CN113660433B - 一种非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备，用于在一定程度上减少非制冷热红外焦平面器件存在的电路读出噪声。本申请提供的非制冷热红外焦平面器件的器件结构，由于采用的暗场散射光读出机制，因此具有更低的噪声以及更高的灵敏度；其次，由于采用光学角度滤波板，反射LED阵列发射的大角度范围光及透射来自热光像素阵列表面纳米粒子的小角度散射光，形成波导式照明和散射光透射的复合功能，在照明结构上具有多芯片集成特征，更为紧凑；此外，由于阵列成像板在具有超薄特性的基础上，还存在多个的成像通道，促使成像光学系统的厚度以及体积得到了有效的降低。

Description

一种非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备

技术领域

本申请涉及红外成像领域，具体涉及一种非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备。

背景技术

非制冷热红外焦平面器件，为红外成像技术中的一种重要部件，其主要由微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)热敏像素阵列以及互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)读出电路组成。

其中，非制冷热红外焦平面器件具有比较复杂的读出电路结构，存在无法克服的电路读出噪声，该电路读出噪声一定程度上会影响到CMOS读出电路的识别能力，尤其是在MEMS热敏像素阵列的热敏材料和结构不断优化使得器件性能不断提升的背景下，电路读出噪声影响了CMOS读出电路的性能，限制了非制冷热红外焦平面器件性能的提升。

而在现有的相关技术的研究过程中，发明人发现，对于CMOS读出电路，目前摒弃电学读出方案，而采用光学读出方案是一种可能解决电路读出噪声问题的方案之一，然而目前基于热敏机械效应或者热光效应的光学读出方案，在减少电路读出噪声时，却引入了来源于照明光源的光学噪声，同时也产生了读出光学系统复杂且体积大的问题，而这与红外热像仪的高灵敏和小型化发展趋势相悖，显然应用价值较低。

发明内容

本申请提供了一种非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备，用于在一定程度上减少非制冷热红外焦平面器件存在的电路读出噪声、光学噪声，进而提升非制冷热红外焦平面器件的性能，同时使器件和设备更紧凑小巧。

第一方面，本申请提供了一种非制冷热红外焦平面器件，沿预设的红外光进入方向，非制冷热红外焦平面器件包括红外探测模块以及光学成像模块；

红外探测模块由红外透射板以及光学角度滤波板构成，红外透射板以及光学角度滤波板之间由外侧的第一间隔层键合并形成封闭的真空腔体；

在真空腔体中，红外透射板的内表面通过多个的支撑介质层分别支撑对应的热光像素单元以形成热光像素阵列，热光像素单元包括红外吸收层、FP微腔以及纳米粒子层，在热光像素阵列外侧还设有与热光像素阵列表面齐平的光学吸收层，光学角度滤波板由光学透明玻璃衬底及光学透明玻璃衬底内表面上的角度滤波膜层构成，光学透明玻璃衬底在角度滤波膜层的外侧还设有LED发光阵列；

光学吸收层用于吸收可见光或近红外光，LED发光阵列发出的可见光或近红外光，在热光像素阵列表面和光学角度滤波板之间经过多次反射，形成波导式照明；

光学成像模块由阵列成像板以及图像传感器构成，阵列成像板的光学玻璃衬底表面设有第一光阑阵列、孔径大小与第一光阑阵列不同的第二光阑阵列、光学透明填充层以及微透镜阵列，光学透明填充层与图像传感器之间由外侧的第二间隔层键合；

第一光阑阵列以及第二光阑阵列用于控制微透镜阵列对散射光的接收角，以限制每个成像通道的成像视场角，避免在图像传感器上出现通道串扰，第二间隔层用于控制微透镜阵列到图像传感器的光敏阵列之间的成像间距；

在工作过程中，当目标红外光通过红外透射板照射到热光像素阵列上时，红外吸收层的温度上升引起FP微腔的反射谐振谱发生偏移，在光波导式照明的照射下，FP微腔以及纳米粒子层组成的耦合系统激发背向散射光，背向散射光通过光学角度滤波板进入光学成像模块，在光学成像模块中经过第一光阑阵列以及第二光阑阵列的视场约束后，经过微透镜阵列成像到图像传感器上，由图像传感器将得到的低分辨子像经过视场拼接以及图像重构，得到红外辐射图像。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，在热光像素单元中，FP微腔包括第一反射层、热光材料层以及第二反射层。

结合本申请第一方面第一种可能的实现方式，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，第一反射层以及第二反射层由TiO₂材料制得；热光材料层由热光系数大于10^-4K^-1的材料制得。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，所述 LED发光阵列发出的可见光或近红外光线照射到热光像素阵列上的最小角度不小于30°；

结合本申请第一方面在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，光学角度滤波板的内表面设有微纳结构，以透射小于角度30°的可见光或者近红外光，并反射大于30°的可见光或者近红外光。

结合本申请第一方面在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，角度滤波膜层由TiO₂或者SiO₂材料制得。

结合本申请第一方面在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，支撑介质层为空心的圆柱形结构，支撑介质层由SiO₂材质制得。

结合本申请第一方面在本申请第一方面第七种可能的实现方式中，红外吸收层吸收的红外光的波段为3微米-5微米的波段，或者为8微米-12微米的波段。

结合本申请第一方面在本申请第一方面第八种可能的实现方式中，真空腔体的真空度小于1Pa。

第二方面，本申请提供了一种红外成像设备，该红外成像设备包括如本申请第一方面或者第一方面任一种实现方式中的非制冷热红外焦平面器件，并通过非制冷热红外焦平面器件进行红外成像处理。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

针对非制冷热红外焦平面器件的红外成像，相比于现有光学读出方案中采用的明场反射光读出机制，本申请提供的非制冷热红外焦平面器件的器件结构，由于采用的暗场散射光读出机制，因此可具有更低的来自于反射光的噪声以及更高的灵敏度，在一定程度上可减少非制冷热红外焦平面器件存在的电路读出噪声和光学读出噪声，进而提升非制冷热红外焦平面器件的性能；

其次，由于采用光学角度滤波板，反射LED阵列发射的大角度范围光及透射来自热光像素阵列表面纳米粒子的小角度散射光，形成波导式照明和散射光透射的复合功能，在照明结构上具有多芯片集成特征，更为紧凑，符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值；

此外，由于阵列成像板在具有超薄特性的基础上，还存在多个的成像通道，因此，促使成像光学系统的厚度以及体积得到了有效的降低，这也符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中光学读出系统的一种结构示意图；

图2为本申请非制冷热红外焦平面器件的一种结构示意图；

图3示出本申请LED发射面上三个代表性位置处发射的光线到达热光像素阵列上分别具有的最小角度θ₁、θ₂和θ₃的一种示意图；

图4为本申请热光像素单元的一种结构示意图；

图5为本申请3-5μm红外波段设计的热光像素单元的散射峰随温度变化的一种场景示意图；

图6为现有技术中无纳米粒子的FP腔与本申请有纳米粒子的FP腔对大角度入射光照射下反射谱峰值随角度变化的一种偏移率对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。

首先参阅图1，图1示出了现有技术中光学读出系统的一种结构示意图，在现有技术中采用的光学读出方案，来自目标的红外辐射光(Infrared Radiation，IR)，经过物镜(IR Lens)收集后照射到红外探测器阵列(IR detection array)上，后端的光学读出系统由LED光源和反射光学成像系统组成，其中光阑(aperture)作为空间滤波器选择合适反射角度的反射光成像。

在这类系统结构中，发明人发现，无论红外探测阵列是微机械悬臂梁阵列，还是热光谐振腔阵列，其光读出光学系统均十分复杂，难以做到体积以及重量的轻量化、小型化，难以适应红外成像设备的小型化发展趋势。

继续参阅图2，图2示出了本申请非制冷热红外焦平面器件的一种结构示意图，本申请所提供的非制冷热红外焦平面器件，沿预设的红外光进入方向，包括红外探测模块10以及光学成像模块20。

在实际应用中，非制冷热红外焦平面器件的结构一般为对称结构，基于理想状态下的标准红外光传播路径对称设置，以图2为例，可以看出的是，红外光进入方向是沿着竖直方向向下传播的，非制冷热红外焦平面器件则呈左右对称。

沿着红外光进入方向，红外探测模块10为后面的光学成像模块20提供有效的、低噪声的热光耦合作用。下面则对红外探测模块10以及光学成像模块20 两大模块进行详细介绍。

红外探测模块10

在本申请中，红外探测模块10由红外透射板11以及光学角度滤波板12构成，容易从字面上理解到，红外透射板11主要用于对进入非制冷热红外焦平面器件的光进行透射，光学角度滤波板12则起到滤波的作用，并且还可起到配合暗场散射光读出机制的作用，该暗场散射光读出机制的说明具体可看下面内容。

红外透射板10以及光学角度滤波板12之间由外侧的第一间隔层13键合并形成封闭的真空腔体。

该第一间隔层13，从图2可看出，处于红外透射板10以及光学角度滤波板12之间的空间的两侧，在实际场景中，处于红外透射板10以及光学角度滤波板 12之间的空间的外围，提供结构支撑作用，同时还兼具形成密封空间(真空腔体)的效果，为真空腔体中的光线传播提供有效的封闭性结构支持，该真空腔体，可在非制冷热红外焦平面器件的装配工作中通过抽真空处理调整其真空度。

该真空腔体也可以称为负压封闭腔室，在实际应用中，可将该真空腔体的真空度保持在10Pa以下，减少腔室中的热感元件通过空气介质的传热损失，从而器件具有较佳的工作性能，优选地，可将真空腔体的真空度保持小于1Pa，具有更佳的工作性能。

在红外透射板10、光学角度滤波板12以及第一间隔层13围成的真空腔体中，红外透射板10的内表面通过多个的支撑介质层14分别支撑对应的热光像素单元15以形成热光像素阵列，热光像素单元15包括红外吸收层、FP微腔以及纳米粒子层，在热光像素阵列外侧还设有与热光像素阵列表面齐平的光学吸收层 16，光学角度滤波板12由光学透明玻璃衬底17及光学透明玻璃衬底17内表面上的角度滤波膜层18构成，光学透明玻璃衬底17在角度滤波膜层18的外侧还设有 LED发光阵列19。

从图2中可看出，热光像素单元15是以支撑介质层14作为支撑结构固定于红外透射板10上，一个支撑介质层14对应一个热光像素单元15，形成整体的热光像素阵列。

在实际应用中，该支撑介质层14优选地配置为支撑结构特性以及占用空间之间取得较佳平衡的圆柱形结构，其次还可设置为重量更为轻量的空心结构，其可采用低热导材料制得，例如Si材质、SiO₂材质，优选地采用低热导性能更佳的SiO₂材质。

光学吸收层16用于在真空腔体的外侧，吸收可见光或近红外光，可避免这些光在真空腔体内进行进一步的传播，对中间的光学传播造成影响。

从图2中可看出，LED发光阵列19发出的可见光或者近红外光，一般是呈一个对称的角度范围，且遵从余弦分布的朗伯发射源，即相对法线的角度为θ方向的发射光强I_θ＝I₀cosθ，其中，I₀是法线方向的发射光强。

为了使位于像素阵列外围的LED发光阵列19的光斜入射照射到像素阵列 15上同时强度足够，LED发光阵列19的位置应合理布局。图3示出本申请LED 发射面上三个代表性位置处发射的光线到达热光像素阵列上分别具有的最小角度θ₁、θ₂和θ₃的一种示意图，其中，θ₁＜θ₂＜θ₃,显然，只有大于θ₁角度的光才有可能到达热光像素阵列上，而θ₁的取值由θ₁＝arctg(d/h)决定，其中d为 LED发光阵列19与热光像素阵列边缘的距离，h为热光像素阵列与光学角度滤光板12之间的距离。例如，若取d＝0.58mm，h＝1mm，则θ₁约为30°，在这种情况下，只有角度大于30°的光线才可能进入到由热光像素阵列平面和光学角度滤波板12构成的平行空腔内。

光学角度滤波板12的内表面设有角度滤波膜层18，是采用介质薄膜材料制得的，例如可由TiO₂或者SiO₂材料制得，其还可设置为高低折射率特性，分别可选用TiO₂、SiO₂材料。通过设计滤波膜层，使之可以透射小于全角度2α的可见光或者近红外光，但反射大于全角度2α的可见光或者近红外光，其中，α为相对于滤波板法线方向的半角。

在实际应用中，在配合角度滤波膜层18的基础上，还可进一步提高光学角度滤波板12对光的折射以及反射性能，光学角度滤波板12的内表面还可设有微纳结构。

从图2和3所示的真空腔体内的光学传播路径可看出，由于预设的特定结构设置，LED发光阵列19所发出的大角度(大于θ₁)的可见光或近红外光，在热光像素阵列表面和光学角度滤波板12之间经过多次反射，形成波导式照明。进一步，为了增加进入波导的LED光束，可以在LED发射口侧面增加斜反射镜，将更多的LED光反射进波导。

对于热光像素单元15，其红外吸收层可吸收从红外透射板10透射过来的红外光，并引起温度上升，进而引起后面FP微腔的反射谐振谱发生偏移，而在 LED发光阵列19发出的波导式照明光的照射下，FP微腔以及纳米粒子层则可作为一耦合系统，激发出小角度的背向散射光，经过光学角度滤波板12的透射以及滤波，进入后面的光学成像模块20。

其中，结合图3在LED发光阵列19处所示的角度θ₁，在实际应用中，对于真空腔体内的大角度的波导式照明以及小角度的散射光，本申请还对其传播角度进行了适用性优化设置，结合光学角度滤波板12的设置，可以避免大角度的照明光对小角度散射光的影响，使光学读出受到照明光的强度变化和照明角度变化的影响最小。

具体的，可将LED发光阵列发出的可见光或近红外光的达到热像素阵列的最小照射角度θ₁，设置为30°，对应的光学角度滤波板12的透射光角度α应小于θ₁。

在红外探测模块10的上述结构设置下，可以发现，相比于现有技术中采用的明场反射光读出机制，本申请红外探测模块10实现的是暗场散射光读出机制，而这在实际应用中可具有更低的由照明光源引起的光学噪声，从而获得更高的灵敏度，进而提升非制冷热红外焦平面器件的性能；

其次，由于采用光学角度滤波板12，反射LED阵列19发射的大角度范围光及透射来自热光像素阵列表面纳米粒子的小角度散射光，形成波导式照明和散射光透射的复合功能，在结构上还具有更为紧凑的特点，具有多芯片集成特征，符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值；

进一步的，还可参阅图4示出的本申请热光像素单元的一种结构示意图，在上面内容已经提及了，热光像素单元包括红外吸收层、FP微腔以及纳米粒子层，其中的FP微腔为基于法布里-珀罗干涉原理制得的一种腔体，也可称为法布里-珀罗腔(Fabry–Pérotcavity)，其可以理解为一种无源光学谐振腔，用于充分利用热光工作物质，使进入的光束在整个热光工作物质内振荡而产生强的谐振。

而在图4中可看出，位于红外吸收层151以及纳米粒子层155之间，本申请提出了FP微腔的一种具体结构，FP微腔具体可以由第一反射层152、热光材料层153、第二反射层154构成。

在实际应用中，第一反射层152以及第二反射层154可以为具有高折射率的金属薄膜或者介质薄膜，例如由TiO₂材料制得的薄膜。

热光材料层153则可以由对于可见光或者近红外光具有较佳热光系数的材料制得，例如PDMS、NOA73、单晶硅等材料，优选地采用对于可见光或者近红外光热光系数大于10^-4K^-1的材料制得。

此外，对于红外吸收层151，其吸收的红外光的波段具体可以为3微米-5微米的波段，或者为8微米-12微米的波段等特定波段。

纳米粒子层155，则可由Au、Al、Ag、Ni等金属材料制得，或者也可以由如Si、Ge、TiO₂、Al₂O₃等高折射率介质制得。

其中，纳米粒子层155在实际应用中，除了可位于FP微腔表面，还可能处于FP微腔中，具体随实际需要调整。

在工作过程中，当LED发光阵列19发出的可见光或者近红外光线141以大角度照射到第二反射层153时，不满足FP腔谐振条件的光线被大角度镜面反射，而满足腔内谐振条件的光辐射能量和纳米粒子层155耦合，并将能量转移到纳米粒子层155的散射能量中，形成较强的谐振散射峰，并以小角度光线156向外传播。

可以理解，在环境或热光像素单元15本身的温度发生变化时，热光像素单元15的谐振散射峰会发生偏移。参阅图5，图5示出了本申请3-5μm红外波段设计的热光像素单元15的散射峰随温度变化的一种场景示意图。

作为示例，在热光像素单元15中，红外吸收层151可以由厚度分别为10nm 的Ti、685nm的SiO₂或者100nm的Al材料制得，FP微腔可以为150nm的TiO₂、1.8μm的NOA73或者150nm的TiO₂材料制得，表面的纳米粒子层155为Al圆盘粒子，其圆盘直径为500nm，粒子阵列周期为1000nm。其中热光材料NOA73光学透明，且具有比较高的热光系数，达到3.0×10^-4K^-1。

实际测试表明，在400-700nm波长的大角度光照明下，热光像素单元15的散射谱峰值温度灵敏度为0.24nm·K^-1，当环境温度由20℃升高到50℃的过程中，散射峰值持续发生红移，对应某一波长的强度发生变化，其中在λ₀＝614nm处相对光强度的变化量最大，达到了41％，换算成单位温度变化下光强度的变化量为1.38％K^-1。若在散射光到达图像传感器22的传输过程中，在相应的元件表面镀制针对透射波长614nm的窄带滤光膜，则可以通过监测该波长光强的变化得到热光像素单元15的温度或红外辐射强度的变化量，而通过整体的热光像素阵列则可以获得目标的红外辐射图像。

可以理解，现有技术中的光学读出方案为反射光读出方案，易于受到入射光角度的影响。参与图6示出的现有技术中无纳米粒子的FP腔与本申请有纳米粒子的FP腔对大角度入射光照射下反射谱峰值随角度变化的一种偏移率对比图，在大角度斜入射的情况下，无纳米粒子FP腔的相对波长位移量达到了11％，而有纳米粒子的FP腔的共振峰则基本保持在相同的光谱位置。

这表明，与无纳米粒子的FP腔相比，有纳米粒子的FP腔其金属粒子激发的局部等离子体谐振和FP腔模的耦合散射光的角度依赖性更弱。

因此，本申请所提出的散射光读出方案，不需要对LED照明光进行准直，可以大大降低使用LED光源照明时带来的光学噪声和光学系统的复杂度，同时结合光学角度滤波可以实现波导式照明，更有利于多芯片集成，兼具低噪声、结构紧凑的特点。

光学成像模块20

继续结合图2进行理解，在本申请中，光学成像模块20由阵列成像板21以及图像传感器22构成，阵列成像板20的光学玻璃衬底表面设有第一光阑阵列 23、孔径大小与第一光阑阵列21不同的第二光阑阵列24、光学透明填充层25 以及微透镜阵列26，光学透明填充层25与图像传感器22之间由外侧的第二间隔层27键合。

可以理解，第一光阑阵列23以及第二光阑阵列24，由于两者光阑的孔径不同，对光学传播路径形成不同的约束，进而在两层光阑结构的基础上，可用于控制后面微透镜阵列26对小角度散射光的接收角2β，以限制每个成像通道的成像视场角，避免在图像传感器22上出现通道串扰，达到视场约束的作用。

第二间隔层27在提供结构支撑作用的同时，还可用于控制微透镜阵列26 到图像传感器22的光敏阵列之间的成像间距。

其中，图像传感器22，具体可以为电荷耦合元件(Charge-coupled Device， CCD)类型或者CMOS类型的图像传感器。

可以发现，对于光学成像模块20，由于阵列成像板在具有超薄特性的基础上，还存在多个的成像通道，因此，促使成像光学系统的厚度以及体积得到了有效的降低，这也符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值。

基于上述结构，介绍下本申请非制冷热红外焦平面器件的工作过程。

当目标红外光通过红外透射板11照射到热光像素阵列上时，红外吸收层的温度上升引起FP微腔的反射谐振谱发生偏移，在光波导式照明的照射下，FP 微腔以及纳米粒子层组成的耦合系统激发背向散射光，背向散射光通过光学角度滤波板12进入光学成像模块20，在光学成像模块20中经过第一光阑阵列23 以及第二光阑阵列24的视场约束后，经过微透镜阵列26成像到图像传感器22 上，由图像传感器22将得到的低分辨子像经过视场拼接以及图像重构，得到最终的红外辐射图像。

从上述内容可以总结得到，针对非制冷热红外焦平面器件的红外成像，相比于现有光学读出方案中采用的明场反射光读出机制，本申请提供的非制冷热红外焦平面器件的器件结构，由于采用的暗场散射光读出机制，因此可具有更低的来自于反射光的噪声以及更高的灵敏度，在一定程度上可减少非制冷热红外焦平面器件存在的电路读出噪声和光学读出噪声，进而提升非制冷热红外焦平面器件的性能；

其次，由于采用光学角度滤波板，反射LED阵列发射的大角度范围光及透射来自热光像素阵列表面纳米粒子的小角度散射光，形成波导式照明和散射光透射的复合功能，在照明结构上具有多芯片集成特征，更为紧凑，符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值；

此外，由于阵列成像板在具有超薄特性的基础上，还存在多个的成像通道，因此，促使成像光学系统的厚度以及体积得到了有效的降低，这也符合红外成像设备的小型化发展趋势，具有更高的实际应用价值。

以上是本申请提供非制冷热红外焦平面器件的介绍，为便于更好的实施本申请提供的非制冷热红外焦平面器件，本申请还提供了一种红外成像设备。

容易理解，红外成像设备，其配置了本申请所提供的非制冷热红外焦平面器件，通过非制冷热红外焦平面器件进行红外成像处理，实现设备的红外成像功能。

该红外成像设备，可以为红外成像仪这类专门用于执行红外成像功能的设备，例如手持式红外成像仪，或者为与台式机、笔记本电脑甚至服务器等工作站建立连接、实时传输红外图像的安装式红外成像仪，例如悬挂式的红外成像仪)。

甚至的，该红外成像设备，还可以是以模块化的设备形式存在，从而可移植、装配至其他需要部署红外成像功能的设备中，例如由于具有紧凑和薄型结构的优点，故可集成到智能手机和便携式智能装备中。

显然，本申请所提供的红外成像设备，在实际应用中的设备存在形式，可随实际需要调整，在此不做具体限定。

以上对本申请提供的非制冷热红外焦平面器件以及红外成像设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

Claims (10)

1.一种非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，沿预设的红外光进入方向，所述非制冷热红外焦平面器件包括红外探测模块以及光学成像模块；

所述红外探测模块由红外透射板以及光学角度滤波板构成，所述红外透射板以及所述光学角度滤波板之间由外侧的第一间隔层键合并形成封闭的真空腔体；

在所述真空腔体中，所述红外透射板的内表面通过多个的支撑介质层分别支撑对应的热光像素单元以形成热光像素阵列，所述热光像素单元包括红外吸收层、FP微腔以及纳米粒子层，在所述热光像素阵列外侧还设有与所述热光像素阵列表面齐平的光学吸收层，所述光学角度滤波板由光学透明玻璃衬底及光学透明玻璃衬底内表面上的角度滤波膜层构成，所述光学透明玻璃衬底在所述角度滤波膜层的外侧还设有LED发光阵列；

所述光学吸收层用于吸收可见光或近红外光，所述LED发光阵列发出的可见光或近红外光，在热光像素阵列表面和光学角度滤波板之间经过多次反射，形成波导式照明；

所述光学成像模块由阵列成像板以及图像传感器构成，所述阵列成像板的光学玻璃衬底表面设有第一光阑阵列、孔径大小与所述第一光阑阵列不同的第二光阑阵列、光学透明填充层以及微透镜阵列，所述光学透明填充层与所述图像传感器之间由外侧的第二间隔层键合；

所述第一光阑阵列以及所述第二光阑阵列用于控制所述微透镜阵列对散射光的接收角，以限制每个成像通道的成像视场角，避免在图像传感器上出现通道串扰，所述第二间隔层用于控制所述微透镜阵列到所述图像传感器的光敏阵列之间的成像间距；

在工作过程中，当目标红外光通过所述红外透射板照射到所述热光像素阵列上时，所述红外吸收层的温度上升引起所述FP微腔的反射谐振谱发生偏移，在所述光波导式照明的照射下，所述FP微腔以及纳米粒子层组成的耦合系统激发背向散射光，所述背向散射光通过所述光学角度滤波板进入所述光学成像模块，在所述光学成像模块中经过所述第一光阑阵列以及所述第二光阑阵列的视场约束后，经过所述微透镜阵列成像到所述图像传感器上，由所述图像传感器将得到的低分辨子像经过视场拼接以及图像重构，得到红外辐射图像。

2.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，在所述热光像素单元中，所述FP微腔包括第一反射层、热光材料层以及第二反射层。

3.根据权利要求2所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述第一反射层以及所述第二反射层由TiO₂材料制得；所述热光材料层由热光系数大于10^-4K^-1的材料制得。

4.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述LED发光阵列发出的可见光或近红外光线照射到热光像素阵列上的最小角度不小于30°。

5.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述光学角度滤波板的内表面设有微纳结构，以透射小于角度30°的可见光或者近红外光，并反射大于30°的可见光或者近红外光。

6.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述角度滤波膜层由TiO₂或者SiO₂材料制得。

7.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述支撑介质层为空心的圆柱形结构，所述支撑介质层由SiO₂材质制得。

8.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述红外吸收层吸收的红外光的波段为3微米-5微米的波段，或者为8微米-12微米的波段。

9.根据权利要求1所述的非制冷热红外焦平面器件，其特征在于，所述真空腔体的真空度小于1Pa。

10.一种红外成像设备，其特征在于，所述红外成像设备包括如权利要求1至9中任一项所述的非制冷热红外焦平面器件，并通过所述非制冷热红外焦平面器件进行红外成像处理。

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