[发明专利]基于MEMS红外成像系统的反射式光学读出系统

说明书

■技术领域

本发明是基于FPA非制冷红外成像技术的一种光学读出系统。该读出系统针对目前的读出系统结构过于庞大且灵敏度低的问题，发明出的一种新的光学读出系统。该系统使用反射镜代替了原始的透镜成像，且使用了反射滤波器代替了传统的滤波器，使得系统更加紧凑，轻便，设计自由度更大，并在一定程度上增加了系统探测的灵敏度。

■背景技术

无论是国内还是国外，基于MEMS的新型光学读出式FPA热成像技术越来越受到重视。光读出式非制冷红外成像系统与传统的电读出方式相比，总结起来有以下几方面优点：

1.基于微悬臂梁的非制冷红外成像系统的核心敏感器件能够在室温下工作，且不需要制冷设备。

2.由于采用的是光学读出方式，不存在电能转热能的现象，所以读出系统不会在探测器上产生附加的热能。

3.不需要在像素间进行交叉布线和电子扫描束，容易增加探测器上像素的数量，不引入制作难度和成本，降低了制作的复杂度和生产成本。

4.不需要探测单元间在腿部进行金属连接，从而能够在探测单元和基底之间实现良好的热隔离，这样使得每个像素的热隔离能够达到辐射极限。

5.微悬臂梁阵列现在采用能够与Si制作工艺兼容的微加工工艺，因此很大程度上降低了开发和制作成本。

根据以上介绍的几个优点，现在国内外都对新型光学读出式非制冷红外成像系统的性能和集成进行了广泛和深入的探究。

目前，非制冷红外成像系统用于读出FPA微悬臂梁偏转角的光学读出系统大多基于透射式的4f系统，且使用刀口、小孔、狭缝、方孔等的滤波方式。以小孔滤波方法为例：小孔滤波读出系统是通过红外透镜将红外线聚焦在FPA上，FPA在真空腔内，光源为可见光LED。LED发出的光经准直元件后成为平行光，该平行光照射在FPA上并经FPA反射。从FPA反射的光束通过第一个成像透镜成为会聚光，并会聚在焦面上的小孔附近。因为每个反射小单元的偏转角度不同，会使这些光线在小孔板上的会聚位置不同，只有当会聚位置和小孔位置合适时，这些光线才能够通过小孔及第二个成像透镜。当这些光线通过第二个成像透镜后，会成为平行光并在CCD上成像。当环境中没有红外热辐射物体时，各个悬臂梁小单元的偏转角度相同，因此准直后的平行光经FPA反射后具有相同的方向，通过第一个成像透镜后会聚焦在一起，且焦点的位置全部重叠，使CCD接收到的FPA上每个小单元的反射光经过小孔后的光强相同，因此输出图像各个位置的灰度值相同。当环境中存在热物体时，由于各个小单元受热不同而偏转不同的角度，导致经FPA反射的光束的方向不同，使得该光束通过第一个成像透镜聚焦后焦点不重合，因此通过小孔的光强发生变化，最终导致CCD上接收到的光强发生变化，得到灰度值不同的图像输出。这种方法的探测灵敏度不仅与探测目标黑体的温度有关，还与LED的发光强度和CCD的灵敏度有关。该系统无需隔振，易实现阵列测量。但是该系统的空间分辨率和探测灵敏度无法同时提高，空间分辨率不够且图像不清晰等。总结起来，透射式的光学读出系统存在以下几方面的缺陷：

1.系统结构尺寸较大，不利于小型化和便携。

2.空间分辨率和探测灵敏度没法同时提高，空间分辨率不够且图像不够清晰。

3.滤波器大多使用刀口、小孔或狭缝等，系统缺陷(比如FPA的制造缺陷，小单元初始的形态不一致以及光学器件产生的像差等)对成像的影响较大。

4.位相互补式的滤波器很难实现且容易受到空气扰动的影响。

与透射式的光学读出系统不同，反射式的光学读出系统是利用反射的光学元件，并且使用和传统滤波器位相互补的反射滤波器。与传统的4f系统的滤波器(如小孔，狭缝等)相比，反射滤波器是与传统滤波器互补的形式，也就是用圆点或方点的方法。使用透射式的4f系统很难实现使用圆点、方点作为滤波器，较难实现窄带滤波器的形式，并且还容易受到空气扰动的影响。除此之外，传统的小孔滤波的方式的不容易找到最佳滤波位置。

■发明内容：

本发明的目的是利用反射式4f系统成像性能，使用反射滤波器，将微悬臂梁阵列的受热转角转化为光强信号。