[发明专利]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

说明书

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。

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。