CN113267257A - 一种红外成像模组、红外成像仪 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种红外成像模组、红外成像仪，包括：第一硅衬底，位于第一硅衬底上表面的红外抗反射层，一体于第一硅衬底下表面的四光轴透镜，位于四光轴透镜正下方的多光谱红外滤光片，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，四光轴透镜由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个透镜的光轴相互平行；多光谱红外滤光片包括第二硅衬底，层叠设置在第二硅衬底上表面的第一聚合物层、金属层和第二聚合物层；多光谱红外滤光片具有四个与透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的透镜的光轴重合。这样可以有效提高辐射光通量，无需进行算法上的光轴校正，降低后期的校准成本，同时获得更多窄带的光谱信息实现红外的伪彩色成像。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，特别是涉及一种红外成像模组、红外成像仪。
背景技术
传统的红外相机通常使用硅/锗单光轴镜头，以使得待测物体所辐射的红外光通过镜头被红外焦平面探测器接收，最终呈现出灰度级的红外图像。然而灰度图像所呈现的是宽波段内入射光共同作用的结果，包含的细节信息非常有限，很难直观地体现灰度值变化非常小的细节信息，无法满足现阶段对进一步提高成像质量以及图像层次的需求，因此，获取更多的窄带光谱信息就显得格外重要。
传统的窄带滤光片基于多层薄膜之间的干涉，一方面对于红外区的膜层来说，镀膜材料的选择种类比较有限，且膜层之间的粘附力受时间以及环境温度等因素的影响，可能存在剥落等现象；另一方面，对于中波红外波段，多层薄膜的镀膜厚度也随之增加，除过增加了工艺成本以及累计膜厚误差外，对薄膜沉积过程中薄膜的均匀性提出了较高的要求，因此具有一定的局限性。
并且，通过镀膜方式形成的滤光片很难实现多种谱段的集成化，因此多个窄带波段的成像需要多个独立的光学系统，目前采用的方法通常为简单地将多个独立的透镜组装在一起，不可避免地导致光学系统的横向尺寸增大，系统集成度较低，并且光轴之间的距离相对较大，会造成近距离监测时视场之间偏差很大，并且难以通过算法进行光轴校准。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种红外成像模组、红外成像仪，无需进行算法上的光轴校正，可以降低后期的校准成本，避免光轴偏移误差，同时获得更多窄带的光谱信息以实现红外的伪彩色成像。其具体方案如下：
一种红外成像模组，包括：第一硅衬底，位于所述第一硅衬底上表面的红外抗反射层，一体于所述第一硅衬底下表面的四光轴透镜，位于四光轴透镜正下方的多光谱红外滤光片，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，
所述四光轴透镜是由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个所述透镜的光轴相互平行；
所述多光谱红外滤光片包括第二硅衬底，层叠设置在所述第二硅衬底上表面的第一聚合物层、金属层和第二聚合物层；所述多光谱红外滤光片具有四个与所述透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的所述透镜的光轴重合。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，相邻两个所述透镜的光轴的间距小于一个所述透镜的口径大小。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述第一聚合物层和所述第二聚合物层的材料为中红外波段透明的介质材料；
所述金属层的材料为在目标波段内具有负介电常数的金属材料。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，在所述多光谱红外滤光片的四个通道中，三个通道所在的区域刻蚀有贯穿整个膜层结构的亚波长周期性圆孔阵列，所述三个通道分别具有不同的圆孔直径和周期；除所述三个通道之外的另一个通道未设置滤光结构。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述第二硅衬底具有窗口，以使所述多光谱红外滤光片处于悬空状态。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述四光轴透镜是通过聚合物压印的方式制备而成。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述红外抗反射层为亚波长圆柱阵列浮雕结构或采用光学镀膜工艺形成的膜层。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，还包括：金属外壳；
所述金属外壳位于所述第一硅衬底、所述四光轴透镜和所述多光谱红外滤光片的侧表面。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述红外焦平面阵列探测器包括位于所述金属外壳下方的陶瓷衬底，位于所述陶瓷衬底上表面且位于所述多光谱红外滤光片正下方的红外焦平面阵列芯片。
优选地，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，所述陶瓷衬底和所述金属外壳采用可伐合金通过平行封焊的方式密封焊接，形成气密封装。
本发明实施例还提供了一种红外成像仪，包括如本发明实施例提供的上述红外成像模组。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种红外成像模组、红外成像仪，包括：第一硅衬底，位于第一硅衬底上表面的红外抗反射层，一体于第一硅衬底下表面的四光轴透镜，位于四光轴透镜正下方的多光谱红外滤光片，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，四光轴透镜是由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个透镜的光轴相互平行；多光谱红外滤光片包括第二硅衬底，层叠设置在第二硅衬底上表面的第一聚合物层、金属层和第二聚合物层；多光谱红外滤光片具有四个与透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的透镜的光轴重合。
本发明所提供的上述红外成像模组中，红外抗反射层的引入有效地提高了辐射光通量；四光轴透镜的设计不但使得镜头的横向结构紧凑，而且无需再进行算法上的光轴校正，也降低了后期的校准成本；由于免去了多个镜头的机械装配，也避免了光路装配过程中产生的光轴偏移误差，提高了系统的光学性能；另外，在镜头内部集成的多光谱红外滤光片可以获得更多窄带的光谱信息，进而实现红外的伪彩色成像，提供更加丰富的目标场景信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的红外成像模组的截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的红外成像模组镜头部分的截面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的四光轴透镜的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的多光谱红外滤光片的俯视结构图；
图5为本发明实施例提供的四光轴透镜的制备流程示意图；
图6为本发明实施例提供的红外成像模组对入射红外光作用的原理示意图；
图7为本发明实施例提供的多光谱红外滤光片上三个通道对应的仿真透射光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种红外成像模组，如图1所示，包括：第一硅衬底1，位于第一硅衬底1上表面的红外抗反射层2，一体于第一硅衬底1下表面的四光轴透镜3，位于四光轴透镜3正下方的多光谱红外滤光片4，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，
如图2和图3所示，四光轴透镜3是由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个透镜的光轴相互平行；
多光谱红外滤光片4包括第二硅衬底401，层叠设置在第二硅衬底401上表面的第一聚合物层402、金属层403和第二聚合物层404；多光谱红外滤光片4具有四个与透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的透镜的光轴重合。多光谱红外滤光片4的波段范围可以为3um至15um。
在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，红外抗反射层的引入有效地提高了辐射光通量；以四光轴透镜3替代四个独立的单轴透镜，不但使得镜头的横向结构紧凑，而且无需再进行算法上的光轴校正，也降低了后期的校准成本；由于免去了多个镜头的机械装配，也避免了光路装配过程中产生的光轴偏移误差，提高了系统的光学性能；另外，在镜头内部集成的多光谱红外滤光片可以获得更多窄带的光谱信息，进而实现红外的伪彩色成像，提供更加丰富的目标场景信息。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，如图2所示，红外抗反射层2可以为亚波长圆柱阵列浮雕结构201或采用光学镀膜工艺形成的膜层。较佳地，红外抗反射层2作为折射率匹配层，材料可以是Ge、ZnS、ZnSe、MgF2等常见的红外增透材料，制作方式可以采用光学镀膜的方式实现，也可以采用光刻、反应离子刻蚀(Reactive IonEtching，RIE)工艺制备浮雕硅柱阵列结构于硅衬底1的上表面。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，如图3所示，相邻两个透镜的光轴的间距可以小于一个透镜的口径大小，由于四个光轴间距很近，彼此非常接近，可以进一步使镜头的横向结构更加紧凑，最终像点之间间距可以控制在一个像素大小内。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，第一聚合物层402和第二聚合物层404的材料可以为中红外波段透明的介质材料，如SU-8、PI、PMMA、BCB胶等；金属层403的材料可以为在目标波段内具有负介电常数的金属材料，以支持第二聚合物层404-金属层403界面和第一聚合物层402-金属层403界面上表面等离极化激元(SurfacePlasmon Polaritons，SPP)的激发，将入射光能量耦合为沿着界面传播的横磁波。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，如图4所示，在多光谱红外滤光片4的四个通道中，三个通道所在的区域刻蚀有贯穿整个膜层结构(即第一聚合物层402/金属层403/第二聚合物404层组成的膜层结构)的亚波长周期性圆孔阵列40，即圆孔阵列40贯穿整个膜层结构的上、下表面，三个通道分别具有不同的圆孔直径和周期，以使得在整个3um至15um波段内获得三个中心波长不同的窄带透射峰。另外，除三个通道之外的另一个通道未设置滤光结构，以获得全波段入射光的透射。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，第二硅衬底401具有窗口，以使多光谱红外滤光片4处于悬空状态。制备多光谱红外滤光片4的方法可以包括：首先将诸如SU-8、PI、PMMA、BCB等聚合物胶均匀的覆盖在第二硅衬底401上并使用光刻工艺进行图形化，然后在图形化的第一聚合物层402上通过蒸发或溅射或电镀等工艺在第一聚合物层402上面沉积一层金属层403，之后在金属层403上叠加一层聚合物，通过光刻工艺的方法形成图形化的第二聚合物层404，最终形成三明治结构。最后对第二硅衬底401进行背面刻蚀形成窗口，保证整个多光谱红外滤光片4处在悬空的状态，这样能够增加光学透过率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，四光轴透镜3可以是通过聚合物压印的方式制备而成。如图5所示，首先通过在硅衬底1表面涂覆一定厚度的光刻胶，然后将压印模板紧密地压到该光刻胶上，之后通过紫外曝光(或加热)的方法使得光刻胶固化，最后移除压印模板，此时在硅衬底1上得到了一层曲面化聚合物，接下来通过刻蚀聚合物的方法就可以完成四光轴透镜3的制备。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外成像模组中，如图1所示，还包括：金属外壳5；金属外壳5位于第一硅衬底1、四光轴透镜3和多光谱红外滤光片4的侧表面。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述红外成像模组集成有多光谱滤光片四光轴镜头和红外焦平面阵列探测器。如图1所示，该红外焦平面阵列探测器可以包括位于金属外壳5下方的陶瓷衬底6，位于陶瓷衬底6上表面且位于多光谱红外滤光片4正下方的红外焦平面阵列芯片7。较佳地，陶瓷衬底6和金属外壳5可以采用可伐合金8通过平行封焊的方式密封焊接，形成气密封装。这样将多光谱滤光片四光轴镜头与红外焦平面阵列探测器集成，使得红外焦平面阵列探测器不再需要四个独立的探测器，而可以集成在同一个大面阵探测器上，这极大地降低了器件成本以及系统组装成本。
下面对本发明实施例提供的上述红外成像模组的工作原理进行详细描述：
如图6所示，待测物体所辐射的宽谱红外光进入红外抗反射层2，红外抗反射层2作为折射率匹配层，使得待测物体所辐射的大部分红外光可以通过四光轴透镜3，经过四光轴透镜3的作用形成四束光沿各自光轴方向传播，随后分别到达多光谱红外滤光片4上四个通道所在的区域。多光谱红外滤光片4基于光学异常透射(Extraordinary OpticalTransmission，EOT)现象实现红外滤光，由于其中三个通道的结构支持SPP的激发，在某些特殊波长上，红外光耦合为沿着界面传播的表面波，最终在圆孔处向下传播形成透射。EOT的一大优点是SPP的激发波长随亚波长周期性圆孔阵列40的结构参数可调谐，基于此，通过多光谱红外滤光片4上的三个通道后能获得良好透射的光具有不同的中心波长。如图7所示，分别为圆孔阵列40结构参数不同的三个通道在同一波段内得到的透射光谱，中心透过波长分别为8.5um、10.5um、12um，而不含滤光结构的通道透射光谱不变。最终待测物体所辐射的红外光经过整个镜头的作用后转变为四束具有不同光谱信息的光(图6示出了其中两束中心波长为λ1和λ2的窄带红外光)，分别聚焦于系统焦平面对应位置的像素点上，并在红外探测器的四个区域成像为四幅关于待测物体的三种不同基色的图像以及目标波段内的混色图像，经过算法处理后，可以合成层次更加丰富的伪彩色图像。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种红外成像仪，包括如本发明实施例提供的上述红外成像模组。由于该红外成像仪解决问题的原理与前述一种红外成像模组相似，因此该红外成像仪的实施可以参见红外成像模组的实施，重复之处不再赘述。
综上，本发明实施例提供的一种红外成像模组、红外成像仪，包括：第一硅衬底，位于第一硅衬底上表面的红外抗反射层，一体于第一硅衬底下表面的四光轴透镜，位于四光轴透镜正下方的多光谱红外滤光片，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，四光轴透镜是由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个透镜的光轴相互平行；多光谱红外滤光片包括第二硅衬底，层叠设置在第二硅衬底上表面的第一聚合物层、金属层和第二聚合物层；多光谱红外滤光片具有四个与透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的透镜的光轴重合。上述红外成像模组中，红外抗反射层的引入有效地提高了辐射光通量；四光轴透镜的设计不但使得镜头的横向结构紧凑，而且无需再进行算法上的光轴校正，也降低了后期的校准成本；由于免去了多个镜头的机械装配，也避免了光路装配过程中产生的光轴偏移误差，提高了系统的光学性能；另外，在镜头内部集成的多光谱红外滤光片可以获得更多窄带的光谱信息，进而实现红外的伪彩色成像，提供更加丰富的目标场景信息。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的红外成像模组、红外成像仪进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种红外成像模组，其特征在于，包括：第一硅衬底，位于所述第一硅衬底上表面的红外抗反射层，一体于所述第一硅衬底下表面的四光轴透镜，位于四光轴透镜正下方的多光谱红外滤光片，以及集成的红外焦平面阵列探测器；其中，
所述四光轴透镜是由以2*2矩形阵列方式紧密排布的四个透镜拼合而成，四个所述透镜的光轴相互平行；
所述多光谱红外滤光片包括第二硅衬底，层叠设置在所述第二硅衬底上表面的第一聚合物层、金属层和第二聚合物层；所述多光谱红外滤光片具有四个与所述透镜一一对应的通道，每个通道的中心轴与对应的所述透镜的光轴重合。
2.根据权利要求1所述的红外成像模组，其特征在于，相邻两个所述透镜的光轴的间距小于一个所述透镜的口径大小。
3.根据权利要求2所述的红外成像模组，其特征在于，所述第一聚合物层和所述第二聚合物层的材料为中红外波段透明的介质材料；
所述金属层的材料为在目标波段内具有负介电常数的金属材料。
4.根据权利要求3所述的红外成像模组，其特征在于，在所述多光谱红外滤光片的四个通道中，三个通道所在的区域刻蚀有贯穿整个膜层结构的亚波长周期性圆孔阵列，所述三个通道分别具有不同的圆孔直径和周期；除所述三个通道之外的另一个通道未设置滤光结构。
5.根据权利要求4所述的红外成像模组，其特征在于，所述第二硅衬底具有窗口，以使所述多光谱红外滤光片处于悬空状态。
6.根据权利要求5所述的红外成像模组，其特征在于，所述四光轴透镜是通过聚合物压印的方式制备而成。
7.根据权利要求6所述的红外成像模组，其特征在于，所述红外抗反射层为亚波长圆柱阵列浮雕结构或采用光学镀膜工艺形成的膜层。
8.根据权利要求7所述的红外成像模组，其特征在于，还包括：金属外壳；
所述金属外壳位于所述第一硅衬底、所述四光轴透镜和所述多光谱红外滤光片的侧表面。
9.根据权利要求8所述的红外成像模组，其特征在于，所述红外焦平面阵列探测器包括位于所述金属外壳下方的陶瓷衬底，位于所述陶瓷衬底上表面且位于所述多光谱红外滤光片正下方的红外焦平面阵列芯片。
10.根据权利要求9所述的红外成像模组，其特征在于，所述陶瓷衬底和所述金属外壳采用可伐合金通过平行封焊的方式密封焊接，形成气密封装。
11.一种红外成像仪，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项的红外成像模组。
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