光线通过绝热支撑层(122)进入亚波长光栅结构。
进一步地，所述亚波长光栅结构为一维HCG结构或者一维ZCG结构。所述亚波长光栅结构具有共振滤波特性，其共振滤波特性与光栅结构(周期、占空比、光栅厚度、光栅截面图形等)和光栅材料的折射率相关，可通过改变光栅结构参数和光栅材料折射率参数来实现滤波光谱的调谐。
具体的，所述亚波长光栅结构(123)为一维HCG结构时，具有亚波长光栅层(123)这一功能层，而不具有光栅波导层(125)。
具体的，所述亚波长光栅结构(123)为一维ZCG结构时，至少具有亚波长光栅层(123)和光栅波导层(125)这两个功能层。
进一步地，所述亚波长光栅层(123)中光栅脊(123a)的材料选择具有高热光系数的半导体材料，具体可以为非晶硅；并利用折射率相对较低的材料作为亚波长光栅层(123)中的光栅凹槽(123b)的材料，具体可以为氮化硅。
作为一种具体实施方式，所述光栅波导层(125)所用材料折射率与亚波长光栅层(123)中光栅脊(123a)所用材料的折射率相同。
作为一种具体实施方式，所述亚波长光栅层(123)可以为矩形槽亚波长光栅，即光栅脊的截面为矩形。
进一步地，所述绝热支撑层(123)的作用是提供阵列单元自支撑和隔热的作用，通常采用热导率较小的材料，包括但不限于氮化硅和二氧化硅，前者可采用PECVD法进行制备，后者可采用硅基热氧化的方法制备。
进一步地，所述红外吸收层(124)具有超表面结构，所述超表面结构是指在衬底(124a)上具有亚波长周期排列的表面微结构单元(124b)形成的二维阵列结构。具体的，所述表面纳结构单元(124b)可以为圆柱形、圆锥形、十字形、矩形、蝴蝶结形等。
进一步地，所述红外吸收层(124)采用在长波红外波段(8-14μm)具有高吸收率的材料，具体包括氮化硅和二氧化硅。
进一步地，所述红外焦平面阵列(2)采用真空封装，封装外壳的正面通光窗口(4)优选ZnSe、 Ge等在长波红外具有较高透过率的材料，封装外壳的背面通光窗口(23)优选石英玻璃等在近红外波段具有较高透过率的材料。
本发明还提供一种基于上述红外焦平面阵列的红外热成像系统，其特征在于，包括波长转换模块(1)、读出信号产生模块(2)和成像显示模块(3)；所述波长转换模块(1)包括红外焦平面阵列(12)，所述红外焦平面阵列(12)包括若干个周期性排布的阵列单元，每个阵列单元包括自上而下依次设置的衬底(121)、绝热支撑层(122)、亚波长光栅结构和红外吸收层(124)，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口以使得光线通过绝热支撑层(122) 进入亚波长光栅结构；来自目标的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列(12)上，基于红外吸收层 (124)将红外辐射信息转换为温度分布信息；所述读出信号产生模块(2)用于产生线偏振窄带近红外光并使其经红外焦平面阵列(12)反射后进入成像显示模块(3)实现目标物体可视化。
进一步地，所述亚波长光栅结构为一维HCG结构或者一维ZCG结构。所述亚波长光栅结构具有共振滤波特性，其共振滤波特性与光栅结构(周期、占空比、光栅厚度、光栅截面图形等)和光栅材料的折射率相关，可通过改变光栅结构参数和光栅材料折射率参数来实现滤波光谱的调谐。
具体的，所述亚波长光栅结构(123)为一维HCG结构时，具有亚波长光栅层(123)这一功能层，而不具有光栅波导层(125)。
具体的，所述亚波长光栅结构(123)为一维ZCG结构时，至少具有亚波长光栅层(123)和光栅波导层(125)这两个功能层。
进一步地，所述亚波长光栅层(123)中光栅脊(123a)的材料选择具有高热光系数的半导体材料，具体可以为非晶硅；并利用折射率相对较低的材料作为亚波长光栅层(123)中的光栅凹槽(123b)的材料，具体可以为氮化硅。
作为一种具体实施方式，所述光栅波导层(125)所用材料折射率与亚波长光栅层(123)中光栅脊(123a)所用材料的折射率相同。
作为一种具体实施方式，所述亚波长光栅层(123)可以为矩形槽亚波长光栅，即光栅脊的截面为矩形。
进一步地，所述绝热支撑层(123)的作用是提供阵列单元自支撑和隔热的作用，通常采用热导率较小的材料，包括但不限于氮化硅和二氧化硅，前者可采用PECVD法进行制备，后者可采用硅基热氧化的方法制备。
进一步地，所述红外吸收层(124)具有超表面结构，所述超表面结构是指在衬底(124a)上具有亚波长周期排列的表面微结构单元(124b)形成的二维阵列结构。具体的，所述表面微结构单元(124b)可以为圆柱形、圆锥形、十字形、矩形、蝴蝶结形等。
进一步地，所述红外吸收层(124)采用在长波红外波段(8-14μm)具有高吸收率的材料，具体包括氮化硅和二氧化硅。
进一步地，所述红外焦平面阵列(2)采用真空封装，封装外壳的正面通光窗口(4)优选ZnSe、 Ge等在长波红外具有较高透过率的材料，封装外壳的背面通光窗口(23)优选石英玻璃等在近红外波段具有较高透过率的材料。
进一步地，所述波长转换模块(1)还包括用于控制光路的元件，具体可以是红外透镜、分束镜、平面反射镜等。
进一步地，所述读出信号产生模块(2)包括：近红外光源(21)、窄带滤波器(23)，还包括用于控制光路的元件，具体可以是近红外透镜、分束镜、平面反射镜等。
具体的，所述近红外光源(21)可以为连续激光光源或LED光源。
进一步地，所述红外热成像系统还包括用于将进入红外焦平面阵列(2)的近红外光变成线偏振的起偏器(10)。
进一步地，所述窄带滤波器(23)具有窄带带通滤波特性，此时读出信号产生模块(2)中近红外光源(21)产生的光透过窄带滤波器(23)后射入红外焦平面阵列(2)背面。
具体的，所述读出信号产生模块(2)包括顺序设置的近红外光源(21)、近红外透镜(22)、具有窄带带通滤波特性的窄带滤波器(23)和平面反射镜，此时，若窄带滤波器(23)对偏振光不敏感，所述起偏器(10)设置在近红外光源(21)到红外焦平面阵列(2)之间光路的任意位置；若窄带滤波器(23)对偏振光敏感，所述起偏器(10)设置在窄带滤波器(23)与近红外光源(21)之间的光路任意位置。
进一步地，所述窄带滤波器(23)具有窄带带阻滤波特性，此时读出信号产生模块(2)中近红外光源(21)产生的光从窄带滤波器(23)反射回来再射入红外焦平面阵列(2)背面。
具体的，所述读出信号产生模块(2)包括顺序设置的近红外光源(21)、近红外透镜(22)、分束镜(25)和具有窄带带阻滤波特性的窄带滤波器(23)，此时，所述起偏器(10)设置在分束镜(13) 与第一个近红外透镜(9)之间的光路任意位置。
作为优选方式，所述具有窄带带阻滤波特性的窄带滤波器(23)的结构和材料与红外焦平面阵列单元的结构和材料相同，并且具有相同的热调谐效率，以消除环境温度变化对成像性能带来的不利影响。
作为一种具体实施方式，所述读出信号产生模块(2)可直接采用单色激光器。
进一步地，所述成像显示模块(3)包括顺序连接的CCD/CMOS焦平面阵列(31)、图像处理器(32)与数字图像显示器(33)。目标物体的热图像与可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标物体的温度分布的图像，因此需要通过CCD/CMOS焦平面阵列(31) 将经红外焦平面(12)调制后得到的光信号转换成电信号，并经图像处理器(32)转换显示在数字图像显示器(33)上，实现目标的可视化成像。
进一步地，所述线偏振窄带近红外光的中心波长与红外焦平面阵列(12)中亚波长光栅结构基于共振滤波特性得到的滤波中心波长相当，并且所述线偏振窄带近红外光的带宽小于亚波长光栅结构的滤波带宽。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的光读出方式热成像系统，来自目标的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列上，基于红外吸收层将红外辐射信息转换为空间温度分布(即热图像)，并利用亚波长光栅结构的共振滤波特性及滤波可调性使得近红外读出光携载调制后的空间光强信息，最终经光电转换得以实现热图像的可视化。相比于传统的测辐射热计和热释电探测器，本发明所构建系统简化了传统红外焦平面阵列结构，其结构且相比现有红外焦平面阵列结构具有大面阵集成、高像素、低成本的优势；同时，由于原理上的创新，本发明无需在红外焦平面阵列结构中设计读出电路，避免了读出电路带来的Johnson噪声和1/f噪声，也降低了器件制造的难度和成本。
(2)本发明提供的光读出方式热成像系统中亚波长光栅结构具有高品质因数共振特性，通过合理的设计亚波长光栅的结构参数，能够实现近红外波段的窄带滤波特性，且滤波波长会随着构成光栅结构的材料折射率变化而发生偏移。高品质因数的共振滤波特性有助于系统红外响应率的提高，降低热响应时间。
(3)本发明提供的光读出方式热成像系统中的红外吸收层采用亚波长周期排列的表面微结构单元和衬底构成的超表面结构，并且选择在长波红外波段具有高吸收率的材料，相比传统热成像器件采用的共振腔结构来增强红外吸收，本发明提出的超表面/超材料的红外吸收结构具有结构简单、工艺制备难度低等优势。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种红外热成像系统示意图。
图2为本发明实施例2提供的一种红外热成像系统示意图。
图3为本发明提供的一种具有一维HCG结构的红外焦平面阵列的截面示意图。
图4为本发明提供的一种具有一维HCG结构的红外焦平面阵列滤波单元的反射光谱仿真图。
图5为本发明提供的一种具有一维ZCG结构的红外焦平面阵列的截面示意图。
图6为本发明提供的一种具有一维ZCG结构的红外焦平面阵列滤波单元的反射光谱仿真图。
图7为本发明中红外焦平面阵列单元为一维HCG结构时在TM偏振入射情况下反射光谱随亚波长光栅层厚度变化关系的仿真图。
图8为本发明中红外焦平面阵列单元为一维HCG结构时在TM偏振入射情况下反射光谱随光栅脊材料折射率变化关系的仿真图。
图9为本发明中红外焦平面阵列单元为一维ZCG结构时在TM偏振入射情况下反射光谱随亚波长光栅层厚度变化关系的仿真图。
图10为本发明中红外焦平面阵列单元为一维ZCG结构时在TM偏振入射情况下反射光谱随光栅脊材料折射率变化关系的仿真图。
图11为本发明中红外焦平面阵列的俯视图，其中图(a)为正面俯视图，图(b)为背面俯视图。
图12为本发明中红外焦平面阵列真空封装后的示意图。
图13为本发明提供红外吸收层的结构示意图及其红外吸收光谱仿真图。
图14为本发明实施例1提供的红外热成像系统的光强调制原理示意图。
图15为本发明实施例2提供的红外热成像系统的光强调制原理示意图。
图16为本发明提供红外焦平面阵列的工艺制备流程示意图。
图中：
1为波长转换模块，10为起偏器，11为红外透镜，12为红外焦平面阵列，13为第一分束镜，14为近红外透镜，121为阵列衬底，122为绝热支撑层，123为亚波长光栅层，123a 为光栅脊，123b为光栅凹槽，124为红外吸收层，124a为红外吸收层衬底，124b为红外吸收层表面微结构，125为光栅波导层；
2为读出信号产生模块，21为近红外光源，22为近红外透镜，23为近红外窄带滤波器， 24为平面反射镜，25为第二分束镜；
3为成像显示模块，31为CCD/CMOS焦平面阵列，32为图像处理器，33为数字图像显示器；
4为正面通光窗口；
5为背面通光窗口。
具体实施方式
为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。实施例1；
本实施例提供一种红外热成像系统，如图1所示，包括波长转换模块(1)、读出信号产生模块(2)和成像显示模块(3)；
所述波长转换模块(1)包括沿光路顺序设置的红外透镜(11)、红外焦平面阵列(12)、起偏器 (10)、第一分束镜(13)，其中，所述红外焦平面阵列(12)包括若干个周期性排布的阵列单元，每个阵列单元包括自上而下依次设置的衬底(121)、绝热支撑层(122)、亚波长光栅结构和红外吸收层(124)，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口以使得光线通过绝热支撑层(122)进入亚波长光栅结构；
所述读出信号产生模块(2)包括沿光路顺序设置的近红外光源(21)、近红外透镜(22)、具有带通滤波特性的窄带滤波器(23)和平面反射镜(24)；
所述成像显示模块(3)包括顺序连接的CCD/CMOS焦平面阵列(31)、图像处理器(32)与数字图像显示器(33)；
来自目标视场的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列12上，并被红外吸收层124所吸收，导致每个阵列单元不同的温度变化，从而将目标红外辐射信息转换成焦平面阵列的温度分布信息；所述读出信号产生模块(2)产生线偏振窄带近红外光，并使得线偏振窄带近红外光垂直入射至红外焦平面阵列(12)的背面，经红外焦平面阵列(12)反射后进入成像显示模块(3)实现目标物体可视化。
波长转换模块(1)的核心部件为红外焦平面阵列，其中用于调整光路以形成光学系统的元件并不局限于图中示意，本发明对此不做限制，其余元件的设置为了将进入目标视场的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列正面。
下面详细说明红外焦平面阵列的设计：
为保证读出光信号能够进入亚波长光栅结构中经过调制，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口；衬底(121)的材料通常选择硅材料。
为提供阵列单元自支撑和隔热的作用，在衬底(121)与亚波长光栅结构间还设置有绝热支撑层(122)，该结构通常采用热导率较小的材料，包括但不限于氮化硅和二氧化硅，前者可采用PECVD法进行制备，后者可采用硅基热氧化的方法制备。
为实现对目标物体红外辐射的响应以及利用窄带滤波特性实现光读出，本发明创新地在红外焦平面阵列中引入具有共振滤波特性的亚波长光栅结构。
具体的，亚波长光栅结构可以为图3所示的一维HCG结构，具有一维HCG结构的红外焦平面阵列单元的滤波特性如图4所示；或者也可以为图5所示的一维ZCG结构，具有一维ZCG结构的红外焦平面阵列单元的滤波特性如图6所示。本领域技术人员公知，一维HCG 结构是指光栅波导层(125)的厚度为零；一维ZCG结构是指光栅波导层(125)的厚度不为零。
具体的，亚波长光栅结构为一维ZCG结构时，为简化制备工艺，进一步降低制备成本，光栅波导层(125)采用与光栅脊(123a)相同的材料，使得二者的折射率相等。
本发明对于光栅具体结构不做限制，通常为矩形槽光栅结构，即光栅脊(123a)的截面为矩形结构。亚波长光栅结构的周期满足：Λ＜λ/nL，nL为光栅凹槽(123b)的折射率，λ为入射波长。
亚波长光栅结构具有窄带滤波特性，亚波长光栅结构的共振滤波特性与光栅结构(周期、占空比、光栅厚度、光栅截面图形等)以及光栅材料的折射率相关。通过合理设计光栅结构参数可实现近红外的窄带滤波特性，且滤波波长会随着构成光栅结构的材料折射率变化而发生偏移。实际可根据实际需求通过改变光栅结构参数和光栅材料折射率参数来实现滤波光谱的调谐(如图7-10所示)。一维HCG结构和一维ZCG结构这两种亚波长光栅结构在不同偏振光入射情况下具有不同的光谱特性：如图7所示为采用一维HCG结构仿真计算得到在TM偏振入射情况下亚波长光栅层(123)厚度对反射光谱的影响，如图8所示为采用一维HCG结构仿真计算得到在TM偏振入射情况下光栅脊(20)的折射率对反射光谱的影响；如图9所示为采用一维ZCG结构仿真计算得到在TM偏振入射情况下亚波长光栅层(123)厚度对反射光谱的影响，如图10所示为采用一维ZCG结构设计仿真计算得到在TM偏振入射情况下光栅脊(20) 的折射率对反射光谱的影响。
本实施例采用改变光栅材料折射率的方法，选择具有高热光系数的半导体材料——非晶硅，作为亚波长光栅结构中光栅脊(123a)的材料，利用非晶硅材料具有的热光效应，使得亚波长光栅能够实现温度调谐滤波功能，同时选择折射率相对较低的氮化硅作为亚波长光栅结构中光栅凹槽(123b)的材料。
为使得来自目标物体的红外辐射信息有效地转换成红外焦平面阵列上的温度空间分布信息，亚波长光栅结构上设置有红外吸收层。作为一种优选实施方式，如图11(a)所示，本实施例中红外吸收层(124)为超表面/超材料结构；所述超表面/超材料结构是指在衬底(124a)上具有亚波长周期的表面微结构单元(124b)阵列；所述表面微结构单元(124b)可以为圆柱形、圆锥形、十字形、矩形、蝴蝶结形等；同时，衬底(124a)和表面微结构(124b)的材料均选择在长波红外 (8-14μm)具有高吸收的材料，如氮化硅和二氧化硅。相比现有共振空腔结构的红外吸收层，所述超表面/超材料结构的红外吸收层(124)在8-14μm吸收性能优异，如图11(b)所示。
如图12所示为红外焦平面阵列(2)的正面俯视图和背面俯视图。如图13所示，本实施例中对红外焦平面阵列(2)采用真空封装，封装外壳的正面和背面分别设置有通光窗口；其正面通光窗口(4)采用ZnSe、Ge等在长波红外具有较高透过率的材料，其背面通光窗口(5)采用石英玻璃等在近红外波段具有较高透过率的材料。
读出信号产生模块(2)中输出产生线偏振窄带近红外光，并使其经红外焦平面阵列(12)反射后进入成像显示模块，其中用于调整光路以形成光学系统的元件并不局限于图中示意，本发明对此不做限制。本实施例中选择具有带通滤波特性的窄带滤波器(23)，为此设计用于调整光路的元件应使得近红外光透过窄带滤波器(23)后进入外焦平面阵列(12)。
具体的，所述窄带滤波器(23)的滤波波长选取在800nm左右。
进一步地，若近红外光源(21)为单色连续激光，则所述近红外窄带滤波器(23)可以从光学系统中省去。
成像显示模块(3)用于热图像的可视化，其元件设置为本领域技术人员所公知，具体设计不限制并不局限于图中示意，发明人在此不再赘述。
该热成像系统的工作原理具体如下：
来自目标视场的红外辐射经过红外透镜(11)聚焦到红外焦平面阵列(12)的正面上，其中的红外吸收层(124)吸收来自目标发出的红外辐射，引起阵列单元的温度变化，从而将红外图像信息转换成为红外焦平面阵列(12)的温度空间分布信息，同时由于阵列单元设计中引入了亚波长光栅结构，其中光栅材料的滤波特性与其温度直接相关；如图14所示，在没有红外辐射照射下，阵列单元的光谱曲线(101)，当阵列单元吸收红外辐射引起自身温度上升后，将导致亚波长光栅结构中光栅脊材料的折射率发生变化，由于亚波长光栅具有热调谐滤波特性，光谱曲线会发生偏移，偏移后的光谱曲线(102)；
为了读取红外焦平面阵列(12)上的温度空间分布信息，垂直入射线偏振窄带近红外光至红外焦平面阵列(12)的背面上，经红外焦平面阵列(12)反射得到的近红外光携带了红外焦平面阵列(2)的温度分布信息，此时各阵列单元的温度变化表现为反射光的光强变化；结合到图，则经过近红外窄带滤波器(23)后得到光谱曲线(103)与光谱曲线(101)相互重叠的区域(S1)代表了在没有红外辐射照射下，亚波长光栅滤波单元反射光的光强；经过近红外窄带滤波器(11) 后得到光谱曲线(103)与光谱曲线(102)相互重叠的区域(S2)代表了在红外辐射照射下，亚波长光栅滤波单元反射光的光强。由此可知，阵列单元中亚波长光栅结构反射光的光强受到入射红外辐射的调制；
本领域技术人员公知，温度分布图像并不是人眼所能看到的可见光图像，将该反射光经过分束镜(13)和近红外透镜(14)聚焦到CCD/CMOS焦平面阵列(31)上，通过CCD/CMOS焦平面阵列(31)将空间光强调制信号转换成电信号，并通过图像处理器(32)将电信号转化为数字信号，最终显示在数字图像显示器(33)上，便可实现目标物体的可视化成像。
实施例2；
本实施例提供一种红外热成像系统，如图2所示，包括波长转换模块(1)、读出信号产生模块(2)和成像显示模块(3)；
所述波长转换模块(1)包括沿光路顺序设置的红外透镜(11)、红外焦平面阵列(12)和第一分束镜(13)，其中，所述红外焦平面阵列(12)包括若干个周期性排布的阵列单元，每个阵列单元包括自上而下依次设置的衬底(121)、绝热支撑层(122)、亚波长光栅结构和红外吸收层(124)，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口以使得光线通过绝热支撑层 (122)进入亚波长光栅结构；
所述读出信号产生模块(2)包括沿光路顺序设置的近红外光源(21)、近红外透镜(22)、起偏器(10)、第二分束镜(25)和具有带阻滤波特性的窄带滤波器(23)；所述窄带滤波器(23)的结构和材料与红外焦平面阵列单元的结构和材料相同，并且具有相同的热调谐效率；
所述成像显示模块(3)包括顺序连接的CCD/CMOS焦平面阵列(31)、图像处理器(32)与数字图像显示器(33)；
来自目标视场的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列12上，并被红外吸收层124所吸收，导致每个阵列单元不同的温度变化，从而将目标红外辐射信息转换成焦平面阵列的温度分布信息；所述读出信号产生模块(2)产生线偏振窄带近红外光，并使得线偏振窄带近红外光垂直入射至红外焦平面阵列(12)的背面，经红外焦平面阵列(12)反射后进入成像显示模块(3)实现目标物体可视化。
具体的，第一分束镜(13)和第二分束镜(25)的反射面相互垂直，且第一分束镜(13)和第二分束镜(25)的反射面法线在同一平面内。
波长转换模块(1)和读出信号产生模块(2)中用于调整光路以形成光学系统的元件并不局限于图中示意，本发明对此不做限制。本实施例选择具有窄带带阻滤波特性的窄带滤波器 (23)，为此设计用于调整光路的元件应使得近红外光被窄带滤波器(23)反射后再进入外焦平面阵列(12)。
如图15所示，在没有红外辐射照射下，阵列单元的光谱曲线(101)，当阵列单元吸收红外辐射引起自身温度上升后，将导致亚波长光栅结构中光栅脊材料的折射率发生变化，由于亚波长光栅具有热调谐滤波特性，光谱曲线会发生偏移，偏移后的光谱曲线(102)；通过图15 可看出，经过本实施例的窄带滤波器(23)后得到光谱曲线(103)与在没有红外辐射照射下，红外焦平面阵列(2)滤波单元的光谱曲线(101)完全一致，具有相同的滤波光谱特性、相同的热调谐效率。同理，光谱曲线(103)与光谱曲线(101)相互重叠的区域(S1)代表了在没有红外辐射照射下，亚波长光栅滤波单元反射光的光强；经过近红外窄带滤波器(23)后得到光谱曲线(103) 与光谱曲线(102)相互重叠的区域(S2)代表了在红外辐射照射下，亚波长光栅滤波单元反射光的光强。可见，本实施例窄带滤波器(23)的选择能够消除环境温度变化对成像性能带来的干扰。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。
Claims (9)
1.一种红外焦平面阵列，包括若干个周期性排布的阵列单元，其特征在于，每个阵列单元包括衬底(121)、绝热支撑层(122)、亚波长光栅结构和红外吸收层(124)；所述衬底(121)的正面设置有绝热支撑层(122)，所述绝热支撑层(122)的正面设置有亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构的表面覆盖红外吸收层(124)，在衬底(121)的背面上对应亚波长光栅结构所在区域开设有窗口以使得光线通过绝热支撑层(122)进入亚波长光栅结构；
所述亚波长光栅结构具有亚波长光栅层(123)，所述亚波长光栅层(123)中光栅脊(123a)的材料选择具有高热光系数的半导体材料；
所述红外吸收层(124)具有超表面结构，所述超表面结构是指在所述红外吸收层的衬底(124a)上具有亚波长周期排列的表面微结构单元(124b)形成的二维阵列结构；
所述红外吸收层(124)的材料包括氮化硅或者二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列，其特征在于，所述亚波长光栅结构为一维HCG结构或者一维ZCG结构。
3.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列，其特征在于，所述表面微结构单元(124b)包括圆柱形、圆锥形、十字形、矩形或者蝴蝶结形。
4.基于权利要求1至3任一项所述红外焦平面阵列的红外热成像系统，其特征在于，包括波长转换模块(1)、读出信号产生模块(2)和成像显示模块(3)；所述波长转换模块(1)包括红外焦平面阵列(12)；来自目标的红外辐射聚焦到红外焦平面阵列(12)上，基于红外吸收层(124)将红外辐射信息转换为温度分布信息；所述读出信号产生模块(2)用于产生线偏振窄带近红外光并使其经红外焦平面阵列(12)反射后进入成像显示模块(3)实现目标物体可视化。
5.根据权利要求4所述的一种红外热成像系统，其特征在于，所述线偏振窄带近红外光的中心波长与红外焦平面阵列(12)中亚波长光栅结构基于共振滤波特性得到的滤波中心波长相当，并且所述线偏振窄带近红外光的带宽小于亚波长光栅结构的滤波带宽。
6.根据权利要求4所述的一种红外热成像系统，其特征在于，所述读出信号产生模块(2)包括：近红外光源(21)、窄带滤波器(23)；所述波长转换模块(1)和/或读出信号产生模块(2)还包括用于控制光路形成光学系统的元件，具体包括透镜、分束镜和平面反射镜任意一种或者多种。
7.根据权利要求4所述的一种红外热成像系统，其特征在于，所述红外热成像系统还包括用于将进入红外焦平面阵列(12)的近红外光变成线偏振的起偏器(10)。
8.根据权利要求6所述的一种红外热成像系统，其特征在于，所述窄带滤波器(23)具有窄带带通滤波特性，此时读出信号产生模块(2)中近红外光源(21)产生的光透过窄带滤波器(23)后入射至红外焦平面阵列(12)背面；或者所述窄带滤波器(23)具有窄带带阻滤波特性，此时读出信号产生模块(2)中近红外光源(21)产生的光从窄带滤波器(23)反射回来再射入红外焦平面阵列(12)背面。
9.根据权利要求8所述的一种红外热成像系统，其特征在于，所述具有窄带带阻滤波特性的窄带滤波器(23)的结构和材料与构成红外焦平面阵列单元的结构和材料一致，并且具有相同的热调谐效率。
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