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光学读出非致冷红外成像技术

供稿人:istis  供稿时间:2004-9-30   关键字:光学读出  非致冷  红外成像  
摘要  红外成像技术是现代核心军事技术之一,在民用领域亦具有广泛的应用,但其昂贵的价格限制了其应用范围。由于非制冷红外焦平面阵列技术的突破与实用化,光学读出非致冷热成像技术有望实现廉价而高性能的红外探测。本文重点介绍了一种新颖的微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像系统,并与其他光学读出焦平面阵列成像技术进行了比较。
 
1 引言
 
上世纪九十年代,由于非制冷红外焦平面阵列技术的突破与实用化,使得非制冷热像仪具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等技术优势,使其在民用方面逐步得到广泛应用,几乎涉及到社会生活的方方面面,如:火灾救人、半导体制造工艺监控、非典测温、车船夜行、电力设备故障检测、环境保护等方面,其市场前景十分可观。但是,国外的非制冷热成像系统的高端产品对我国来说属禁运一类;中低端产品价格依然昂贵,整机价格大约在5万美元左右,这是国内使用单位难以承受的。研制我国拥有自主知识产权的高性能、低价格的非制冷红外成像系统成为当务之急。
 
目前,国内外非致冷红外探测器阵列的研制大致可以归为两类:电学读出焦平面阵列技术[1-5],光学读出焦平面阵列技术[6-9]。与电学读出系统比较,光学读出系统由于采用全光系统,不需要复杂的读出电路,可降低系统制备成本,已成为新的研发热点。
 
2 系统结构
 
一种新颖的微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像系统包括三部分:红外光学系统;法布里-泊罗微腔红外探测器阵列(由固定镜面、可动微镜列阵、硅框架、滤波片构成,可动微镜列阵和固定镜面构成m×n 的F-P 微腔列阵,可动微镜镜面由固定在硅基片上的双层材料弯折梁支撑);可见光读出部分(由激光器、半透镜和CCD 构成) 。系统结构如下图所示:

其工作原理为:探测目标的红外辐射进入F-P微腔列阵,其热效应导致双层材料弯折梁发生弯曲形变,使得可动微镜发生位移,引起入射可见光被反射后光程差改变,从而由CCD探测到多光束干涉成像。
  
3 讨论
 
 这种新颖的热成像系统与报道的其他光学读出焦平面阵列技术比较,在结构、材料、工艺和成像方式上都进行了创新,结果如下表:
 
参考文献
文献[6]
文献[7]
文献[8]
文献[9]
 
核心结构
Fabry-Perot微腔红外探测器阵列
含VO2膜的芯片
双材料微悬臂梁阵列
双材料微悬臂梁阵列
 
关键材料
铝(金)/氧化硅(氮化硅)
VO2
硅/铝
氮化硅/金
 
主要工艺
硅/玻璃键合,深反应离子刻蚀等体硅微机械技术
融胶-凝胶法,溅射法
MEMS,蒸镀
MEMS,湿法释放
 
 
成像方式
可动微镜阵列受热后移动改变可见光多光束干涉强度
VO2膜受热后改变可见光透射率
微悬臂梁阵列受热后影响聚焦效应使可见光透射衍射强度改变
双材料微悬臂梁阵列受热后偏转改变反射后的可见光衍射强度
 
从上表可知,该系统由于采用多光束干涉读出红外信号,理论上比文献[7]具有更高的探测灵敏度;与文献[8]比较,由于采用铝(金)/氧化硅(氮化硅)材料,可克服Si/Al材料在8-14 μm波段低吸收率的不足,更适用于红外探测,而且,该系统采用F-P微腔阵列,可克服散焦效应,提高系统灵敏度;与文献[9]比较,该系统在制作F-P微腔阵列时就实现了红外敏感元件的真空封装,避免了将制备的器件放在专门的容器中进行真空封装,此外,该系统采用干法释放,避免了湿法释放对像素的破坏,更有利于保证像素的完好率。
 
4 结论
 
光学读出非致冷红外成像系统为全光系统,可以在室温下工作,无需笨重的制冷设备和复杂的读取电路。采用微机械法布里-泊罗腔阵列作为核心结构,利用多光束干涉原理读取红外信号,不仅可使系统的结构紧凑简洁、探测灵敏度较高,而且易于大规模集成。因此,这种系统重量轻,能耗少、价格优势明显,可以获得更加良好的市场推广。
 
参考文献:
[1] 金友(编译),非冷却式红外探测器阵列探测图像,光机电信息 15(4),1998,P23-26.
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[4]  R. Amantea, C.M. Knoedler, F. P. Pantuso, et al. An uncooled IR imager with 5 mK NETD. Proceeding of SPIE, 3061, 1997: 210-222.
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[6] 冯飞,焦继伟等,一种新颖的基于MEMS技术的光学读出热成像系统性能分析与制作,红外与毫米波学报23(2),P125-130.
[7] 陆卫,潘梅等,中国发明专利02111390.4,室温光学读出红外焦平面探测器,中国科学院上海技术物理所.
[8] S.R.Manalis, S.C.Minne, C.F.Quate,Two-dimensional micromechanical bimorph arrays for detection of thermal radiation,Applied Physics Letters 70(24),1997,P3311-3313.
[9] T.Perazzo, M.Mao, O.Kwon, A.Majumdar,Infrared vision using uncooled micro-optomechanical camera,Applied Physics Letters 74(23), 1999, P3567-35694.

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